Ergodic channel capacity of PPM-coded optical MIMO communications under combined effects

The ergodic channel capacity of wireless optical multiple-input multiple-output (MIMO) system with pulse position modulation (PPM) is investigated. The combined effects of atmospheric turbulence, atmospheric attenuation, pointing error and channel spatial correlation are taken into consideration. The expression of ergodic channel capacity is derived, and is further performed by Wilkinson approximation method for simplicity. The simulation results indicated that the strong spatial correlation has the greatest influence on the ergodic channel capacity, followed by pointing errors and atmospheric turbulence. Moreover, the ergodic channel capacity growth brought by space diversity only performs well under independent and weakly correlated channels. Properly increasing the size and spacing of the receiving apertures is an effective means of effectively increasing the ergodic channel capacity

On the performance of a mixed RF/MIMO FSO variable gain dual-hop transmission system

In this work, we propose a mixed radio frequency (RF) and multiple-input-multiple-output (MIMO) free-space optical (FSO) system based on a variable-gain dual-hop relay transmission scheme. The RF channel is modeled by Rayleigh distribution and Gamma–Gamma turbulence distribution is adopted for the MIMO FSO link, which accounts for the equal gain combining diversity technique. Moreover, new closed-form mathematical formulas are obtained including the cumulative distribution function, probability density function, moment generating function, and moments of equivalent signal-to-noise ratio of the dual-hop relay system based on Meijer’s G function. As such, we derive the novel analytical expressions of the outage probability, the higher-order fading, and the average bit error rate for a range of modulations in terms of Meijer’s G function. Furthermore, the exact closed-form formula of the ergodic capacity is derived based on the bivariate Meijer’s G function. The evaluation and simulation are provided for system performance, and the effect of spatial diversity technique is discussed as well

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)

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