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)

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

Mitigation techniques through spatial diversity combining and relay-assisted technology in a turbulence impaired and misaligned free space optical channel.

Doctor of Philosophy in Electronic Engineering. University of KwaZulu-Natal, Durban, 2018.In recent times, spectrum resource scarcity in Radio Frequency (RF) systems is one of the biggest and prime issues in the area of wireless communications. Owing to the cost of spectrum, increase in the bandwidth allocation as alternative solution, employed in the recent past, does no longer offer an effective means to fulfilling high demand in higher data rates. Consequently, Free Space Optical (FSO) communication systems has received considerable attention in the research community as an attractive means among other popular solutions to offering high bandwidth and high capacity compared to conventional RF systems. In addition, FSO systems have positive features which include license-free operation, cheap and ease of deployment, immunity to interference, high security, etc. Thus, FSO systems have been favoured in many areas especially, as a viable solution for the last-mile connectivity problem and a potential candidate for heterogeneous wireless backhaul network. With these attractive features, however, FSO systems are weather-dependent wireless channels. Therefore, it is usually susceptible to atmospheric induced turbulence, pointing error and attenuation under adverse weather conditions which impose severe challenges on the system performance and transmission reliability. Thus, before widespread deployment of the system will be possible, promising mitigation techniques need to be found to address these problems. In this thesis, the performance of spatial diversity combining and relay-assisted techniques with Spatial Modulation (SM) as viable mitigating tools to overcome the problem of atmospheric channel impairments along the FSO communication system link is studied. Firstly, the performance analysis of a heterodyne FSO-SM system with different diversity combiners such as Maximum Ratio Combining (MRC), Equal Gain Combining (EGC) and Selection Combining (SC) under the influence of lognormal and Gamma-Gamma atmospheric-induced turbulence fading is presented. A theoretical framework for the system error is provided by deriving the Average Pairwise Error Probability (APEP) expression for each diversity scheme under study and union bounding technique is applied to obtain their Average Bit Error Rate (ABER). Under the influence of Gamma-Gamma turbulence, an APEP expression is obtained through a generalized infinite power series expansion approach and the system performance is further enhanced by convolutional coding technique. Furthermore, the performance of proposed system under the combined effect of misalignment and Gamma-Gamma turbulence fading is also studied using the same mathematical approach. Moreover, the performance analysis of relay-assisted dual-hop heterodyne FSO-SM system with diversity combiners over a Gamma-Gamma atmospheric turbulence channel using Decode-and-Forward (DF) relay and Amplify-and-Forward (AF) relay protocols also is presented. Under DF dual-hop FSO system, power series expansion of the modified Bessel function is used to derive the closed-form expression for the end-to-end APEP expressions for each of the combiners under study over Gamma-Gamma channel, and a tight upper bound on the ABER per hop is given. Thus, the overall end-to-end ABER for the dual-hop FSO system is then evaluated. Under AF dual-hop FSO system, the statistical characteristics of AF relay in terms of Moment Generating Function (MGF), Probability Density Function (PDF) and Cumulative Distribution Function (CDF) are derived for the combined Gamma-Gamma turbulence and/or pointing error distributions channel in terms of Meijer-G function. Based on these expressions, the APEP for each of the under studied combiners is determined and the ABER for the system is given by using union bounding technique. By utilizing the derived ABER expressions, the effective capacity for the considered system is then obtained. Furthermore, the performance of a dual-hop heterodyne FSO-SM asymmetric RF/FSO relaying system with MRC as mitigation tools at the destination is evaluated. The RF link experiences Nakagami-m distribution and FSO link is subjected to Gamma-Gamma distribution with and/or without pointing error. The MGF of the system equivalent SNR is derived using the CDF of the system equivalent SNR. Utilizing the MGF, the APEP for the system is then obtained and the ABER for the system is determined. Finally, owing to the slow nature of the FSO channel, the Block Error Rate (BLER) performance of FSO Subcarrier Intensity Modulation (SIM) system with spatial diversity combiners employing Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation over Gamma-Gamma atmospheric turbulence with and without pointing error is studied. The channel PDF for MRC and EGC by using power series expansion of the modified Bessel function is derived. Through this, the BLER closed-form expressions for the combiners under study are obtained

Introduction to free space optical (FSO) communications

The demand for high bandwidth and secure communication is increasing. Free space optical (FSO) wireless communications technology could be one possible alternative option to the RF technologies that can be adopted in certain applications to unlock the bandwidth bottleneck issue, specifically in the last mile access networks, between mobile base stations in RF cellular wireless networks, and for radio over fiber; and over the last decade, we have seen growing research and development activities in FSO communications in the field of high data rate wireless technology applications as well as the emergence of commercial systems

Noise Detection And Estimation In Free Space Optical Communication

Free Space Optical Communication (FSOC) has become a popular wireless communications technique for providing and supporting optical high-speed bandwidth data transmission for telecommunication and computer networking. FSOC is expected to supplement traditional Radio Frequency (RF) technologies and successfully aid in removing congestion from the overly crowded RF spectrum, and its optical fiber communications. FSO system performance is highly dependent on channel conditions, wherein background noise poses a significant problem, even in the absence of weather and/or atmospheric turbulence. Transmitted signals are significantly affected by background noise (e.g., thermal, shot noise, dark currents) primarily on the receiver side, which leads to system performance deterioration. Such effects are often described by Additive White Gaussian Noise (AWGN). This phenomenon affects the communication link and can hinder the accurate detection of information. The work reported in this thesis investigated the addition of generated AWGN to single FSOC links, as well as the extraction of noise signals at the receiver end via a subtraction method. Test results demonstrated that AWGN can be extracted from an FSOC signal when standard deviation and noise signal mean are estimated using a Gaussian Mixture Model (GMM). Outcomes show there is approximately 80% cross-correlation when compared with an original Pseudorandom Binary Sequence (PRBS) signal

Modeling and estimation of scattering attenuation and scintillation effects on optical wireless communication systems in South Africa.

Doctoral Degree. University of KwaZulu-Natal, Durban.Optical wireless communication (OWC) is a viable complementary solution for next-generation communication networks saddled with meeting the great demands of high data rates and fast internet connectivity. Its numerous advantages include: high data throughput; secure transmission; license-free spectrum; relative low cost of deployment; flexible network connectivity; etc. However, OWC system performance is severely degraded by atmospheric conditions such as fog and scintillation. Most of the proposed FSOC and hybrid FSOC systems in the literature are limited in their capacity to predict the extent to which atmospheric disturbances will impact on the performance of FSOC links in each location where they are to be deployed. This is because of the complexities involved in accessing and analyzing the information on the unique meteorological and climatic characteristics of the locations of interest prior to FSOC link deployment. This important information is necessary for determining the fade margin required by FSOC systems to withstand atmospheric disturbances in various locations of deployment. The effects of other atmospheric conditions such as gas absorption, molecular scattering, and aerosol absorption on the transmission wavelengths of interest (850 and 1550 nm) are negligible, and as such, were not considered in this study. This research, therefore, focuses on the investigation and modeling of scattering attenuation and irradiance fluctuations based on the unique climatic peculiarities of nine major cities in each of the provinces of South Africa where OWC links are to be deployed. These cities are Bloemfontein, Cape Town, Durban, Johannesburg, Kimberley, Mafikeng, Mbombela, Polokwane, and Port Elizabeth. Meteorological data of visibility, wind speed, relative humidity, temperature, fractional sunshine, and atmospheric pressure from 1st January 2010 till 30th June 2018, for each of the locations of interest, are statistically processed and used in the investigation, estimation, and modeling of atmospheric phenomena affecting the performance of OWC signals. To achieve this, visibility modeling and prediction for OWC systems are performed using regression analysis. The results obtained show that various simple and multiple linear regression models reliably forecast visibility from other meteorological parameters considered in this study. The model's selection may be influenced not only by its performance but also by the parameters' availability. While caution is taken to avoid model over-specification, multiple linear regression models are preferable over simple regression models. The significance of the results obtained is the validated alternatives the simple and multiple linear regression models provide while saving costs and avoiding the complexities of measuring FSO visibility in the investigated locations. The relationship between atmospheric visibility and aerosol scattering attenuation has been established by various aerosol scattering models based on the Mie scattering theory. This is made possible because the radii of aerosol particles in the atmosphere are approximately equal to the infra-red wavelengths of optical signals. Thus, the cumulative distribution of visibility and aerosol scattering attenuations based on the Ijaz fog and Kim models for transmission wavelengths of 850 and 1550 nm in nine cities in South Africa are presented. The Ijaz fog and Kim models are also used in computing the probabilities of exceedance, deceedance, and encountering of different aerosol scattering attenuations for 850 and 1550 nm. The impact of these specific attenuations on free space optical communication (FSOC) link performance are investigated for all the various locations of interest. The results show that during foggy weather, the optical signals transmitted at 1550 nm encounter more scattering attenuation than those transmitted at the 850 nm wavelength. The reverse is the case during clear weather periods. Modeling of the minimum required visibility cumulative distribution functions (CDF) during foggy and clear weather conditions for both optical wavelengths is also presented. These CDFs are employed in evaluating the FSOC link availabilities in various cities in South Africa

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

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