Συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών με στατικούς ή κινούμενους πομποδέκτες και μέθοδοι για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών απόδοσής τους
Authors: Ρουμέλας Γεώργιος 
Published: October 2022

Οι καθημερινά αυξανόμενες ανάγκες των ανθρώπων για πιο συχνή και αποδοτική επικοινωνία και τη χρήση εξαιρετικά απαιτητικών διαδικτυακών εφαρμογών, καθιστούν αναγκαία τη διαρκή εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών, καθώς και την ανάπτυξη νέων τηλεπικοινωνιακών τεχνολογιών. Οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες (optical wireless communications, OWC) είναι μια τεχνολογία με ραγδαία ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, κυρίως λόγω των πολλά υποσχόμενων δυνατοτήτων τους. Τα τεχνολογικά επιτεύγματα των τελευταίων ετών, που αφορούν κυρίως τα LED και τα LASER, επέτρεψαν τη χρήση του οπτικού και υπέρυθρου τμήματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος για τη μετάδοση της πληροφορίας. Λόγω της μεγάλης συχνότητας του συγκεκριμένου τμήματος του φάσματος, οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες προσφέρουν πολύ υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων και θεωρητικά άπειρο εύρος ζώνης, ενώ παράλληλα αποτελούν μια φθηνότερη λύση και με αρκετά ευκολότερη εγκατάσταση, σε σχέση με τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνολογίες. Επίσης, λόγω της φύσης του φωτός, είναι ακίνδυνες για την ανθρώπινη υγεία, παρέχουν πολύ υψηλή ασφάλεια για τις μεταδιδόμενες πληροφορίες και αποτελούν ένα μέρος του φάσματος το οποίο δε χρειάζεται άδεια εκπομπής. Τα πολυάριθμα πλεονεκτήματά τους σε σχέση με άλλες τεχνολογίες επικοινωνιών, τα έχουν καταστήσει κύριο συστατικό των δικτύων κορμού των συστημάτων 5G, αλλά και μια εναλλακτική τεχνολογία για την αντικατάσταση των Wi – Fi δικτύων, η οποία κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος. Από την άλλη μεριά, η απόδοση και η ομαλή λειτουργία των ασύρματων οπτικών συστημάτων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις καιρικές συνθήκες και τα γενικότερα χαρακτηριστικά του μέσου στο οποίο διαδίδονται. Η απορρόφηση και η σκέδαση που υφίσταται η οπτική δέσμη κατά τη διάδοσή της στο μέσο του καναλιού περιορίζει την εμβέλεια των συστημάτων. Επιζήμιο φαινόμενο αποτελεί και το φαινόμενο του σπινθηρισμού, το οποίο είναι το αντίστοιχο των διαλείψεων στα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων και προκαλείται από το φαινόμενο της τυρβώδους ροής του ρευστού μέσου. Επίσης, οι πολύ σύντομοι χρονικά παλμοί που χρησιμοποιούνται για τις οπτικές επικοινωνίες προϋποθέτουν το σχεδόν τέλειο συγχρονισμό μεταξύ πομπού και δέκτη. Οι αποσυγχρονισμοί, που μπορεί να προκαλούνται λόγω των ηλεκτρονικών συστημάτων των πομποδεκτών και των διαφόρων φαινομένων που επηρεάζουν τον οπτικό παλμό, αποτελούν το φαινόμενο του time jitter και όπως και τα υπόλοιπα φαινόμενα μελετάται στην παρούσα διατριβή.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται οι περιπτώσεις των επίγειων (free space optics, FSO), υποβρυχίων (underwater wireless optical communication, UWOC) και υβριδικών ασύρματων οπτικών συστημάτων. Ο στόχος της διατριβής είναι αφού εντοπιστούν τα επιζήμια φαινόμενα που επηρεάζουν τις ασύρματες οπτικές επικοινωνίες, ανεξάρτητα από το μέσο διάδοσης, να εξαχθούν οι κατάλληλες μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν την επίδρασή τους. Έπειτα, να προταθούν οι κατάλληλες μέθοδοι για τη βελτίωση της απόδοσής τους και να επιβεβαιωθούν με κατάλληλα προσομοιωτικά εργαλεία. Ακόμα, δίνεται και αρκετή έμφαση στην πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων, με τη χρήση δεδομένων που συλλέχθηκαν από υπάρχουσα πειραματική διάταξη σε συνεργασία με τη Σχολή Ναυτικών Δοκίμων.Πιο αναλυτικά, ξεκινώντας από τα επίγεια συστήματα, μελετάται η συνδυαστική επίδραση δύο φαινομένων, της τυρβώδους ροής και του time jitter. Η ακριβής επιβλαβής επίδραση και το όριο που θέτει το time jitter παρουσιάζονται για διάφορες τεχνικές διαμόρφωσης. Παρόμοια αποτελέσματα εξάγονται τοποθετώντας αναμεταδότες (relays) στο ενδιάμεσο της συνολικής απόστασης της ζεύξης, ώστε να αυξηθεί η εμβέλεια του συστήματος. Λόγω της ευαισθησίας των FSO συστημάτων στα αντίξοα καιρικά και ατμοσφαιρικά φαινόμενα, συνηθίζεται να προσαρμόζεται στα συστήματα αυτά ένα ακόμα σύστημα, το οποίο λειτουργεί είτε παράλληλα, είτε όταν το FSO σύστημα λειτουργεί κάτω από της συνθήκες ομαλής και αξιόπιστης επικοινωνίας. Ένα μεγάλο μέρος της διδακτορικής διατριβής αναφέρεται στην απόδοση των εν λόγω συστημάτων κάτω από διάφορες συνθήκες τυρβώδους ροής, σφαλμάτων στόχευσης της δέσμης laser και της διάλειψης του δευτερεύοντος συστήματος. Η μέση πιθανότητα σφάλματος bit (average bit error rate, ABER) και η πιθανότητα για outage (outage probability) υπολογίζονται για διάφορες στατιστικές κατανομές, οι οποίες περιγράφουν τα φαινόμενα της τυρβώδους ροής, όπως οι Gamma, Gamma-Gamma, K, Malaga και της διάλειψης του χιλιοστομετρικού (millimeter wave, MMW) σήματος, όπως οι Rayleigh, Rice, Weibull.Ένα από τα βασικά επιτεύγματα της διατριβής είναι η εισαγωγή του φαινομένου του time jitter στις υποβρύχιες ασύρματες οπτικές επικοινωνίες. Αρχικά, μελετάται παράλληλα με τη χρωματική διασπορά που εμφανίζεται στο υποθαλάσσιο περιβάλλον, λόγω της μεταβολής του δείκτη διάθλασης, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία συγχρονισμού μεταξύ πομπού και δέκτη. Έπειτα, προστίθενται στην ανάλυση και το φαινόμενο της τυρβώδους ροής και με τη βοήθεια της πιθανότητας διάλειψης (probability of fade) περιγράφεται η συνδυαστική της επίδραση στο σύστημα. Ένα από τα μεγάλα προβλήματα των υποβρυχίων συστημάτων είναι η περιορισμένη εμβέλειά τους, επομένως, στο μελετώμενο σύστημα προστίθενται αναμεταδότες και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα αποτελέσματα.Η επαλήθευση μέρους των θεωρητικών και προσομοιοτικών αποτελεσμάτων πραγματοποιείται με τη συλλογή και επεξεργασία πειραματικών δεδομένων, με τη βοήθεια πειραματικής ζεύξης, η οποία βρίσκεται τοποθετημένη πάνω από θαλάσσια περιοχή του Πειραιά. Από την επεξεργασία των δεδομένων προκύπτει εμπειρικό μαθηματικό μοντέλο, το οποίο επιβεβαιώνει τα εξαγόμενα θεωρητικά μοντέλα. Τέλος, η θεωρητική ανάλυση των επιζήμιων φαινομένων επέτρεψε την πρόταση μιας τεχνικής για την βελτίωση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στα συστήματα των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών. Χρησιμοποιώντας ένα διχρωματικό LED (bi – color LED) για την προσομοίωση μιας συνάρτησης υπερβολικού ημιτόνου, επιτυγχάνεται η μελέτη ενός χαοτικού συστήματος, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές.