Optical Wireless based Unmanned Vehicle Communication

Abstract

Optical wireless communication (OWC) has emerged as a promising technology for high-speed, high-capacity communication in the next generation. OWC has many advantages over conventional RF communications, such as abundance of unregulated bandwidth, miniaturized transceivers using lower power and immunity to the electromagnetic interference from already heavily used RF equipments. OWC uses optical carrier, i.e., infrared (IR), visible light, ultraviolet (UV). In OWC, one of the characteristics is that the OWC using IR and visible light compose the line of sight (LOS) link. In other words, if a large obstacle is between the transmitter and the receiver, the communication link is disconnected. To overcome this challenge, unmanned aerial vehicle can be used to relay the signal. UAV can be composed in the network to support wireless communication infrastructure. An unmanned vehicle is also used underwater to compose the network. Autonomous underwater vehicles (AUV) support maritime applications and can communicate each other. In the first three studies are explored to design and model various unmanned vehicle communication link. The first study proposes the maximal selection transmit diversity scheme for ground–to-UAV optical links and investigates communication performance. The second employs switch-and-stay combining over correlated channel and frequency shift keying sub-carrier intensity modulation for ground-to-UAV links and investigates communication performance. The third considers Laguerre-Gaussian beam for UAV-to-ground and investigates the impact of hovering. In the fourth study, we estimate the link connectivity between the unmanned vehicles. In one-dimention, the UAV position follows a Poisson point process. The final study proposes an optimal and energy-efficient time-splitting based simultaneous light-wave information and power transfer (SLIPT) for underwater optical wireless communications. We consider a multi-layer turbulence-induced underwater optical channel with each layer experiencing independent and nonidentically distributed oceanic turbulence.| 광무선통신(OWC)은 차세대 고속, 고용량 통신의 유망 기술로 떠오르고 있다. OWC는 규제되지 않은 대역폭의 풍부함, 저전력을 사용하는 소형화된 트랜시버, 이미 많이 사용되는 RF 장비의 전자기 간섭에 대한 내성 등 기존 RF 통신에 비해 많은 이점을 가지고 있다. OWC는 광학 캐리어, 즉 적외선(IR), 가시광선, 자외선(UV)을 사용한다. OWC의 특징 중 하나는 IR과 가시광선을 이용하는 OWC가 LOS(Line of Sight) 링크를 구성한다는 점이다. 즉, 송신기와 수신기 사이에 큰 장애물이 있으면 통신 링크가 끊어진다. 이 문제를 극복하기 위해 무인 항공기를 사용하여 신호를 중계할 수 있다. 무선 통신 인프라를 지원하기 위해 네트워크에 UAV를 구성할 수 있다. 무인 차량도 네트워크를 구성하기 위해 수중에서 사용된다. 자율 수중 차량(AUV)은 해상 애플리케이션을 지원하고 서로 통신할 수 있다. 처음 세 연구에서는 다양한 무인 차량 통신 링크를 설계하고 모델링하기 위한 탐구를 진행한다. 첫 번째 연구는 지상-무인기 광링크를 위한 최대 선택 전송 다이버시티 방식을 제안하고 통신 성능을 조사한다. 두 번째는 지상-UAV 링크에 대한 상관 채널 및 주파수 편이 변조 부반송파 강도 변조에 대한 전환 및 유지 결합을 사용하고 통신 성능을 조사한다. 세 번째는 UAV-to-ground에 대한 Laguerre-Gaussian 빔을 고려하고 호버링의 영향을 조사한다. 네 번째 연구에서는 무인 차량 간의 링크 연결성을 추정한다. 1차원에서 UAV 위치는 포아송 포인트 프로세스를 따른다고 가정한다. 최종 연구에서는 수중 광 무선 통신을 위한 최적의 에너지 효율적인 시분할 기반 SLIPT(Simultaneous Light-Wave Information and Power Transfer)를 제안한다. 우리는 각 층이 독립적이고 동일하지 않게 분포된 해양 난기류를 겪는 다층 난기류 유도 수중 광학 채널을 고려한다.