[論文レビュー] Performance Characterization of Relay-Assisted Wireless Optical CDMA Networks in Turbulent Underwater Channel

Mohammad Vahid Jamali, Farhad Akhoundi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、吸収、散乱、乱流による対数正規フェージングの影響を受ける海底無線光通信（UWOC）において、中継を支援する光CDMA（OCDMA）ネットワークを提案する。マルチホップ伝送とチップ検出・フォワード中継を用い、直交コードを適用することで、90 mのリンクにおいて10⁻⁶のBERで最大32 dBの改善が達成され、最適な中継ノード配置により性能が顕著に向上する。

ABSTRACT

In this paper, we characterize the performance of relay-assisted underwater wireless optical code division multiple access (OCDMA) networks over turbulent channels. In addition to scattering and absorption effects of underwater channels, we also consider optical turbulence as a log-normal fading coefficient in our analysis. To simultaneously and asynchronously share medium among many users, we assign a unique optical orthogonal code (OOC) to each user in order to actualize OCDMA-based underwater network. The most significant challenge in underwater optical communication is in the ability to extend the short range of its coverage. In order to expand the viable communication range, we consider multi-hop transmission to the destination. Moreover, we evaluate the performance of a relay-assisted point-to-point UWOC system as a special case of the proposed relay-assisted OCDMA network. Our numerical results indicate significant performance improvement by employing intermediate relays, e.g., one can achieve $32$ {dB} improvement in the bit error rate (BER) of $10^{-6}$ using only a dual-hop transmission in a $90$ {m} point-to-point clear ocean link.

研究の動機と目的

• 吸収、散乱、乱流の影響により制限される海底無線光通信（UWOC）の通信距離を改善すること。
• 累積的な経路損傷を低減するために、マルチホップ中継伝送を用いることで、長距離UWOCにおけるシステム性能を向上させること。
• 対数正規フェージングおよび乱流チャネル状態下での中継支援OCDMA-UWOCネットワークのBER性能を特定すること。
• 中継ノードの配置と送信ビーム発散角がシステム性能に与える影響を評価すること。
• チップ検出・フォワード中継と直交コードを用いることで、効率的な多重アクセスと干渉の低減が可能になることを示すこと。

提案手法

• 光の乱流を表すために、対数正規フェージングを用いた海底チャネルモデルを構築し、吸収および散乱効果と組み合わせる。
• 複数ユーザー多重アクセスのための光直交コード（OOC）を適用し、複数アクセス干渉（MAI）を低減する非同期ユーザー多重を可能にする。
• チップ検出・フォワード中継を採用：中継局は光子数に基づくガウス近似を用いてチップを検出・再送信する。
• チャネル損失係数および閃光インデックスを含む統計的チャネルモデルを用いて、エンドツーエンドのビット誤り率（BER）を定式化する。
• 異なるホップ長およびビーム発散角を想定した、さまざまなネットワークトポロジーのシミュレーションにより、性能のトレードオフを評価する。
• 送信ユーザー数およびコードウェイトの変動を考慮した、上行リンクおよび下行リンクのBER式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流下の長距離海底光CDMAネットワークにおいて、マルチホップ中継伝送はBER性能をどのように向上させるか？
• RQ2 マルチホップUWOCリンクにおける中継ノードの配置がBER性能に与える影響は何か？
• RQ3 送信ビーム発散角の変化が、中継支援UWOCシステムの性能に与える影響は何か？
• RQ4 複数アクセス干渉（MAI）がシステム性能を劣化させる条件は何か。逆に、MAIがどのように低減されるか？
• RQ5 チップ検出・フォワード中継は、長距離アプリケーションにおけるUWOCの実用性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 澄んだ海洋環境下の90 mリンクにおいて、二ホップ伝送は直接リンクと比較して10⁻⁶のBERで最大32 dBの性能向上を達成し、顕著な改善効果を示した。
• 最適な中継ノード配置は性能を顕著に向上させる：Mode IV（25 m, 40 m, 25 mホップ）はMode VI（20 m, 50 m, 20 mホップ）と比較して、BER = 10⁻⁶の条件下で約7.5 dBの優位性を示した。
• 最初および最後のホップの送信機のビーム発散角を増加させると、システム性能が劣化するが、実装上の利点が得られる。
• ユーザー数がコードウェイト以下（M ≤ W）の場合、MAIは性能に影響せず、上行リンクと下行リンクのBERは同一となる。
• M > W の場合、上行リンクのBERは持続的なMAIにより飽和するが、同期伝送とMAI抑制により、下行リンクのBERは安定を保つ。
• 閃光インデックスおよび対数振幅分散は、リンク距離およびビーム発散角に応じて増加し、長距離UWOCにおける最適な中継ノード配置の重要性を裏付けた。