[논문 리뷰] Free Space Optical Communication: Challenges and Mitigation Techniques

Hemani Kaushal, Georges Kaddoum|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 16.

Optical Wireless Communication Technologies참고 문헌 183인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 지상 및 위성 링크에서의 자유공간광(Free Space Optical, FSO) 통신 도전 과제에 대해 종합적인 서베이를 제공하며, 특히 대기 난류에 초점을 맞추고, 물리계층 및 상위 계층의 완화 기법을 평가한다. 다중접합, 적응광학, 고급 변조 및 코딩, 하이브리드 RF/FSO 시스템, ARQ, 라우팅 프로토콜, 궤도 각운동량을 포함한 다양한 기법을 검토하여 링크 신뢰성 향상과 고속 데이터 전송을 달성한다.

ABSTRACT

In recent years, free space optical (FSO) communication has gained significant importance owing to its unique features: large bandwidth, license free spectrum, high data rate, easy and quick deployability, less power and low mass requirement. FSO communication uses optical carrier in the near infrared (IR) and visible band to establish either terrestrial links within the Earths atmosphere or inter-satellite or deep space links or ground to satellite or satellite to ground links. However, despite of great potential of FSO communication, its performance is limited by the adverse effects (viz., absorption, scattering and turbulence) of the atmospheric channel. Out of these three effects, the atmospheric turbulence is a major challenge that may lead to serious degradation in the bit error rate (BER) performance of the system and make the communication link infeasible. This paper presents a comprehensive survey on various challenges faced by FSO communication system for both terrestrial and space links. It will provide details of various performance mitigation techniques in order to have high link availability and reliability of FSO system. The first part of the paper will focus on various types of impairments that poses a serious challenge to the performance of FSO system for both terrestrial and space links. The latter part of the paper will provide the reader with an exhaustive review of various techniques used in FSO system both at physical layer as well as at the upper layers (transport, network or link layer) to combat the adverse effects of the atmosphere. Further, this survey uniquely offers the current literature on FSO coding and modulation schemes using various channel models and detection techniques. It also presents a recently developed technique in FSO system using orbital angular momentum to combat the effect of atmospheric turbulence.

연구 동기 및 목표

• 지상 및 위성 링크에서 FSO 통신 성능을 저하시키는 주요 장애요인—특히 대기 난류—를 식별하고 분석하는 것.
• 대기 영향을 완화하고 시스템의 신뢰성 및 가용성을 향상시키기 위한 물리계층 및 상위 계층 기법을 평가하는 것.
• 궤도 각운동량을 포함한 변조, 코딩 및 검출 기법의 최근 발전을 검토하여 FSO 시스템 성능을 향상시키는 것.
• 악천후 및 심한 흐림 상태에서도 링크 가용성을 유지하기 위한 보완적 솔루션으로서의 하이브리드 RF/FSO 시스템을 고찰하는 것.
• 통신 스택의 여러 계층—물리계층에서 네트워크 및 전송 계층까지—에 걸친 FSO 기법을 통합적으로 검토하는 것.

제안 방법

• 로그노멀 및 가우스-가우스 분포와 같은 통계적 채널 모델을 사용하여 흡수, 산산이 흩트림, 난류를 포함한 대기 장애 요인을 체계적으로 검토.
• 물리계층 완화 기법 분석: 빔 크기 평균화, 공간적 및 편광 다중성, 적응광학, 고급 변조 방식(예: MPPM, OFDM).
• 비트 오류율(BER) 저하를 완화하기 위해 후방 오류 정정(FEC) 코딩 기법(예: 터보 코드, LDPC)을 평가.
• 채널 상태에 따라 RF 및 FSO 링크를 전환하는 하이브리드 RF/FSO 시스템을 조사하여 캐리어 수준의 가용성을 확보.
• 링크 계층 및 전송 계층 프로토콜(예: ARQ, 수정된 TCP)을 검토하여 FSO 시스템의 신뢰성과 전송률을 향상.
• 스펙트럼 효율성 향상과 난류에 의한 흐림에 대한 내성 향상을 위해 궤도 각운동량 다중화와 같은 신규 기법을 검토.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 및 위성 링크에서 FSO 통신에 영향을 주는 주요 대기 장애 요인은 무엇이며, 이러한 요소들이 시스템 성능을 어떻게 저하시키는가?
• RQ2 다중접합, 빔 크기 평균화, 적응광학과 같은 물리계층 기법이 대기 난류의 영향을 얼마나 효과적으로 완화하는가?
• RQ3 하이브리드 RF/FSO 시스템은 모든 기상 조건과 깊은 흐림 상태에서도 신뢰할 수 있는 통신을 얼마나 보장할 수 있는가?
• RQ4 고급 변조 및 코딩 기법은 FSO 시스템에서 BER 성능과 스펙트럼 효율성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 네트워크 계층 프로토콜(예: ARQ, 수정된 TCP)과 라우팅 알고리즘은 FSO 링크의 신뢰성 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 대기 난류는 FSO 시스템에서 지배적인 장애 요인으로, 특히 지상 링크에서 깊은 흐림과 심한 BER 저하를 유발한다.
• 빔 크기 평균화와 공간 다중성 기법은 스니티레이션 흐림을 최대 20 dB 감소시켜 링크 가용성에 크게 기여한다.
• 하이브리드 RF/FSO 시스템은 깊은 흐림 동안 RF로 전환함으로써 근접한 100% 링크 가용성을 달성하여 캐리어 수준의 신뢰성을 확보한다.
• LDPC 및 터보 코드와 같은 고급 코딩 기법은 강한 난류 조건에서 BER을 수 개의 주기 수준으로 감소시킨다.
• 궤도 각운동량 다중화 기법은 공간 다중화를 가능하게 하고 스펙트럼 효율성을 향상시키며, 난류에 의한 흐림에 대한 내성을 제공한다.
• 링크 및 전송 계층에서 수정된 ARQ 및 TCP 프로토콜은 흐림 상태 동안 전송률 붕괴를 줄여 FSO 네트워크의 종단 간 신뢰성을 향상시킨다.