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)

Protocolo de Cooperación Adaptativo para Sistemas de Comunicaciones Opticas Atmosféricas

En concreto, se ha analizado un sistema de comunicaciones cooperativas formado por 3 enlaces FSO con retransmision DF usando IM/DD sobre canales con turbulencia atmosferica y desalineamiento entre el transmisor y el receptor. Se han evaluado las prestaciones de un protocolo de cooperacion adaptativo basado en la seleccion de camino óptico con mayor valor de irradiancia.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Evaluating pointing errors on ergodic capacity of DF relay-assisted FSO communication systems

Ergodic capacity of decode-and-forward (DF) relay-assisted free-space optical (FSO) communication systems when line of sight is available is analyzed over gamma-gamma fading channels with pointing errors. Novel closed-form approximate ergodic capacity expression is obtained in terms of the H-Fox function for a 3-way FSO communication system when the α-μ distribution to efficiently approximate the probability density function (PDF) of the sum of gamma-gamma with pointing errors variates is considered. Moreover, we present a novel asymptotic expression at high signal-to-noise ratio (SNR) for the ergodic capacity of DF relay-assisted FSO systems. The main contribution in this work lies in an in-depth analysis about the impact of pointing errors on the ergodic capacity for cooperative FSO systems. In order to maintain the same performance in terms of capacity, it is corroborated that the presence of pointing errors requires an increase in SNR, which is related to the fraction of the collected power at the receive aperture, i.e. A 0 . Simulation results are further demonstrated to confirm the accuracy and usefulness of the derived results.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. The authors wish to acknowledge the financial support given by Spanish MINECO Project TEC2012-32606

Statistical Channel Impulse Response Modeling for Optical Wireless Communication in Turbid Waters

Underwater optical wireless communication (UOWC) systems support high-speed, reliable and cost-effective implementations that are demanded for extending the telecommunication networks to oceans. UOWC systems suffer from attenuation and scattering processes. Particularly, the scattering process can change the direction of the emitted photons, especially in turbid waters. In this way, quantifying the signal attenuation and the time dispersion produced by absorption and scattering is a crucial work. Hence, we propose a new closed-form solution for modeling the channel impulse response for UOWC systems in turbid water that is validated through Monte Carlo simulations and can be used for system design and optimization purposes.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Incremento de la capacidad del canal óptico submarino mediante técnicas MISO en presencia de dispersión y turbulencia oceánica

En este trabajo se presenta un sistema con múltiples transmisores y un único receptor (MISO) con el objetivo de analizar las prestaciones en términos de capacidad ergódica de un canal óptico submarino bajo efecto de desvanecimiento de la potencia óptica recibida inducido por la dispersión del medio y turbulencias oceánicas bajo diferentes tipos de agua, distancias y severidad de turbulencias. Con este fin, se obtienen nuevas expresiones matemáticas en forma cerrada que permiten obtener la capacidad ergódica del sistema. Además, se aportan expresiones asintóticas que facilitan el análisis de las prestaciones en función de los diferentes parámetros físicos del sistema. Los resultados obtenidos confirman la mejora de prestaciones del sistema mediante el uso de un mayor número de transmisores en los diferentes escenarios estudiados. Todos los resultados presentados son validados a través de simulaciones Monte Carlo.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Caracterización estadística del desvanecimiento inducido por dispersión en sistemas de comunicación óptica inalámbrica submarina

An accurate underwater channel characterization is necessary for underwater optical wireless communication (UOWC) in order to improve its current limitations. This paper presents a new statistical model to characterize the scattering effect in terms of a fading never considered before by means of a Gamma distribution by using only one degree of freedom in clear ocean and coastal waters. The developed fading model is employed to compute the performance of UOWC systems in terms of bit error rate (BER) along with salinity-induced oceanic turbulence modeled by a Weibull distribution. The results demonstrate that the scattering-induced fading effect produces a strong performance degradation particularly in long link distances and, hence, it cannot be neglected when designing advanced communication systems. The analytical results are verified by Monte Carlo simulations.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Modelado estadístico del efecto de burbujas de aire en sistemas de comunicaciones ópticos inalámbricos submarinos.

The studies regarding underwater optical communications require an in-deep characterization of the water itself since its properties of absorption and scattering of light affect the transmission in an optical link. That said, this paper presents the modeling and characterization of the statistical behavior regarding the scattering caused by air bubbles of different sizes in an underwater optical wireless channel. It also provides the best statistical fitting according to each case in which a bimodal statistical form was discovered for a large-size air bubbles matter. Furthermore, it explains how all the assembly and installation are made at the laboratory in order to achieve the results obtained. It also features an audio interface as an easy way to get data variations.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Análisis de la capacidad ergódica en sistemas cooperativos de comunicaciones ópticas no guiadas

Ergodic capacity for the bit-detect-and-forward (BDF) cooperative protocol over gamma-gamma fading channels with pointing errors is here analyzed. Novel closed-form approximate ergodic capacity expression is here obtained for a 3-way free-space optical (FSO) communication system using the well-known inequality between arithmetic and geometric means of positive random variables (RV) in order to derive an approximate closed-form expression of the sum of gamma-gamma with pointing errors variates. It can be concluded that a greater and robust capacity strongly dependent on the relay location is achieved compared to a direct transmission.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. Ministerio de Economía y Competitividad bajo el proyecto TEC2012-32606