Abstract-New high-data-rate multimediatjänster och tillämpningar utvecklas kontinuerligt och exponentiellt ökar efterfrågan på trådlös kapacitet av femte generationen (5G) och därefter. Det befintliga kommunikationsspektrumet för radiofrekvenser (RF) är otillräckligt för att möta kraven från framtida tjänster med hög datahastighet på 5G. Optisk trådlös kommunikation (OWC), som använder ett extremt brett spektrum av oreglerat spektrum, har kommit fram som en lovande lösning för att övervinna RF-spektrumkrisen. Det har lockat till sig ett växande forskningsintresse över hela världen under det senaste årtiondet för inomhus- och utomhusapplikationer. OWC avlastar enorma datatrafikapplikationer från RF-nätverk. En datahastighet på 100 Gbps har redan visats genom OWC. Det erbjuder tjänster både inomhus och utomhus, och kommunikationsavstånd sträcker sig från flera nm till mer än 10 000 km. Detta dokument ger en teknisk översikt och en översyn av optisk trådlös teknik såsom synlig ljuskommunikation, ljustrohet, optisk kamerakommunikation, optisk kommunikation med fritt utrymme samt ljusdetektering och ljusspridning. Vi undersöker de viktigaste teknikerna för att förstå OWC och presenterar toppmoderna kriterier i aspekter som klassificering, spektrumanvändning, arkitektur och tillämpningar. Det viktigaste bidraget i detta dokument är att klargöra skillnaderna mellan olika lovande optiska trådlösa tekniker och mellan dessa tekniker och deras motsvarande liknande befintliga RF-teknik. Index Terms-Gratis rymd optisk kommunikation, infraröd, ljusdetektering och räckvidd, ljustrohet, optisk kamerakommunikation, optisk trådlös kommunikation, radiofrekvens, ultraviolett, synligt ljus, synlig ljuskommunikation. Femte generationens (5G) kommunikation är nästa steg i standarder för mobil telekommunikation. Det kommer att erbjuda nya tjänster med ultra-hög systemkapacitet, massiva enheter anslutning, ultra-låg latens, ultra-hög säkerhet, ultra-låg energiförbrukning, och extremt hög kvalitet på erfarenhet [1]- [6]. Det förväntas att 5G-kommunikation kommer att omfatta extremt heterogena nätverk för vilka mobil datavolym per område kommer att vara 1000 gånger och antalet anslutna trådlösa enheter kommer att vara 100 gånger högre jämfört med de i befintliga trådlösa nätverk [1]. Därför måste kommande nätverk Manuscript in: (Date) Mostafa Zaman Chowdhury är med Institutionen för elektronikteknik, Kookmin University, Korea (e-post: mzaman@kookmin.ac.kr). M.D. Tanvir Hossan är verksam vid Institutionen för elektronikteknik, Kookmin University, Korea (e-post: tanvir.hossan.shaon@gmail.com). Amirul Islam är med Institutionen för elektronikteknik, Kookmin University,. Yeong Min Jang är verksam vid Institutionen för elektronikteknik, Kookmin University, Korea (e-post: yjang@kookmin.ac.kr). ha kapacitet att stödja höga användardatahastigheter, låg energiförbrukning och försumbara end-to-end-förseningar [1]– [6]. Hög kapacitet backhaul anslutning är avgörande för 5G och bortom kommunikation för att stödja hyper-dense ultra-snabba accessnät [3]. I och med utvecklingen av konceptet Internet of Things (IoT) ökar dessutom den takt i vilken fysiska apparater är anslutna till internet exponentiellt [7]-[11]. För närvarande används radiofrekvens (RF) i stor utsträckning i olika trådlösa tillämpningar. När det gäller att möta den växande efterfrågan på 5G trådlös kapacitet och tjäna IoT-paradigmet är det nuvarande RF-spektrumet otillräckligt. Det elektromagnetiska spektrumet, med gynnsamma kommunikationsegenskaper under 10 GHz, används i stor utsträckning av befintlig trådlös teknik och har nästan förbrukats. Därför förutspås att den stora efterfrågan på anslutningsmöjligheter i framtida mobil datatrafik inte kommer att tillgodoses av befintlig trådlös teknik [12]. Dessutom har detta band (under 10 GHz) begränsningar såsom ett litet spektrumband, bestämmelser om spektrumanvändning och allvarliga störningar mellan närliggande RF-accesspunkter. Därför söker forskare efter nya kompletterande spektra, såsom millimeter- och nanometervågor, för trådlös kommunikation [13]. Vid Världsradiokonferensen 2015 (WRC-15) föreslog Internationella teleunionen (ITU) elva nya kandidatband för internationell mobilkommunikation 2020 (IMT-2020). RF-bandet ligger mellan 3 kHz och 300 GHz av det elektromagnetiska spektrumet. Användningen av detta band regleras strikt av lokala och internationella myndigheter. I de flesta fall är RF-delbanden helt licensierade till vissa operatörer, t.ex. mobiltelefonoperatörer, TV-programföretag och mikrovågslänkar från punkt till punkt [14]. Det optiska spektrumet betraktas som en lovande lösning för utvecklingen av framtida högdensitets- och högkapacitetsnät. Trådlös anslutning baserad på det optiska spektrumet kallas optisk trådlös kommunikation (OWC). Jämfört med RF-baserade nätverk erbjuder OWC-baserade nätverkstekniker unika fördelar. OWC-system kan tillhandahålla högdatatjänster för kommunikationsavstånd som sträcker sig från några nanometer till mer än 10 000 km. Den kan prestera bra både för inomhus- och utomhustjänster. OWC-systemen är dock känsliga för hinder och begränsad överförd kraft. Därför kan samexistensen mellan OWC- och RF-system vara en effektiv lösning för de enorma kraven från kommande 5G och bortom kommunikationssystem. Bilda. 1 visar flera områden där OWC kan tillämpas, såsom industri, hälso- och sjukvård, järnvägsstationer, transporter, hem, kontor, köpcentra, undervattens och utrymme. För dessa tillämpningsplattformar kan alla typer av kommunikation, såsom enhet-till-enhet (D2D), maskin-till-maskin (M2M), chip-till-chip, enhet/maskin-till-användare, användare-till-enhet/maskin, fordon-till-infrastruktur, fordon-till-fordon och infrastruktur-till-fordon (V2X), punkt-till-punkt, multipunkt-till-punkt och punkt-till-multipunkt utföras med hjälp av OWC-teknik. Baserat på applikationstyp, önskad datahastighet och plattform, kan olika OWC-tekniker tillämpas. OWC har blivit en lovande teknik för att stödja högkvalitativ 5G-kommunikation och den massiva uppkopplingen av sakernas internet. 5G och utöver kommunikationssystemen måste ha de egenskaper som krävs för att integrera ultradense heterogena nät. Ett enkelt men mycket effektivt sätt att öka nätverkskapaciteten är att göra cellerna mindre [6]. Nätverk utvecklas nu snabbt för att inkludera inbäddade små celler som picoceller och femtoceller för 5G och bortom kommunikation. VLC, LiFi och OCC kan erbjuda ultra-dense små cell hotspot tjänster för att möta kraven från 5G. Dessutom kan FSO, LiFi och VLC effektivt ge hög kapacitet backhaul stöd för 5G och bortom kommunikationssystem. OWC-tekniken har mycket låg energiförbrukning, vilket är ett centralt krav på 5G [2]. En tillförlitlig anslutning, som är den viktigaste prioriteringen för 5G-kommunikation, kan också tillhandahållas med hjälp av OWC-teknik. Det kan ge säker kommunikation, som krävs av 5G, och kan också ansluta en stor och mångsidig uppsättning 5G-enheter för inomhus- och utomhuskommunikation. Det kommer att erbjuda extrem förtätning och avlastning för att förbättra områdets spektral effektivitet. För att stödja IoT paradigm, OWC-teknik kan ge massiv anslutning genom låg ström LED-teknik. Användningen av optiska band som kompletterar RF kommer att lindra de problem som orsakas av spektrumbrist inom RF-baserad trådlös kommunikation.  I denna undersökning presenterar vi en allmän översikt och jämförelse av ny OWC-teknik. Huvudfokus i detta dokument är att klargöra skillnaderna mellan olika optiska trådlösa tekniker och mellan lovande optiska trådlösa tekniker och deras respektive liknande befintliga RF-teknik. Här diskuterar vi OWC-system ur olika synvinklar, t.ex. de typer av optiska underband som används (IR/VL/UV); de typer av teknik som tillämpas (LiFi/VLC/OCC/FSO/LiDAR); tillämpningsscenarierna (omfång av kommunikationsavstånd, datahastighet/noggrannhet/säkerhet, LOS/NLOS, inomhus/utomhus, och undervattens-/vehikel/utrymme); typer av sändare/mottagare (LED/LD och PD/camera); nätverksarkitektur; driftsprincipen; och typer av tillämpning (belysning/lokalisering/kommunikation/höghastighetslänk/avbildning), för att belysa skillnaderna mellan teknikerna. Resten av tidningen är organiserad enligt följande. Avsnitt II ger en översikt över OWC-system; klassificeringen av OWC baserad på teknik, kommunikationsavstånd och kommunikationsmedia presenteras i detta avsnitt. Olika OWC-tekniker, deras tillämpningar och driftsprinciper presenteras i avsnitt III. I avsnitt IV sammanfattas genomgången och diskuteras forskningsfrågornas framtida inriktning. Undersökningen avslutas i avsnitt V. För enkelhetens skull sammanfattas de olika förkortningar som används i detta dokument i tabell I. Bilda. 2 visar klassificeringen av OWC-tillämpningar baserat på sändningsområde. OWC kan användas för WBAN, WPAN, trådlösa storstadsnätverk (WMAN), wide area network (WAN), etc. Bilda. 3 visar applikationerna för OWC-system för olika kommunikationsområden. Det visar att ett brett spektrum av kommunikationer är möjligt med hjälp av OWC, dvs., från ultrakort räckvidd inter-chip upp till ultra-lång räckvidd inter-satellit kommunikation. > REPLACE DETTA LINE MED DIN PAPPIDENTIFIERINGSNUMMER (DOUBLE-KLICKA HÄR TILL EDIT) < 4 Baserat på överföringsspektrumet kan OWC studeras i tre kategorier, nämligen infraröd, VL och ultraviolett. VL-spektrumet används i stor utsträckning i VLC, LiFi och OCC > REPLACE DETTA LINJE MED DIN PAPPIDENTIFIKATIONSNUMMER (DOUBLE-KLICK HÄR TILL EDIT) <  med korta och mellanstora intervall i LiFi och OCC med ultrakorta, korta, mellanlånga och ultralånga intervall i FSOC-korta, medellånga och ultralånga intervall i LiDAR- och ultralånga intervall inom VLC, LiFi och OCC med ultrakorta, korta, korta, medellånga och ultralånga intervall i FSOC-OWC används ofta för LOS-kommunikation. NLOS-kommunikation är dock också möjlig med hjälp av OWC-teknik. Hög data-hastighet NLOS kommunikation kan uppnås med hjälp av UV-spektrum. Bilda. 4 visar NLOS kommunikation med IR, VL och UV. Bilda. 4 a) visar ett lågdatabaserat NLOS-kommunikationssystem som uppnås med hjälp av reflexion av IR och VL. I figuren visas ett kommunikationssystem med hög datahastighet för NLOS. 4 b............................................................... För att utföra NLOS UV-kommunikation är en allriktad sändare riktad mot en höjd, medan mottagaren krävs för att korsa den överförda strålen. Sändaren består av ett xenonblixtrör inuti en sökljusskål. Genom konstruktionen måste den främre mottagaren av ett sådant system ha hög vinst och lågt buller, och det är byggt med hjälp av en fotomultiplikatorrör och en räknare [66]. Atmosfäriska gaser ozon och syre är starka absorberare av ljus i UV-spektralområdet [67]. Ett filter framför fotoröret genererar en puls när det upptäcker en > REPLACE DETTA LINJE MED DIN PAPPIDENTIFIERINGSNUMMER (DOUBLE-KLICK HÄR TILL EDIT) < incidentfoton av drift. Kunskapen om de överförda och mottagna strålpositionerna är viktig för att uppnå högre datahastighet, minskad latens och minskad överförd effekt. Lysdioder och lysdioder erbjuder unika fördelar och begränsningar när det gäller deras användning i OWC-system. Fördelarna och begränsningarna med OWC-system baserade på lysdioder och lysdioder listas kortfattat nedan: På grund av de senaste framstegen inom solid-state-belysning har det under det senaste årtiondet funnits en trend att ersätta glödlampa och lysrör med högintensiva solid-state vita lysdioder. LED har fördelar som extremt hög energieffektivitet, längre livslängd, kompakt formfaktor, lägre värmegenerering, minskad användning av skadliga material i design, och förbättrad färgtolkning utan att använda skadliga kemikalier [26]. På grund av dessa fördelar, LED adoption har ökat konsekvent, och det förväntas att nästan 75% av all belysning kommer att tillhandahållas av lysdioder till år 2030 [68]. En ytterligare viktig fördel med lysdioder är att de kan byta till olika ljusintensiteter mycket snabbt. Denna speciella funktionalitet med hög kopplingshastighet skapar möjligheten att använda lysdioder som OWC-sändare för höghastighetskommunikation och högeffektiv belysningskälla samtidigt. Därför kan lysdioder tjäna de dubbla syftena att ge högeffektiv belysning och mycket snabb kommunikation. Allt ljus som produceras av en lysdiod är osammanhängande i naturen. Därför är alla vågor inte i fas och den överförda optiska kraft som produceras av en LED är jämförelsevis mycket låg. Även naturliga och artificiella ljuskällor orsakar störningar för en LED-källa ljus. Lasrar är monokroma. Därför är allt ljus som produceras med hjälp av en laser en enda, specifik våglängd. Sammanhängande ljus innebär att alla enskilda ljusvågor är exakt uppradade med varandra, alla vågor färdas i samma riktning, på samma sätt, och samtidigt [69]. Laserljusen är koncentrerade och riktade framåt på grund av sammanhängande egenskaper. Därför kan laserljus färdas långa sträckor. Dessutom, med tanke på detta, LDs orsakar mindre störningar och ger en hög data-hastighet jämfört med LED-lampor. LD har låg öppning. Endast punkt-till-punkt-kommunikation är möjlig med hjälp av LD. Idén att använda LD-baserad FSO-kommunikation har varit välkänd i många år. Kommunikation med hög datahastighet har redan visats för mobil åtkomst med hjälp av IR LD [70]. Icke desto mindre, LDs är inte populära på grund av eventuella hälsorisker (t.ex., ögonskador, hypertermi, koagulation, och ablation på grund av termiska effekter av laserstrålning [71], [72]), kostnad, färg blandning komplikation, och tvivelaktig kvalitet laser ljus för belysning [33]. En nyligen genomförd studie visar att diffust laserljus inte äventyrar användarupplevelsen jämfört med konventionella armaturer [73]. Var och en av de optiska teknikerna (VLC, OCC, LiFi, FSO och LiDAR) har en unik arkitektur och driftsprinciper. De kan också skilja sig åt i fråga om moduleringsteknik, överföringssystem, mottagningssystem och kommunikationsmedier. Bilda. 5 visar de grundläggande arkitekturerna för de olika OWC-teknikerna. Olika OWC-tekniker använder antingen lysdioder eller LD som fysiska sändare. PD eller kameror (eller IS) används som fysiska mottagare, och IR, VL eller UV-spektrum används som kommunikationsmedia. Denna siffra förklarar hur de olika OWC-teknikerna skiljer sig från varandra när det gäller sändare, mottagare och kommunikationsmedium. VLC, en delmängd av OWC, har framträtt som en lovande teknik under det senaste årtiondet. VLC baserat på lysdioder eller LD kan vara en lovande lösning för kommande trådlösa nätverk med hög densitet och hög kapacitet på 5G. IoT blir allt viktigare eftersom det tillåter ett stort antal > REPLACE DETTA LINE MED DIN PAPPIDENTIFIERINGSNUMMER (DOUBLE-CLICK HÄR TILL EDIT) < enheter att anslutas för avkänning, övervakning och resursdelning, och VLC skulle kunna spela en viktig roll i detta syfte [74]. VLC-tekniken erbjuder 10 000 gånger mer bandbreddskapacitet än RF-baserade tekniker [75]. VLC baserat på VL-spektrumet ger betydande möjligheter till tillämpning i hem, kontor, bilar, flygplan, tåg och vägkanter [21]. Dessutom är det inte skadligt för människor. Denna teknik lider dock av några få begränsningar: i) den är inte särskilt effektiv för utomhusapplikationer, och ii) den kan inte utföra fjärrkommunikation. Lysdioder kan växla till olika ljusintensitetsnivåer i en mycket snabb takt, vilket gör att data kan moduleras genom LED med en hastighet som det mänskliga ögat inte kan upptäcka [65], [76], [77]. Därför kan dessa energieffektiva LED-enheter användas för belysning, kommunikation och lokalisering [78], en unik funktion som inte finns i andra enheter. Potentiella VLC-data på över 10 Gbps har redan visats med hjälp av lysdioder [12]. En datahastighet på 3 Gbps har uppnåtts med hjälp av en enda färg LED [51]. Den största nackdelen med lysdioder är deras inneboende avvägning mellan bandbredd och optisk effektivitet. LD kan därför betraktas som ett lovande alternativ för bättre utnyttjande av VL-spektrumet för kommunikationsändamål. En datahastighet på 100 Gbps kan uppnås vid standardbelysning inomhus med hjälp av LD-baserad VLC [12]. VLC har många inomhus- och utomhusapplikationer, varav några är följande [26] En grundläggande arkitektur för användarutrustning (UE)-till-kärnnätsanslutning (CN) i VLC-system visas i bild. 6............................................................. LED-lampor eller LD-lampor används som sändare. Kameror eller IS eller PD används som mottagare. Sedan är VLC-accessnätverk anslutna till Internet, vilken server eller CN som helst genom trådbunden eller trådlös backhaul-anslutning. Den backhaul nätverksanslutning kan vara antingen internetleverantör (ISP) eller kabel-TV eller FSO eller optisk fiber eller cellulär eller ens satellit. I inomhusmiljöer är det normalt en trådbunden anslutning. I utomhusfall, särskilt i fordonsmiljöer, används dock trådlös backhaul-anslutning. LiFi och OCC använder också liknande anslutning. De enda skillnaderna är den fysiska sändaren, mottagaren och överföringsmedierna. LiFi kan klassificeras som en nm-vågkommunikation [29]. De viktigaste skillnaderna mellan LiFi och VLC är i) VLC använder endast VL-delen av ljusspektrumet, medan LiFi använder VL i den framåtgående vägen, men det är möjligt att använda antingen IR, VL eller UV i returbanan [29] [31], iii) LiFi måste tillhandahålla sömlös användarrörlighet, medan mobilitetsstöd inte är obligatoriskt för VLC [31], och iv) VLC-system omfattar något av punkt-till-punkt-, punkt-till-punkt-kommunikation och multipunkt-till-punkt-kommunikation, medan LiFi-system måste omfatta fleranvändarkommunikation, dvs. punkt-till-multipunkt- och multipunkt-till-punkt-kommunikation. Därför är LiFi ett komplett trådlöst nätverkssystem och stöder sömlös användarrörlighet; därför bildar det ett nytt litet attocellskikt inom befintliga heterogena trådlösa nätverk. Som sådan, ett VLC-system kommer att behandlas som LiFi endast om det har LiFi-funktioner (t.ex., fleranvändarkommunikation, punkt-till-multipunkt och multipunkt-till-punkt-kommunikation, och sömlös användarrörlighet). Å andra sidan kan ett LiFi-system endast behandlas som VLC när VL används som överföringsmedium. Termen LiFi liknar WiFi, med undantag för att optiskt spektrum snarare än RF-spektrum används för överföring. Befintliga lysdioder kan användas som sändare för LiFi cellulär distribution [29]. Dessutom kan LDs i kombination med optisk diffusor också användas som LiFi-sändare. Hastigheter på över 3 Gbps från bara en enda mikroLED har visats [33], och en hastighet på 56 Gbps uppnåddes med hjälp av en vertikal-kavitet ytavgivande laser (VCSEL) [30]. Konceptet LiFi atocells kan minska cellstorleken jämfört med mm-vågskommunikation [85]. Stora mängder data kan avlastas till LiFi-attocells från överbelastade RF-baserade nätverk. De lägre LiFi-attocelerna inom befintliga heterogena trådlösa nätverk i flera nivåer har noll interferens från och lägger till noll interferens till RF-baserade nätverk såsom femtocellsnätverk [29]. Bilda. 7 visar valda tillämpningsscenarier (både inomhus och utomhus) för VLC/LiFi-teknik. Tillämpningsscenarierna för VLC och LiFi är likartade. I inomhusmiljön sker kommunikation och belysning samtidigt. I vissa fall i utomhusmiljön utförs både kommunikation och belysning (t.ex. i gatulyktor och fordonsstrålkastare), medan endast kommunikation i andra fall utförs (t.ex. i trafiksignaler och i fordonets baklyktor). De exempel som visas i bild. 7(a) gäller såväl VLC som LiFi-kommunikation, beroende på vilka kommunikationsmedier som stöds för upplänk och de funktioner som tillhandahålls. På bild. 7(b), street light-smartphone kommunikation är ett exempel som inkluderar både VLC och LiFi-system. Å andra sidan är infrastruktur-till-fordon, fordon-till-infrastruktur och fordon-till-fordon exempel på VLC. De potentiella fördelarna med LiFi över WiFi inkluderar mycket snabb datahastighet, lägre kostnader, lättillgänglig spektrumkapacitet och bättre säkerhet. Säkerhetsdetaljerna i LiFi gör det lovande för användning i elektromagnetiska känsliga områden som sjukhus, kärnkraftverk och flygplanshytter. LiFi-tekniken är dock inte särskilt effektiv för utomhusapplikationer och kan inte heller erbjuda långdistanskommunikation. Några viktiga skillnader mellan LiFi och WiFi listas i tabell IV. > KLICKA HÄR TILL EDIT < 10 lysdioder anslutna till internetserver 110101010101010101 101101010
Chowdhury m.fl. REF undersökte skillnaderna mellan optisk trådlös kommunikation (OWC) teknik såsom infraröd kommunikation, VLC, ljus-trohet (LiFi), fri utrymme optisk (FSO) kommunikation, etc.
A Comparative Survey of Optical Wireless Technologies: Architectures and Applications
{'venue': 'IEEE Access, vol. 6, Jan. 2018', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}