Impact of Channel Correlation on Different Performance Metrics of OSSK-Based FSO System

In this paper, we study the impact of correlation on the bit error rate (BER) and the channel capacity of a free-space optical (FSO) multiple-input-multiple-output (MIMO) system employing optical space shift keying (OSSK) over a fading channel. In order to study a practical correlated channel, we consider the effect of channel correlation due to both small-and large-scale eddies and show that the use of OSSK over correlated FSO channel can lead to an improved system performance with increasing correlation level of upto 0.9. In this work, we first develop an analytical framework for different performance metrics of the OSSK multiple-input single-output system with correlation and then extend our investigation by proposing an asymptotically accurate mathematical framework for MIMO. We also validate all the analytical results using MATLAB simulations. Finally, we develop an experimental setup of FSO with two correlated links to study the throughput and latency of the links at different turbulence levels

Experimental and Analytical Investigations of an Optically Pre-Amplified FSO-MIMO System With Repetition Coding Over Non-Identically Distributed Correlated Channels

This paper presents theoretical and experimental bit error rate (BER) results for a freespace optical (FSO) multiple-input-multiple-output system over an arbitrarily correlated turbulence channel. We employ an erbium-doped fiber amplifier at the receiver (Rx), which results in an improved Rx’s sensitivity at the cost of an additional non-Gaussian amplified spontaneous emission noise. Repetition coding is used to combat turbulence and to improve the BER performance of the FSO links. A mathematical framework is provided for the considered FSO system over a correlated non-identically distributed Gamma-Gamma channel; and analytical BER results are derived with and without the pre-amplifier for a comparative study. Moreover, novel closed-form expressions for the asymptotic BER are derived; a comprehensive discussion about the diversity order and coding gain is presented by performing asymptotic analysis at high signal-tonoise ratio (SNR). To verify the analytical results, an experimental set-up of a 2 × 1 FSO-multiple-inputsingle-output (MISO) system with pre-amplifier at the Rx is developed. It is shown analytically that, both correlation and pre-amplification do not affect the diversity order of the system, however, both factors have contrasting behaviour with respect to coding gain. Further, to achieve the target forward error correction BER limit of 3.8 × 10−3 , a 2 × 1 FSO-MISO system with a pre-amplifier requires 6.5 dB lower SNR compared with the system with no pre-amplifier. Moreover, an SNR penalty of 2.5 dB is incurred at a higher correlation level for the developed 2×1 experimental FSO set-up, which is in agreement with the analytical findings

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)

Asymptotic analysis of V-BLAST MIMO for coherent optical wireless communications in Gamma-Gamma turbulence

This paper investigates the asymptotic BER performance of coherent optical wireless communication systems in Gamma-Gamma turbulence when applying the V-BLAST MIMO scheme. A new method is proposed to quantify the performance of the system and mathematical solutions for asymptotic BER performance are derived. Counterintuitive results are shown since the diversity gain of the V-BLAST MIMO system is equal to the number of the receivers. As a consequence, it is shown that when applying the V-BLAST MIMO scheme, the symbol rate per transmission can be equal to the number of transmitters with some cost to diversity gain. This means that we can simultaneously exploit the spatial multiplexing and diversity properties of the MIMO system to achieve a higher data rate than existing schemes in a channel that displays severe turbulence and moderate attenuation