Multi-hop hybrid FSO/RF communication systems

Abstract

The reliability of free-space optical (FSO) links is severely restricted by weather-dependent atmospheric phenomena including absorption, scattering and turbulence. An efficient solution is to build hybrid links where a radio frequency (RF) link is incorporated in parallel to the FSO link. With respect to weather conditions, FSO links are mostly degraded by fog and turbulence-induced fading (scintillation) whereas RF links particularly suffer from rain scatter. Therefore, hybrid FSO/RF systems can offer significant enhancements in the system reliability for all weather conditions by means of the complementary nature of the underlying links. In this thesis, we investigate the outage performance of point-to-point hybrid FSO/RF systems as well as multi-hop hybrid FSO/RF systems with soft-switching. Starting from the point-to-point system, we model the link selection required for soft-switching between the FSO and RF channels in different weather conditions by a finite-state Markov chain (FSMC) process. Then, based on the proposed model, we derive a closed-form outage probability expression in terms of various system and weather-dependent parameters. Thereupon, we extend the scope of our analysis to multi-hop hybrid FSO/RF systems. We present the outage probability and diversity gain analysis for multi-hop hybrid FSO/RF systems. Our results clearly demonstrate the robust performance of the soft-switching hybrid FSO/RF systems deployed either as the point-to-point or multi-hop configuration in dealing with different weather conditions.

Açık uzay optik bağlantılarının (FSO) güvenirliliği absorpsiyon, dağılma ve türbülans gibi atmosferik hava olayları tarafından oldukça kısıtlanmaktadır. Radyo frenkans (RF) bağlantıları ile FSO linklerinin paralel kullanılarak, hibrit bağlantılar inşa edilmesi, bu sorun için verimli bir çözüm olarak ortaya çıkmaktadır. Hava şartları açısından, FSO bağlantıları özellikle sis ve türbülans nedenli zayıflamadan (parıldama) etkilenirken, RF bağlantıları çoğunlukla yağmurdan etkilenir. Bundan dolayı, hibrit FSO/RF sistemleri bütün hava koşullarında oldukça etkin bir gelişim sunar. Bu tez, noktadan-noktaya hibrit FSO/RF sistemlerinin kesinti performansının yanı sıra, yumuşak anahtarlama ile çoklu atlama hibrit sistemlerinin incelenmesi üzerine yazılmıştır. Noktadan-noktaya sisteminden başlanılarak, sonlu Markov Chain (FSMC) işlemi kullanılmış ve yumuşak anahtarlama için, farklı hava koşulları altında, FSO ve RF kanalları arasında gerekli olan bağlantı seçimleri modellenmiştir. Önerilen modele bağlı kalınarak, çeşitli sistem ve hava koşullarına bağlı parametreler bazında, kapalı-form kesinti olasılık terimi elde edilmiştir. Daha sonra, analizlerin kapsamı çoklu atlama hibrit FSO/RF sistemleri olarak genişletilmiştir. Elde edilen sonuçlar farklı hava şartlarında, yumuşak anahtarlama hibrit FSO/RF sistemlerinin noktadan-noktaya ve çoklu atlama formatlarında etkili bir performans ortaya koyduğunu göstermektedir.