Μελέτη ασύρματων οπτικών συστημάτων για την υλοποίηση ευρυζωνικών δικτύων εσωτερικού χώρου

Abstract

The first optical system employed for wireless communication was the photophone and was invented in 1880 by Alexander G. Bell and Charles S. Tainter. The limited range, the need for a line of sight path between the transmitter and the receiver as well as the high propagation losses due to rain, fog, snow etc. hindered any further development in optical wireless communications. The breakthrough in semiconductor technology during the 20th century enabled the manufacturing of efficient optical sources as the LASER (Light Amplification by Stimulated Emissions of Radiation) and the light emitting diodes (LED - Light Emitting Diodes), and renewed the interest in optical wireless communications. The aforementioned optical sources are characterized by a very high optical power and can be modulated in high frequencies. In 1979, Gfeller and Bapst proposed an infrared LED system for the transfer of data in a local area network and since that time optical wireless communication systems have been attracting increasing interest. The dissertation is organized as follows: The first two Chapters present an outline of the most common systems employed in today’s access networks with an emphasis on optical wireless systems. In addition, the characteristics and limitations of the basic components of optical wireless systems, i.e. transmitter, receiver, optical filters etc., are described. An analysis of the modulation schemes which are usually employed in these systems follows. Finally, a simulation tool is presented which is used for the calculation of the infrared channel’s impulse response and of the ambient light noise. The use of equalization schemes is investigated in Chapter 3 as a means of combating Intersymbol Interference (ISI) in infrared diffuse systems. For the same purpose the use of Multiple Input Multiple Output (MIMO) schemes combined with Discrete Multi Tone (DMT) modulation is examined in Chapter 4. In Chapter 5, different MIMO techniques are compared for use in optical systems employing coherent detection and it is shown that the use of Space Time Block Coding (STBC) techniques in these systems enables the delivery of data rates in the order of ~Gb/s. In an effort to investigate the possibility of introducing a dimming functionality to the LEDs of a visible light communication system, the combination of Pulse Width Modulation and DMT is examined in Chapter 6. Finally, in Chapter 7 the most important conclusions drawn from this dissertation are summarized and suggestions for further research are made.

Το πρώτο οπτικό σύστημα για ασύρματη επικοινωνία είναι το φωτόφωνο που κατασκευάστηκε το 1880 από τους Alexander G. Bell και Charles S. Tainter και χρησιμοποιούσε το φως του ήλιου για τη μετάδοση της φωνής. Η περιορισμένη εμβέλεια, η ανάγκη οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη καθώς και η απόσβεση του φωτός κατά τη διάδοσή του στην ατμόσφαιρα λόγω των καιρικών φαινομένων (βροχή, ομίχλη, κτλ.) δεν ευνόησαν την περαιτέρω ανάπτυξη του συστήματος αυτού. Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ημιαγωγών στα μέσα του 20ου αιώνα οδήγησε στην κατασκευή αποδοτικών οπτικών πηγών, όπως τα LASER (Light Amplification by Stimulated Emissions of Radiation) και οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED - Light Emitting Diodes), και ανανέωσε το ενδιαφέρον για τα ασύρματα οπτικά συστήματα. Οι πηγές αυτές παρείχαν υψηλή οπτική ισχύ καθώς και τη δυνατότητα διαμόρφωσης σε υψηλές συχνότητες. Το 1979, οι Gfeller και Bapst πρότειναν ένα σύστημα που χρησιμοποιεί υπέρυθρες LEDs για τη μετάδοση δεδομένων σε ένα τοπικό δίκτυο υπολογιστών. Έκτοτε τα ασύρματα οπτικά συστήματα αποτελούν αντικείμενο συνεχούς επιστημονικής έρευνας και τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει διαθέσιμα και εμπορικά. H διατριβή έχει την εξής διάρθρωση: Στα δύο πρώτα Κεφάλαια, δίνεται μία σύντομη επισκόπηση των συστημάτων που απαντώνται στα σημερινά ευρυζωνικά δίκτυα πρόσβασης με ιδιαίτερη έμφαση στα ασύρματα οπτικά συστήματα. Περιγράφονται τα χαρακτηριστικά και οι περιορισμοί των δομικών στοιχείων ενός ασύρματου οπτικού συστήματος, όπως είναι ο πομπός, ο δέκτης, τα οπτικά φίλτρα, κτλ. Κατόπιν αναλύονται οι μέθοδοι διαμόρφωσης που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα. Τέλος, παρουσιάζεται ένα εργαλείο προσομοίωσης που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής για τον υπολογισμό της κρουστικής απόκρισης του ασύρματου οπτικού καναλιού και τον υπολογισμό του θορύβου που οφείλεται στο περιβαλλοντικό φως. Στο Κεφάλαιο 3, εξετάζεται η χρήση κατάλληλων μεθόδων ισοστάθμισης για την αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής (ISI – Intersymbol Interference) σε υπέρυθρα συστήματα διάχυσης. Προς την ίδια κατεύθυνση διερευνάται στο Κεφάλαιο 4, η χρήση τεχνικών πολλαπλών εισόδων πολλαπλών εξόδων (MIMO – Multiple Input Multiple Output) σε συνδυασμό με διακριτή πολυτονική διαμόρφωση (DMT – Discrete Multi Tone) σε οπτικά συστήματα διάχυσης. Στο Κεφάλαιο 5 πραγματοποιείται συγκριτική μελέτη τεχνικών ΜΙΜΟ σε συστήματα που χρησιμοποιούν σύμφωνη ανίχνευση στο δέκτη και αποδεικνύεται ότι με τη χρήση μπλοκ κωδικοποίησης χώρου-χρόνου (STBC – Space Time Block Coding) είναι δυνατή η επίτευξη ρυθμών μετάδοσης της τάξης των ~Gb/s. Στο Κεφάλαιο 6 εξετάζεται η χρήση της τεχνικής διαμόρφωσης πλάτους παλμού (PWM – Pulse Width Modulation) για τη ρύθμιση της φωτεινότητας των LEDs που απαντώνται σε ασύρματα οπτικά συστήματα με ορατό φως (VLC – Visible Light Communications). Τέλος, στο Κεφάλαιο 7 συνοψίζονται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διατριβή και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.