[论文解读] Performance Characterization of Relay-Assisted Wireless Optical CDMA Networks in Turbulent Underwater Channel

Mohammad Vahid Jamali, Farhad Akhoundi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2015

Optical Wireless Communication Technologies参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出了一种中继辅助的光学码分多址（OCDMA）网络，用于水下无线光通信（UWOC），以应对湍流信道中的吸收、散射和对数正态衰落问题。通过采用多跳传输与芯片检测-转发中继技术，并结合正交码，该系统在90米链路下将误码率（BER）改善了高达32 dB（在10⁻⁶时），且最优中继位置显著提升了性能。

ABSTRACT

In this paper, we characterize the performance of relay-assisted underwater wireless optical code division multiple access (OCDMA) networks over turbulent channels. In addition to scattering and absorption effects of underwater channels, we also consider optical turbulence as a log-normal fading coefficient in our analysis. To simultaneously and asynchronously share medium among many users, we assign a unique optical orthogonal code (OOC) to each user in order to actualize OCDMA-based underwater network. The most significant challenge in underwater optical communication is in the ability to extend the short range of its coverage. In order to expand the viable communication range, we consider multi-hop transmission to the destination. Moreover, we evaluate the performance of a relay-assisted point-to-point UWOC system as a special case of the proposed relay-assisted OCDMA network. Our numerical results indicate significant performance improvement by employing intermediate relays, e.g., one can achieve $32$ {dB} improvement in the bit error rate (BER) of $10^{-6}$ using only a dual-hop transmission in a $90$ {m} point-to-point clear ocean link.

研究动机与目标

• 解决由于吸收、散射和湍流导致的水下无线光通信（UWOC）通信距离受限的问题。
• 通过采用多跳中继传输，减少累积路径损伤，提升长距离UWOC系统性能。
• 在对数正态衰落和湍流信道条件下，表征中继辅助OCDMA-UWOC网络的误码率（BER）性能。
• 评估中继位置和发射光束发散角对系统性能的影响。
• 证明基于正交码的芯片检测-转发中继技术可实现高效多址接入并降低干扰。

提出的方法

• 使用对数正态衰落模型表征光学湍流，结合吸收和散射效应，建立水下信道模型。
• 应用光学正交码（OOC）实现多址接入，支持异步用户复用，并降低多址干扰（MAI）。
• 采用芯片检测-转发中继：中继基于光子计数的高斯近似检测并重传芯片。
• 利用统计信道模型推导端到端误码率（BER），包括信道路径损耗系数和闪烁指数。
• 模拟多种网络拓扑结构，比较不同跳长和光束发散角下的性能权衡。
• 推导上行链路和下行链路的BER表达式，考虑用户数量和码重变化下的MAI与衰落影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在湍流条件下，多跳中继传输如何提升长距离水下光CDMA网络的BER性能？
• RQ2 中继节点位置对多跳UWOC链路BER性能有何影响？
• RQ3 不同发射光束发散角如何影响中继辅助UWOC系统的性能？
• RQ4 在何种条件下多址干扰（MAI）会降低系统性能，又在何种情况下可被抑制？
• RQ5 芯片检测-转发中继在多大程度上提升了UWOC在长距离应用中的可行性？

主要发现

• 在90米清澈海洋链路中，双跳传输相比直接链路在10⁻⁶ BER时实现高达32 dB的BER改善，表明性能显著提升。
• 最优中继位置显著增强性能：模式IV（25 m, 40 m, 25 m跳长）在BER = 10⁻⁶时比模式VI（20 m, 50 m, 20 m）高出约7.5 dB。
• 首跳和末跳发射机光束发散角增大，会降低系统性能，但可带来实际部署优势。
• 当用户数小于等于码重时（M ≤ W），MAI不影响性能，上行链路与下行链路BER相同。
• 当M > W时，上行链路BER因持续的MAI而饱和，而下行链路BER保持稳定，得益于同步传输和MAI抑制。
• 闪烁指数和对数幅度方差随链路距离和光束发散角增加而上升，证实长距离UWOC系统需优化中继位置。