Adaptive Subcarrier PSK Intensity Modulation in Free Space Optical Systems

We propose an adaptive transmission technique for free space optical (FSO) systems, operating in atmospheric turbulence and employing subcarrier phase shift keying (S-PSK) intensity modulation. Exploiting the constant envelope characteristics of S-PSK, the proposed technique offers efficient utilization of the FSO channel capacity by adapting the modulation order of S-PSK, according to the instantaneous state of turbulence induced fading and a pre-defined bit error rate (BER) requirement. Novel expressions for the spectral efficiency and average BER of the proposed adaptive FSO system are presented and performance investigations under various turbulence conditions and target BER requirements are carried out. Numerical results indicate that significant spectral efficiency gains are offered without increasing the transmitted average optical power or sacrificing BER requirements, in moderate-to-strong turbulence conditions. Furthermore, the proposed variable rate transmission technique is applied to multiple input multiple output (MIMO) FSO systems, providing additional improvement in the achieved spectral efficiency as the number of the transmit and/or receive apertures increases.Comment: Submitted To IEEE Transactions On Communication

Computer based simulation of optical wireless communications for the development of optimized error protection and correction schemes

Commercial application of optical wireless communications is currently limited to the area of short range near ground connections, like networks between buildings over a few kilometers. For other areas of application, like data downlinks from flying platforms, demonstrations have been done, but commercial systems for long range communications over many kilometers are not yet available for general usage. The biggest challenge for reliable optical communications is to mitigate the fading of the received optical signal. A possible solution is to implement error protection and correction mechanisms for securing transmitted data. In this dissertation a simplified channel model is developed which can be used for computer based simulation. This simplified channel model is then used for the evaluation of error protection and correction mechanisms applied to the optical wireless channel. Finally generally proposed communication scenarios are evaluated if optical wireless communication is possible, based on the developed channel model. The results show that the combination of forward error correction and selective repeat automatic repeat request protocols can be used to realize reliable optical communication links in all proposed scenarios, even the most challenging ones. The back channel traffic for automatic repeat request protocols leads to a significant reduction of the transmittable user data rate in worst-case scenarios and has to be taken into account for the system design. The developed simulation approach can be used to optimize protocols for the optical wireless channel in order to reduce the load on the back channel and the over all required memory.Die kommerzielle Anwendung der optischen Freiraumkommunikation ist gegenwärtig auf den Bereich der bodennahen Kurzstreckenverbindungen mit wenigen Kilometern Länge begrenzt, beispielsweise Netzwerkverbindung zwischen Gebäuden. In anderen Anwendungsbereichen, z.B. Datendownlinks von fliegenden Plattformen, wurden zwar Technologiedemonstrationen durchgeführt, jedoch sind für solche Langstreckenverbindungen keine alltagstauglichen kommerziellen Systeme verfügbar. Die größte Herausforderung für zuverlässige optische Kommunikation ist die Kompensation der Signalschwankungen des empfangenen optischen Signals. Eine mögliche Lösung für dieses Problem ist die Implementierung von Fehlersicherungs- und Fehlerkorrekturmechanismen, um die Datenübertragung abzusichern. In dieser Dissertation wird ein vereinfachtes Kanalmodell entwickelt, welches für die Simulationen mittels Computern geeignet ist. Dieses vereinfachte Modell wird anschließend für die Bewertung von Fehlersicherungs- und Fehlerkorrekturmechanismen für den optischen Kanal verwendet. Abschliessend wird basierend auf dem entwickelten Kanalmodell der mögliche Einsatz von optischer Freiraumkommunikation in häufig vorgeschlagenen Szenarien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination von Vorwärtsfehlerkorrektur und Protokollen mit selektiver Wiederholung und automatischer Wiederholungsanfrage geeignet ist, um zuverlässige optische Kommunikationsverbindungen in allen vorgeschlagenen Szenarien zu realisieren, selbst in den anspruchsvollsten. Die Datenübertragung auf dem Rückkanal von Protokollen mit automatischer Wiederholungsanfrage führt im schlechtesten Fall zu einer signifikanten Reduzierung der übertragbaren Nutzdatenrate und muss bei der Systemauslegung berücksichtigt werden. Mit dem entwickelten Simulationsansatz können Protokolle für den optischen Funkkanal optimiert werden, um die Belastung des Rückkanals zu reduzieren und um den allgemeinen Speicherbedarf zu reduzieren