Performance analysis and optimization of relay-assisted free space optical communication systems

Abstract

Free-space optical (FSO) communication has received an increasing attention in recent years with their ability to achieve ultra-high data rates (at the order of multiple gigabits per second) over unlicensed optical spectrum. A major degrading factor, particularly in long links, is the atmospheric turbulence induced fading. Smartly exploiting the fact that fading variance is distance-dependent in FSO channel, relay assisted transmission takes advantage of the resulting shorter hops and yields significant performance improvements. In this thesis, we make several contributions to the performance analysis and design of relay-assisted FSO systems. In the first part, we investigate how to determine optimal relay locations in serial and parallel FSO relaying as to minimize the outage probability and quantify performance improvements obtained through optimal relay placement. In the second part, we investigate the combined use of serial and parallel relaying for FSO mesh networks. We derive the outage probability expressions of FSO mesh networks and demonstrate performance improvements with respect to both stand-alone serial and parallel relaying schemes. We also present a diversity gain analysis and quantify the achievable diversity orders in terms of the number of relays and turbulence channel parameters. Finally, we investigate the use of all-optical relaying removing the need for optical-electrical and electrical-optical conversions. Building on all-optical relay assumption, we investigate the outage performance of a dual-hop FSO link taking into account practical limitations such as amplifier noise and filtering effects.

Kablosuz optik (KAO) iletişim, lisansız optik spektrumda ultra-yüksek veri hızına ulaşabilme (saniyede birkaç gigabit mertebesinde) kabiliyetiyle, son yıllarda giderek daha fazla artan bir ilgi çekmektedir. Ancak, atmosferik türbülansın sebep olduğu sönümleme, özelikle uzun linklerde, bu sistemlerin başarımını önemli derecede etkileyen olumsuz bir faktördür. Sönümleme varyansının, KAO kanalında uzaklığa bağlı olduğu gerçeğinden yararlanarak ortaya atılan röle yardımlı iletim teknikleri önemli başarım iyileştirmeleri sağlamaktadır. Bu tez çalışmasında, röle yardımlı KAO sistemlerinin başarım analizi ve tasarımı konularında literatüre çeşitli katkılar sağlanmıştır. Tezin ilk bölümünde, seri ve paralel KAO röle sistemlerinde servis dışı kalma olasılığını en küçükleyen optimal röle konuşlandırması belirlenmiş ve optimal röle konuşlandırması durumunda sağlanan başarım artışı nicemlenmiştir. Tezin ikinci bölümde, KAO ağlarında seri ve paralel röle sistemlerinin birlikte kullanımı incelenmiştir. KAO ağlar için servis dışı kalma olasılık ifadeleri çıkarılmış ve paralel ve seri rölelemenin tek başlarına olan kullanımlarına göre başarım artışları ortaya konmuştur. Ayrıca çeşitleme kazanç analizi sunulmuş ve elde edilebilir çeşitleme derecesi röle sayısı ve türbülans kanal parametreleri cinsinden formülleştirilmiştir. Son olarak, optik-elektrik ve elektrik-optik çevirici ihtiyacı ortadan kaldıran tüm-optik röle kullanımı incelenmiştir. Tüm-optik röle varsayımı altında, yükselteç gürültüsü ve filtreleme etkisi gibi pratik sınırlamalar da göz önüne alınarak, çift-atlamalı bir KAO linki için servis dışı kalma olasılığı çıkarımı yapılmıştır.