Adaptive MIMO free space optical communication systems

Serbest uzay optik haberleşme (FSO), optik spektrumun yüksek veri hızından yararlanır ve ayrıca RF bağlantılarının esnekliğine sahiptir. FSO sistemleri, görüş hattı kablosuz iletişim teknolojisine birçok avantaj sağlar. Bu vaat eden teknolojiye son zamanlarda artan ilgi ile birlikte, esas olarak atmosferik koşullardan kaynaklanan sistem sınırlamalarının kapsamlı bir şekilde anlaşılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu araştırmanın ilk bölümünde, kontrollü bir ortamda FSO sistem değerlendirmeleri için özel tasarım atmosferik kanal emülatörümüzü kullanıyoruz ve FSO bağlantılarının performansını deneysel olarak araştırıyoruz. Spesifik olarak, atmosferik kanal emülatörünü kullanarak geometrik kaybı, absorpsiyon kaybını, farklı hava koşullarını (sisli ve yağmurlu gibi), farklı ışın şekillerini ve atmosferik türbülansı araştırıyoruz. Atmosferik türbülans, alınan sinyal seviyesinde rastgele dalgalanmalara neden olan FSO kanallarında önemli bir bozulmadır. emülatörda istenen seviyede atmosferik türbülans üreterek, dalga boyu ve delik ortalamasının FSO sistemlerinin performansı üzerindeki etkisini araştırıyoruz. delik ortalama özütleri, doğal olarak çeşitlilik kazanımlarını alır ve etkili bir sönümleme azaltma tekniği olarak kullanılabilir. Ayrıca, türbülansın neden olduğu sönümleme etkilerini azaltmak ve bağlantı güvenilirliği (çeşitlilik kazancı yoluyla) ve veri hızları (çoklama kazancı aracılığıyla) açısından çarpıcı performans iyileştirmeleri sunmak için pratik FSO sistemlerinde çoklu delik sistemleri de benimsenmiştir. Öte yandan, türbülans kaynaklı sönümle- me çok yavaş değişen olarak karakterize edilir, bu nedenle güvenilir geri besleme mümkün olur ve pratik FSO sistemlerinde uyarlamalı iletim uygulanabilir ve önemli bir performans artışı sağlar. RF sistemlerinin uyarlanabilir iletimi için literatür olgun olmasına rağmen, son zamanlarda SISO FSO sistemlerine uygulanmıştır ve MIMO FSO sistemlerine doğrudan uygulanması zordur. Bu büyüyen alandaki araştırma boşluklarını doldurmayı amaçlayan bu çalışma, uyarlanabilir MIMO mimarileri ile pratik FSO sistemleri için bir çerçeve geliştiriyor. Çalışma- mızda düz frekansli, log-normal veya Gamma-Gama yavaş sönümlü bir kanal üzerinde bir MIMO sistemi ele alınmıştır. MIMO FSO sistemlerinde, mekan-zaman iletim stratejisi de ayarlanabilir, bu da adaptasyon için yeni bir boyut sunar. Bu, pratik MIMO bağlantı uyarlama algoritmalarının, çeşitlilik ve çoğullama çalış- ma modları arasında dinamik bir uyarlama sağlaması gerektiği anlamına gelir. Bu, log-normal sönümleme kanalları altında temel bir çeşitlilik-çoğullama dengeleme (DMT) anlayışına ihtiyaç duyar. DMT çalışmasına artan bir ilgi olmasına rağmen, mevcut çalışmalar çoğunlukla Rayleigh, Rician ve Nakagami sönümleme kanalları için bildirilen sonuçlarla sınırlıdır. Bu araştırmanın bir sonraki bölümünde, log-normal sönümlü kanalların varlığında optimal dengeyi araştırıyoruz. Kesinti olasılığı ifadesini türetiyoruz ve ardından asimptotik DMT ifadesini sunuyoruz. Sonlu SNR'ler için DMT'yi daha da araştırıyoruz ve asimptotik duruma yakınsama gösteriyoruz. Daha sonra, uyarlanabilir mimarilere sahip pratik MIMO FSO sistemi için bir çerçeve öneriyoruz ve bu çerçevenin bağlantı güvenilirliğini (çeşitlilik kazancı yoluyla) ve veya veri hızlarını (çoklama kazancı aracılığıyla) artırmak için nasıl kullanılacağını gösteriyoruz. Yaklaşımımızı göstermek için, aşağıdakileri içeren üç MIMO iletim eşleme matrisini ele alıyoruz: Matris A (çoğullama), Yalnızca mekansal çoğullamayı kullanan ; Matris B (çeşitlilik), yalnızca çeşitlilikten yararlanan; ve Matris C (hibrit), çeşitlilik ve mekansal çoğullamayı birleştiren. İlk önce, sabit bir kesinti olasılığı için sistemin oranını en üst düzeye çıkarmak için metrik olarak bu matrislerin kesinti kapasitesi için ifadeler elde ederiz.Uyarlama modlarını küçük bir alt kümeyle sınırlamak, uyarlanabilir stratejinin anahtarıdır. mekansal uyarlama, en uygun sistem performansını vermek için geleneksel uyarlamalı modülasyon ve kodlama (AMC) ile birleştirilebilir. Özellikle, darbe konum modülasyonu (PPM) ve darbe genlik modülasyonu (PAM) ile çok girişli tek çıkışlı (MISO) ve tek girişli çok çıkışlı (SIMO) FSO sistemlerini düşünüyoruz. Modülasyon boyutunun ve/veya iletim gücünün kanal koşullarına göre ayarlandığı üç uyarlamalı algoritma öneriyoruz. Hedeflenen bir kesinti olasılığı değerini korurken, üst ve ortalama güç kısıtlamaları altında spektral verimliliği en üst düzeye çıkarmak için uyarlanabilir algoritmaların tasarımını formüle ediyoruz. Sonuç olarak, bu çalışma, FSO bağlantılarının ana bozukluklarının (sis zayıflamaları ve türbülansın neden olduğu zayıflama) dört şekilde üstesinden gelmek için vaat eden bir ilerleme önermektedir: 1) kanalı inceleyerek ve atmosferik zayıflamalar için yeni modeller ve özellikler önererek, 2) delik ortalamasından ve dalga boyu bağımlılığı değiş tokuşundan yararlanarak, 3) MIMO FSO bağlantılarında mekansal uyarlamayı araştırarak ve önererek, ve 4) Uyarlanabilir modülasyon ve güç kontrol senaryolarını kullanarak ve uyarlanabilir sistemin gelecek vaat eden performansını onaylayarak.