[논문 리뷰] A Contemporary Survey on Free Space Optical Communication: Potential, Technical Challenges, Recent Advances and Research Direction

Abu Jahid, Mohammed H. Alsharif외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 472인용 수 9

한 줄 요약

이 종합적 서베이는 5G/B5G 및 IoT 네트워크의 고대역폭, 스펙트럼 효율적인 대안으로서의 자유공간광(Free Space Optical, FSO) 통신에 대한 포괄적인 분석을 제공한다. FSO의 잠재력과 대기 흐릿함, 반사광 현상 등의 기술적 과제, MIMO, RoFSO 및 SDN 통합 분야의 최근 발전을 평가하며, 향후 테라비트/초 수준의 백홀 및 초밀도 네트워크를 위한 하이브리드 FSO/RF 시스템이 핵심 솔루션으로서의 역할을 규명한다.

ABSTRACT

Optical wireless communication (OWC) covering an ultra-wide range of unlicensed spectrum has emerged as an extent efficient solution to mitigate conventional RF spectrum scarcity ranging from communication distances from nm to several kilometers. Free space optical (FSO) systems operating near IR (NIR) band in OWC links has received substantial attention for enormous data transmission between fixed transceivers covering few kilometers path distance due to high optical bandwidth and higher bit rate as well. Despite the potential benefits of FSO technology, its widespread link reliability suffers especially in the long-range deployment due to atmospheric turbulence, cloud induced fading, some other environmental factors such as fog, aerosol, temperature variations, storms, heavy rain, cloud, pointing error, and scintillation. FSO has the potential to offloading massive traffic demands from RF networks, consequently the combined application of FSO/RF and radio over FSO (RoFSO) systems is regarded as an excellent solution to support 5G and beyond for improving the limitations of an individual system. This survey presents the overview of several key technologies and implications of state-of-the-art criteria in terms of spectrum reuse, classification, architecture and applications are described for understanding FSO. This paper provides principle, significance, demonstration, and recent technological development of FSO technology among different appealing optical wireless technologies. The opportunities in the near future, the potential challenges that need to be addressed to realize the successful deployment of FSO schemes are outlined.

연구 동기 및 목표

• 연결된 기기에서 기인하는 급격한 데이터 트래픽 증가로 인해 RF 기반의 5G 및 IoT 네트워크에서 스펙트럼 부족 현상을 해결한다.
• 대기 흐릿함, 반사광 현상, 조준 오차, dense, 비와 안개와 같은 환경적 요인을 포함한 FSO 시스템의 주요 기술적 과제를 규명한다.
• MIMO-FSO, 라디오 오버 FSO(RoFSO), 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN) 통합을 포함한 FSO 기술의 최근 발전을 검토하여 성능 향상을 도모한다.
• 단독 시스템의 한계를 극복하고 신뢰성 있는 고대역폭 백홀 및 액세스 네트워크를 실현하기 위해 하이브리드 FSO/RF 및 FSO-IoT 아키텍처를 제안한다.
• 향후 연구 방향으로는 업링크 최적화, 네트워크 가상화, 광학적 위치 측정 기술을 제시하여 다양한 환경에서의 원활한 구현을 지원한다.

제안 방법

• 2010년부터 2022년까지의 FSO 문헌을 체계적으로 조사하여 대기 잡음 완화를 위한 채널 모델링, 적응형 변조 및 다양성 기법을 중심으로 분석한다.
• 링크 예산 분석 및 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 비트 오류율(BER) 등의 성능 지표를 활용해 하이브리드 FSO/RF 및 RoFSO 시스템을 분석한다.
• FSO 네트워크에 SDN 기반 제어를 통합하여 동적 트래픽 관리, 네트워크 재루팅, 에너지 효율적인 데이터 흐름 제어를 가능하게 한다.
• 공간 multiplexing 및 beamforming 기법을 활용해 MIMO-FSO 시스템의 용량과 신뢰성을 향상시키며, 시선 간 및 비시선 환경 모두에서 성능을 개선한다.
• 글로벌 연구 기구에서 수행한 실험 및 시뮬레이션 결과를 검토하여 실제 구현 환경에서의 성능 향상을 검증한다.
• 특히 하이브리드 RF/FSO 및 FSO-IoT 시스템에서 물리 계층 및 데이터 링크 계층 간의 QoS 최적화를 위해 크로스 레이어 설계 원칙을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FSO 통신은 5G/B5G 및 IoT 네트워크의 스펙트럼 부족 문제와 고속 데이터 요구를 어떻게 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 FSO 링크 신뢰성에 영향을 미치는 주요 대기 및 환경적 손상 요인은 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 단독 RF 또는 FSO 시스템과 비교했을 때, 하이브리드 FSO/RF 및 RoFSO 시스템은 스펙트럼 효율성, 신뢰성, 에너지 효율성 측면에서 얼마나 향상될 수 있는가?
• RQ4 SDN 및 네트워크 가상화는 FSO 기반 백홀 및 액세스 네트워크의 확장성, 제어 능력 및 QoS 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 업링크 FSO 전송, 광학적 위치 측정, IoT 및 우주 통신 시스템과의 원활한 통합을 위한 주요 과제와 연구 기회는 무엇인가?

주요 결과

• FSO 통신은 실내 환경에서 최대 100 Gb/s의 데이터 전송 속도를 지원하며, 라이센스가 없는 광스펙트럼 덕분에 초저지연, 고보안, 간섭 없는 전송을 제공한다.
• 대기 난류, 안개, 비, 반사광 현상 등이 장거리 FSO 링크 신뢰성에 영향을 미치는 주요 장애 요인으로 작용하며, 극한 조건에서 안개로 인해 최대 30 dB의 링크 감쇠가 발생할 수 있다.
• 하이브리드 FSO/RF 및 RoFSO 시스템은 RF 및 광대역의 장점을 결합함으로써 스펙트럼 효율성과 링크의 강건성을 크게 향상시키며, 특히 도시 및 이동 환경에서 유리하다.
• MIMO-FSO 시스템은 공간 멀티plexing를 통해 다양성 이득과 용량 증가를 달성하며, 최적화된 채널 조건에서 BER 향상이 최대 10⁻⁶까지 가능하다.
• SDN 통합은 지능적인 흐름 제어를 통해 FSO 백홀 네트워크에서 실시간 트래픽 재루팅 및 에너지 효율성 향상을 30~40% 달성할 수 있도록 동적 네트워크 제어를 가능하게 한다.
• 5G/B5G 및 IoT 환경에서의 향후 FSO 도입을 위해서는 업링크 과제, 광학적 위치 측정 정확도 향상, 크로스 레이어 QoS 최적화를 해결할 필요가 있으며, 특히 이동 및 실내 환경에서 중요하다.