Recently, free-space optical (FSO) communications have gained significant attention since they have extremely wider bandwidth than radio frequency (RF) counterparts. Indeed FSO communications are able to support much more broadband networks with a license-free and cost-effective wireless optical system than RF communications. Accordingly, FSO communications have been widely considered for space applications such as inter-satellite communications links and satellite-to-ground communications links.
More recently, FSO communications have been actively studied for the applications of unmanned aerial vehicle (UAV) -- based high data rate communications by the several projects of Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) and Air Force Research Laboratory (AFRL) such as optical RF communications adjunct (ORCA) program and FSO experimental network experiment (FOENEX) program. The programs aim to test an FSO backbone network up to 50 km and 200 km between air-to-ground nodes and air-to-air nodes, respectively. FSO communications, however, suffer from major performance impairments due to the highly degrading effects of atmospheric turbulence and pointing errors as well as fog and cloud. Atmospheric turbulence is caused by variations in the refractive index due to temperature and pressure changes. Pointing errors are caused by the misalignment between the transmitter and receiver.
In this dissertation, we investigate various types of FSO communications systems, such as diversity, relay and two-way relay, to overcome atmospheric turbulence, pointing errors, fog and cloud effects for the purpose of long-distance UAV backbone networks. In case of FSO channels, we consider the combined effects of turbulence-induced phase distortion and amplitude fluctuation for the coherent FSO systems and the Gamma-Gamma fading model for the subcarrier intensity-modulated (SIM) systems. We also consider the combined effects of atmospheric turbulence and misalignment effects on the performance analysis.
Firstly, we investigate the performance of a coherent FSO communication system with multiple receive apertures over atmospheric turbulence fading channels. In particular, we derive the average error probability and the ergodic capacity of the coherent FSO system with multiple receive apertures in series representations. To mitigate the atmospheric turbulence-induced amplitude fluctuations and phase aberrations, we assume to use, at the receive apertures, the modal compensation technique. Numerical results confirm the derived average error probability and ergodic capacity expressions.
Secondly, we propose and analyze an amplify-and-forward (AF) relaying system for coherent FSO applications. In particular, we derive, in series expressions, the lower bound of the outage probability of the proposed system, assuming to use the modal compensation at the receiver to mitigate the atmospheric turbulence-induced amplitude fluctuation and phase aberration. The performance of the derived lower bound of the outage probability is confirmed by the tight Monte-Carlo simulation result. It is noted that the AF relaying system is comparable in performance to the DF relaying system.
Thirdly, we investigate the performance of a coherent FSO communications system considering geometric spread and pointing errors as well as atmospheric turbulence fading and path loss. In particular, we derive the outage probability and average error probability of the coherent FSO system, considering the combined effects of path loss, geometric spread and pointing errors, and amplitude fluctuations and phase aberrations in series representation forms. Numerical and Monte-Carlo simulation results confirm the validity of the derived outage probability and average error probability expressions.
Fourthly, we analyze the performance of a two-way subcarrier intensity-modulated AF relaying system over FSO communication channels. The analysis takes into consideration attenuations due to atmospheric turbulence and geometric spread and pointing errors at the same time. We derive, in generalized infinite power series expressions, the tight upper and lower bounds of the overall outage probability and average probability of errors of the system. The study finds that this two-way subcarrier intensity-modulated AF relaying system using a binary phase shift keying (BPSK) modulation could be used for practical applications in case of a weak turbulence regime. It is also noted that the pointing errors clearly degrade the performance of the two-way subcarrier intensity-modulated AF relaying system.
Fifthly, we analyze the performance of a dual-hop relaying system composed of asymmetric RF and FSO (RF/FSO) links. We consider an asymmetric AF relay which converts the received RF signal into an optical signal using the subcarrier intensity modulation scheme. The RF and FSO channels are assumed to experience Rayleigh and Gamma-Gamma fading distributions, respectively. Particularly, we derive the average probability of error as well as ergodic capacity upper bound of the asymmetric RF/FSO dual-hop relaying system, in closed-forms. As a result, the asymmetric RF/FSO relaying system shows slightly worse performance in average probability of error and ergodic capacity upper bound than does the RF/RF relaying system in the low SNR. Over the SNR of 20 dB, however, the asymmetric RF/FSO relaying system shows very similar performance to the RF/RF relaying system in average probability of error and ergodic capacity upper bound. The derived mathematical expressions are verified by exactly matching Monte-Carlo simulation results.
요즘 정보통신 기술 및 수요가 급격히 발전함에 따라, 무선 전파자원 부족현상도 심각해 지고 있다. 이러한 상황에서 전파자원을 사용하지 않고 무선통신을 가능하게 하는 무선 광통신 기술이 큰 주목을 받고 있다. 무선 광통신 기술은 RF 주파수 사용에 대한 규제가 없는 빛(적외선 레이저)을 이용하여 무선 광대역 네트워크를 구축할 수 있기 때문에 위성간 및 위성과 지상간 통신과 같은 우주 분야에서 주로 연구되어 왔다.
최근에는 미국 DARPA 및 AFRL에 의해 ORCA 및 FOENEX 프로그램과 같이 UAV 기반 고속 통신을 위하여 무선 광통신 기술이 활발히 연구되고 있다. 이러한 프로그램은 공중-지상간 50 km 거리, 공중간 200 km 거리까지 수 Gbps 급의 무선 광통신 링크 구축을 목표로 하고 있다. 그러나, 무선 광통신 기술은 대기에서 발생되는 안개 및 구름 뿐만 아니라 대기 난류 및 포인팅오차에 의해 성능감쇄가 크게 일어난다. 특히, 대기 난류는 대기층에서의 온도 및 압력 변화에 의한 굴절율 변화에 의해 발생된다. 포인팅오차는 레이저 송/수신기간 정렬 오차에 의해 발생된다.
본 논문에서는 대기 난류, 포인팅오차, 안개 및 구름 영향을 극복하고 장거리 UAV 백본 네트워크 구축을 위하여 다이버시티, 중계 및 양방향 중계와 같은 다양한 종류의 무선광통신 시스템 기술에 대해 연구한다. 무선 광통신 채널의 경우, 동기식 시스템에 대해서는 대기 난류에 의해 야기되는 위상 왜곡 및 진폭 변동 모델을 고려하고 SIM 방식에 대해서는 Gamma-Gamma 페이딩 모델을 고려한다. 또한 대기 난류 및 정렬 오차를 동시에 고려한 성능 분석도 수행한다.
첫번째로, 대기 난류 페이딩 채널에서 다중 수신기를 갖는 동기식 무선 광통신 시스템의 성능분석을 수행한다. 특히, 다중 수신기 개수에 따른 동기식 무선광통신 시스템의 평균 오류확율 및 Ergodic Capacity를 수열 형태로 유도하였다. 이때, 대기 난류에 의해 야기되는 위상 왜곡 및 진폭 변동을 완화시키기 위하여 수신기에서 Modal Compensation 기법을 적용한 것으로 가정하였다. Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 유도된 성능 수식의 정확성을 검증하였다.
두번째로, 동기식 무선광통신 응용을 위해 AF 중계 시스템 구조를 제안하고 성능분석을 수행하였다. 특히, 제안된 시스템의 Outage 오류확율의 Lower Bound를 수열 형태로 유도하였다. 여기서 또한 대기 난류에 의해 야기되는 위상 왜곡 및 진폭 변동을 완화시키기 위하여 수신기에서 Modal Compensation 기법을 적용한 것으로 가정하였다. 유도된 Lower Bound는 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 여기서 무선 광통신 기반 AF 중계 시스템은 DF 중계 시스템과 그 성능이 거의 유사함을 확인하였다.
세번째로, Geometric Spread, 포인팅오차, 대기 난류 페이딩 및 경로감쇄 등을 동시에 고려한 환경에서 동기식 무선 광통신 시스템의 성능을 분석하였다. 특히 이와같은 환경에서의 Outage 오류확율 및 평균 오류확율을 수열 형태로 유도하였다. 또한, Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 유도된 성능 수식의 정확성을 검증하였다.
네번째로, SIM 기반 무선 광통신에서 양방향 AF 중계 시스템의 성능분석을 수행하였다. 특히, 대기 난류, Geometric Spread 및 포인팅오차 등을 모두 고려하여 전체 Outage 오류확율 및 평균 오류확율의 Upper 및 Lower Bounds를 수열 형태로 유도하였다. 본 분석결과에 의하면 BPSK 기반 양방향 AF 중계 시스템은 Weak 대기 난류 환경에서 실제 사용가능 할 것으로 판단되었다. 또한 포인팅오차에 의한 양방향 중계 시스템의 성능감쇄를 확인하였다. Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 유도된 성능 수식의 정확성을 검증하였다.
다섯번째로, RF 시스템과 FSO 시스템으로 구성된 (RF/FSO) 이중홉 AF 중계시스템의 성능 분석을 수행하였다. AF 중계기는 SIM 기술을 사용하여 수신된 RF 신호를 광신호로 바로 변환하도록 하였다. RF 채널은 Rayleigh 페이딩, FSO 채널은 Gamma-Gamma 페이딩 분포를 각각 고려하였다. 본 분석에서는 고려된 시스템의 Outage 오류확율, 평균 오류확률 및 Ergodic Capacity Upper Bound를 Closed-form으로 유도하였다. 분석결과에 의하면 RF/FSO 중계 시스템은 RF/RF 중계 시스템에 비해 낮은 SNR 에서는 성능이 조금 안좋지만 높은 SNR 에서는 유사한 성능을 보였다. Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 유도된 성능 수식의 정확성을 검증하였다.
