[论文解读] Free Space Optical Communication: Challenges and Mitigation Techniques

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

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 183被引用 47

一句话总结

本文全面综述了自由空间光（FSO）通信面临的挑战，特别是大气湍流，并评估了物理层和高层的缓解技术。文章回顾了分集合并、自适应光学、先进调制与编码、RF/FSO混合系统、ARQ、路由协议以及轨道角动量技术，以提升地面和空间链路的链路可靠性并实现高速率通信。

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.

研究动机与目标

• 识别并分析影响地面和空间链路FSO通信性能的主要损伤因素，特别是大气湍流。
• 评估物理层和高层技术在缓解大气影响、提升系统可靠性和可用性方面的效果。
• 回顾调制、编码和检测技术的最新进展，包括轨道角动量技术，以提升FSO系统性能。
• 研究混合RF/FSO系统作为在恶劣天气和湍流条件下维持链路可用性的互补解决方案。
• 提供从物理层到网络层和传输层的通信协议栈中FSO技术的统一综述。

提出的方法

• 使用对数正态分布和伽马-伽马分布等统计信道模型，系统性回顾大气损伤因素，包括吸收、散射和湍流。
• 分析物理层缓解技术：孔径平均、空间分集和极化分集、自适应光学，以及先进调制方案（例如MPPM、OFDM）。
• 评估前向纠错（FEC）编码技术，包括Turbo码和LDPC，以应对湍流引起的误比特率退化。
• 研究根据信道条件在RF和FSO链路之间切换的混合RF/FSO系统，以确保类运营商级的可用性。
• 检查链路层和传输层协议（如ARQ和改进的TCP）在提升FSO系统可靠性和吞吐量方面的作用。
• 回顾新兴技术，如轨道角动量复用，以提高频谱效率并增强对湍流引起的衰落的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 影响地面和空间链路FSO通信的主要大气损伤因素是什么？它们如何降低系统性能？
• RQ2 诸如分集合并、孔径平均和自适应光学等物理层技术在缓解大气湍流影响方面的有效性如何？
• RQ3 混合RF/FSO系统在所有天气条件下以及深度衰落事件期间，能在多大程度上确保可靠通信？
• RQ4 先进调制与编码技术如何改善FSO系统的误比特率性能和频谱效率？
• RQ5 网络层协议（如ARQ、改进的TCP）和路由算法在提升FSO链路可靠性方面发挥什么作用？

主要发现

• 大气湍流是FSO系统中的主要损伤因素，尤其在地面链路中，会导致深度衰落和显著的误比特率退化。
• 孔径平均和空间分集技术可将闪烁衰落降低高达20 dB，显著提升链路可用性。
• 混合RF/FSO系统通过在深度衰落期间切换至RF链路，实现接近100%的链路可用性，确保类运营商级的可靠性。
• 先进的编码方案（如LDPC和Turbo码）可将误比特率降低几个数量级，尤其在强湍流条件下效果显著。
• 轨道角动量复用技术可实现空间复用并提高频谱效率，对湍流引起的衰落具有鲁棒性。
• 在传输层和链路层采用改进的ARQ和TCP协议可减少深度衰落期间的吞吐量崩溃，提升FSO网络的端到端可靠性。