Ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών στα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών για την αντιστάθμιση των συνεπειών του σπινθηρισμού και του θορύβου φάσης

Abstract

In the current thesis, terrestrial optical wireless communication (OWC) systems, commonly known as terrestrial free space optical (FSO) systems in the international scientific literature, are investigated. In such systems, the information data is both rapidly and safely conveyed from the transmitter to the receiver, by a propagating laser beam through the troposphere. In recent years, the growing demand for transferring a constantly increasing, wide variety of information data in a both rapid and reliable manner, the enormous potential that offers the use of optical electromagnetic spectrum (visible and infrared wavelengths) as information bit carriers, along with the great scientific inventions concerning LED (blue LED, Nobel prize in Physics 2014), and the impressive evolution of Lasers, (Nobel prize in Physics 2018, "for the optical tweezers and their application to biological systems" and "for the Chirped Pulse Amplification- CPA method of generating high-intensity, ultra-short optical pulses."), which has additionally reduced their economical cost, have led particular international scientific attention to technologies that operate to the both more effective and free of applications optical spectrum, such as the wireless technology of FSO systems. Despite the concrete advantages of this kind of technology, mainly concerning the achievement of huge data rates, the reliability and robustness of data transfer, the relative low economic and energy cost, and the flexibility due to easy installation and re-installation of optical wireless links, such systems suffer from the relative short propagation distance of the optical signal that they can support, the atmospheric attenuation, the random weather conditions (especially fog), the scintillation effect that arise from the unavoidable atmospheric turbulence effect, the pointing errors effect and, for specific circumstances, the group velocity dispersion (GVD) effect due to atmosphere and the phase noise effect. To be more specific, scintillation effect along with pointing errors induce undesirable, rapid irradiance fluctuations of the optical information signal arriving at the receiver’s side, the different weather effects cause various amounts of scattering effects of the propagating signal, attenuation effect due to atmosphere obviously attenuates the amplitude, and thus, the power of the propagating optical pulses, the group velocity dispersion effect alters the propagating pulse’s shape, while the presence of phase noise effects undermines the process of the information signal’s detection at the receiver terminal. In this context, the initial goal of this thesis is the study, the evaluation and the estimation of all these above mentioned factors that may affect the propagating optical signal, in terms of the individual contribution of each of them, as a first step, and then, in terms of their joint contribution, alike. Therefore, in order to investigate the impact of the effects described above, proper numerical or statistical simulation models are used so as to extract the appropriate accurate mathematical equations which can estimate either the individual or the combined influence of such effects. The next goal of this thesis is the investigation of appropriate methods, configurations and architectures that could significantly mitigate the negative side-effects of the above mentioned factors that contribute to significant degradations of the efficient operation of FSO systems. Consequently, the proposed techniques aim to improve the performance of the investigated FSO systems, mainly in terms of availability reliability, and extension of their beneficial coverage area. More specifically, in order to meet these objectives, several signal processing and modulation techniques are investigated along with various configurations of diversity schemes and DF relaying. The proposed methodology and the analysis that we follow in the current thesis, so as to fulfill its intentions, are validated by numerical results, simulations, and/ or several implementations for practical FSO links along with experimental, real measured results. Indeed, through the appropriate processing of experimental data, measured for a real FSO link, it is proved, for the first time ever, the accuracy of a theoretical closed-form mathematical equation for the weak turbulence regime, which undoubtedly consists a very useful tool for the design and the investigation of any FSO link.

Η παρούσα διατριβή αφορά στη διερεύνηση των επίγειων ασύρματων οπτικών συστημάτων επικοινωνίας (Terrestrial OWC systems), κοινώς γνωστά στη διεθνή βιβλιογραφία και ως επίγεια συστήματα ελεύθερου χώρου (Terrestrial FSO systems), στα οποία τα δεδομένα πληροφορίας μεταφέρονται ταχύτητα και με ασφάλεια, από τον πομπό στον δέκτη, μέσω μιας διαδιδόμενης στην τροπόσφαιρα δέσμης laser. Οι ραγδαία αυξανόμενες ανάγκες για ταχύρυθμη και αξιόπιστη μεταφορά ολοένα και μεγαλύτερου όγκου δεδομένων τα τελευταία χρόνια, οι τεράστιες δυνατότητες που προσφέρει η χρήση, ως φορέα μετάδοσης της πληροφορίας, ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή των μηκών κύματος του ορατού και του υπέρυθρου, οι σπουδαίες επιστημονικές εφευρέσεις, που αφορούν στα LED (μπλε LED, Βραβείο Nobel Φυσικής 2014) αλλά και στην αλματώδη αύξηση της απόδοσης των Lasers (χρήση εξαιρετικά σύντομων και έντονων παλμών Laser με την τεχνική της ενίσχυσης παλμού με περικοπή για βιοϊατρικές και άλλες εφαρμογές- Τεχνική οπτικής λαβίδας για τη μελέτη βιολογικών συστημάτων, Βραβείο Nobel Φυσικής 2018) καθώς και στην αντίστοιχη μείωση του κόστους τους, έχει οδηγήσει τη διεθνή επιστημονική έρευνα να στραφεί, γενικότερα, σε τεχνολογίες που λειτουργούν στο σαφώς πιο ελεύθερο σε χώρο και αποδοτικό οπτικό φάσμα συχνοτήτων και ειδικότερα, στην ασύρματη τεχνολογία των FSO συστημάτων. Παρά τα διακριτά πλεονεκτήματα της FSO τεχνολογίας που αφορούν κυρίως στην επίτευξη υψηλότατων ρυθμών μεταφοράς δεδομένων, στην αξιοπιστία, στο χαμηλό οικονομικό και ενεργειακό κόστος και στην ευκολία για εγκατάσταση και επανεγκατάσταση, τα FSO συστήματα υστερούν ως προς τη σχετικά μικρή απόσταση διάδοσης του οπτικού σήματος λόγω της ατμοσφαιρικής εξασθένησης, των διάφορων καιρικών φαινομένων (κυρίως της ομίχλης), του σπινθηρισμού που προκαλεί η τυρβώδης ατμοσφαιρική ροή, των σφαλμάτων σκόπευσης και υπό ορισμένες συνθήκες της διασποράς ομαδικής ταχύτητας και του θορύβου φάσης. Συγκεκριμένα ο σπινθηρισμός με τα σφάλματα σκόπευσης προκαλούν ανεπιθύμητες, ταχύτατες, διακυμάνσεις της ακτινοβολίας του οπτικού σήματος πληροφορίας που φθάνει στην πλευρά του δέκτη, τα διάφορα καιρικά φαινόμενα προκαλούν διαφορετικής ισχύος σκεδάσεις στο οπτικό σήμα, η εξασθένηση μειώνει το πλάτος κι άρα την ισχύ του διαδιδόμενου σήματος, η διασπορά ομαδικής ταχύτητας αλλοιώνει στο σχήμα του διαδιδόμενου οπτικού παλμού και τέλος ο θόρυβος φάσης εμποδίζει την ορθή ανίχνευση του λαμβανόμενου σήματος πληροφορίας στην πλευρά του δέκτη. Σε αυτό το πλαίσιο, στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη, η αξιολόγηση και η εκτίμηση των επιδράσεων στο διαδιδόμενο οπτικό σήμα καθενός από τα παραπάνω φαινόμενα πρώτα ξεχωριστά και στη συνέχεια όσο το δυνατόν πιο συνδυαστικά μεταξύ τους. Έτσι, για τη μελέτη της επίδρασης των φαινομένων αυτών μελετώνται τα κατάλληλα αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης, μέσω των οποίων εξάγονται οι κατάλληλες μαθηματικές εξισώσεις με τη χρήση των οποίων τελικά είναι εύκολο να αποτιμηθεί τόσο η μεμονωμένη, όσο και η συνδυαστική επίδρασή τους. Στη συνέχεια, ο επόμενος στόχος είναι η διερεύνηση μεθόδων, διατάξεων και αρχιτεκτονικών για τον περιορισμό των αρνητικών επιδράσεων των παραγόντων που συντελούν στην υποβάθμιση της λειτουργίας των FSO συστημάτων. Οι προτεινόμενες τεχνικές εστιάζουν τόσο στη βελτίωση της απόδοσης ως προς τη διαθεσιμότητα και την αξιοπιστία των εξεταζόμενων FSO συστημάτων, όσο και στην αύξηση της ωφέλιμης εμβέλειάς τους. Πιο συγκεκριμένα, για τους σκοπούς αυτούς, μελετώνται διάφορες τεχνικές επεξεργασίας και διαμόρφωσης του οπτικού σήματος καθώς και διάφορες διατάξεις και αρχιτεκτονικές FSO συστημάτων με διαφορική λήψη και αναγεννητές. Η μεθοδολογία και η ανάλυση που ακολουθείται για την επίτευξη των παραπάνω στόχων επιβεβαιώνεται μέσω αριθμητικών αποτελεσμάτων, αποτελεσμάτων προσομοιώσεων αλλά και εφαρμογών σε πραγματικές FSO ζεύξεις με πειραματικά αποτελέσματα. Μάλιστα, μέσω της κατάλληλης επεξεργασίας των πειραματικών δεδομένων που προέκυψαν από τις μετρήσεις που ελήφθησαν για μια πραγματική FSO ζεύξη, επιβεβαιώνεται για πρώτη φορά η ακρίβεια θεωρητικής εξίσωσης κλειστής μορφής για ασθενή τυρβώδη ροή, η οποία προφανώς είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για το σχεδιασμό και τη μελέτη οποιασδήποτε FSO ζεύξης.