[论文解读] Cellular Underwater Wireless Optical CDMA Network: Potentials and Challenges

Farhad Akhoundi, Mohammad Vahid Jamali+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出一种采用光学正交码（OOCs）的蜂窝状水下无线光CDMA（UW-OCDMA）网络，以实现移动和固定水下用户之间的高带宽、低时延通信。通过采用具有全向收发器、功率控制及波分复用（WDM）下OOC码复用的光基 transceiver（OBTS），该网络相比传统CDMA将容量提升最高达3倍，在仿真中实现6 dB的SNR增益，且采用自适应功率控制。

ABSTRACT

Underwater wireless optical communications is an emerging solution to the expanding demand for broadband links in oceans and seas. In this paper, a cellular underwater wireless optical code division multiple-access (UW-OCDMA) network is proposed to provide broadband links for commercial and military applications. The optical orthogonal codes (OOC) are employed as signature codes of underwater mobile users. Fundamental key aspects of the network such as its backhaul architecture, its potential applications and its design challenges are presented. In particular, the proposed network is used as infrastructure of centralized, decentralized and relay-assisted underwater sensor networks for high-speed real-time monitoring. Furthermore, a promising underwater localization and positioning scheme based on this cellular network is presented. Finally, probable design challenges such as cell edge coverage, blockage avoidance, power control and increasing the network capacity are addressed.

研究动机与目标

• 为应对军事和商业应用中对高带宽、低时延水下通信日益增长的需求。
• 通过引入蜂窝架构，克服水下无线光通信（UWOC）的传输距离有限与干扰问题。
• 利用光学CDMA与OOCs，为移动和固定水下用户提供多址接入能力。
• 探索在水下传感器网络与定位中的应用，提升实时监控与导航能力。
• 识别并提出解决关键设计挑战的方案，如遮挡、边缘覆盖、功率控制与容量限制等问题。

提出的方法

• 在六边形小区中心部署全向光学基 transceiver（OBTS），每个OBTS配备60个LED和32个光电探测器，实现全向球形覆盖。
• 使用光学正交码（OOCs）作为用户唯一签名序列，实现异步用户接入，无需集中控制即可实现无干扰多址接入。
• 采用开关键控（OOK）与强度调制（IM）进行数据传输，确保与水下光信道的兼容性。
• 提出一种功率控制算法，将用户按距离划分为若干环状区域（NR=2,3），根据信道质量分配功率，提升误码率（BER）性能。
• 通过在OBTS之间复用OOC码，采用三个互不相交的码集（S1, S2, S3），在最小化同频干扰的同时提升网络容量。
• 将波分复用（WDM）与CDMA结合（即WDM/OCDMA），通过为用户分配波长/码字对，进一步扩展系统容量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计蜂窝状UW-OCDMA网络架构，以支持宽带、多用户水下通信，特别是支持移动用户？
• RQ2 在真实水下环境中，UW-OCDMA的关键性能限制因素是什么，如吸收、散射与湍流？
• RQ3 功率控制策略如何改善水下光网络中的BER性能与能量效率？
• RQ4 哪些码复用与WDM技术可有效提升网络容量，同时最小化相邻OBTS之间的干扰？
• RQ5 所提出的UW-OCDMA网络能否支持中继辅助传感器网络与水下定位等高级应用？

主要发现

• 采用三环功率控制算法（NR=3）时，与均匀功率分配相比，该蜂窝UW-OCDMA网络在BER = 10⁻⁶时实现6 dB的SNR增益。
• 通过使用三个互不相交的OOC码集（S1, S2, S3）实现码复用，使网络容量达到(Nc/3) × N_OBTS，显著提升可支持用户数。
• WDM与OCDMA的集成使系统容量提升至(Nw/3) × Nc × N_OBTS，其中Nw为可用波长数。
• 采用足球面几何结构的OBTS设计（60个LED与32个光电探测器）实现了全向覆盖，显著提升三维水下空间中用户的连接性。
• 通过利用高带宽光链路与低时延传输，该网络可支持高速率应用，如实时视频与传感器监控。
• 基于多OBTS时间飞行测量的定位方案可实现高精度水下定位，支持UUV与潜水员的导航。