[논문 리뷰] Optical Wireless Communication Systems, A Survey

Osama Zwaid Alsulami, Ahmed Taha Hussein외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 30.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 168인용 수 8

한 줄 요약

이 종합적 서베이는 적외선(IRC) 및 가시광선 통신(VLC)을 사용한 실내 응용을 중심으로 광무선 통신(OWC) 시스템에 대한 포괄적인 안내서를 제공한다. 시스템 설계, 송수신기 아키텍처, 채널 모델링, 이동성 및 손상 요인을 다루며, 혼잡한 RF 대역대체로 고속(Tbps 수준) 솔루션을 제공하고 실용적인 보완 기법과 열린 연구 과제를 제시한다.

ABSTRACT

In the past few years, the demand for high data rate services has increased dramatically. The congestion in the radio frequency (RF) spectrum (3 kHz ~ 300 GHz) is expected to limit the growth of future wireless systems unless new parts of the spectrum are opened. Even with the use of advanced engineering, such as signal processing and advanced modulation schemes, it will be very challenging to meet the demands of the users in the next decades using the existing carrier frequencies. On the other hand, there is a potential band of the spectrum available that can provide tens of Gbps to Tbps for users in the near future. Optical wireless communication (OWC) systems are among the promising solutions to the bandwidth limitation problem faced by radio systems. In this paper, we give a tutorial survey of the most significant issues in OWC systems that operate at short ranges such as indoor systems. We consider the challenging issues facing these systems such as (i) link design and system requirements, (ii) transmitter structures, (iii) receiver structures, (iv) challenges and possible techniques to mitigate the impairments in these systems, (v) the main applications and (vi) open research issues. In indoor OWC systems we describe channel modelling, mobility and dispersion mitigation techniques. Infrared communication (IRC) and visible light communication (VLC) are presented as potential implementation approaches for OWC systems and are comprehensively discussed. Moreover, open research issues in OWC systems are discussed.

연구 동기 및 목표

• RF 대역(3 kHz–300 GHz)에서의 스펙트럼 혼잡으로 인한 고속 데이터 전송 요구 증가에 대응한다.
• 무선 주파수(RF) 시스템에 대한 실용적인 대안으로서, 비허가 광스펙트럼을 활용해 기가비트에서 테라비트당 초당 데이터 전송 속도를 달성하는 광무선 통신(OWC)을 탐색한다.
• 단거리 OWC 시스템의 핵심 기술적 과제, 즉 링크 설계, 송신기 및 수신기 구조, 신호 손상 요인을 조사한다.
• 실내 OWC를 위한 실용적 구현 플랫폼으로서 적외선(IRC) 및 가시광선 통신(VLC)의 잠재력을 검토한다.
• 미해결 연구 과제로는 이동성 관리, 분산 보완, 향후 네트워크를 위한 시스템 통합을 식별한다.

제안 방법

• 단거리 실내 응용과 그 기술적 요구사항에 중점을 두고 OWC 시스템에 대한 체계적 서베이를 수행한다.
• 송신기 및 수신기 아키텍처, 특히 OWC 시스템의 변조 방식 및 광검출기 설계를 분석한다.
• 통계적 및 기하학적 접근을 사용하여 OWC 채널을 모델링하며, 다중경로 영향 및 이동성에 의한 페이딩을 고려한다.
• 심화된 다중경로 간섭(ISI), 강도 왜곡, 이동성에 기인한 도플러 스프레드와 같은 신호 손상을 보완하기 위한 기법을 검토한다.
• 스펙트럼 효율성, 전력 효율성, 구현 가능성 측면에서 IRC 및 VLC 시스템을 비교한다.
• QoS, 이동성 지원, 다중 액세스 기법과 같은 시스템 수준 고려사항을 OWC에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 고속 데이터 전송 무선 네트워크에서 RF 스펙트럼 혼잡의 한계를 극복하기 위해 광무선 통신 시스템은 어떻게 해야 하는가?
• RQ2 특히 링크 예산, 이동성, 채널 모델링 측면에서 실내 OWC 시스템의 핵심 설계 과제는 무엇인가?
• RQ3 적외선(IRC)과 가시광선 통신(VLC)은 성능, 구현 방식, 응용 적합성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ4 OWC에서 ISI 및 강도 왜곡과 같은 손상을 보완하는 데 가장 효과적인 신호 처리 및 변조 기법은 무엇인가?
• RQ5 이동성, QoS, 시스템 확장성 측면에서 OWC의 주요 미해결 연구 과제는 무엇인가?

주요 결과

• OWC 시스템은 수십 Gbps에서 Tbps 수준까지 데이터 전송 속도를 지원할 수 있으며, RF 스펙트럼 한계를 초월한 증가하는 대역폭 수요에 대한 실용적인 해결책을 제공한다.
• 가시광선 통신(VLC)은 동시에 조명 기능과 고속 데이터 전송을 가능하게 하며, 실내 환경에서 실제로 1 Gbps 이상의 전송 속도를 달성할 수 있다.
• 적외선 통신(IRC)은 시야 내에서의 데이터 전송 속도가 RF보다 높지만, 더 엄격한 정렬 요구 조건과 시야 제약에 취약하다.
• OWC의 채널 모델링은 다중경로 전파와 이동성을 고려해야 하며, 기하학적 및 통계적 모델이 실내 환경에서 뛰어난 정확도를 보인다.
• 등화, 고급 변조(PAM, OFDM 등), 다양성 병합 기법은 이동성과 페이딩 조건 하에서도 OWC 시스템 성능을 크게 향상시킨다.
• 열린 연구 과제로는 이동 중에도 원활한 핸드오버, 기존 RF 시스템과의 통합, 확장 가능한 배포를 위한 OWC 프로토콜 표준화가 있다.