Διάδοση σήματος στις επίγειες οπτικές ασύρματες ζεύξεις με πολυπλεξία και τεχνικές διαφορικής λήψης
Authors: Νίνος Μιχαήλ 
Published: September 2021

Οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες ελευθέρου χώρου (Free-Space Optical, FSO) έχουν κερδίσει σημαντικό εμπορικό και ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια ως αποτέλεσμα των διαφόρων πλεονεκτικών χαρακτηριστικών τους. Είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις σημαντικά αυξανόμενες ανάγκες μεταφοράς τεράστιου όγκου πληροφοριακών δεδομένων στα υφιστάμενα και μελλοντικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Τα συστήματα FSO λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων μεταξύ 300 GHz - 430 THz η οποία δεν απαιτεί ειδικές άδειες για τη χρήση της, προσφέροντας ένα σημαντικό οικονομικό πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα αντίστοιχα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων (RF). Τα FSO συστήματα δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και παρουσιάζουν υψηλό επίπεδο ασφάλειας λόγω των στενών οπτικών δεσμών laser. Επίσης, θεωρούνται φιλικές προς το περιβάλλον λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία τους. Σε αντίθεση με τα ευεργετικά χαρακτηριστικά τους, οι επίγειες οπτικές ασύρματες ζεύξεις είναι ευάλωτες στις ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής (atmospheric turbulence) είναι ένας από τους σημαντικότερους επιβλαβείς παράγοντες κατά τη διάδοση του οπτικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος διαμέσου της ατμόσφαιρας. Η ατμοσφαιρική τυρβώδης ροή δημιουργείται ως αποτέλεσμα των ανομοιογενειών στον δείκτη διάθλασης μεταξύ των αέριων μαζών στην ατμόσφαιρα, οδηγώντας σε διακυμάνσεις της λαμβανόμενης έντασης και φάσης και τελικώς σε απώλεια ισχύος στην πλευρά του δέκτη. Λόγω των ραγδαίων διακυμάνσεων που προκαλούνται στο λαμβανόμενο οπτικό σήμα, η επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής μελετάται μέσω στατιστικών μοντέλων για την συνάρτηση της πυκνότητας πιθανότητας της λαμβανόμενης οπτικής έντασης, φαινόμενο γνωστό και ως σπινθηρισμός. Τα συστήματα FSO συνήθως εγκαθίστανται στις στέγες υψηλών κτιρίων ή σε μεγάλα υψόμετρα πάνω από το έδαφος. Έτσι, αυτά τα συστήματα είναι ευάλωτα σε ριπές ανέμου, σε πιθανή ταλάντευση των κτιρίων π.χ. λόγω μικρών σεισμών και σε θερμικές συστολές και διαστολές. Κατά αυτό το τρόπο, μπορούν να προκληθούν επιπρόσθετες διακυμάνσεις στο οπτικό σήμα. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό στην τεχνική βιβλιογραφία ως σφάλματα σκόπευσης (pointing errors) και μελετάται με κατάλληλα στατιστικά μοντέλα σε σύνδεση με το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πλειονότητα των περιπτώσεων χρησιμοποιείται ένα προσεγγιστικό μοντέλο της κατανομής του Beckmann, η οποία λαμβάνει υπόψη την πιθανή σταθερή μη μηδενική απόκλιση του κέντρου της οπτικής δέσμης από το κέντρο του δέκτη και διαφορετικές τυπικές αποκλίσεις για την ακτινική μετατόπιση στους κατακόρυφους άξονες στο επίπεδο του δέκτη. Εκτός από τα προαναφερθέντα στατιστικά φαινόμενα, οι FSO ζεύξεις υποφέρουν από διάφορες προκαθοριστικές επιπτώσεις, όπως ο θόρυβος περιβάλλοντος, απώλειες οπτικής ισχύος λόγω διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών (σωματιδίων, μορίων) και από ποικίλες καιρικές συνθήκες όπως ομίχλη, βροχή, χαλάζι κλπ., και απώλειες διάδοσης ελευθέρου χώρου. Όλα τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την επίδραση αυτών των φαινομένων, με πολύ υψηλή ακρίβεια, περιλαμβάνονται στη διατριβή και ο αντίκτυπός τους μελετάται στην τελική αξιολόγηση των επιδόσεων των ασύρματων οπτικών ζεύξεων. Οι τεχνικές διαφορικής λήψης έχουν αποδειχθεί πολύ αποτελεσματικές στην καταπολέμηση διαλείψεων και εξασθενίσεων στα RF τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η εφαρμογή διαφορικής λήψης στα FSO συστήματα. Συγκεκριμένα, διερευνάται η διαφορική λήψη στο δέκτη μαζί με τη βέλτιστη περίπτωση χρήσης του συνδυαστή μέγιστης αναλογίας (MRC). Η διαφορική λήψη δεκτών μελετάται για ένα FSO σύστημα μονής εισόδου πολλαπλής εξόδου (SIMO) με χρήση τεχνικών ψηφιακής διαμόρφωσης. Μελετώνται οι πιο συχνά εφαρμοζόμενες τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης στα συστήματα οπτικών επικοινωνιών, όπως η κωδικοποίηση on-off (OOK), η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PAM ) και η διαμόρφωση θέσης παλμού (PPM). Η απόδοση της SIMO FSO ζεύξης με διαφορική λήψη εκτιμάται με βάση την μέτρηση του μέσου ρυθμού σφάλματος δυαδικών ψηφίων (average BER), υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής που μοντελοποιείται είτε μέσω της Gamma-Gamma (GG) κατανομής είτε μέσω της εκθετικής κατανομής (NE). Ο ρυθμός σφάλματος μπλοκ πληροφορίας (BLER) αποτελεί μια βασική μετρική απόδοσης για κάθε τηλεπικοινωνιακή ζεύξη που λειτουργεί σε σχετικά υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Είναι μια μετρική που έχει ερευνηθεί κυρίως στις RF επικοινωνίες. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, διερευνάται η μέση απόδοση BLER ενός OOK FSO συστήματος σε συνθήκες ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής που μοντελοποιείται μέσω των κατανομών GG και NE με σφάλματα σκόπευσης μη-μηδενικής απόκλισης. Η τεχνική αναλογικής διαμόρφωσης έντασης (AIM) έχει διερευνηθεί εκτενώς στις επικοινωνίες οπτικών ινών μέσω των πεδίων της μικροκυματικής φωτονικής (MWP) και των ραδιοσυχνοτήτων μέσω οπτικών ινών (RoF). Ωστόσο, η εφαρμογή της στις ασύρματες οπτικές συνδέσεις βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Σε αυτή τη διατριβή διεξάγεται εκτενής έρευνα για την εφαρμογή των τεχνικών AIM στις FSO ζεύξεις και ειδικότερα στη τεχνική μεταφοράς RF σήματος μέσω των FSO συστημάτων, μια τεχνική γνωστή ως Radio-over-FSO (RoFSO). Έτσι, οι συνδέσεις RoFSO εξετάζονται για τη μετάδοση σημάτων με πολυπλεξία όπως OFDM και CDMA σε κανάλια ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής με σφάλματα σκόπευσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την περίπτωση της CDMA RoFSO μετάδοσης, η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος διερευνάται για πρώτη φορά στις κατευθύνσεις της εμπρόσθιας και της αντίστροφης ζεύξης σε συνθήκες τυρβώδους ροής που μοντελοποιούνται από το ενοποιητικό μοντέλο της M(alaga) κατανομής. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση, να ξεπεραστούν οι επιβλαβείς ατμοσφαιρικές επιπτώσεις και να επεκταθεί τελικά η απόσταση κάλυψης των FSO συστημάτων, είναι η χρήση αρχιτεκτονικών αναμετάδοσης. Εξετάζεται η εφαρμογή αρχιτεκτονικής πολλαπλών αλμάτων με σειριακούς κόμβους αποκωδικοποίησης και προώθησης (DF) για ένα σύστημα OFDM RoFSO. Οι συγκεκριμένοι DF κόμβοι δρουν ως αναγεννητές για το σήμα πληροφορίας και έτσι επιτυγχάνεται μια βέλτιστη απόδοση. Η βελτίωση της απόδοσης για το σύστημα πολλαπλών αλμάτων αξιολογείται μέσω του μέσου ρυθμού σφάλματος δυαδικών ψηφίων και της εκτίμησης της πιθανότητας διακοπής. Τέλος, μελετάται η διαφορική λήψη δεκτών για OFDM και CDMA RoFSO ζεύξεις, όπου οι συγκεκριμένες χωρικά ποικιλόμορφες ζεύξεις χρησιμοποιούν πολλαπλές πηγές laser. Σε αυτό το σύστημα διαφορικής λήψης, κάθε μία από τις πηγές laser συνδέεται με ένα συγκεκριμένο δέκτη, μέσω της χρήσης πολύ στενών οπτικών δεσμών. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν αποκαλύπτουν την αποτελεσματικότητα αυτής της διαμόρφωσης καθιστώντας αυτά τα συστήματα RoFSO με διαφορική λήψη δεκτών πολύ αξιόπιστα ακόμη και στις πιο δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας τους υπό ισχυρή επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής, των σφαλμάτων σκόπευσης και μη γραμμικών φαινομένων που σχετίζονται με τα συστήματα RoFSO.