Capacity and outage analysis of MIMO free space optical system with heterodyne detection over gamma-gamma turbulence channels

Other Title(s)

تحليل سعة و انقطاع خدمة الاتصالات اللاسلكية الضوئية متعددة المداخل و المخارج علي قنوات غاما غاما باستخدام الكشف الهيترودايني

Dissertant

al-Fayturi, Ahmad Umar Salim

Thesis advisor

Bani Ahmad, Umar

University

Princess Sumaya University for Technology

Faculty

King Abdullah II Faculty of Engineering

Department

Department of Electrical Engineering

University Country

Jordan

Degree

Master

Degree Date

2018

Arabic Abstract

نظرا للطلب المتزايد على أنظمة ذات معدل ارسال بيانات مرتفعة لتلبية التطورات الحديثة والمستقبلية في مجال التكنولوجيا اللاسلكية، مثل G4 و5G وLTE، فقد أدى ذلك إلى قيام العديد من المطورين بالتحقيق في أداء اتصالات الضوئية اللاسلكية FSO) ) نظرا لقدرتها على إنتاج نظم معدل البيانات العالية.

للاتصالات الضوئية اللاسلكية لديها القدرة على توفير 2-1 Gbits/sec على مسافات تتراوح بين 1-5 كم، كما أنها فعالة من حيث التكلفة ولا تحتاج إلى ترخيص للارسال.

ومع ذلك، يتأثر أداء FSO من اضطراب القنوات والأحوال الجوية وأخطاء التوجيه التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور شديد في أداء النظام.

في هذه الأطروحة، يُنظر في أداء نظام FSO متعدد المدخلات والمخرجات المتعددة ((MIMO، حيث يفترض أن تكون إحصائيات القناة شبه استاتيكية، مما يسمح بالنظر إلى إحصائيات القناة على أنها ثابتة أكثر من بضعة رموز.

والإشارة الضوئية هي إشارة تشفير تبديل الطور (DEPSK) المشفرة رتقيا مع كشف متجانس يتم فيه تجاهل ضوضاء الطور بين رمزين متتاليين على الأقل في التحليل.

ومن المفترض أن الإشارات الضوئية تُمرر عبر تبديلات الإرسال M المستقلة وتُستقبل عبر N عبر قناة جاما - غاما الجوية المضطربة.

وبالإضافة إلى ذلك، تدمج مكونات الإشارة المستقبلة باستعمال تقنية الجمع المتكافئ في المستقبل (EGC).

يتم النظر في أداء النظام بثلاثة مقاييس مع الاخذ في الاعتبار ظروف القناة (ضعيفة إلى قوية) الاضطراب.

تشتق المعادلات لكل مقاييس النظام من حيث دالة Miejer-G، التي تأخذ في الاعتبار معاملات قوة الاضطراب، ومستوى MIMO ونسبة كثافة طيف القدرة من الطاقة إلى الضوضاء.

مقاييس النظام الثلاثة التي تم دراستها هي: احتمالية الانقطاع، معدل الخروج والسعة المتوسطة.

يتم عرض النتائج بناءا على مستوى MIMO والقوة المضطربة مقابل نسبة الطاقة إلى الضجيج.

وأخيرا، تم التحقق من التعبيرات المشتقة عن طريق مقارنتها ببحوث التي تم نشرها سابقا لحالة نظام SISO، إضافة إلى ذلك، تم مقارنة النتائج المحققة باستخدام تعبيرات الصيغة النهائية من النتائج التي تم التوصل إليها بواسطة تكامل الرقمي لنفس النظام ومعاملات القنوات.

أظهرت مقارنة النتائج اتفاق ممتاز، وبالتالي يثبت دقة أشكال التعبير النهائي للمعادلات.

English Abstract

Due to the demand for high data rate systems to meet recent and future development in wireless technology, such as 4G, 5G and LTE, this has led many authors to investigate the performance of Free Space Optical (FSO) communications due to its ability for producing high data rate systems.

Free Space Optical communications has the ability to offer 1-2 Gbits/sec over disatnces ranging between 1- 5 km, it is also cost effective and needs no licensing for deployment.

However, FSO performance is affected by channel turbulance (fading), weather conditions and pointing errors which can severly degarade the system performance.

In this thesis, performance of multiple input-multiple output (MIMO) FSO system is considered, where the channel statistics is assumed to be quasi static, thus, allowing the channel statistics to be viewed as being constat over at least a couple of symbols.

The optical signal is defferentially encoded phase shift keying (DEPSK) signal with heterodyne detection in which the phase noise between at least two consecutive symbols is ignored in the analysis.

It is assumed that the optical signal is tarnsmitted via independent ?- transmit apartures and received via ?-receivers over Gamma- Gamma atmospheric turbulance channel.

In addition, it is also assumed that the ?- apatures are viewed by each receiver and the ? received signal components are combined using equal gain combining technique at the receiver.

Performance of three systeme metrics are cosidered in the analysis over weak to strong turbulance channel conditions.

Closed form exressions are achieved for each of the system metrics in terms of the Miejer-G function, which takes into account the turbulance strength parameters, the MIMO level and bit energy-to-noise power spectral density ratio.

The three system metrics considered are: outage probability, out rate and avergae capacity.

Numercial results are displayed as a fucntion of MIMO level and turbulance strength versus bit energy-to-noise ratio.

Finally, the closed form expressions were verified by comapring the produced resluts with previously published for the case of SISO system, in addtion, the attained results using the derived closed expressions were compared against results produced by numericlly integration for the same system and channels parameters.

Comparison of results showed excellent agreement, and thus proves accuracy of the closed form derived expressions

Main Subjects

Electronic engineering

Topics

• Infrared
• Detectors
• Optical communications
• MIMO systems

No. of Pages

56

Table of Contents

• APA
• MLA
• AMA

Language

English

Data Type

Arab Theses

Record ID

BIM-833089