[논문 리뷰] Cellular Underwater Wireless Optical CDMA Network: Potentials and Challenges

Farhad Akhoundi, Mohammad Vahid Jamali외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 01.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이동 및 고정형 수중 사용자를 위한 고대역폭, 저지연 통신을 가능하게 하기 위해 광직교코드(OOCs)를 사용하는 셀룰러 수중 무선 광 CDMA(UW-OCDMA) 네트워크를 제안한다. 방향성 있는 송수신기, 전력 제어, WDM를 활용한 OOC 코드 재사용을 갖춘 OBTS를 도입함으로써 기존 OCDMA 대비 최대 3배 높은 대역폭을 구현하며, 시뮬레이션에서 적응형 전력 제어를 통해 6 dB의 SNR 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Underwater wireless optical communications is an emerging solution to the expanding demand for broadband links in oceans and seas. In this paper, a cellular underwater wireless optical code division multiple-access (UW-OCDMA) network is proposed to provide broadband links for commercial and military applications. The optical orthogonal codes (OOC) are employed as signature codes of underwater mobile users. Fundamental key aspects of the network such as its backhaul architecture, its potential applications and its design challenges are presented. In particular, the proposed network is used as infrastructure of centralized, decentralized and relay-assisted underwater sensor networks for high-speed real-time monitoring. Furthermore, a promising underwater localization and positioning scheme based on this cellular network is presented. Finally, probable design challenges such as cell edge coverage, blockage avoidance, power control and increasing the network capacity are addressed.

연구 동기 및 목표

• 군사 및 상업적 응용 분야에서 증가하는 고대역폭, 저지연 수중 통신 수요를 해결하기 위해.
• 수중 무선 광통신(UWOC)의 범위 제한 및 간섭 문제를 극복하기 위해 셀룰러 아키텍처를 도입하기 위해.
• OOCs를 사용한 광 CDMA를 통해 이동 및 고정형 수중 사용자에 대한 다중접속 기능을 제공하기 위해.
• 수중 센서 네트워크 및 정위치 기술에 응용 가능성을 탐색하여 실시간 모니터링 및 항법을 향상시키기 위해.
• 차단, 셀 엣지 커버리지, 전력 제어, 대역폭 제한 등의 주요 설계 과제를 식별하고 해결책을 제안하기 위해.

제안 방법

• 60개의 LED와 32개의 광검출기를 갖춘 방향성 있는 송수신기(OBTS)를 정육각형 셀 중심에 배치하여 3차원 공간 전역 커버리지 확보.
• 비동기 사용자 접근을 위한 고유한 서명 시퀀스로 광직교코드(OOCs)를 사용하여 중앙 집중식 제어 없이 간섭 없는 다중접속을 구현.
• 데이터 전송을 위해 온오프 키잉(OOK)과 강도 변조(IM)를 활용하여 수중 광채널과의 호환성 확보.
• 채널 품질에 따라 거리 기반 링(R=2,3)으로 사용자를 분할하는 전력 제어 알고리즘을 도입하여 BER 성능 향상.
• 세 개의 상호 배타적 코드 서브셋(S1, S2, S3)을 활용해 OBTS 간 OOC 코드 재사용을 통해 네트워크 대역폭 증가와 동시에 동일 주파수 간섭 최소화.
• 사용자에게 파장/코드 조합을 할당함으로써 대역폭을 추가로 확장하는 WDM과 OCDMA의 통합(WDM/OCDMA)을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 사용자를 지원하는 고대역폭, 다중접속 수중 통신을 위한 셀룰러 UW-OCDMA 네트워크 아키텍처는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 흡수, 산산이 흩날리는 현상, 난류 등 실제 수중 환경에서 UW-OCDMA의 주요 성능 제약 요소는 무엇인가?
• RQ3 전력 제어 전략은 수중 광망에서 BER 성능 향상과 에너지 효율성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 이웃 OBTS 간 간섭을 최소화하면서 네트워크 대역폭을 증가시키기 위해 어떤 코드 재사용 및 WDM 기법을 사용할 수 있는가?
• RQ5 제안된 UW-OCDMA 네트워크는 릴레이 지원 센서 네트워크 및 수중 정위치와 같은 고급 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 세 링 전력 제어 알고리즘(NR=3)을 사용할 경우, 균일한 전력 할당 대비 BER = 10⁻⁶에서 6 dB의 SNR 향상을 달성한다.
• 세 개의 상호 배타적 OOC 서브셋(S1, S2, S3)을 통한 코드 재사용은 (Nc/3) × N_OBTS의 네트워크 대역폭을 가능하게 하여 지원 가능한 사용자 수를 크게 증가시킨다.
• OCDMA와 WDM의 통합은 Nw가 가용 파장 수일 때 (Nw/3) × Nc × N_OBTS의 시스템 대역폭으로 확장되며, 이는 대역폭을 추가로 증가시킨다.
• 축구공 기하학을 활용한 60개의 LED와 32개의 광검출기를 갖춘 OBTS 설계로 인해 방향성 있는 커버리지가 가능해져 3차원 수중 공간에서 사용자 간 연결성 향상.
• 고대역폭 광링크와 저지연 전송 기반으로 실시간 영상 및 센서 모니터링과 같은 고속 응용을 지원한다.
• 다수의 OBTS에서의 도착 시간 측정 기반 정위치 기법을 통해 정밀한 수중 위치 결정이 가능하며, UUV 및 잠수부의 항법을 지원한다.