[논문 리뷰] Statistical Studies of Fading in Underwater Wireless Optical Channels in the Presence of Air Bubble, Temperature, and Salinity Random Variations (Long Version)

Mohammad Vahid Jamali, Ali Mirani외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 23.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 랜덤한 수온, 염도 및 기포 농도 변화 하에서 수중 무선광학 채널의 통계적 흐림 현상을 실험적으로 조사한다. 빔-콜리메이터와 입구 평균화 렌즈를 사용하여, 일반화된 감마 및 지수화된 웨이부르 등 분포가 강한에서 중간 정도의 흐림 데이터에 가장 잘 맞는 것으로 밝혀졌으며, 이는 간섭 시간이 10⁻³ 초를 초과하여 느린 흐림 행동을 나타내어 내구성 있는 시스템 설계에 적합함을 시사한다.

ABSTRACT

Optical signal propagation through underwater channels is affected by three main degrading phenomena, namely absorption, scattering, and fading. In this paper, we experimentally study the statistical distribution of intensity fluctuations in underwater wireless optical channels with random temperature and salinity variations as well as the presence of air bubbles. In particular, we define different scenarios to produce random fluctuations on the water refractive index across the propagation path, and then examine the accuracy of various statistical distributions in terms of their goodness of fit to the experimental data. We also obtain the channel coherence time to address the average period of fading temporal variations. The scenarios under consideration cover a wide range of scintillation index from weak to strong turbulence. Moreover, the effects of beam-collimator at the transmitter side and aperture averaging lens at the receiver side are experimentally investigated. We show that the use of a transmitter beam-collimator and/or a receiver aperture averaging lens suits single-lobe distributions such that the generalized Gamma and exponential Weibull distributions can excellently match the histograms of the acquired data. Our experimental results further reveal that the channel coherence time is on the order of $10^{-3}$ seconds and larger which implies to the slow fading turbulent channels.

연구 동기 및 목표

• 실제 환경 변화 조건에서 수중 무선광학 채널의 통계적 흐림을 종합적으로 모델링하기 위해.
• 다양한 통계 분포(예: 로그노멀, 감마, 일반화된 감마, 지수화된 웨이부르)가 실험적 강도 변동 데이터에 얼마나 잘 맞는지 평가하기 위해.
• 송신 빔-콜리메이터와 수신 입구 평균화 렌즈가 흐림 통계 및 분포 피팅에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 채널 간섭 시간을 측정하고 분석하여 수중 광링크의 흐림 역학을 규명하기 위해.
• 미래의 수중 광학 통신(UWOC) 시스템 수학적 모델링 및 성능 평가를 위한 기준 실험 데이터 제공하기 위해.

제안 방법

• 전파 경로 전역에 걸쳐 수온과 염도를 제어하여 굴절률 변화를 유도함.
• 다이버 활동이나 자연적 원인에서 기인하는 실제 흐름을 시뮬레이션하기 위해 채널에 기포를 도입함.
• 빔 확산과 스티그마티즘을 완화하기 위해 송신기 측에 빔-콜리메이터, 수신기 측에 입구 평균화 렌즈를 사용함.
• 약한 투명도에서 강한 난류에 이르기까지 다양한 스티그마티즘 지수 수준에서 실험적 강도 트레이스를 수집함.
• 적합도 검정(예: 콜모고로프-스미르노프, 앤더슨-다링)을 적용하여 실측 데이터와 이론적 분포를 비교함.
• irradiance 공분산을 계산하여 채널 간섭 시간을 추정하였으며, 강도 변동의 시간 상관성 감쇠를 활용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도, 염도 및 기포 유도 흐름이 복합적으로 작용하는 수중 광학 채널에서 강도 변동을 모델링하는 데 가장 적합한 통계 분포는 무엇인가요?
• RQ2 빔-콜리메이터와 입구 평균화 렌즈의 사용은 실험적 UWOC 채널에서 단일 봉우리 흐림 분포의 정확도에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 다양한 난류 조건 하에서 수중 광학 채널의 일반적인 간섭 시간은 얼마이며, 이는 느린 흐림 가정을 지지하는가요?
• RQ4 로그노멀 또는 감마와 같은 단순한 분포는 어떤 상황에서 흐림을 모델링하지 못하고, 더 복잡한 분포는 어떤 경우에 더 나은 피팅을 제공하나요?
• RQ5 스티그마티즘 지수의 다양한 수준은 UWOC 시스템에서 흐림에 대한 최적의 통계 모델 선택에 어떻게 영향을 미치나요?

주요 결과

• 일반화된 감마 및 지수화된 웨이부르 분포가 공기 기포가 난류를 주도하는 경우를 포함한 중간에서 강한 흐림 조건에서 실험 데이터에 가장 잘 맞는다.
• 로그노멀 및 감마와 같은 단순한 분포는 약한에서 중간 난류 조건에서는 흐림을 정확히 모델링할 수 있으나, 강한 난류 또는 높은 기포 농도 조건에서는 성능이 크게 떨어진다.
• 송신 빔-콜리메이터와/또는 수신 입구 평균화 렌즈의 사용은 빔 확산과 스티그마티즘을 감소시켜 단일 봉우리 분포에 대한 피팅을 향상시킨다.
• 모든 시험 조건에서 채널 간섭 시간이 10⁻³ 초를 초과하여, 흐림이 느리며 연속된 수천에서 수백만 비트 동안 채널이 일정하게 유지될 수 있음을 확인하였다.
• irradiance 공분산 분석 결과 시간 상관성이 느리게 감쇠됨을 확인하여, 모든 시험 조건에서 느린 흐림 가정이 타당함을 뒷받침한다.
• 실험 데이터는 기포가 심한 강도 변동을 유발할 경우, 특히 고스티그마티즘 영역에서는 이중 봉우리 분포인 혼합 지수-로그노멀 분포가 필요함을 시사한다.