Capacity Results on Multiple-Input Single-Output Wireless Optical Channels

This paper derives upper and lower bounds on the capacity of the multiple-input single-output free-space optical intensity channel with signal-independent additive Gaussian noise subject to both an average-intensity and a peak-intensity constraint. In the limit where the signal-to-noise ratio (SNR) tends to infinity, the asymptotic capacity is specified, while in the limit where the SNR tends to zero, the exact slope of the capacity is also given.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Information Theor

Impact of Channel Correlation on Different Performance Metrics of OSSK-Based FSO System

In this paper, we study the impact of correlation on the bit error rate (BER) and the channel capacity of a free-space optical (FSO) multiple-input-multiple-output (MIMO) system employing optical space shift keying (OSSK) over a fading channel. In order to study a practical correlated channel, we consider the effect of channel correlation due to both small-and large-scale eddies and show that the use of OSSK over correlated FSO channel can lead to an improved system performance with increasing correlation level of upto 0.9. In this work, we first develop an analytical framework for different performance metrics of the OSSK multiple-input single-output system with correlation and then extend our investigation by proposing an asymptotically accurate mathematical framework for MIMO. We also validate all the analytical results using MATLAB simulations. Finally, we develop an experimental setup of FSO with two correlated links to study the throughput and latency of the links at different turbulence levels

The MISO Free-Space Optical Channel at Low and Moderate SNR

International audienceThe capacity of the multiple-input single-output (MISO) free-space optical channel with a per-antenna peak-power constraint and a sum (over all antennas) average-power constraint is studied. The asymptotic low-signal-to-noise-ratio (low-SNR) capacity is determined exactly and close upper and lower bounds are presented in the low-and moderate-SNR regimes. The asymptotic low-SNR limit is achieved by having each transmit antenna signal either with zero or with the maximally allowed peak power, and the latter only if all stronger antennas also send at maximum peak power. In particular, for almost all channel gains, the input to achieve the asymptotic low-SNR capacity is such that its projection on the channel-gain vector has only two or three positive probability point masses, one of them being at zero. The lower bounds at finite SNR are numerical and are obtained using input distributions whose projection on the channel-gain vector has either two, three, or four positive probability masses. Finally, the paper presents two analytic upper bounds on the capacity of the MISO channel: the first one closely follows the proposed numerical lower bounds in the low-SNR regime, and the second one can improve on previous bounds in the moderate-SNR regime

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)