Επίγειες ασύρματες οπτικές τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις και μελέτη τεχνικών για τη βελτίωση της απόδοσή τους

Abstract

Free Space Optical systems (FSO) are investigated in this thesis. In such systems, the transmitter and the receiver communicate using a laser beam that propagates through the atmosphere. FSO systems attract research and commercial interest due to the plenty advantages they offer, such as the high bit rate. But, FSO systems are vulnerable to atmospheric and natural phenomena, like weather conditions, atmospheric turbulence and pointing errors. All these phenomena are responsible for irradiance attenuation and fluctuations at the receiver. Especially atmospheric turbulence and pointing errors create fast fluctuations at the receiver, a phenomenon also known as scintillation effect. In order to study such fast fluctuations we employ statistical methods and the channel is modeled with various statistical distributions depending on the turbulence strength and the presence of pointing errors. First, we investigate the effect of the above factors on the efficiency of an FSO system. More precisely the metrics of outage probability, such as the bit error rate, the average capacity and the outage capacity are considered by calculating closed-form mathematical expressions that describe them. Furthermore, we apply OFDM multiplexing to a FSO system and examine how the nonlinear clipping affects the link and it is the first time that this nonlinear factor is studied in a FSO system. The most important goal of the thesis is the investigation and proposal of various methods to increase the efficiency of a FSO system. Firstly, the technique of multi-hop is presented. This technique is used to increase the total effective link length by using serially relay nodes. Then, we examine the technique of diversity. In this technique, multiple copies of the signal are sent to the receiver. Diversity can be applied in space, time and wavelength. For both techniques of multi-hop and diversity, closed-form mathematical expressions are derived and numerical results are presented for the behavior of the system. Finally, we experimentally evaluate the theoretical model in the case of weak turbulence. This evaluation is implemented by the process of experimental data that are obtained from an experimental FSO system.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται οι ασύρματες οπτικές ζεύξεις ανοιχτού χώρου (Free Space Optics, FSO), όπου πομπός και δέκτης επικοινωνούν με τη βοήθεια μιας δέσμης laser. Τα συστήματα FSO παρουσιάζουν μεγάλο ερευνητικό και εμπορικό ενδιαφέρον λόγω των πλεονεκτημάτων που προσφέρουν, με κυριότερο τον υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που επιτυγχάνουν και το πολύ χαμηλό κόστος. Τα συστήματα όμως αυτά είναι ευάλωτα σε εξωτερικούς παράγοντες, όπως τα διάφορα καιρικά φαινόμενα, η ατμοσφαιρική τυρβώδη ροή και τα σφάλματα σκόπευσης. Η ατμοσφαιρική τυρβώδης ροή και τα σφάλματα σκόπευσης προκαλούν ταχύτατες μεταβολές της κανονικοποιημένης ισχύος οπτικής ακτινοβολίας στον δέκτη, φαινόμενο παρόμοιο με το φαινόμενο των διαλείψεων στις επικοινωνίες ραδιοσυχνοτήτων. Οι γρήγορες αυτές μεταβολές μελετώνται με τη χρήση στατιστικών κατανομών. Πρώτος στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης των παραγόντων αυτών στις επιδόσεις του συστήματος και ειδικότερα στη διαθεσιμότητα, στην αξιοπιστία και στην απόδοση του. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται η πιθανότητα διακοπής ζεύξης, ο ρυθμός σφαλμάτων μετάδοσης, η χωρητικότητα διακοπής καθώς και η μέση χωρητικότητα του καναλιού και εξάγονται εξισώσεις για κάθε μετρική. Παράλληλα, μελετώνται συστήματα FSO με εφαρμογή της πολυπλεξίας OFDM, η οποία εισάγει το φαινόμενο του ψαλιδισμού, φαινόμενο το οποίο μελετάται για πρώτη φορά σε ασύρματες οπτικές ζεύξεις σε συνδυασμό με την ατμοσφαιρική τυρβώδη ροή. Στη συνέχεια, προτείνονται τεχνικές, διατάξεις και αρχιτεκτονικές για την αντιμετώπιση όλων των παραγόντων που επιδρούν αρνητικά στο σύστημα και μειώνουν την απόδοσή του. Έτσι, μελετάται η τεχνική των πολλαπλών αλμάτων με χρήση είτε ενισχυτών ή/και αναγεννητών, η οποία έχει ως στόχο την αύξηση της ενεργού απόστασης μεταξύ πομπού και δέκτη με χρήση ενδιάμεσων κόμβων. Κατόπιν, η τεχνική της διαφορικής λήψης, στην οποία πολλαπλά αντίγραφα του σήματος αποστέλλονται στον χρήστη είτε σε διαφορετικά χωρικά κανάλια (διαφορική λήψη στον χώρο), είτε σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (διαφορική λήψη στον χρόνο) ή σε διαφορετικά μήκη κύματος (διαφορική λήψη στο μήκος κύματος). Για όλες τις παραπάνω τεχνικές εξάγονται εξισώσεις, μέσω των οποίων παρουσιάζονται αριθμητικά αποτελέσματα που περιγράφουν τη συμπεριφορά του συστήματος. Τέλος, παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη, που αναπτύχθηκε, καθώς και κάποιων πειραματικών αποτελεσμάτων, προκειμένου να επιβεβαιωθεί η πολύ καλή ακρίβεια που παρουσιάζει στον υπολογισμό των διακυμάνσεων της ισχύος οπτικής ακτινοβολίας, λόγω ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής, ένα από τα στατιστικά μοντέλα, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μελέτη των FSO συστημάτων.