On the Performance of Terrestrial Free-Space Optical (FSO) Links under the Presence of Generalized Pointing Errors

En ambos grupos se han obtenido expresiones matemáticas en forma cerrada que permiten evaluar la capacidad en todo el rango de valores de SNR (Signal-to-Noise Ratio) en algunos casos y, en otros, solo ha sido posible obtener su comportamiento asintótico debido a la dificultad matemática que presentaba el análisis. A la luz de los resultados obtenidos, podemos concluir que los sistemas MISO FSO son probablemente la solución más interesante en comparación a los sistemas SIMO y MIMO FSO. Al mismo tiempo, los resultados obtenidos en comunicaciones cooperativas permiten concluir que los sistemas cooperativos basados en retransmisión DF son capaces de aumentar la capacidad e incluso mejorar a la capacidad obtenida por un sistema basado en diversidad espacial para determinadas posiciones del nodo retransmisor. En el caso de las contribuciones realizadas en el modelado de errores por desapuntamiento generalizado, los cuales siguen una distribución Beckmann, podemos destacar la aproximación propuesta en esta tesis que nos permite incluir de una forma eficiente y sencilla dichos errores por desapuntamiento al análisis de prestaciones de cualquier sistema de comunicaciones FSO. La herramienta propuesta es válida para analizar cualquier sistema FSO en términos de BER y probabilidad de outage y nos permite detectar qué efecto es dominante, es decir, si la turbulencia atmosférica o los errores por desapuntamiento. El efecto de la correlación también ha sido contemplado, concluyendo que no puede ser ignorado.Los sistemas de comunicaciones ópticas en espacio libre (FSO, Free-Space Optical) para aplicaciones terrestres se presentan en la actualidad como una solución muy interesante para solventar el importante reto provocado por la escasez del espectro RF (Radio-Frequency) disponible. Además, los sistemas FSO se configuran como una seria alternativa frente a otras tecnologías de acceso y transporte como los sistemas de RF debido a las altas tasas de señalización potencialmente muy superiores que se pueden conseguir. Estas ventajas, entre otras, han intensificado la investigación en estos sistemas en las últimas décadas. Por tanto, el análisis de sus prestaciones en términos de probabilidad de error de bit (BER, Bit Error-Rate), probabilidad de outage y capacidad ergódica es de interés relevante, siendo estas altamente afectadas por la turbulencia atmosférica, los errores por desapuntamiento entre transmisor y receptor así como por la niebla densa. En esta tesis, el análisis de las prestaciones de los sistemas FSO ha sido abordado, presentando novedosos resultados para la comunidad científica e investigadora. Dicho análisis de prestaciones se ha dividido en dos grandes áreas de investigación: análisis de la capacidad ergódica, y modelado de errores por desapuntamiento generalizado entre transmisor y receptor. Las contribuciones realizadas dentro del análisis de la capacidad ergódica están divididas en dos grupos: por un lado, el análisis de la capacidad de sistemas FSO avanzados basados en diversidad espacial tales como los sistemas MISO (Multiple-Input/Single-Output), SIMO (Single-Input/Multiple-Output) y MIMO(Multiple-Input/Multiple-Output) FSO; por otro lado, el análisis de la capacidad de sistemas cooperativos basados en retransmisión DF (Detect-and-Forward)

Performance of wireless optical telecommunication systems in the presence of fading and interference

Postojeći komunikacioni sistem u domenu RF elektromagnetnog spektra nije u mogućnosti da zadovolji sve potrebe brzog i obimnog prenosa podataka, koje se javljaju usled ekspanzije i sve veće upotrebe IoT uređaja, 5G i B5G mreža, kao i raznovrsnih aplikacija i multimedijalnog sadržaja. Optička bežična komunikacija (OWC), koja koristi veliki opseg nelicenciranog dela spektra, se pokazala kao dobra alternativa za ublažavanje nedostataka konvencionalnog sistema za prenos podataka koji radi u RF domenu. FSO (Free Space Optics) tehnologija predstavlja jednu od vrsta optičkih bežičnih komunikacija, ima veliku upotrebu u LAN i MAN mrežama , bežičnom video nadzoru, koristi se u medicinske svrhe, u svemirskoj komunikaciji, za rešavanje problema poslednje milje itd. Primena bežičnih komunikacija, znatno može da doprinese performansama sistema, i to u smislu spektralne i energetske efikasnosti kao i u smislu pouzdanosti. U disertaciji je u cilju utvrđivanja optimalnog scenarija prijema signala, kao i određivanja optimalnih vrednosti parametara takvog prenosa, izvršena analiza karakteristika bežičnog optičkog prenosa signala u prisustvu turbulencije i efekta greške pozicioniranja, koji se odvija pod kompozitnim uticajem navedenih smetnji. Za posmatrane scenarije prenosa razmatrane su standardne mere performansi sistema, kao što su srednja verovatnoća greške po bitu, posmatrana za odgovarajuće modulacione formate, kao i verovatnoća otkaza. Predstavljena su analitička i numerička rešenja problema, a uticaji pojedinih parametara sistema na performanse bežičnog optičkog prenosa prikazani su i grafički

Robust Optical Wireless Links over Turbulent Media using Diversity Solutions

Free-space optic (FSO) technology, i.e., optical wireless communication (OWC), is widely recognized as superior to radio frequency (RF) in many aspects. Visible and invisible optical wireless links solve first/last mile connectivity problems and provide secure, jam-free communication. FSO is license-free and delivers high-speed data rates in the order of Gigabits. Its advantages have fostered significant research efforts aimed at utilizing optical wireless communication, e.g. visible light communication (VLC), for high-speed, secure, indoor communication under the IEEE 802.15.7 standard. However, conventional optical wireless links demand precise optical alignment and suffer from atmospheric turbulence. When compared with RF, they suffer a low degree of reliability and lack robustness. Pointing errors cause optical transceiver misalignment, adversely affecting system reliability. Furthermore, atmospheric turbulence causes irradiance fluctuations and beam broadening of transmitted light. Innovative solutions to overcome limitations on the exploitation of high-speed optical wireless links are greatly needed.Spatial diversity is known to improve RF wireless communication systems. Similar diversity approaches can be adapted for FSO systems to improve its reliability and robustness; however, careful diversity design is needed since FSO apertures typically remain unbalanced as a result of FSO system sensitivity to misalignment. Conventional diversity combining schemes require persistent aperture monitoring and repetitive switching, thus increasing FSO implementation complexities. Furthermore, current RF diversity combining schemes may not be optimized to address the issue of unbalanced FSO receiving apertures.This dissertation investigates two efficient diversity combining schemes for multi-receiving FSO systems: switched diversity combining and generalized selection combining. Both can be exploited to reduce complexity and improve combining efficiency. Unlike maximum ratio combing, equal gain combining, and selective combining, switched diversity simplifies receiver design by avoiding unnecessary switching among receiving apertures. The most significant advantage of generalized combining is its ability to exclude apertures with low quality that could potentially affect the resultant output signal performance.This dissertation also investigates mobile FSO by considering a multi-receiving system in which all receiving FSO apertures are circularly placed on a platform. System mobility and performance are analyzed. Performance results confirm improvements when using angular diversity and generalized selection combining.The précis of this dissertation establishes the foundation of reliable FSO communications using efficient diversity-based solutions. Performance parameters are analyzed mathematically, and then evaluated using computer simulations. A testbed prototype is developed to facilitate the evaluation of optical wireless links via lab experiments

Advanced Trends in Wireless Communications

Physical limitations on wireless communication channels impose huge challenges to reliable communication. Bandwidth limitations, propagation loss, noise and interference make the wireless channel a narrow pipe that does not readily accommodate rapid flow of data. Thus, researches aim to design systems that are suitable to operate in such channels, in order to have high performance quality of service. Also, the mobility of the communication systems requires further investigations to reduce the complexity and the power consumption of the receiver. This book aims to provide highlights of the current research in the field of wireless communications. The subjects discussed are very valuable to communication researchers rather than researchers in the wireless related areas. The book chapters cover a wide range of wireless communication topics