Εκπομπή, διάδοση και ανίχνευση σήματος στα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών

Abstract

Free-space optical communications occupy an increasingly important share of wireless telecommunications technologies. With a presence from the distant past to the present, free-space optical communications attract not only enormous research, but also very high practical/commercial interest, as it is an absolutely applicable solution to the problem of wireless data transfer with very high performance and low cost. The development of new materials and research in this specific direction led to easier and cheaper production and detection of light pulses, resulting in the construction of lightweight and economical high-performance transceivers for free-space communications. In addition, the spectrum in which the transceivers operate allows the transmission of huge amounts of data at very high rates, which is a requirement for the modern era. On the other hand, the performance and reliability of optical links depend on the variability of the characteristics of the propagation path, i.e. free space, especially when it comes to the Earth's atmosphere, through which terrestrial tropospheric optical signals propagate. A series of physical phenomena can strongly influence the characteristics of the signal and, therefore, alter the reliability and availability performance of the corresponding information transmission systems. For this reason, the behavior of optical links is studied analytically and numerically, taking into account the conditions prevailing in the area in which it is installed. This doctoral thesis was conducted at the Physics Department of the National and Kapodistrian University of Athens, Greece, on the subject of "Signal Transmission, Propagation, and Detection in Wireless Optical Communication Systems". It includes the basic concepts about wireless communication and a description of phenomena, affecting the propagation of free space optical (FSO) signals. Among the studied phenomena, the power losses, the chromatic pulse dispersion, the geometrical beam divergence, the atmospheric turbulence, the time jitter and the spatial jitter are included, individually or jointly, combining their effects. Furthermore, the mathematical expressions of both availability and reliability performance calculations for various cases are listed, while both numerical and important, experimental results are then presented, as well.

Οι οπτικές επικοινωνίες ελεύθερου χώρου καταλαμβάνουν ένα αυξανόμενα σημαντικό μερίδιο των τεχνολογιών των ασύρματων τηλεπικοινωνιών. Με παρουσία από το μακρινό παρελθόν έως και σήμερα, οι οπτικές επικοινωνίες ελεύθερου χώρου προσελκύουν όχι μόνο το τεράστιο ερευνητικό, αλλά και πολύ υψηλό πρακτικό/εμπορικό ενδιαφέρον, καθώς πρόκειται για μια απόλυτη εφαρμόσιμη λύση στο πρόβλημα της ασύρματης μεταφοράς δεδομένων με πολύ υψηλές επιδόσεις και χαμηλό κόστος. Η ανάπτυξη νέων υλικών και η έρευνα στη συγκριμένη κατεύθυνση οδήγησε στην ευκολότερη και φθηνότερη παραγωγή και ανίχνευση φωτεινών παλμών, με αποτέλεσμα την κατασκευή ελαφριών και οικονομικών πομποδεκτών υψηλής απόδοσης, για τις επικοινωνίες ελεύθερου χώρου. Συν τοις άλλοις, το φάσμα, στο οποίο λειτουργούν οι πομποδέκτες, επιτρέπουν τη μετάδοση τεράστιου όγκου δεδομένων με υψηλότατους ρυθμούς, κάτι το οποίο είναι ζητούμενο για την σύγχρονη εποχή. Από την άλλη πλευρά, η απόδοση και η αξιοπιστία των οπτικών ζεύξεων συναρτώνται από τη μεταβλητότητα των χαρακτηριστικών της διαδρομής διάδοσης (propagation path), δηλαδή του ελεύθερου χώρου, ιδίως όταν πρόκειται για τη γήινη ατμόσφαιρα, μέσα στην οποία διαδίδονται τα επίγεια τροποσφαιρικά οπτικά σήματα. Μια σειρά φυσικών φαινομένων μπορούν να επηρεάσουν ισχυρά τα χαρακτηριστικά του σήματος και, άρα, να αλλοιώσουν την απόδοση, την αξιοπιστία και τη διαθεσιμότητα των αντίστοιχων συστημάτων μετάδοσης πληροφορίας. Για το λόγο αυτό, μελετάται αναλυτικά και αριθμητικά η συμπεριφορά των οπτικών ζεύξεων, λαμβάνοντας υπόψη τις συνθήκες, που επικρατούν στην περιοχή, στην οποία αυτή εγκαθίσταται. Η παρούσα εργασία, με θέμα τη «Εκπομπή, Διάδοση και Ανίχνευση Σήματος στα Συστήματα Ασύρματων Οπτικών Επικοινωνιών», εκπονήθηκε στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής στο Τμήμα Φυσικής, του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών. Μελετώνται οι βασικές έννοιες και αρχές των ασύρματων επικοινωνιών και εξετάζεται η επίδραση φυσικών φαινομένων στην ασύρματη διάδοση σημάτων οπτικών επικοινωνιών ελεύθερου χώρου. Στα μελετώμενα φαινόμενα συγκαταλέγονται οι απώλειες ισχύος, η χρωματική διασπορά παλμού, η γεωμετρική απόκλιση δέσμης, οι χωρικές και χρονικές διακυμάνσεις, η επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής, αλλά και η συνδυαστική επίδραση των φαινομένων αυτών. Επίσης, μελετώνται αναλυτικά και προκύπτουν οι σχετικές κλειστές μαθηματικές εκφράσεις για τον υπολογισμό διαθεσιμότητας και αξιοπιστίας των ζεύξεων ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αριθμητικά και σημαντικά πειραματικά αποτελέσματα.