[논문 리뷰] Performance Analysis of Multi-Hop Underwater Wireless Optical Communication Systems (Extended Version)

Mohammad Vahid Jamali, Ata Chizari외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 09.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 흡수, 산산이 흩어짐, 난류 유도 페이딩을 완화하기 위해 비트 수신-재방출 중계 기반의 다중 호프 수중 광학 무선 통신(UWOC) 시스템을 제안한다. 가우스-에르미트 적분을 통해 폐쇄형 BER 표현식을 유도하고 광자 수세기 방법을 활용해 검증함으로써, 45m 해안 수역에서 단일 호프 한계를 크게 초월해 가용 통신 범위를 연장할 수 있는 이중 호프 전송이 10⁻⁶ BER에서 최대 39 dB의 성능 향상을 달성할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we evaluate the end-to-end bit error rate (BER) of point-to-point underwater wireless optical communication (UWOC) systems with multi-hop transmission. To do so, we analytically derive the BER expression of a single-hop UWOC link as the building block for end-to-end BER evaluation. We also apply photon-counting method to evaluate the system BER in the presence of shot noise. Moreover, we use Gauss-Hermite quadrature formula to obtain the closed-form solutions for the system BER in the case of log-normal underwater fading channels. Our analytical treatment involves all the impairing effects of the underwater optical channel, namely absorption, scattering and fading. Numerical results demonstrate that multi-hop transmission by alleviating the aforementioned impairing effects of the channel, can significantly improve the system performance and extend the viable end-to-end communication distance. For example, dual-hop transmission in $22.5$ m and $45$ m coastal water links can provide $17.5$ dB and $39$ dB performance enhancement at the BER of $10^{-6}$, respectively.

연구 동기 및 목표

• 흡수, 산산이 흩어짐, 난류 유도 페이딩으로 인한 단일 호프 UWOC 시스템의 통신 범위 제한 문제를 해결하기 위해.
• 각 호프의 손상 요인을 줄이기 위해 비트 수신-재방출(BDF) 중계 기반의 중계 지원 다중 호프 UWOC 시스템을 설계하기 위해.
• 로그노멀 페이딩, 쇼트 노이즈, 채널 손상 요인을 고려한 종단 간 비트 오류율(BER) 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 광자 수세기 방법과 몬테카를로 시뮬레이션을 활용해 분석된 BER 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 흡수 및 산산이 흩어짐 효과를 인パulse 응답에서 반영하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용해 수중 광학 채널을 모델링한다.
• 약한 해양 난류 페이딩을 모델링하기 위해 로그노멀 분포를 적용하며, 평균 전력을 유지하기 위해 정규화된 페이딩 계수를 사용한다.
• 로그노멀 페이딩 하에서 종단 간 BER에 대한 폐쇄형 해를 도출하기 위해 가우스-에르미트 적분을 적용한다.
• 신호에 의존하는 노이즈가 무시 가능하다고 가정하고, 쇼트 노이즈가 존재하는 상황에서 BER을 평가하기 위해 광자 수세기 접근법을 사용한다.
• 개별 호프 BER을 곱한 보완 확률의 곱을 이용해 다중 호프 시스템의 종단 간 BER을 계산한다.
• 분석 결과를 몬테카를로 시뮬레이션과 광자 수세기 기반 수치 평가 결과와 대조하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흡수, 산산이 흩어짐, 난류가 있는 수중 광학 채널에서 다중 호프 중계 기반 전송은 BER 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 약한 해양 난류 조건 하에서 다중 호프 UWOC 시스템의 종단 간 BER에 대한 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ3 쇼트 노이즈를 고려할 때 광자 수세기 방법이 UWOC 시스템의 BER 추정에 얼마나 정확한가?
• RQ4 중계 노드는 수중 통신 링크에서 효과적 경로 손실을 얼마나 줄이고 통신 범위를 얼마나 연장하는가?
• RQ5 다중 호프 UWOC 시스템에서 데이터 전송률을 높일 경우, 산산이 흩어짐으로 인한 인터심볼 간섭(ISI)으로 인해 시스템 성능은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 45m 해안 수역에서 이중 호프 전송은 단일 호프 시스템 대비 BER = 10⁻⁶에서 39 dB의 성능 향상을 달성한다.
• 22.5m 해안 수역에서 이중 호프 전송은 BER = 10⁻⁶에서 17.5 dB의 성능 향상을 제공한다.
• 가우스-에르미트 적분 기반의 분석 BER 표현식은 저BER 영역에서 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치한다.
• 광자 수세기 방법은 시스템 BER에 대한 신뢰할 수 있는 근사치를 제공하며, 감지 확률을 忽略한 탓에 고BER 영역에서 약간의 차이가 존재한다.
• N개의 중간 노드를 갖는 중계 지원 시스템은 거리가 (N+1) 배 줄어든 단일 호프 시스템의 성능을 달성할 수 있으며, 비트당 약 10 log(N+1) dB의 추가 전송 전력을 요구한다.
• 데이터 전송률을 20 Mbps에서 10 Gbps로 높일 경우 산산이 흩어짐으로 인한 인터심볼 간섭(ISI)으로 인해 시스템 성능이 악화되며, 고속도 UWOC에서 전력 및 전송률 적응 기법의 필요성을 강조한다.