Development of fundamental technologies for high-speed underwater wireless optical communications

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02148
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21020:Communication and network engineering-related
• Research Institution: University of Yamanashi
• Principal Investigator: Hanawa Masanori 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (90273036)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 一彦 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (40402086) ; 鈴木 一克 山梨大学, 大学院総合研究部, 特任准教授 (60436714)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 水中 / 光無線通信 / PAM4 / PRS / PRML / 非線形予等化

Outline of Final Research Achievements

The error rate characteristics of PRML signals using Viterbi decoding in an AWGN environment were numerically analyzed for PRS based on PAM signals. When comparing the theoretical BER of PRML and PAM signals, it was confirmed that PAM4-PRML requires 2.5 dB more transmission power, but since the bandwidth is halved, the symbol rate can be doubled, making it effective for achieving higher speeds.
A proof-of-concept experiment was conducted using a UWOC experimental system with a blue LD as the light source. A 1W blue LD was used in the transmitter, achieving a bandwidth of 500MHz. Pre-transmission nonlinear equalization was introduced, enabling the transmission of 1G bit/s PAM4 signals, and achieving error-free BER with received power ranging from -15dBm to +2dBm.

Free Research Field

光通信、光信号処理、光センシング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究課題では、「水中可視光無線通信の飛躍的長距離化をもたらす変調方式は何か？」を問として様々な検討を行った。長距離化には大出力送受信機が必要だが、OFDMは強い線形性を必要とするため全く適さない、と考えられる。一方、PAM4は適切な非線形予等化を導入することで、高速大出力伝送に利用可能であることを実験的に示した。この発展形といえるPAM4-PRS/PRMLは帯域制限の厳しい可視光光無線伝送系で有効と考えられるが、実験上では送信機で重畳する雑音レベルを低減する必要がある。これらは今後の水中光無線通信技術の発展の方向性を示す成果と考えている。