Διάδοση σήματος για ασύρματες οπτικές ζεύξεις και δίκτυα με πολλαπλούς πομποδέκτες και ενίσχυση
Authors: Ανδρούτσος Νικόλαος 
Published: April 2022

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.