Συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών με στατικούς ή κινούμενους πομποδέκτες και μέθοδοι για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών απόδοσής τους

Abstract

The ever-growing need for more frequent and efficient communication, while using very demanding broadband applications, make the development of new telecommunication technologies a necessity. The optical wireless communications (OWC) is a technology with rapid development over the last years, mainly because of their great potential. The recent technological advancements, concerning the LEDs and LASERs, allowed the use of the optical and infrared part of the electromagnetic spectrum for transmitting the required information. Due to the high frequency of the specific part of the spectrum, the optical wireless communications offer very high data rates and theoretically infinite bandwidth, while being a more inexpensive solution with much easier installation compared to the most commonly used technologies. Moreover, the physical properties of light mean that the optical radiation is not harmful for the human health and the OWC systems offer very high security for the transmitted information, without any licensing requirements. Their numerous advantages have established them as a fundamental part of the core network of the 5G systems, as well as an alternative technology for the Wi-Fi networks, which is constantly gaining more and more ground. On the other hand, the performance and stable operation of the OWC systems is highly dependent on the weather conditions and the general characteristics of the propagation medium. The absorption and scattering of the optical beam, while propagating through the medium, limits the range of the optical systems. Another degrading phenomenon is the scintillation effect, which corresponds to the fading effect of the radiofrequency communications and is caused by the turbulence phenomenon characterizing the fluid medium. The very temporally short pulses used by the optical communications require the almost perfect synchronization between the transmitter and the receiver. However, the desynchronizations, that may occur due to the electronic devices consisting the transceivers and the various phenomena that affect the propagating pulse, constitute the time jitter phenomenon. The latter, together with the above forementioned phenomena, are studied in the current dissertation.In the current doctorate dissertation, the cases of both free space optics (FSO) and underwater optical wireless communication (UOWC) systems, as well as hybrid communication systems are studied. The main purpose of the dissertation is to, firstly, identify the negative phenomena that affect the performance of the optical systems and afterwards extract the appropriate mathematical equations that describe their effect. After the mathematical description of the degrading phenomena, some methods and techniques to improve the performance of the systems are proposed and simulated by the appropriate simulation programming tools. Furthermore, significant emphasis is shown to the experimental verification of the theoretical results, via an experimental wireless optical link, which operates in cooperation with the Hellenic Naval Academy.More specifically, starting from the terrestrial free space systems, the combined effect of turbulence and time jitter is studied. The exact harmful effect and the limit set by time jitter are presented for various modulation techniques. Similar results are obtained by placing relays in the middle of the total distance of the link, in order to increase the range of the system. Due to the susceptibility of the FSO systems to adverse weather and atmospheric phenomena, another system is usually adapted, which operates either in parallel with the FSO system, or when the FSO system underperforms in regard to the smooth and reliable communication. A large part of the PhD thesis addresses the performance of these systems under various conditions of turbulence, pointing errors of the laser beam and fading of the secondary employed system. The average bit error rate (ABER) and the outage probability are calculated for various statistical distributions, which describe the phenomena of turbulence, such as Gamma, Gamma-Gamma, K, Malaga and fading of the millimeter wave (MMW) signal, such as Rayleigh, Rice, Weibull.A major achievement of the doctorate dissertation is the introduction of the time jitter effect in the underwater wireless optical communications. Initially, it is studied in combination of the chromatic dispersion which occurs in the underwater environment, due to the variations in the seawater refractive index and can lead to desynchronizations between the transmitter and the receiver. In addition, the turbulence phenomenon is added to the analysis and with the help of the performance criterion of probability of fade, its combined effect on the system is described. One of the major problems of the underwater systems is their limited range, therefore, transponders are added to the studied system and the corresponding results are presented.The verification of the theoretical and simulation results is achieved by collecting and processing experimental data with the help of an experimental link, which is located above the sea area of Piraeus. From the processing of the data, an empirical mathematical model is extracted, which confirms the derived theoretical models. Finally, the theoretical analysis of the degrading phenomena allowed the proposal of a technique to improve the electronic circuits used in the wireless optical communication systems. By using a bi-color LED to simulate a hypersine function, the study of a chaotic system is achieved, which can be used in telecommunication applications.

Οι καθημερινά αυξανόμενες ανάγκες των ανθρώπων για πιο συχνή και αποδοτική επικοινωνία και τη χρήση εξαιρετικά απαιτητικών διαδικτυακών εφαρμογών, καθιστούν αναγκαία τη διαρκή εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών, καθώς και την ανάπτυξη νέων τηλεπικοινωνιακών τεχνολογιών. Οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες (optical wireless communications, OWC) είναι μια τεχνολογία με ραγδαία ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, κυρίως λόγω των πολλά υποσχόμενων δυνατοτήτων τους. Τα τεχνολογικά επιτεύγματα των τελευταίων ετών, που αφορούν κυρίως τα LED και τα LASER, επέτρεψαν τη χρήση του οπτικού και υπέρυθρου τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος για τη μετάδοση της πληροφορίας. Λόγω της μεγάλης συχνότητας του συγκεκριμένου τμήματος του φάσματος, οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες προσφέρουν πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων και θεωρητικά άπειρο εύρος ζώνης, ενώ παράλληλα αποτελούν μια φθηνότερη λύση και με αρκετά ευκολότερη εγκατάσταση, σε σχέση με τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες. Επίσης, λόγω της φύσης του φωτός, είναι ακίνδυνες για την ανθρώπινη υγεία, παρέχουν πολύ υψηλή ασφάλεια για τις μεταδιδόμενες πληροφορίες και αποτελούν ένα μέρος του φάσματος το οποίο δε χρειάζεται άδεια εκπομπής. Τα πολυάριθμα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με άλλες τεχνολογίες επικοινωνιών, τα έχουν καταστήσει κύριο συστατικό των δικτύων κορμού των συστημάτων 5G, αλλά και μια εναλλακτική τεχνολογία για την αντικατάσταση των Wi – Fi δικτύων, η οποία κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος. Από την άλλη μεριά, η απόδοση και η ομαλή λειτουργία των ασύρματων οπτικών συστημάτων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις καιρικές συνθήκες και τα γενικότερα χαρακτηριστικά του μέσου στο οποίο διαδίδονται. Η απορρόφηση και η σκέδαση που υφίσταται η οπτική δέσμη κατά τη διάδοσή της στο μέσο του καναλιού περιορίζει την εμβέλεια των συστημάτων. Επιζήμιο φαινόμενο αποτελεί και το φαινόμενο του σπινθηρισμού, το οποίο είναι το αντίστοιχο των διαλείψεων στα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων και προκαλείται από το φαινόμενο της τυρβώδους ροής του ρευστού μέσου. Επίσης, οι πολύ σύντομοι χρονικά παλμοί που χρησιμοποιούνται για τις οπτικές επικοινωνίες προϋποθέτουν το σχεδόν τέλειο συγχρονισμό μεταξύ πομπού και δέκτη. Οι αποσυγχρονισμοί, που μπορεί να προκαλούνται λόγω των ηλεκτρονικών συστημάτων των πομποδεκτών και των διαφόρων φαινομένων που επηρεάζουν τον οπτικό παλμό, αποτελούν το φαινόμενο του time jitter και όπως και τα υπόλοιπα φαινόμενα μελετάται στην παρούσα διατριβή.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται οι περιπτώσεις των επίγειων (free space optics, FSO), υποβρυχίων (underwater wireless optical communication, UWOC) και υβριδικών ασύρματων οπτικών συστημάτων. Ο στόχος της διατριβής είναι αφού εντοπιστούν τα επιζήμια φαινόμενα που επηρεάζουν τις ασύρματες οπτικές επικοινωνίες, ανεξάρτητα από το μέσο διάδοσης, να εξαχθούν οι κατάλληλες μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν την επίδρασή τους. Έπειτα, να προταθούν οι κατάλληλες μέθοδοι για τη βελτίωση της απόδοσής τους και να επιβεβαιωθούν με κατάλληλα προσομοιωτικά εργαλεία. Ακόμα, δίνεται και αρκετή έμφαση στην πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων, με τη χρήση δεδομένων που συλλέχθηκαν από υπάρχουσα πειραματική διάταξη σε συνεργασία με τη Σχολή Ναυτικών Δοκίμων.Πιο αναλυτικά, ξεκινώντας από τα επίγεια συστήματα, μελετάται η συνδυαστική επίδραση δύο φαινομένων, της τυρβώδους ροής και του time jitter. Η ακριβής επιβλαβής επίδραση και το όριο που θέτει το time jitter παρουσιάζονται για διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης. Παρόμοια αποτελέσματα εξάγονται τοποθετώντας αναμεταδότες (relays) στο ενδιάμεσο της συνολικής απόστασης της ζεύξης, ώστε να αυξηθεί η εμβέλεια του συστήματος. Λόγω της ευαισθησίας των FSO συστημάτων στα αντίξοα καιρικά και ατμοσφαιρικά φαινόμενα, συνηθίζεται να προσαρμόζεται στα συστήματα αυτά ένα ακόμα σύστημα, το οποίο λειτουργεί είτε παράλληλα, είτε όταν το FSO σύστημα λειτουργεί κάτω από της συνθήκες ομαλής και αξιόπιστης επικοινωνίας. Ένα μεγάλο μέρος της διδακτορικής διατριβής αναφέρεται στην απόδοση των εν λόγω συστημάτων κάτω από διάφορες συνθήκες τυρβώδους ροής, σφαλμάτων στόχευσης της δέσμης laser και της διάλειψης του δευτερεύοντος συστήματος. Η μέση πιθανότητα σφάλματος bit (average bit error rate, ABER) και η πιθανότητα για outage (outage probability) υπολογίζονται για διάφορες στατιστικές κατανομές, οι οποίες περιγράφουν τα φαινόμενα της τυρβώδους ροής, όπως οι Gamma, Gamma-Gamma, K, Malaga και της διάλειψης του χιλιοστομετρικού (millimeter wave, MMW) σήματος, όπως οι Rayleigh, Rice, Weibull.Ένα από τα βασικά επιτεύγματα της διατριβής είναι η εισαγωγή του φαινομένου του time jitter στις υποβρύχιες ασύρματες οπτικές επικοινωνίες. Αρχικά, μελετάται παράλληλα με τη χρωματική διασπορά που εμφανίζεται στο υποθαλάσσιο περιβάλλον, λόγω της μεταβολής του δείκτη διάθλασης, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία συγχρονισμού μεταξύ πομπού και δέκτη. Έπειτα, προστίθενται στην ανάλυση και το φαινόμενο της τυρβώδους ροής και με τη βοήθεια της πιθανότητας διάλειψης (probability of fade) περιγράφεται η συνδυαστική της επίδραση στο σύστημα. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα των υποβρυχίων συστημάτων είναι η περιορισμένη εμβέλειά τους, επομένως, στο μελετώμενο σύστημα προστίθενται αναμεταδότες και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα.Η επαλήθευση μέρους των θεωρητικών και προσομοιοτικών αποτελεσμάτων πραγματοποιείται με τη συλλογή και επεξεργασία πειραματικών δεδομένων, με τη βοήθεια πειραματικής ζεύξης, η οποία βρίσκεται τοποθετημένη πάνω από θαλάσσια περιοχή του Πειραιά. Από την επεξεργασία των δεδομένων προκύπτει εμπειρικό μαθηματικό μοντέλο, το οποίο επιβεβαιώνει τα εξαγόμενα θεωρητικά μοντέλα. Τέλος, η θεωρητική ανάλυση των επιζήμιων φαινομένων επέτρεψε την πρόταση μιας τεχνικής για την βελτίωση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στα συστήματα των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών. Χρησιμοποιώντας ένα διχρωματικό LED (bi – color LED) για την προσομοίωση μιας συνάρτησης υπερβολικού ημιτόνου, επιτυγχάνεται η μελέτη ενός χαοτικού συστήματος, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.