On the Performance of Terrestrial Free-Space Optical (FSO) Links under the Presence of Generalized Pointing Errors

Los sistemas de comunicaciones opticas en espacio libre (FSO, Free-Space Optical) para aplicaciones terrestres se presentan en la actualidad como una solucion muy interesante para solventar el importante reto provocado por la escasez del espectro RF (Radio-Frequency) disponible. Ademas, los sistemas FSO se configuran como una seria alternativa frente a otras tecnologias de acceso y transporte como los sistemas de RF debido a las altas tasas de senalizacion potencialmente muy superiores que se pueden conseguir. Estas ventajas, entre otras, han intensificado la investigacion en estos sistemas en las ultimas decadas. Por tanto, el analisis de sus prestaciones en terminos de probabilidad de error de bit (BER, Bit Error-Rate), probabilidad de outage y capacidad ergodica es de interes relevante, siendo estas altamente afectadas por la turbulencia atmosferica, los errores por desapuntamiento entre transmisor y receptor asi como por la niebla densa. En esta tesis, el analisis de las prestaciones de los sistemas FSO ha sido abordado, presentando novedosos resultados para la comunidad cientifica e investigadora. Dicho analisis de prestaciones se ha dividido en dos grandes areas de investigacion: analisis de la capacidad ergodica, y modelado de errores por desapuntamiento generalizado entre transmisor y receptor. Las contribuciones realizadas dentro del analisis de la capacidad ergodica estan divididas en dos grupos: por un lado, el analisis de la capacidad de sistemas FSO avanzados basados en diversidad espacial tales como los sistemas MISO (Multiple-Input/Single-Output), SIMO (Single-Input/Multiple-Output) y MIMO(Multiple-Input/Multiple-Output) FSO; por otro lado, el analisis de la capacidad de sistemas cooperativos basados en retransmision DF (Detect-and-Forward). En ambos grupos se han obtenido expresiones matematicas en forma cerrada que permiten evaluar la capacidad en todo el rango de valores de SNR (Signal-to-Noise Ratio) en algunos casos y, en otros, solo ha sido posible obtener su comportamiento asintotico debido a la dificultad matematica que presentaba el analisis. A la luz de los resultados obtenidos, podemos concluir que los sistemas MISO FSO son probablemente la solucion mas interesante en comparacion a los sistemas SIMO y MIMO FSO. Al mismo tiempo, los resultados obtenidos en comunicaciones cooperativas permiten concluir que los sistemas cooperativos basados en retransmision DF son capaces de aumentar la capacidad e incluso mejorar a la capacidad obtenida por un sistema basado en diversidad espacial para determinadas posiciones del nodo retransmisor. En el caso de las contribuciones realizadas en el modelado de errores por desapuntamiento generalizado, los cuales siguen una distribucion Beckmann, podemos destacar la aproximacion propuesta en esta tesis que nos permite incluir de una forma eficiente y sencilla dichos errores por desapuntamiento al analisis de prestaciones de cualquier sistema de comunicaciones FSO. La herramienta propuesta es valida para analizar cualquier sistema FSO en terminos de BER y probabilidad de outage y nos permite detectar que efecto es dominante, es decir, si la turbulencia atmosferica o los errores por desapuntamiento. El efecto de la correlacion tambien ha sido contemplado, concluyendo que no puede ser ignorado.