[論文レビュー] Statistical Studies of Fading in Underwater Wireless Optical Channels in the Presence of Air Bubble, Temperature, and Salinity Random Variations (Long Version)

Mohammad Vahid Jamali, Ali Mirani+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2018

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、水中無線光チャネルにおける乱流の統計的減衰を、温度・塩分・気泡の変動がランダムに発生する条件下で実験的に調査している。ビームコリメータとアパーチャ平均化レンズを用いて、一般化されたガンマ分布および指数ウェイブール分布が、強度から中程度の減衰データに最もよく適合することを示している。また、コherence time（コherーロン時間）は10⁻³秒を超えており、これはゆっくりとした減衰の挙動を示しており、耐障害性の高いシステム設計に適している。

ABSTRACT

Optical signal propagation through underwater channels is affected by three main degrading phenomena, namely absorption, scattering, and fading. In this paper, we experimentally study the statistical distribution of intensity fluctuations in underwater wireless optical channels with random temperature and salinity variations as well as the presence of air bubbles. In particular, we define different scenarios to produce random fluctuations on the water refractive index across the propagation path, and then examine the accuracy of various statistical distributions in terms of their goodness of fit to the experimental data. We also obtain the channel coherence time to address the average period of fading temporal variations. The scenarios under consideration cover a wide range of scintillation index from weak to strong turbulence. Moreover, the effects of beam-collimator at the transmitter side and aperture averaging lens at the receiver side are experimentally investigated. We show that the use of a transmitter beam-collimator and/or a receiver aperture averaging lens suits single-lobe distributions such that the generalized Gamma and exponential Weibull distributions can excellently match the histograms of the acquired data. Our experimental results further reveal that the channel coherence time is on the order of $10^{-3}$ seconds and larger which implies to the slow fading turbulent channels.

研究の動機と目的

• 現実的な環境変動下における水中無線光チャネルの統計的減衰を包括的にモデル化すること。
• さまざまな統計的分布（例：対数正規分布、ガンマ分布、一般化されたガンマ分布、指数ウェイブール分布）が実験的強度変動データにどの程度適合するかを評価すること。
• 送信側ビームコリメータと受信側アパーチャ平均化レンズが、減衰統計および分布適合に与える影響を調査すること。
• チャネルコherーロン時間を測定・分析し、水中光リンクにおける減衰ダイナミクスを特定すること。
• 今後の水中光通信（UWOC）システムの数学的モデリングおよび性能評価のためのベンチマーク実験データを提供すること。

提案手法

• 伝送路に沿って水温および塩分を制御的に変化させることで、屈折率の変動を誘発した。
• 水中に気泡を導入し、ダイバー活動や自然要因に起因する現実の乱流を模擬した。
• 送信側にビームコリメータ、受信側にアパーチャ平均化レンズを設置し、ビーム拡散およびスニペット（強度変動）を低減した。
• 弱いから強い乱流に至るまで、スニペット指数の異なる多様な状況で実験的強度トレースを収集した。
• コルモゴロフ＝スミルノフ検定やアンダーソン＝ダーリング検定などの適合度検定を用い、実測データと理論的分布の比較を行った。
• 放射照度の自己共分散を計算することでチャネルコherーロン時間を推定し、強度変動の時間的相関の減衰を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度・塩分・気泡に起因する乱流が併存する状況下で、水中光チャネルの強度変動を最もよくモデル化する統計的分布は何か？
• RQ2 ビームコリメータとアパーチャ平均化レンズの使用が、実験的UWOCチャネルにおける単一ラobeの減衰分布の適合精度にどのように影響するか？
• RQ3 さまざまな乱流条件下における水中光チャネルの典型的なコherーロン時間は何か？また、これはゆっくりとした減衰仮定を支持するか？
• RQ4 どのような状況で、対数正規分布やガンマ分布といった単純な分布が減衰をモデル化できず、より複雑な分布がより良い適合を示すか？
• RQ5 スニペット指数の異なる水準が、UWOCシステムにおける最適な統計的モデル選定にどのように影響するか？

主な発見

• 一般化されたガンマ分布および指数ウェイブール分布が、特に気泡が乱流を支配する状況では、中程度から強い減衰条件下の実験データに最もよく適合する。
• 対数正規分布やガンマ分布といった単純な分布は、弱いから中程度の乱流では正確に減衰をモデル化できるが、強い乱流または高密度の気泡条件下ではその性能が著しく低下する。
• 送信側のビームコリメータおよび／または受信側のアパーチャ平均化レンズの使用により、ビーム拡散とスニペットが低減され、単一ラobeの分布への適合性が向上した。
• 全テスト条件下でチャネルコherーロン時間が10⁻³秒を超えており、減衰はゆっくりとしたものであり、数千～数百万ビットにわたる連続的なビット列においてチャネルが一定と見なせることを確認した。
• 放射照度自己共分散解析から、時間的相関がゆっくりと減衰することが示され、全テスト条件下でゆっくりとした減衰仮定が支持された。
• 実験データから、気泡が顕著な強度変動を引き起こす場合、特にスニペット指数が高い状況では、二ラobeの分布（例：混合指数関数・対数正規分布）が必要であることが明らかになった。