[論文レビュー] A Contemporary Survey on Free Space Optical Communication: Potential, Technical Challenges, Recent Advances and Research Direction

Abu Jahid, Mohammed H. Alsharif+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 472被引用数 9

ひとこと要約

本サーベイは、5G/B5GおよびIoTネットワークにおけるRFベースのシステムに対する高容量・スケーラブルなスペクトル効率の高い代替手段としての自由空間光（FSO）通信について包括的な分析を提供する。FSOの潜在的可能性、大気によるフェーディングや閃光（スキャインテーション）といった技術的課題、MIMO、RoFSO、SDN統合分野における最近の進展を評価し、将来のテラビット/秒級バックホールおよび超高密度ネットワークにおけるハイブリッドFSO/RFシステムが主要な解決策であると特定する。

ABSTRACT

Optical wireless communication (OWC) covering an ultra-wide range of unlicensed spectrum has emerged as an extent efficient solution to mitigate conventional RF spectrum scarcity ranging from communication distances from nm to several kilometers. Free space optical (FSO) systems operating near IR (NIR) band in OWC links has received substantial attention for enormous data transmission between fixed transceivers covering few kilometers path distance due to high optical bandwidth and higher bit rate as well. Despite the potential benefits of FSO technology, its widespread link reliability suffers especially in the long-range deployment due to atmospheric turbulence, cloud induced fading, some other environmental factors such as fog, aerosol, temperature variations, storms, heavy rain, cloud, pointing error, and scintillation. FSO has the potential to offloading massive traffic demands from RF networks, consequently the combined application of FSO/RF and radio over FSO (RoFSO) systems is regarded as an excellent solution to support 5G and beyond for improving the limitations of an individual system. This survey presents the overview of several key technologies and implications of state-of-the-art criteria in terms of spectrum reuse, classification, architecture and applications are described for understanding FSO. This paper provides principle, significance, demonstration, and recent technological development of FSO technology among different appealing optical wireless technologies. The opportunities in the near future, the potential challenges that need to be addressed to realize the successful deployment of FSO schemes are outlined.

研究の動機と目的

• 接続デバイスからの指数関数的増加するデータトラフィックに起因する、RFベースの5GおよびIoTネットワークにおけるスケジューリングの枯渇問題に対処する。
• 大気によるフェーディング、スキャインテーション、ポイント誤差、および霧や雨などの環境要因を含む、FSOシステムの主な技術的課題を特定する。
• MIMO-FSO、光ラジオ（RoFSO）、ソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）統合を含む、FSO技術分野における最近の進展をレビューし、性能向上を図る。
• 単独運用のシステムに起因する制限を克服し、信頼性の高い高容量バックホールおよびアクセスネットワークを実現するため、ハイブリッドFSO/RFおよびFSO-IoTアーキテクチャを提示する。
• 将来の研究方向性を概説する。具体的には、アップリンク最適化、ネットワーク仮想化、光位置特定技術を含み、多様な環境下でのシームレスな展開を支援する。

提案手法

• 2010年から2022年までのFSO関連文献を系統的に調査し、大気による劣化を緩和するためのチャネルモデリング、適応変調、ダイバーシティ技術に焦点を当てる。
• リンクバジェット解析およびスペクトル効率、エネルギー効率、ビット誤り率（BER）といったパフォーマンス指標を用いて、ハイブリッドFSO/RFおよびRoFSOシステムを分析する。
• SDNベースの制御をFSOネットワークに統合し、動的トラフィック管理、ネットワーク再ルーティング、エネルギー効率の高いデータフロー制御を可能にする。
• 空間多重と beamforming 技術を用いてMIMO-FSOシステムを評価し、視線（LoS）および非視線（NLoS）環境下での容量と信頼性の向上を図る。
• 世界的な研究イニシャチブによる実験的およびシミュレーションベースの結果をレビューし、実環境での展開シナリオにおけるパフォーマンス向上を検証する。
• 物理層およびデータリンク層の両方におけるQoS最適化を実現するため、クロスレイヤー設計原則を用いる。特にハイブリッドRF/FSOおよびFSO-IoTシステムにおいて有効である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FSO通信は、5G/B5GおよびIoTネットワークにおけるスケジューリング枯渇と高データレート要件をどのように効果的に解決できるか？
• RQ2 FSOリンクの信頼性に影響を及ぼす主な大気的および環境的要因は何か。それらはどのように緩和できるか？
• RQ3 単独運用のRFまたはFSOシステムと比較して、ハイブリッドFSO/RFおよびRoFSOシステムは、スペクトル効率、信頼性、エネルギー効率の面でどの程度向上するか？
• RQ4 SDNおよびネットワーク仮想化は、FSOベースのバックホールおよびアクセスネットワークのスケーラビリティ、制御性、QoSをどのように向上させるか？
• RQ5 アップリンクにおけるFSO送信、光位置特定、およびIoTおよび宇宙通信システムとのシームレス統合における主な課題と研究機会は何か？

主な発見

• FSO通信は、屋内環境において最大100 Gb/sのデータレートをサポートし、免許不要の光スケーラブルスペクトルのおかげで、超低遅延、高セキュリティ、干渉なしの伝送を実現する。
• 大気乱流、霧、雨、スキャインテーションが、長距離FSOリンクの信頼性を制限する主な要因であり、極端な状況では霧による最大30 dBのフェーディングが発生する。
• ハイブリッドFSO/RFおよびRoFSOシステムは、RF帯域と光帯域の長所を活かすことで、スペクトル効率とリンクの耐障害性を顕著に向上させ、特に都市部および移動環境で顕著である。
• MIMO-FSOシステムは、空間多重を用いてダイバーシティ利得と容量の向上を達成し、最適化されたチャネル条件下で実証されたBER改善が最大10⁻⁶に達する。
• SDN統合により、知能的なフロー制御によって、FSOバックホールネットワークにおける動的ネットワーク制御、リアルタイムのトラフィック再ルーティング、エネルギー効率の30–40％向上が可能になる。
• 5G/B5GおよびIoTにおける将来のFSO展開には、アップリンク課題、光位置特定の精度、特に移動および屋内環境におけるクロスレイヤーQoS最適化の解決が不可欠である。