Exact Outage Probability Analysis of the Mixed RF/FSO System With Variable-Gain Relays

This paper presents a unified analysis of the mixed radio-frequency (RF)/free-space optics (FSO) relaying system, with multiple variable-gain amplify-and-forward relays. The partial relay selection (PRS) is employed to select the active relay for further re-transmission. Due to fast fading statistics of the first RF hop, it is assumed that the channel state information of the RF link is outdated, which is used for both the relay gain adjustment and the PRS procedure. The RF hops are subject to the Rayleigh fading, while the FSO hop is affected by the atmospheric turbulence and the pointing errors. The intensity fluctuations of the optical signal caused by atmospheric turbulence are modeled by the general Malaga (M) distribution, which takes into account the effect of multiple scattered components. An exact expression for the outage probability is derived. In addition, high-signal-to-noise-ratio approximations are provided, which can be used to efficiently determine the outage probability floor. Numerical results are validated by Monte Carlo simulations, which are used to examine the effects of the system and channel parameters on the RF/FSO system performance.Comment: Published in: IEEE Photonics Journa

Optical Wireless Data Center Networks

Bandwidth and computation-intensive Big Data applications in disciplines like social media, bio- and nano-informatics, Internet-of-Things (IoT), and real-time analytics, are pushing existing access and core (backbone) networks as well as Data Center Networks (DCNs) to their limits. Next generation DCNs must support continuously increasing network traffic while satisfying minimum performance requirements of latency, reliability, flexibility and scalability. Therefore, a larger number of cables (i.e., copper-cables and fiber optics) may be required in conventional wired DCNs. In addition to limiting the possible topologies, large number of cables may result into design and development problems related to wire ducting and maintenance, heat dissipation, and power consumption. To address the cabling complexity in wired DCNs, we propose OWCells, a class of optical wireless cellular data center network architectures in which fixed line of sight (LOS) optical wireless communication (OWC) links are used to connect the racks arranged in regular polygonal topologies. We present the OWCell DCN architecture, develop its theoretical underpinnings, and investigate routing protocols and OWC transceiver design. To realize a fully wireless DCN, servers in racks must also be connected using OWC links. There is, however, a difficulty of connecting multiple adjacent network components, such as servers in a rack, using point-to-point LOS links. To overcome this problem, we propose and validate the feasibility of an FSO-Bus to connect multiple adjacent network components using NLOS point-to-point OWC links. Finally, to complete the design of the OWC transceiver, we develop a new class of strictly and rearrangeably non-blocking multicast optical switches in which multicast is performed efficiently at the physical optical (lower) layer rather than upper layers (e.g., application layer). Advisors: Jitender S. Deogun and Dennis R. Alexande

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

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)