Diversity Techniques in Free-Space Optical Communications

Free-space optical (FSO) communication offers significant technical and operational advantages such as higher bandwidth capacity, robustness to electromagnetic interference, a high degree of spatial confinement (bringing virtually unlimited reuse and inherent security), low power requirements, and unregulated spectrum. FSO communication can be deployed as an efficient solution for a wide range of applications such as last-mile access, fiber backup, back-haul for wireless cellular networks, and disaster recovery among others. Although FSO system have many appealing features, they have rather disappointing performance for long links due to the degrading effects of atmospheric turbulence-induced fading. In this dissertation, we investigate different diversity techniques to boost the performance of FSO systems in the presence of the atmospheric turbulence-induced fading. In Chapter 3, we investigate receive diversity in coherent FSO systems considering both turbulence-induced amplitude and phase fluctuations under weak turbulence regime. To mitigate the wavefront phase distortion effect, modal compensation is deployed at the receiver. Under the assumption of Rician channel that models the combined effects of the atmospheric fading and modal compensation, we derive outage probability and diversity- multiplexing tradeoff of such systems. Our results show that, at high signal to noise ratio (SNR) regime, the diversity gain as great as the number of receiving apertures is achieved. Moreover, it is found that the modal compensation provides finite-SNR diversity advantages in coherent receivers. In Chapter 4, we investigate multi-hop transmission (serial relaying) as a form of diversity technique to combat atmospheric fading in coherent FSO systems. Utilizing the same channel model as in Chapter 3 and considering decode-and-forward relaying strategy, we quantify the outage probability and the finite-SNR diversity-multiplexing tradeoff of this relaying scheme. Exploiting the fact that fading variance is distance-dependent in the atmospheric channel, our results demonstrate that the multi-hop transmission takes advantage of the resulting shorter hops and yields significant performance improvements in the presence of fading. In Chapter 5, we study hybrid-ARQ protocols in coherent FSO communications over Gamma-Gamma atmospheric fading channels. We investigate and compare the performance of three hybrid-ARQ protocols in terms of the outage probability and throughput. Furthermore, we characterize the outage performance at high-SNR regime by diversity and coding gains. Our results provide insight into the performance mechanisms of different hybrid-ARQ protocols in coherent FSO systems and demonstrate that hybrid-ARQ significantly improves the outage performance of a coherent FSO system particularly in strong turbulence regime. In Chapter 6, we investigate parallel relaying in an intensity modulation/direct detection (IM/DD) FSO system. Assuming Gamma-Gamma fading model, we analyze both decode-and-forward and amplify-and-forward modes of cooperation. Focusing on high SNR regime, we investigate the outage probability and characterize it by the diversity and coding gains. The diversity-multiplexing tradeoff expression of each cooperation mode is also derived. Our performance analysis reveals that large energy savings can be achieved through the use of parallel relaying in FSO systems

Hybrid Free-Space Optical and Visible Light Communication Link

V součastnosti bezdrátové optické komunikace (optical wireless communication, OWC) získávají širokou pozornost jako vhodný doplněk ke komunikačním přenosům v rádiovém pásmu. OWC nabízejí několik výhod včetně větší šířky přenosového pásma, neregulovaného frekvenčního pásma či odolnosti vůči elektromagnetickému rušení. Tato práce se zabývá návrhem OWC systémů pro připojení koncových uživatelů. Samotná realizace spojení může být provedena za pomoci různých variant bezdrátových technologií, například pomocí OWC, kombinací různých OWC technologií nebo hybridním rádio-optickým spojem. Za účelem propojení tzv. poslední míle je analyzován optický bezvláknový spoj (free space optics, FSO). Tato práce se dále zabývá analýzou přenosových vlastností celo-optického více skokového spoje s důrazem na vliv atmosférických podmínek. V dnešní době mnoho uživatelů tráví čas ve vnitřních prostorech kanceláří či doma, kde komunikace ve viditelném spektru (visible light communication, VLC) poskytuje lepší přenosové parametry pokrytí než úzce směrové FSO. V rámci této práce byla odvozena a experimentálně ověřena závislost pro bitovou chybovost přesměrovaného (relaying) spoje ve VLC. Pro propojení poskytovatele datavých služeb s koncovým uživatelem může být výhodné zkombinovat více přenosových technologií. Proto je navržen a analyzovám systém pro překonání tzv. problému poslední míle a posledního metru kombinující hybridní FSO a VLC technologie.The field of optical wireless communications (OWC) has recently attracted significant attention as a complementary technology to radio frequency (RF). OWC systems offer several advantages including higher bandwidth, an unregulated spectrum, resistance to electromagnetic interference and a high order of reusability. The thesis focuses on the deployment and analyses of end-user interconnections using the OWC systems. Interconnection can be established by many wireless technologies, for instance, by a single OWC technology, a combination of OWC technologies, or by hybrid OWC/RF links. In order to establish last mile outdoor interconnection, a free-space optical (FSO) has to be investigated. In this thesis, the performance of all-optical multi-hop scenarios is analyzed under atmospheric conditions. However, nowadays, many end users spend much time in indoor environments where visible light communication (VLC) technology can provide better transmission parameters and, significantly, better coverage. An analytical description of bit error rate for relaying VLC schemes is derived and experimentally verified. Nonetheless, for the last mile, interconnection of a provider and end users (joint outdoor and indoor connection) can be advantageous when combining multiple technologies. Therefore, a hybrid FSO/VLC system is proposed and analyzed for the interconnection of the last mile and last meter bottleneck

Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications

The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well

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

Διάδοση Σήματος στις Επίγειες Οπτικές Ασύρματες Ζεύξεις με Πολυπλεξία και Τεχνικές Διαφορικής Λήψης

Οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες ελευθέρου χώρου (Free-Space Optical, FSO) έχουν κερδίσει σημαντικό εμπορικό και ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια ως αποτέλεσμα των διαφόρων πλεονεκτικών χαρακτηριστικών τους. Είναι σε θέση να ανταποκριθούν στις σημαντικά αυξανόμενες ανάγκες μεταφοράς τεράστιου όγκου πληροφοριακών δεδομένων στα υφιστάμενα και μελλοντικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Τα συστήματα FSO λειτουργούν στη ζώνη συχνοτήτων μεταξύ 300 GHz - 430 THz η οποία δεν απαιτεί ειδικές άδειες για τη χρήση της, προσφέροντας ένα σημαντικό οικονομικό πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα αντίστοιχα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων (RF). Τα FSO συστήματα δεν επηρεάζονται από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και παρουσιάζουν υψηλό επίπεδο ασφάλειας λόγω των στενών οπτικών δεσμών laser. Επίσης, θεωρούνται φιλικές προς το περιβάλλον λόγω της χαμηλής κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία τους. Σε αντίθεση με τα ευεργετικά χαρακτηριστικά τους, οι επίγειες οπτικές ασύρματες ζεύξεις είναι ευάλωτες στις ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής (atmospheric turbulence) είναι ένας από τους σημαντικότερους επιβλαβείς παράγοντες κατά τη διάδοση του οπτικού ηλεκτρομαγνητικού κύματος διαμέσου της ατμόσφαιρας. Η ατμοσφαιρική τυρβώδης ροή δημιουργείται ως αποτέλεσμα των ανομοιογενειών στον δείκτη διάθλασης μεταξύ των αέριων μαζών στην ατμόσφαιρα, οδηγώντας σε διακυμάνσεις της λαμβανόμενης έντασης και φάσης και τελικώς σε απώλεια ισχύος στην πλευρά του δέκτη. Λόγω των ραγδαίων διακυμάνσεων που προκαλούνται στο λαμβανόμενο οπτικό σήμα, η επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής μελετάται μέσω στατιστικών μοντέλων για την συνάρτηση της πυκνότητας πιθανότητας της λαμβανόμενης οπτικής έντασης, φαινόμενο γνωστό και ως σπινθηρισμός. Τα συστήματα FSO συνήθως εγκαθίστανται στις στέγες υψηλών κτιρίων ή σε μεγάλα υψόμετρα πάνω από το έδαφος. Έτσι, αυτά τα συστήματα είναι ευάλωτα σε ριπές ανέμου, σε πιθανή ταλάντευση των κτιρίων π.χ. λόγω μικρών σεισμών και σε θερμικές συστολές και διαστολές. Κατά αυτό το τρόπο, μπορούν να προκληθούν επιπρόσθετες διακυμάνσεις στο οπτικό σήμα. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό στην τεχνική βιβλιογραφία ως σφάλματα σκόπευσης (pointing errors) και μελετάται με κατάλληλα στατιστικά μοντέλα σε σύνδεση με το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην πλειονότητα των περιπτώσεων χρησιμοποιείται ένα προσεγγιστικό μοντέλο της κατανομής του Beckmann, η οποία λαμβάνει υπόψη την πιθανή σταθερή μη μηδενική απόκλιση του κέντρου της οπτικής δέσμης από το κέντρο του δέκτη και διαφορετικές τυπικές αποκλίσεις για την ακτινική μετατόπιση στους κατακόρυφους άξονες στο επίπεδο του δέκτη. Εκτός από τα προαναφερθέντα στατιστικά φαινόμενα, οι FSO ζεύξεις υποφέρουν από διάφορες προκαθοριστικές επιπτώσεις, όπως ο θόρυβος περιβάλλοντος, απώλειες οπτικής ισχύος λόγω διαφόρων ατμοσφαιρικών συστατικών (σωματιδίων, μορίων) και από ποικίλες καιρικές συνθήκες όπως ομίχλη, βροχή, χαλάζι κλπ., και απώλειες διάδοσης ελευθέρου χώρου. Όλα τα μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν την επίδραση αυτών των φαινομένων, με πολύ υψηλή ακρίβεια, περιλαμβάνονται στη διατριβή και ο αντίκτυπός τους μελετάται στην τελική αξιολόγηση των επιδόσεων των ασύρματων οπτικών ζεύξεων. Οι τεχνικές διαφορικής λήψης έχουν αποδειχθεί πολύ αποτελεσματικές στην καταπολέμηση διαλείψεων και εξασθενίσεων στα RF τηλεπικοινωνιακά συστήματα. Στην παρούσα διατριβή μελετάται η εφαρμογή διαφορικής λήψης στα FSO συστήματα. Συγκεκριμένα, διερευνάται η διαφορική λήψη στο δέκτη μαζί με τη βέλτιστη περίπτωση χρήσης του συνδυαστή μέγιστης αναλογίας (MRC). Η διαφορική λήψη δεκτών μελετάται για ένα FSO σύστημα μονής εισόδου πολλαπλής εξόδου (SIMO) με χρήση τεχνικών ψηφιακής διαμόρφωσης. Μελετώνται οι πιο συχνά εφαρμοζόμενες τεχνικές ψηφιακής διαμόρφωσης στα συστήματα οπτικών επικοινωνιών, όπως η κωδικοποίηση on-off (OOK), η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PAM ) και η διαμόρφωση θέσης παλμού (PPM). Η απόδοση της SIMO FSO ζεύξης με διαφορική λήψη εκτιμάται με βάση την μέτρηση του μέσου ρυθμού σφάλματος δυαδικών ψηφίων (average BER), υπό την επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής που μοντελοποιείται είτε μέσω της Gamma-Gamma (GG) κατανομής είτε μέσω της εκθετικής κατανομής (NE). Ο ρυθμός σφάλματος μπλοκ πληροφορίας (BLER) αποτελεί μια βασική μετρική απόδοσης για κάθε τηλεπικοινωνιακή ζεύξη που λειτουργεί σε σχετικά υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης. Είναι μια μετρική που έχει ερευνηθεί κυρίως στις RF επικοινωνίες. Στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής, διερευνάται η μέση απόδοση BLER ενός OOK FSO συστήματος σε συνθήκες ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής που μοντελοποιείται μέσω των κατανομών GG και NE με σφάλματα σκόπευσης μη-μηδενικής απόκλισης. Η τεχνική αναλογικής διαμόρφωσης έντασης (AIM) έχει διερευνηθεί εκτενώς στις επικοινωνίες οπτικών ινών μέσω των πεδίων της μικροκυματικής φωτονικής (MWP) και των ραδιοσυχνοτήτων μέσω οπτικών ινών (RoF). Ωστόσο, η εφαρμογή της στις ασύρματες οπτικές συνδέσεις βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Σε αυτή τη διατριβή διεξάγεται εκτενής έρευνα για την εφαρμογή των τεχνικών AIM στις FSO ζεύξεις και ειδικότερα στη τεχνική μεταφοράς RF σήματος μέσω των FSO συστημάτων, μια τεχνική γνωστή ως Radio-over-FSO (RoFSO). Έτσι, οι συνδέσεις RoFSO εξετάζονται για τη μετάδοση σημάτων με πολυπλεξία όπως OFDM και CDMA σε κανάλια ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής με σφάλματα σκόπευσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι για την περίπτωση της CDMA RoFSO μετάδοσης, η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος διερευνάται για πρώτη φορά στις κατευθύνσεις της εμπρόσθιας και της αντίστροφης ζεύξης σε συνθήκες τυρβώδους ροής που μοντελοποιούνται από το ενοποιητικό μοντέλο της M(alaga) κατανομής. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση, να ξεπεραστούν οι επιβλαβείς ατμοσφαιρικές επιπτώσεις και να επεκταθεί τελικά η απόσταση κάλυψης των FSO συστημάτων, είναι η χρήση αρχιτεκτονικών αναμετάδοσης. Εξετάζεται η εφαρμογή αρχιτεκτονικής πολλαπλών αλμάτων με σειριακούς κόμβους αποκωδικοποίησης και προώθησης (DF) για ένα σύστημα OFDM RoFSO. Οι συγκεκριμένοι DF κόμβοι δρουν ως αναγεννητές για το σήμα πληροφορίας και έτσι επιτυγχάνεται μια βέλτιστη απόδοση. Η βελτίωση της απόδοσης για το σύστημα πολλαπλών αλμάτων αξιολογείται μέσω του μέσου ρυθμού σφάλματος δυαδικών ψηφίων και της εκτίμησης της πιθανότητας διακοπής. Τέλος, μελετάται η διαφορική λήψη δεκτών για OFDM και CDMA RoFSO ζεύξεις, όπου οι συγκεκριμένες χωρικά ποικιλόμορφες ζεύξεις χρησιμοποιούν πολλαπλές πηγές laser. Σε αυτό το σύστημα διαφορικής λήψης, κάθε μία από τις πηγές laser συνδέεται με ένα συγκεκριμένο δέκτη, μέσω της χρήσης πολύ στενών οπτικών δεσμών. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν αποκαλύπτουν την αποτελεσματικότητα αυτής της διαμόρφωσης καθιστώντας αυτά τα συστήματα RoFSO με διαφορική λήψη δεκτών πολύ αξιόπιστα ακόμη και στις πιο δυσμενείς συνθήκες λειτουργίας τους υπό ισχυρή επίδραση της ατμοσφαιρικής τυρβώδους ροής, των σφαλμάτων σκόπευσης και μη γραμμικών φαινομένων που σχετίζονται με τα συστήματα RoFSO.Free-Space Optical (FSO) communication systems have been gaining significant commercial and research interest in the last few years as a result of their various advantageous features. They are capable of meeting the fast-paced growing needs for transferring huge amounts of data in the existing and future telecommunications networks. FSO systems operate in the unlicensed band of frequencies between 300 GHz – 430 THz, offering a significant economic advantage compared to their radio frequency (RF) counterparts. They are immune to electromagnetic interference and exhibit high-security level due to their narrow optical laser beams. Also, they are considered as environmental-friendly due to their low electrical energy consumption. Unlike their beneficial characteristics, the terrestrial FSO links are vulnerable to atmospheric effects. The atmospheric turbulence phenomenon is one of the main degradation factors for the electromagnetic optical-wave propagation in the atmospheric medium. Atmospheric turbulence arises as a result of inhomogeneities in the refractive index between air masses in the atmosphere, leading to intensity and phase fluctuations and eventually to amplitude loss on the receiver side. Due to the rapid fluctuations induced to the optical signal, the atmospheric turbulence effect is studied in a statistical manner through probability density functions for the characterization of irradiance fluctuations or the commonly referred to as scintillations. FSO systems are usually installed at the rooftops of tall buildings or at high altitudes above the ground. Thus, these systems are susceptible to gusts of wind, potential sway of the buildings e.g. due to small earthquakes and thermal contraction and expansion. In a similar vein, additional irradiance fluctuations can be provoked to the optical signal. This phenomenon is well-known in the technical literature as pointing errors and is studied statistically in conjunction with the atmospheric turbulence effect. It is worth noting that an approximation of the Beckmann’s distribution model is employed in most cases, which takes account of the potential fixed non-zero deviation of the optical beam centre from the receiver centre and different standard deviations for the radial displacement for the vertical axes at the receiver. Apart from the foregoing statistical phenomena, FSO links suffer from various deterministic effects such as background noise, optical power losses due to various atmospheric constituents and weather conditions such as fog, haze, rain, hail etc and free-space loss. All the mathematical models that describe the behavior of the aforementioned effects, with very high accuracy, are included in the thesis and their impact is studied to the final performance evaluation of the wireless optical links. Spatial diversity techniques have been proved very effective in combating fading in RF wireless communication systems. In the present thesis, the application of spatial diversity to the FSO systems is studied. Specifically, the spatial diversity of the receivers is investigated along with the optimum case of using the maximum ratio combiner (MRC). The spatial diversity of the receivers is studied for a single-input multiple-output (SIMO) FSO link employing some of the most widely used modulation schemes in optical communications, such as on-off keying (OOK), pulse amplitude modulation (PAM) and pulse position modulation (PPM). The performance of the link is assessed in terms of the average bit error rate (BER) metric estimation, under the influence of the atmospheric turbulence effect modeled either by the gamma-gamma (GG) or the negative exponential (NE) distribution with pointing errors. The block error rate (BLER) constitutes an essential performance measure for every communication link operating at relatively high throughput conditions. It’s a metric which has been investigated mostly in RF communications. In the context of the current thesis, the average BLER performance of an OOK FSO link is investigated over atmospheric turbulent conditions modeled by the GG and NE distributions with non-zero boresight pointing errors. Analogue intensity modulation (AIM) technique has been extensively researched in optical fibre communications through the fields of microwave photonics (MWP) and radio over fibre (RoF). However, its application to the wireless optical links is at an immature stage. In this thesis, extensive research is conducted for the application of AIM techniques to the FSO links and especially of the RF signal transport scheme over FSO links, a technique known as Radio-over-FSO (RoFSO). Thus, RoFSO links are examined for transmission of OFDM and CDMA RF signals over atmospheric turbulence channels with pointing errors. It is worth mentioning that for the case of the CDMA RoFSO link, the performance is investigated for the first time for both directions of the forward and the reverse link over atmospheric turbulent conditions modeled by the M(alaga) distribution. One of the most promising solutions, in order to enhance the performance, overcome the harmful atmospheric effects and eventually extend the distance coverage of FSO systems, is the use of relay architectures. The application of multi-hop architecture with serial decode-and-forward (DF) relay nodes to an OFDM RoFSO system is investigated. The specific DF relay nodes act as regenerators for the information signal and thus an optimum performance is achieved. The performance improvement for the multi-hop system is evaluated through the average bit error rate and the outage probability estimation. Finally, the spatial diversity of the receivers is studied for OFDM and CDMA RoFSO links, where the specific spatially diverse links employ multiple laser sources. In this scheme, each one of the laser sources is linked to a specific receiver, through the use of very narrow optical beams. The derived results reveal the effectiveness of this configuration, rendering the links very reliable even in the most adverse operating conditions under the strong influence of the atmospheric turbulence and the pointing errors and the enhanced impact of the nonlinear distortion effects related to the RoFSO systems

10 Gbps Mobile Visible Light Communication System Employing Angle Diversity, Imaging Receivers, and Relay Nodes

Over the last decade, visible light communication (VLC) systems have typically operated between 50 Mbps and 3.4 Gbps. In this paper, we propose and evaluate mobile VLC systems that operate at 10 Gbps. The enhancements in channel bandwidth and data rate are achieved by the introduction of laser diodes (LDs), angle diversity receivers (ADR), imaging receivers, relay nodes and delay adaptation techniques. We propose three mobile VLC systems; an ADR relay assisted LD-VLC (ADRR-LD), an imaging relay assisted LD-VLC (IMGR-LD) and select-the-best imaging relay assisted LD-VLC (SBIMGR-LD). The ADR and imaging receiver are proposed for the VLC system to mitigate the intersymbol interference (ISI), maximise the signal to noise ratio (SNR) and reduce the impact of multipath dispersion due to mobility. The combination of IMGR-LD with a delay adaptation technique adds a degree of freedom to the link design, which results in a VLC system that has the ability to provide high data rates under mobility. The proposed IMGR-LD system achieves significant improvements in the SNR over other systems in the worst case scenario in the considered real indoor environment

Wireless optical backhauling for optical attocell networks

The backhaul of tens and hundreds of light fidelity (LiFi)-enabled luminaires constitutes a major challenge. The problem of backhauling for optical attocell networks has been approached by a number of wired solutions such as in-building power line communication (PLC), Ethernet and optical fiber. In this work, an alternative solution is proposed based on wireless optical communication in visible light (VL) and infrared (IR) bands. The proposed solution is thoroughly elaborated using a system level methodology. For a multi-user optical attocell network based on direct current biased optical orthogonal frequency division multiplexing (DCO-OFDM) and decode-and-forward (DF) relaying, detailed modeling and analysis of signal-to-interference-plus- noise (SINR) and end-to-end sum rate are presented, taking into account the effects of inter-backhaul and backhaul-to-access interferences. Inspired by concepts developed for radio frequency (RF) cellular networks, full-reuse visible light (FR-VL) and in-band visible light (IB-VL) bandwidth allocation policies are proposed to realize backhauling in the VL band. The transmission power is opportunistically minimized to enhance the backhaul power efficiency. For a two-tier FR-VL network, there is a technological challenge due to the limited capacity of the bottleneck backhaul link. The IR band is employed to add an extra degree of freedom for the backhaul capacity. For the IR backhaul system, a power-bandwidth tradeoff formulation is presented and closed form analytical expressions are derived for the corresponding power control coefficients. The sum rate performance of the network is studied using extensive Monte Carlo simulations. In addition, the effect of imperfect alignment in backhaul links is studied by using Monte Carlo simulation techniques. The emission semi-angle of backhaul LEDs is identified as a determining factor for the network performance. With the assumption that the access and backhaul systems share the same propagation medium, a large semi-angle of backhaul LEDs results in a substantial degradation in performance especially under FR-VL backhauling. However, it is shown both theoretically and by simulations that by choosing a sufficiently small semi-angle value, the adverse effect of the backhaul interference is entirely eliminated. By employing a narrow light beam in the back-haul system, the application of wireless optical backhauling is extended to multi-tier optical attocell networks. As a result of multi-hop backhauling with a tree topology, new challenges arise concerning optimal scheduling of finite bandwidth and power resources of the bottleneck backhaul link, i.e., optimal bandwidth sharing and opportunistic power minimization. To tackle the former challenge, optimal user-based and cell-based scheduling algorithms are developed. The latter challenge is addressed by introducing novel adaptive power control (APC) and fixed power control (FPC) schemes. The proposed bandwidth scheduling policies and power control schemes are supported by an analysis of their corresponding power control coefficients. Furthermore, another possible application of wireless optical backhauling for indoor networks is in downlink base station (BS) cooperation. More specifically, novel cooperative transmission schemes of non-orthogonal DF (NDF) and joint transmission with DF (JDF) in conjunction with fractional frequency reuse (FFR) partitioning are proposed for an optical attocell downlink. Their performance gains over baseline scenarios are assessed using Monte Carlo simulations