Оценка характеристик беспроводной оптической связи с пространственным разнесением для каналов с атмосферной турбулентностью

Автор(и)

  • Мохамед Б. Эль Машад Университет аль-Азхар, Каир, Єгипет https://orcid.org/0000-0002-1852-3286
  • А. Х. Тоима Университет аль-Азхар, Каир, Єгипет

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347018040015

Ключові слова:

средства связи FSO, оптической связи в свободном пространстве, пространственное разнесение, метод MIMO, линейное кодирование NRZ, кодирование без возвращения к нулю, APD фотодиод, лавинный фотодиод, PIN фотодиод, битовый коэффициент ошибок, добротность

Анотація

Беспроводная оптическая связь считается высокоскоростной технологией следующего поколения. Она продемонстрировала способность передавать данные быстрее, чем любая другая современная технология беспроводной связи. Эта технология привлекает внимание как средство реализации надежных открытых систем с высокой производительностью, которые не могут быть реализованы средствами традиционной волоконно-оптической технологии. Данная технология появилась недавно как средство эффективного решения задач по удовлетворению требований о расширенной полосе пропускания и высокой скорости передачи для новых систем беспроводной связи. Однако, хотя система оптической связи в свободном пространстве FSO (free space optics) имеет много привлекательных особенностей, она обладает посредственными рабочими характеристиками для длинных линий передачи вследствие эффектов ухудшения характеристик, обусловленных затуханием, которое вызвано турбулентностью атмосферы. При наличии такого типа ухудшений рабочих характеристик принятый сигнал имеет случайные флуктуации интенсивности, которые повышают битовый коэффициент ошибок BER (bit error-rate) в ситуациях, где сложные метеоусловия могут оказывать вредное влияние на рабочие характеристики, что может приводить к неудовлетворительной готовности системы. Беспроводная оптическая процедура MIMO, в которой пространственные размеры используются для улучшения надежности и спектральной эффективности каналов «точка–точка», обеспечивает перспективный подход к ослаблению эффектов турбулентности благодаря ее большим возможностям по улучшению рабочих характеристик.

В данной статье проведено исследование наземной атмосферной системы связи FSO, работающей под воздействием сильной атмосферной турбулентности. Кроме того, в работе используется технология MIMO с линейным суммированием сигналов равной мощности EGC (equal gain combining) для повышения скорости передачи предлагаемой системы. Воздействия атмосферной турбулентности моделируются с помощью канала с логарифмическим нормальным распределением и учитываются геометрические потери. При использовании линейного кодирования без возвращения к нулю NRZ (non-return-to-zero) выполнено проектирование высокочувствительного приемника FSO с использованием лавинного фотодетектора APD (avalanche photodetector) или PIN-детектора и проведено его моделирование для получения наилучших рабочих характеристик системы. Преимущество достигается при использовании фильтров Бесселя и Гаусса. Установлено, что APD приемник при использовании фильтра Гаусса пригоден для линий дальней связи с коэффициентом усиления APD, равным 3. Кроме того, выбор усиления APD является критически важным для производительности системы. Оптимальное значение коэффициента усиления APD, необходимое для достижения наилучшей производительности системы, снижается при увеличении размеров системы MIMO. В работе также обсуждаются достижимые улучшения производительности системы, включая уровни мощности принятого сигнала, BER и добротность. Полученные результаты показывают, что система с оптимальным усилителем на стороне передатчика обеспечивает оптимальные рабочие характеристики. Кроме того, эффективность системы улучшается при большинстве метеоусловий за счет использования усилительной системы 2×2 MIMO-FSO с добавочным (booster) усилителем.

Посилання

Ghassemlooy, Z.; Popoola, W.; Rajbhandari, S. Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB. Taylor & Francis Group, CRC Press, 2017.

Das, S.; Henniger, H.; Epple, B.; Moore, C. I.; Rabinovich, W.; Sova, R.; Young, D. “Requirements and challenges for tactical free-space lasercomm,” Proc. of IEEE Military Communications Conf., 16–19 Nov. 2008, San Diego, CA, USA. IEEE, 2008, p. 1-10. DOI: https://doi.org/10.1109/MILCOM.2008.4753049.

Aladeloba, A. O.; Phillips, A. J.; Woolfson, M. S. “Performance evaluation of optically preamplified digital pulse position modulation turbulent free-space optical communication systems,” IET Optoelectronics, Vol. 6, No. 1, p. 66-74, 2012. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-opt.2011.0029.

Uysal, M.; Li, J.; Yu, M. “Error rate performance analysis of coded free-space optical links over gamma-gamma atmospheric turbulence channels,” IEEE Trans. Wireless Commun., Vol. 5, No. 6, p. 1229-1233, 2006. DOI: https://doi.org/10.1109/TWC.2006.1638639.

El-Mashade, Mohamed B.; Aly, Moustafa H.; Toeima, Ahmed H. “Performance evaluation of FSO system with MIMO technique in different operating environments,” Phys. Sci. Int. J., Vol. 7, No. 1, p. 33-48, 2015. DOI: https://doi.org/10.9734/PSIJ/2015/17212.

Yang, G.; Khalighi, M.-A.; Bourennane, S.; Ghassemlooy, Z. “Approximation to the sum of two correlated gamma-gamma variates and its applications in free-space optical communications,” IEEE Wireless Commun. Lett., Vol. 1, No. 6, p. 621-624, 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/WCL.2012.091312.120469.

Abaza, M.; Mesleh, R.; Mansour, A.; Aggoune, el-Hadi. “Performance analysis of MISO multi-hop FSO links over log-normal channels with fog and beam divergence attenuations,” Optics Commun., Vol. 334, p. 247-252, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2014.08.050.

Abbas, G.; Ahmed, E.; Aziz, W.; Saleem, S.; ul Islam, Q. “Performance enhancement of multi-input multi-output (MIMO) system with diversity,” Int. J. Multidisciplinary Sci. Eng., Vol. 3, No. 5, p. 8-12, 2012.

Mesleh, R.; Mehmood, R.; Elgala, H.; Haas, H. “Indoor MIMO optical wireless communication using spatial modulation,” Proc. of IEEE Int. Conf. on Communications, ICC’10, 23-27 May 2010, Cape Town, South Africa. IEEE, 2010, p. 1-5. DOI: https://doi.org/10.1109/ICC.2010.5502062.

El_Mashade, Mohamed B.; Toeima, Ahmed H.; Aly, Moustafa H. “Receiver optimization of FSO system with MIMO technique over log-normal channels,” Optoelectron. Adv. Mat., Vol. 10, No. 7-8, p. 497-502, 2016. URI: https://oam-rc.inoe.ro/index.php?option=magazine&op=view&idu=2857&catid=97.

Shaban, H.; El Aziz, S. D. A.; Aly, M. H. “Probability of error performance of free space optical systems in severe atmospheric turbulence channels,” Proc. of 10th Mediterranean Microwave Symp., MMS’2010, 25-27 Aug. 2010, Guzelyurt, Cyprus. IEEE, 2010, pp. 355-359. DOI: https://doi.org/10.1109/MMW.2010.5605154.

Singh, C.; John, J.; Singh, Y. N.; Tripathi, K. K. “A review of indoor optical wireless systems,” IETE Tech. Rev., Vol. 19, No. 1-2, pp. 3-17, 2002. DOI: https://doi.org/10.1080/02564602.2002.11417006.

Kiasaleh, K. “Performance of APD-based, PPM free-space optical communication systems in atmospheric turbulence,” IEEE Trans. Commun., Vol. 53, No. 9, p. 1455-1461, 2005. DOI: https://doi.org/10.1109/TCOMM.2005.855009.

Yan, J.; Zheng, Z.; Hu, W.; Xu, A. “Improved performance of M-ary PPM free-space optical communication systems in atmospheric turbulence due to forward error correction,” Proc. of 10th Int. Conf. on Communication Technology, 27-30 Nov. 2006, Guilin, China. IEEE, 2006, p. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/ICCT.2006.341961.

Hiranovic, Steve. Wireless Optical Communication Systems. New York,NY: Springer, 2004.

Manor, H.; Arnon, S. “Performance of an optical wireless communication system as a function of wavelength,” Appl. Opt., Vol. 42, No. 21, p. 4285-4294, 2003. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.42.004285.

Liu, X. “Free-space optics optimization models for building sway and atmospheric interference using variable wavelength,” IEEE Trans. Commun., Vol. 57, No. 2, p. 492-498, 2009. DOI: https://doi.org/10.1109/TCOMM.2009.02.070089.

Mohammed, Nazmi A.; El-Wakeel, Amr S.; Malekmohammadi, Amin; Aly, Moustafa H. “Performance evaluation of FSO link under NRZ-RZ line codes, different weather conditions and receiver types in the presence of pointing errors,” Open Electrical Electronic Eng. J., Vol. 6, p. 28-35, 2012. DOI: https://doi.org/10.2174/1874129001206010028.

Tang, X.; Rajbhandari, S.; Popoola, W. O.; Ghassemlooy, Z.; Leitgeb, E.; Muhammad, S. S.; Kandus, G. “Performance of BPSK subcarrier intensity modulation free-space optical communications using a log-normal atmospheric turbulence model,” Proc. of Symp. on Photonics and Optoelectronic, SOPO, 19-21 Jun. 2010, Chengdu, China. IEEE, 2010, p. 1-4. DOI: https://doi.org/10.1109/SOPO.2010.5504014.

El Mashade, Mohamed B.; Toeima, Ahmed H.; Aly, Moustafa H. “Regenerated spatial diversity performance of wireless optical communication over strong turbulent atmospheric channel,” J. Appl. Physical Sci. Int., Vol. 5, No. 1, 2016. URI: http://www.ikpress.org/abstract/4677.

Baedke, M. L. “Performance analysis of multipulse PPM on MIMO free-space optical channels,” Ph.D dissertation,SchoolofEngineeringand Applied Science.University of Virginia,Virginia,USA, 2004.

Sadia; Majumder, S. “Performance analysis of a MIMO FSO system in presence of pointing error,” Proc. of 2011 Int. Conf. on Computer Communication and Management, ICCCM 2011, 2-4 May 2011, Sydney, Australia.Sydney, 2011. ISBN 978-1-84626.

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-04-20

Як цитувати

Эль Машад, М. Б., & Тоима, А. Х. (2018). Оценка характеристик беспроводной оптической связи с пространственным разнесением для каналов с атмосферной турбулентностью. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 61(4), 183–208. https://doi.org/10.20535/S0021347018040015

Номер

Том 61 № 4 (2018)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.