[논문 리뷰] Performance Characterization of Relay-Assisted Wireless Optical CDMA Networks in Turbulent Underwater Channel

Mohammad Vahid Jamali, Farhad Akhoundi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 17.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 흡수, 산산이 흩어짐, 그리고 난류 채널에서의 로그노멀 fading을 보완하기 위해 릴레이를 활용한 광학 CDMA(OCDMA) 네트워크를 제안한다. 다중 홉 전송을 통해 칩 검출-전달(relay) 방식과 직교 코드를 사용함으로써, 90m 링크에서 10⁻⁶ BER에서 최대 32 dB의 향상을 달성하며, 최적의 릴레이 위치 설정이 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we characterize the performance of relay-assisted underwater wireless optical code division multiple access (OCDMA) networks over turbulent channels. In addition to scattering and absorption effects of underwater channels, we also consider optical turbulence as a log-normal fading coefficient in our analysis. To simultaneously and asynchronously share medium among many users, we assign a unique optical orthogonal code (OOC) to each user in order to actualize OCDMA-based underwater network. The most significant challenge in underwater optical communication is in the ability to extend the short range of its coverage. In order to expand the viable communication range, we consider multi-hop transmission to the destination. Moreover, we evaluate the performance of a relay-assisted point-to-point UWOC system as a special case of the proposed relay-assisted OCDMA network. Our numerical results indicate significant performance improvement by employing intermediate relays, e.g., one can achieve $32$ {dB} improvement in the bit error rate (BER) of $10^{-6}$ using only a dual-hop transmission in a $90$ {m} point-to-point clear ocean link.

연구 동기 및 목표

• 흡수, 산산이 흩어짐, 난류로 인한 수중 무선 광학 통신(UWOC)의 범위 제한 문제를 해결한다.
• 누적 경로 손상 요소를 줄이기 위해 다중 홉 릴레이 전송 방식을 도입하여 장거리 UWOC의 시스템 성능을 향상시킨다.
• 로그노멀 페이딩과 난류 채널 조건 하에서 릴레이를 활용한 OCDMA-UWOC 네트워크의 BER 성능을 특성화한다.
• 릴레이 위치와 송신기 빔 분산 각도가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가한다.
• 칩 검출-전달 릴레이와 직교 코드를 활용하면 다중 액세스가 효율적으로 구현되고 간섭이 감소함을 입증한다.

제안 방법

• 광학 난류를 나타내기 위해 로그노멀 페이딩을 사용하여 수중 채널을 모델링하고, 흡수 및 산산이 흩어짐 효과를 통합한다.
• 다중 액세스를 위해 광학 직교 코드(OOC)를 적용하여 다중 액세스 간섭(MAI)을 감소시키는 비동기 사용자 다중화를 가능하게 한다.
• 칩 검출-전달 릴레이 방식을 사용: 릴레이는 광자 수세기 기반의 가우시안 근사를 통해 칩을 검출하고 재전송한다.
• 채널 손실 계수와 반사도 지수를 포함한 통계적 채널 모델을 사용하여 종단 간 비트 오류율(BER)을 수식화한다.
• 다양한 홉 길이와 빔 분산 각도를 가진 다양한 네트워크 토폴로지 시뮬레이션을 수행하여 성능 상충 관계를 평가한다.
• 사용자 수와 코드 무게가 변화하는 조건에서 MAI 및 페이딩 영향을 고려하여 상행 및 하행 전송의 BER 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류 조건 하에서 장거리 수중 광학 CDMA 네트워크에서 다중 홉 릴레이 전송 방식은 BER 성능에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 다중 홉 UWOC 링크에서 릴레이 노드의 위치 설정은 BER 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 송신기 빔 분산 각도는 릴레이를 활용한 UWOC 시스템의 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 다중 액세스 간섭(MAI)이 시스템 성능을 떨어뜨리는 조건은 언제이며, 언제는 감소되는가?
• RQ5 칩 검출-전달 릴레이 방식은 수중 광학 통신(UWOC)의 장거리 응용 가능성을 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 클리어 오션 링크에서 90m 거리의 이중 홉 전송은 직접 링크 대비 10⁻⁶ BER에서 최대 32 dB의 BER 향상을 달성하여 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.
• 최적의 릴레이 위치 설정이 성능 향상에 크게 기여한다: 모드 IV(25 m, 40 m, 25 m 홉)는 모드 VI(20 m, 50 m, 20 m 홉)보다 BER = 10⁻⁶에서 약 7.5 dB 우수하다.
• 첫 번째 및 마지막 홉 송신기의 빔 분산 각도를 증가시키면 시스템 성능이 저하되지만, 실용적 구현 측면에서의 이점은 있다.
• 사용자 수가 코드 무게 이하일 경우(M ≤ W), MAI 영향이 없으며 상행 및 하행 BER이 동일하다.
• M > W 인 경우, 상행 BER은 지속적인 MAI로 인해 포화 상태에 도달하지만, 하행 BER은 동기 전송과 MAI 억제로 인해 안정된 상태를 유지한다.
• 반사도 지수와 로그 진폭 분산은 링크 거리와 빔 분산 각도가 증가할수록 증가함을 확인하여, 장거리 UWOC 시스템에서 최적의 릴레이 위치 설정이 필수적임을 입증한다.