[论文解读] Performance Analysis of Multi-Hop Underwater Wireless Optical Communication Systems (Extended Version)

Mohammad Vahid Jamali, Ata Chizari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2016

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用 7

一句话总结

本文提出一种采用比特检测-转发中继的多跳水下无线光通信（UWOC）系统，以缓解吸收、散射和湍流引起的衰落。通过高斯-赫米特求积法推导出闭式误比特率（BER）表达式，并结合光子计数方法进行验证，结果表明在45米近海水域中，双跳传输在10⁻⁶ BER下可实现高达39 dB的性能增益，显著扩展了单跳通信距离的限制。

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.

研究动机与目标

• 解决由于吸收、散射和湍流引起的衰落导致的单跳UWOC系统通信距离受限问题。
• 设计一种基于比特检测-转发（BDF）中继的中继辅助多跳UWOC系统，以减少单跳损伤。
• 推导考虑对数正态衰落、散粒噪声和信道损伤的端到端误比特率（BER）闭式表达式。
• 通过光子计数方法和蒙特卡罗仿真验证分析得到的BER结果。

提出的方法

• 使用蒙特卡罗仿真建模水下光信道，以捕捉冲激响应中的吸收和散射效应。
• 采用对数正态分布建模弱海洋湍流衰落，通过归一化衰落系数以保持平均功率恒定。
• 利用高斯-赫米特求积法，推导在对数正态衰落下的端到端BER闭式解。
• 采用光子计数方法评估在散粒噪声存在下的BER，假设信号相关噪声可忽略。
• 通过将各跳BER的互补概率相乘，推导多跳系统的端到端BER。
• 将分析结果与蒙特卡罗仿真及基于光子计数的数值评估进行对比验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 多跳中继在具有吸收、散射和湍流的水下光信道中如何改善BER性能？
• RQ2 在弱海洋湍流条件下，多跳UWOC系统的端到端BER的闭式表达式是什么？
• RQ3 在UWOC系统中考虑散粒噪声时，光子计数方法在估计BER方面的准确性如何？
• RQ4 中继节点在多跳UWOC链路中在多大程度上减少了有效路径损耗并扩展了通信距离？
• RQ5 在多跳UWOC系统中，数据速率增加如何因串扰干扰（ISI）而影响系统性能？

主要发现

• 在45米近海水域中，双跳传输在BER = 10⁻⁶时相比单跳系统实现39 dB的性能增益。
• 在22.5米近海水域中，双跳传输在BER = 10⁻⁶时实现17.5 dB的性能提升。
• 基于高斯-赫米特求积法的分析BER表达式与蒙特卡罗仿真结果高度吻合，尤其在低BER区域。
• 光子计数方法能可靠地近似系统BER，仅在高BER区域因忽略检测概率而存在轻微偏差。
• 采用N个中间节点的中继辅助系统，其性能等效于单跳系统距离缩短为原距离的1/(N+1)倍，每比特需额外约10 log(N+1) dB的发射功率。
• 当数据速率从20 Mbps提升至10 Gbps时，系统性能因散射引起的符号间干扰而下降，凸显了在高速率UWOC系统中功率与速率自适应的必要性。