[论文解读] 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 9

一句话总结

本综述全面分析了自由空间光（FSO）通信作为基于射频（RF）的5G/后5G及物联网（IoT）网络的高容量、频谱高效替代方案。它评估了FSO的潜力，技术挑战如大气衰落和闪烁效应，近年来在MIMO、射频光通信（RoFSO）及软件定义网络（SDN）集成方面的进展，并指出混合FSO/RF系统是未来太比特每秒回传和超密集网络的关键解决方案。

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.

研究动机与目标

• 应对由联网设备产生的数据流量指数级增长所导致的基于射频（RF）的5G和物联网（IoT）网络中日益严重的频谱稀缺问题。
• 识别FSO系统中的关键技术挑战，包括大气衰落、闪烁效应、指向误差以及雾和雨等环境因素的影响。
• 回顾FSO技术的最新进展，如MIMO-FSO、射频光通信（RoFSO）以及软件定义网络（SDN）集成，以提升系统性能。
• 提出混合FSO/RF和FSO-IoT架构作为克服独立系统局限性的可行方案，以实现可靠、高容量的回传和接入网络。
• 概述未来研究方向，包括上行链路优化、网络虚拟化以及光定位技术，以支持在多样化环境中的无缝部署。

提出的方法

• 系统性地调研2010年至2022年间的FSO文献，重点关注信道建模、自适应调制和分集技术，以缓解大气影响。
• 通过链路预算分析和频谱效率、能量效率及误比特率（BER）等性能指标，分析混合FSO/RF和RoFSO系统。
• 在FSO网络中集成基于SDN的控制机制，以实现动态流量管理、网络重路由和节能的数据流控制。
• 利用空间复用和波束成形技术评估MIMO-FSO系统，以增强视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）场景下的容量和可靠性。
• 回顾全球研究计划中的实验和仿真结果，以验证真实部署场景下的性能增益。
• 采用跨层设计原则，优化物理层和数据链路层之间的QoS，特别是在混合RF/FSO和FSO-IoT系统中。

实验结果

研究问题

• RQ1 FSO通信如何有效应对5G/后5G及物联网网络中频谱稀缺和高数据速率需求的问题？
• RQ2 影响FSO链路可靠性的主要大气和环境损伤因素是什么？又该如何缓解？
• RQ3 与独立的RF或FSO系统相比，混合FSO/RF和RoFSO系统在频谱效率、可靠性及能量效率方面能提升多少？
• RQ4 SDN和网络虚拟化如何增强基于FSO的回传和接入网络的可扩展性、控制能力及QoS？
• RQ5 在上行链路FSO传输、光定位以及与物联网和空间通信系统的无缝集成方面，存在哪些关键挑战和研究机遇？

主要发现

• FSO通信在室内环境中可支持高达100 Gb/s的数据速率，由于其使用免许可的光谱，具备超低时延、高安全性和无干扰传输的优势。
• 大气湍流、雾、雨和闪烁效应是限制长距离FSO链路可靠性的主要损伤因素，其中雾在极端条件下可导致高达30 dB的链路衰落。
• 混合FSO/RF和RoFSO系统通过结合射频与光波段的优势，显著提升了频谱效率和链路鲁棒性，尤其在城市和移动环境中表现突出。
• MIMO-FSO系统通过空间复用实现分集增益并提升容量，在优化信道条件下实测误比特率（BER）可降低至10⁻⁶。
• SDN集成使FSO回传网络能够实现动态网络控制、实时流量重路由，并通过智能流量控制实现30%–40%的能量效率提升。
• 未来5G/后5G和物联网中的FSO部署需解决上行链路挑战、光定位精度问题，以及跨层QoS优化，特别是在移动和室内场景中。