Διάδοση σήματος για ασύρματες οπτικές ζεύξεις και δίκτυα με πολλαπλούς πομποδέκτες και ενίσχυση

Abstract

In this doctoral dissertation, free space optical systems, which are known as FSO or optical wireless communication (OWC) systems, are investigated. These systems using laser beams for the wireless transmission of data, which propagating through the troposphere of the atmosphere towards the final destination. Last few years, constantly increasing demands for ultra-fast, large volume, and cost-effective data transmission, have set FSO as a very good and promising solution for achieving these goals, as their advantages are considerable compared to systems operating on radio frequencies or microwave frequencies for applications that allow point to point connections. Thus, a few years now, the transition of radio spectrum to the optical spectrum has already begun, where essentially the carrier wave which is an electromagnetic wave belonging to the wide range of radio frequencies is replaced by an optical carrier wave, where in addition to the visible frequencies it may include either infrared or ultraviolet frequencies. However, as it is expected, as all wireless communication systems, FSO have also some disadvantages. More analytically, the most significant between them, is the strong dependance from several weather conditions, natural phenomena, and generally from various degrading factors that prevail in the propagation region of the beam. Two of the most important phenomena among them, that may have particularly catastrophic effect on the FSO system, are the atmospheric turbulence and the misalignment of the optical beam, which is known as the pointing errors effect. Both turbulence and pointing errors, cause fluctuations in the optical irradiance which leads to severe degradation of the optical links. For this reason, methods and techniques are required to compensate the negative effects of these phenomena, or even to further improve the performance of FSO systems. Thus, in this context, the effect of these degradation phenomena in the optical links, in firstly thoroughly studied, and then ways and techniques to improve the performance of FSOs are investigated. For the better understand, and for a more realistic simulation of the influence of these phenomena, several mathematical models and distributions have been used, along with various modulation formats of the optical signal. Additionally, as the mathematical models that emerge for the study of these systems are in some cases extremely complex, efforts are made to apply new as well as valid models, which significantly reduce the mathematical complexity and provide an easier process for studying and evaluating FSOs. Moreover, for the complete evaluation of FSO, both metrics that have been known for years in the literature are used, as well as other more complex and lesser-known ones, which are quite accurate and also take into account the requirements of modern FSO systems. Furthermore, for the confirmation of the strong dependence of the optical beam from the atmospheric conditions, but also for the confirmation of the theoretical study, an experimental study of a terrestrial optical beam located a few meters above the sea surface is carried out.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνώνται τα επίγεια συστήματα οπτικών επικοινωνιών ελευθέρου χώρου, που είναι γνωστά στη βιβλιογραφία με την ονομασία Free Space Optics (FSO) ή ως Optical wireless Communications (OWC). Τα συστήματα αυτά, χρησιμοποιούν οπτικές δέσμες λέιζερ για την ασύρματη μεταφορά των δεδομένων, οι οποίες διαδίδονται μέσω της τροπόσφαιρας της ατμόσφαιρας μέχρι να φτάσουν στον τελικό προορισμό τους. Τα τελευταία χρόνια, οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις για την ταχύτατη, μεγάλου όγκου, αξιόπιστη, αλλά και οικονομική μεταφορά δεδομένων, έθεσαν τα FSO ως μια πολύ καλή και υποσχόμενη λύση, για την επίτευξη αυτών των στόχων καθώς τα πλεονεκτήματά τους είναι αρκετά έναντι των συστημάτων που λειτουργούν στις ραδιοσυχνότητες ή στις μικροκυματικές συχνότητες, για εφαρμογές που επιτρέπουν σημείο προς σημείο διασυνδέσεις. Έτσι εδώ και μερικά χρόνια ξεκίνησε η μετάβαση του ραδιοφάσματος στο οπτικό φάσμα συχνοτήτων, όπου ουσιαστικά το φέρον κύμα όπου πρόκειται για ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα που ανήκει στην ευρεία περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων αντικαθίσταται από ένα οπτικό φέρον κύμα, όπου εκτός από τις ορατές συχνότητες μπορέι να περιλαμβάνει είτε υπέρυθρες είτε υπεριώδης. Παρ’όλα αυτά, είναι αναμενόμενο, όπως όλα τα συστήματα ασύρματων επικοινωνιών να έχουν κάποια μειονεκτήματα. Το βασικότερο ανάμεσα σε αυτά είναι η ισχυρή εξάρτηση από τις διάφορες ατμοσφαιρικές συνθήκες, φυσικά φαινόμενα και γενικότερα απο διάφορους παράγοντες υποβάθμισης του οπτικού σήματος που επικρατούν στην περιοχή διάδοσης της δέσμης. Τα δύο πιο σημαντικά φαινόμενα από αυτά, που μπορεί να έχουν ιδιαίτερα καταστροφική επίδραση στα FSO συστήματα είναι η ατμοσφαιρική τυρβώδης ροή και η λανθασμένη ευθυγράμμιση της οπτικής δέσμης, φαινόμενο που είναι γνωστό ως σφάλματα σκόπευσης. Τόσο η τυρβώδης ροή, όσο και τα σφάλματα σκόπευσης, προκαλλούν διακυμάνσεις της οπτικής ισχύος ακτινοβολίας, γεγονός που οδηγεί σε σοβαρές υποβαθμίσεις των οπτικών ζεύξεων. Για τον λόγο αυτό, απαιτούνται μέθοδοι και τεχνικές που να παρέχουν τη δυνατότητα αντιστάθμισης των αρνητικών συνεπειών των φαινομένων αυτών, ή ακόμα και βελτίωσης της απόδοσης των FSO. Έτσι, στο πλαίσιο αυτό, αρχικά μελετάται ενδελεχώς η επίδραση αυτών των φαινομένων υποβάθμισης των οπτικών ζεύξεων, ενώ στην συνέχεια εξετάζονται τρόποι και τεχνικές βελτίωσης της απόδοσης των FSO. Για την καλύτερη κατανοήση και τη ρεαλιστικότερη προσομοίωση της επίδρασης των φαινομένων αυτών, χρησιμοποιούνται πολλά μαθηματικά μοντέλα και κατανομές, σε συνδυασμό με αρκετά σχήματα διαμόρφωσης του οπτικού σήματος. Επίσης, επειδή τα μαθηματικά μοντέλα που προκύπτουν για τη μελέτη των συστημάτων αυτών είναι σε ορισμένες περιπτώσεις εξαιρετικά πολύπλοκα, γίνεται προσπάθεια εφαρμογής νέων αλλά και έγκυρων μοντέλων, που να μειώνουν σημαντικά την μαθηματική πολυπλοκότητα και να παρέχουν μια ευκολότερη διαδικασία μελέτης και αξιολόγησης των FSO. Για την πλήρη αξιολόγηση των FSO χρησιμοποιούνται τόσο μετρικές που είναι γνωστές εδώ και χρόνια στην βιβλιογραφία, όσο και άλλες πιο σύνθετες και λιγότερο γνωστές, που όμως είναι αρκετά ακριβής και λαμβάνουν υπ’οψιν τις απαιτήσεις των σύγχρονων FSO συτημάτων. Επίσης για την επιβεβαίωση της ισχυρής εξάρτησης της οπτικής δέσμης από τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, αλλά και για την επιβεβαίωση της θεωρητικής μελέτης, πραγματοποιείται και πειραματική μελέτη επίγειας οπτικής δέσμης που βρίσκεται λίγα μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας.