[논문 리뷰] Maritime Communications: A Survey on Enabling Technologies, Opportunities, and Challenges

Fahad S. Alqurashi, Abderrahmen Trichili외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Optical Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 종합적 서베이는 RF 및 광대역 대역, 채널 모델링, 변조, 자원 관리 및 선박 인터넷과 수중 IoT와 같은 신규 응용 분야를 포함한 해양 통신 기술을 포괄적으로 분석한다. 깊은 바다의 고속 대역폭 접근과 다매체 간 통신과 같은 주요 과제를 밝히며, 테라헤르츠 및 가시광선 통신, 기계학습 기반의 전파 모델링과 같은 향후 연구 방향을 제안한다.

ABSTRACT

Water covers 71% of the Earth's surface, where the steady increase in oceanic activities has promoted the need for reliable maritime communication technologies. The existing maritime communication systems involve terrestrial, aerial, and satellite networks. This paper presents a holistic overview of the different forms of maritime communications and provides the latest advances in various marine technologies. The paper first introduces the different techniques used for maritime communications over the RF and optical bands. Then, we present the channel models for RF and optical bands, modulation and coding schemes, coverage and capacity, and radio resource management in maritime communications. After that, the paper presents some emerging use cases of maritime networks, such as the Internet of Ships (IoS) and the ship-to-underwater Internet of things (IoT). Finally, we highlight a few exciting open challenges and identify a set of future research directions for maritime communication, including bringing broadband connectivity to the deep sea, using THz and visible light signals for on-board applications, and data-driven modeling for radio and optical marine propagation.

연구 동기 및 목표

• 선박 운항, 해양 에너지 개발, 관광 활동 증가로 인한 해양 통신의 신뢰성과 고속성에 대한 증가하는 수요를 해결하기 위해.
• 기존 시스템—특히 4G/5G 및 위성 네트워크—의 커버리지, 비용, 대역폭 및 깊은 바다 연결성 측면에서의 한계를 규명하기 위해.
• 자유공간 광학(FSO), 드론(UAV), 하이브리드 RF-FSO 시스템과 같은 신규 기술을 탐색하여 데이터 전송 속도와 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 환경 및 운영 모니터링을 위한 선박 인터넷(IoS)과 선박-수중 IoT(IoUT)와 같은 새로운 응용 사례를 조사하기 위해.
• 개방 과제를 부각하고, 테라헤르츠 및 가시광선 통신, 해양 전파 채널의 데이터 기반 모델링을 포함한 향후 연구 방향을 제안하기 위해.

제안 방법

• RF(VHF, UHF, HF) 및 광학(FSO) 대역을 포함한 기존 해양 통신 기술을 조사하고 분류하여 전파 특성과 한계를 분석하기 위해.
• 기상 조건, 해면 반사, 대기 난류를 고려한 RF 및 FSO 링크의 채널 모델을 검토하고 비교하기 위해.
• 변조 및 코딩 방식(QAM, OOK, DPSK), 무선 자원 관리(RRM), 해양 네트워크 내 에너지 효율성 등을 분석하기 위해.
• 다양한 해양 환경에서의 흐림 현상을 완화하고 신뢰성을 향상시키기 위해 RF와 FSO를 융합한 하이브리드 통신 아키텍처를 조사하기 위해.
• 공기-물 간 인터페이스 문제에 초점을 맞춰, 공기-물 간 통신 기술(예: 레이저 기반 진동 검출)을 연구하기 위해.
• 기계학습 및 AI를 활용해 해양 환경에서의 무선 및 광학 전파 전파 모델링을 제안하기 위해, FSO의 광도 변화 및 포인터 오류 포함.

Figure 1: Maritime communication use cases.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RF 및 광대역 대역에서 고용량 해양 통신을 위한 핵심 기반 기술과 시스템 아키텍처는 무엇인가요?
• RQ2 기상 조건, 해파, 대기 난류와 같은 환경 요인이 해양 환경에서의 RF 및 FSO 전파에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 해양 응용 분야에서 하이브리드 RF-FSO 시스템의 성능 한계와 설계 과제는 무엇인가요?
• RQ4 기계학습은 복잡한 해양 환경에서의 무선 및 광학 파동 전파 모델링을 어떻게 향상시킬 수 있나요?
• RQ5 깊은 바다 및 수중 통신 네트워크에서 대역폭 연결성을 달성하기 위한 개방 과제와 향후 연구 방향은 무엇인가요?

주요 결과

• VHF/UHF 및 위성 링크 기반의 기존 해양 통신 시스템은 특히 해안 지역을 초월한 지역에서 대역폭과 커버리지 측면에서 제한을 받는다.
• 자유공간 광학(FSO)은 고속 데이터 전송을 가능하게 하지만, 해양 운동으로 인한 포인터 오류와 dense 안개 및 대기 난류로 인한 신호 감쇠로 인해 문제가 된다.
• 하이브리드 RF-FSO 시스템은 RF의 다중성 이득과 FSO의 높은 대역폭을 조합함으로써 신뢰성과 용량을 향상시킬 수 있다.
• 공기-물 간 인터페이스를 넘는 다매체 간 통신은 여전히 거의 탐색되지 않은 분야이며, 신호 반사, 굴절 및 감쇠로 인해 큰 과제를 안고 있다.
• 해양 무선 및 광학 전파 전파의 기계학습 기반 모델링은 신호 감쇠 예측 및 링크 성능 최적화에 있어 잠재력을 보이고 있다.
• 향후 연구는 선내 응용을 위한 테라헤르츠 및 가시광선 통신에 집중해야 하며, 깊은 바다의 고속 대역폭 연결성을 위한 견고하고 확장 가능한 솔루션 개발이 필요하다.

Figure 2: Electromagnetic spectrum in frequency and wavelength. ELF: extremely low frequency; VLF: very low frequency; LF: low frequency; MF: middle frequency; HF: High frequency; VHF: very high frequency; UHF: ultra high frequency: SHF: super high frequency; EHF: extremely high frequency; IR: infra