Performance analysis of multiuser free space optical communications

Abstract

Terrestrial Free Space Optical (FSO) communications involve using optical beams to carry information through atmospheric channels between two points. Unlike radio frequency (RF) communications, FSO systems are not burdened by spectrum licensing or interference to/from other systems. These systems are also easy-to-install and redeployable, therefore considered a powerful alternative to fiber optic or RF systems, particularly, for the purpose of "last mile" problem. In addition, the nature of point to point transmission by means of laser beam provides high immunity to interference and jamming from external sources. In the first chapter of the thesis, we provide an overview of FSO technology discussing the advantages and bottlenecks as well as mitigation techniques in FSO systems to overcome atmospheric turbulence induced fading problem. In the second chapter, we consider a multiuser FSO system over log-normal atmospheric turbulence channels. We investigate the outage probability of proposed system with various scheduling techniques including Round Robin, Opportunistic Round Robin, Select-Max and mth Best User Selection. We also verify the validity of the obtained closed-form expressions for outage probabilities through Monte Carlo simulations. In the third chapter, we extend the multiuser scenario to a parallel multihop (cooperative) FSO system and study its outage probability with the so-called mth Best Path Selection (m-BPS) protocol. Specifically, we consider an FSO communication system which employs M parallel relaying paths each of which consists of N decode-and-forward relays. In this protocol, data is transmitted through the mth (m ≥2) best path towards the destination since the best path (i.e., m=1) might not be available due to scheduling or load balancing issues. After expressing closed-form of outage capacity, we derive the diversity order of proposed system. In the last chapter, we derive outage capacity and throughput expressions for the multiuser FSO system under consideration. These expressions are obtained under the assumption of both independent identical and non-identical distributions assuming log-normal channel model and then confirmed through simulation results.

Kablosuz optik (free space optical, FSO) haberleşme sistemleri iki nokta arasındaki atmosferik kanal aracılığı ile optik hüzmeleri kullanarak iletim sağlar. Radyo frekansı (RF) iletiminden farklı olarak, FSO sistemler spektrum lisansı gerektirmezler ve diğer sistemlerden kaynaklı girişim gibi problemler barındırmazlar. Bu sistemler kolay kurulabilir ve tekrar kullanılabilir özellikde olduklarından fiber optik ve RF sistemlerine – özellikle "son mil" problemi için – alternatif bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Ek olarak, lazer hüzmeleri ile uçtan uca iletimin doğası girişim ve dış kaynaklı boğmalara karşı bağışıklık göstermektedir. Tezin ilk bölümünde FSO teknolojisinin avantajları ve sıkıntıları hakkında genel bir inceleme sunucağız. Bunun yanında, FSO sistemlerinde atmosferik türbülansdan kaynaklanan sönümlenme probleminin nasıl aşılabileceğinden bahsedeceğiz. İkinci bölümde, log-normal atmosferik türbülans kanalı üzerinde çalışan çok kullanıcılı bir FSO sistemini ele alacağız. Önerilen sistemi, farklı çizgeleme teknikleri (Round Robin, Fırsatçı Round Robin, En İyi Seçim ve m'inci En İyi Seçim) altındaki hizmet kesinti olasılıklarını inceleyeceğiz. Elde edilen kapalı formdaki hizmet kesinti olasılıklarını Monte Carlo simülasyonları ile de doğrulayacağız. Üçüncü bölümde, ikinci bölümdeki senaryoyu paralel çok-atlamalı (işbirlikli) FSO sistemine genelleştireceğiz ve hizmet kesinti olasılığının çıkarımını m'inci En İyi Yol Seçimi (m-BPS) protokolü altında yapacağız. Çalışmada her bir yolu N çözümle-ve-ilet rölesi içeren M paralel aktarma yolundan oluşan bir FSO sistemi varsaymaktayız. Bu protokolde, mevcut en iyi yol (m=1) çizgeleme ve yük dengeleme gereği iletime imkan veremediğinde, veri m'inci (m ≥2) yoldan hedefe iletilmektedir. Hizmet kesinti kapasitesinin kapalı formunu elde ettikten sonra, önerilen sistemin çeşitleme kazancını da bulmaktayız. Son bölümde, çok kullanıcılı FSO sistemlerde hizmet kesinti kapasitesini ve iş çıkarma oranı ifadelerini elde edeceğiz. Bu çıkarımlar hem bağımsız özdeş, hem de özdeş olmayan log-normal kanal modelleri varsayımı ile elde edilmekte ve simülasyonlar ile doğrulanmaktadır.