Adaptive MIMO free space optical communication systems

Abstract

Free space optical (FSO) enjoys the high data rate of optical spectrum and have also the flexibility of RF links. FSO systems provide many advantages to the line of sight wireless communication technology. With the recent increasing interest on this promising technology, there is a need for a comprehensive understanding of system limitations which is mainly due to atmospheric conditions. In the first part of this research, we use our custom design atmospheric channel emulator for FSO system evaluations in a controlled environment and experimentally investigate the performance of FSO links. Specifically, we investigate the geometric loss, absorption loss, different weather conditions (like foggy and rainy), different beam shapes, and atmospheric turbulence using the atmospheric chamber. Atmospheric turbulence is a significant impairment in FSO channels which results in random fluctuations in the received signal level. By generating a desired level of atmospheric turbulence in the chamber, we investigate effect of wavelength and aperture averaging on the performance of FSO systems. Aperture averaging extracts inherent receive diversity gains and can be used as an effective fading mitigation technique. Furthermore, multiple apertures systems are also adopted in practical FSO systems to mitigate the turbulence induced fading effects and offer dramatic performance improvements in terms of link reliability (via diversity gain) and data rates (via multiplexing gain). On the other hand, the turbulence induced fading is characterized as very slow-varying, hence reliable feedback would be possible and adaptive transmission can be implemented in practical FSO systems and brings a noticeable performance improvement. Although the literature for adaptive transmission of RF systems is mature, it has been recently applied to SISO FSO systems and its direct application to MIMO FSO systems is challenging. Aiming to fill research gaps in this growing field, this work develops a framework for practical FSO systems with adaptive MIMO architectures. A MIMO system over a frequency-flat, log-normal or Gamma-Gamma slow-fading channel is considered in our work. In MIMO FSO systems, the space-time transmission strategy can also be adjusted, introducing a new dimension for adaptation. This means that practical MIMO link adaptation algorithms must also provide a dynamic adaptation between diversity and multiplexing modes of operation which needs a fundamental understanding of diversity-multiplexing tradeoff (DMT) under log-normal fading channels. Although there has been a growing interest on the study of DMT, the existing works are mostly restricted to the outcomes reported for Rayleigh, Rician, and Nakagami fading channels. In the next part of this research, we investigate the optimal tradeoff in the presence of log-normal fading channels. We derive the outage probability expression, and then present the asymptotical DMT expression. We further investigate DMT for finite SNRs and demonstrate convergence to the asymptotical case. Next, we suggest a framework for practical MIMO FSO system with adaptive architectures and shows how to use this framework to increase either link reliability (via diversity gain) and or data rates (via multiplexing gain). To illustrate our approach, we consider three MIMO transmission mapping matrices which includes: Matrix A (multiplexing), employing only spatial multiplexing; Matrix B (diversity), exploiting only diversity; and Matrix C (hybrid), combining diversity and spatial multiplexing. We first obtain expressions for the outage capacity of these matrices as the metric to maximize the rate of system for a fix target outage probability. Limiting the adaptation modes to a small subset is the key of adaptive strategy. The spatial adaptation can be combined with conventional adaptive modulation and coding (AMC) to give the optimal system performance. Particularly, we consider multiple-input single-output (MISO) and single-input multiple-output (SIMO) FSO systems with pulse position modulation (PPM) and pulse amplitude modulation (PAM). We propose three adaptive algorithms where the modulation size and/or transmit power are adjusted according to the channel conditions. We formulate the design of adaptive algorithms to maximize the spectral efficiency under peak and average power constraints while maintaining a targeted value of outage probability. In conclusion, this work propose a promising progress to overcome the main impairments (fog attenuations and turbulence induced fading) of the FSO links in four ways: 1) by examining the channel and proposing novel models and characteristics for atmospheric attenuations 2) by taking advantage of aperture averaging and wavelength dependency trade-off 3) by investigating and proposing spatial adaptation in MIMO FSO links and 4) by employing adaptive modulation and power control scenarios and approving the promising performance of adaptive system.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.