Ανάπτυξη προηγμένων τεχνικών στα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών για την αντιστάθμιση των συνεπειών του σπινθηρισμού και του θορύβου φάσης
Authors: Βαρώτσος Γεώργιος 
Published: September 2021

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.