بررسی عملکرد سامانه‌های مخابرات نوری فضای آزاد تحت مدولاسیون هایM-PAM و M-PSK با به‌کارگیری روش‌های تطبیق توان و مدولاسیون

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی برق، دانشگاه شهیدبهشتی، تهران، ایران

2 دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی برق، دانشگاه شهیدبهشتی، تهران، ایران

3 دانشیار دانشکده مهندسی برق، دانشگاه شهیدبهشتی، تهران، ایران

چکیده

عملکرد سامانه­­های نوری فضای آزاد تحت تأثیر عوامل مختلفی از قبیل ناهم­راستایی، پراکندگی، جذب و نوسانات ناشی از تلاطم جوی قرار دارد. در این میان، نوسانات ناشی از تلاطم اتمسفری حتی در شرایط جوّ پایدار نیز وجود دارد. کانال­های متلاطم جوی در سامانه­های مخابرات نوری فضای آزاد یک کانال شبه ایستا هستند به­طوری­که شرایط کانال برای میلیون­ها بیت متوالی ثابت است. بنابراین، با دانستن اطلاعات حالت کانال، می­توان پارامترهای انتقالی­ فرستنده مانند توان و مرتبه­ مدولاسیون را طوری تنظیم نمود که تأثیر تلاطمات اتمسفری برای داشتن انتقالی کارآمد از لحاظ مصرف انرژی و نرخ انتقال اطلاعات تا حد ممکن کاهش یابد. در این مقاله، روش‌های تطبیق توان و مدولاسیون در یک سامانه­ مخابرات نوری فضای آزاد مبتنی بر مدولاسیون‌های PAM و PSK در معرض تلاطمات اتمسفری بررسی می‌شوند. بدین منظور، سه راهکار تطبیق توان، تطبیق مدولاسیون و تطبیق همزمان توان و مدولاسیون مورد بررسی قرار می‌گیرند. راه­کار تطبیق توان و/یا مرتبه مدولاسیون پیشنهادی در این مقاله منجر به مسائل­ بهینه­سازی غیرمحدب شده که جواب بهینه آن به کمک روش ضرایب لاگرانژ به­دست می‌آید. در نهایت، عملکرد روش‌های ارائه شده از لحاظ بهره­وری طیفی و احتمال قطع توسط شبیه‌سازی‌ عددی مورد ارزیابی و تحلیل قرار خواهد گرفت.

کلیدواژه‌ها


   [1]      M. A. Khalighi and M. Uysal, “Survey on Free Space Optical Communication: A Communication Theory Perspective,” IEEE Commun. Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 4, pp. 2231–2258, fourth quarter 2014.##

   [2]      S. Hranilovic, “Wireless Optical Communication Systems,” Springer, 2006.##

   [3]      Z. Ghassemlooy, W. Popoola, and S. Rajbhandari, “Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB. Boca Raton,” FL, USA: CRC Press, 2013.##

   [4]      S. Arnon, J. Barry, G. Karagiannidis, R. Schober, and M. Uysal, “Advanced optical wireless communication systems,” Cambridge university press, 2012.##

   [5]      C. Gong, Q. Gao, and Z. Xu, “Analysis and design of amplitude modulation for optical wireless communication with shot noise,” in IEEE International Conference on Communications (ICC), Kuala Lumpur, pp. 1-6, 2016.##

   [6]      M. T. Dabiri, M. J. Saber, and S. M. S. Sadough, “BER Performance of OFDM-based Wireless Services over Radio-on-FSO Links in the Presence of Turbulence and Pointing Errors,” in 8th International Symposium on Telecommunications (IST), IEEE, 2016.##

   [7]      W. O. Popoola and Z. Ghassemlooy, “BPSK Subcarrier Intensity Modulated Free-Space Optical Communications in Atmospheric Turbulence,” Journal of Lightwave Technology, vol. 27, no. 8, pp. 967-973, April15, 2009.##

   [8]      H. Dahrouj, A. Douik, F. Rayal, T. Y. Al-Naffouri, and M.-S. Alouini, “Cost-effective hybrid RF/FSO backhaul solution for next generation wireless systems,” IEEE Wireless Communications, vol. 22, no. 5, pp. 98–104, 2015.##

   [9]      D. Schulz, V. Jungnickel, C. Alexakis, M. Schlosser, J. Hilt, A. Paraskevopoulos, L. Grobe, P. Farkas, and R. Freund, “Robust optical wireless link for the backhaul and fronthaul of small radio cells,” Journal of Lightwave Technology, vol. 34, no. 6, pp.     1523–1532, 2016.##

[10]      L. C. Andrews, R. L. Phillips, C. Y. Hopen, and M. A.    Al-Habash, “Theory of optical scintillation,” Journal of Optical Society of America A, Opt. Image Sci., vol. 16, no. 6, pp. 1417–1429, Jun. 1999.##

[11]      I. Kim, H. Hakakha, P. Adhikari, E. Korevaar, and A. Majumdar, “Scintillation reduction using multiple transmitters,” in Proc. SPIE, vol. 2990, pp. 102–113, Apr. 1997.##

[12]      X. Zhu and J. Kahn, “Free-space optical communication through atmospheric turbulence channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 50, no. 8, pp. 1293–1300, Aug. 2002.##

[13]      M. S. Salah, W. G. Cowley, and K. D. Nguyen, “Adaptive transmission schemes for FSO channel,” in Signal Processing and Communication Systems (ICSPCS), 2014 8th International Conference on. IEEE, pp. 1–7, 2014.##

[14]      M.-A. Khalighi, N. Schwartz, N. Aitamer, and S. Bourennane, “Fading reduction by aperture averaging and spatial diversity in optical wireless systems,” Journal of Optical Communications and Networking, vol. 1, no. 6, pp. 580–593, 2009.##

[15]      M. Safari and M. Uysal, “Relay-assisted free-space optical communication,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 7, no. 12, pp. 5441–5449, Dec. 2008.##

[16]      Rakia, H. Yang, F. Gebali, and M. Alouini, “Power Adaptation Based on Truncated Channel Inversion for Hybrid FSO/RF Transmission with Adaptive Combining,” IEEE Photonics Journal, vol. 7, no. 4, pp. 1–12, Aug. 2015.##

[17]      M. T. Dabiri, M. J. Saber, and S. M. S. Sadough, “On the performance of multiplexing FSO MIMO links in log-normal fading with pointing errors,” J. Opt. Commun. Netw., vol. 9, pp. 974–983, 2017.##

[18]      B. K. Levitt, “Variable rate optical communication through the turbulent atmosphere,” Technical Report 483, Massachusetts Institute of Technology, Research Laboratory of Electronics, Aug. 1971.##

[19]      J. A. Anguita, M. A. Neifeld, B. Hildner, and B. Vasic, “Rateless coding on experimental temporally correlated fso channels,” J. Lightwave Technol., vol. 28, no. 7, pp. 990–1002, Apr. 2010.##

[20]      N. D. Chatzidiamantis, A. S. Lioumpas, G. K. Karagiannidis, and S. Arnon, “Adaptive Subcarrier PSK Intensity Modulation in Free Space Optical Systems,” IEEE Trans. Commun., vol. 59, pp.   1368–1377, May 2011.##

[21]      I. B. Djordjevic, “Adaptive Modulation and Coding for Free-Space Optical Channels,” IEEE/OSA J. Optical Commun. Netw., vol. 2, no. 5, pp. 221- 229, May 2010.##

[22]      M. Karimi and M. Uysal, “Novel Adaptive Transmission Algorithms for Free-Space Optical Links,” IEEE Trans. Commun., vol. 60, no. 12, pp. 3808–3815, Dec. 2012.##

[23]      M. T. Dabiri, M. J. Saber, and S. M. S. Sadough, “Power Control and Adaptive Digital Pulse Interval Modulation for Free Space Optical Links,” in 24th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE), IEEE, pp. 184-187, 2016.##

[24]      J. G. Proakis and M. Salehi, “Digital Communications,” 5th edition, McGraw-Hill, 2008.##

[25]      L. C. Andrews and R. L. Phillips, “Laser beam propagation through random media.” SPIE press Bellingham, WA, vol. 1, 2005.##

[26]      E. K. P. Chong and S. H. Zak, “An Introduction to Optimization,” John Wiley and Sons, 2008.##