TESINA DI COMUNICAZIONI
OTTICHE
“Comunicazione ottica nello spazio libero
(FSO) impiegante la modulazione subcarrier e
la diversità spaziale in un canale con
turbolenze atmosferiche.”
Studente:
Bonanno Giuseppa
0544914
Professore:
Ing. A. Busacca
PERCHÈ LA COMUNICAZIONE
FSO?
Le comunicazioni ottiche nello spazio libero (FSO) sono state il punto
focale dello sviluppo delle attività di ricerca e rappresentano ad oggi una
valida alternativa per accedere all’ingorgo della rete.
La capacità di FSO è paragonabile a quella di un sistema basato sulla fibra
ottica ma presenta costi relativamente più bassi; richiede inoltre tempi più
brevi di schieramento ed è poco dannoso per l’ambiente poiché non
necessita di scavi o di ritagli di strade e diritti di passaggio.
FSO trova applicazione in numerose aree quali la comunicazione cellulare,
la comunicazione in fibra ottica e molte altre applicazioni emergenti.
PROBLEMATICHE DELL’FSO
Di primaria preoccupazione in FSO è la dipendenza del canale
dalle condizioni temporali che ovviamente non hanno
caratteristiche fissate.
Gli effetti della nebbia, della pioggia e dei gas atmosferici hanno come
conseguenza l’attenuazione del segnale a causa dell’assorbimento (estinzione
dei fotoni) e dello scattering (cambio della direzione dei fotoni).
Anche il vento, l’influenza delle costruzioni e i disturbi delle radiazioni
contribuiscono alla degradazione delle prestazioni e aggiungono al sistema
rumore.
Il risultato è che la struttura, la direzione e le proprietà
elettromagnetiche dell’onda laser sono affette da turbolenze
atmosferiche.
CARATTERIZZAZIONE DELLE
TURBOLENZE
Le turbolenze atmosferiche sono il risultato delle fluttuazioni casuali dell’
indice di rifrazione atmosferico n. Queste fluttuazioni sono il prodotto
diretto delle variazioni casuali nella temperatura dell’atmosfera,
dell’altitudine e della velocità del vento e della pressione.
L’interazione tra il segnale laser e le turbolenze dà luogo ad un’ampiezza
casuale e a variazioni di fase del segnale laser generato; questo fenomeno è
noto come scintillation.
La scintillazione causa danneggiamento e degradazione per l’intera
lunghezza del canale di comunicazione ottico atmosferico. La relazione tra
la temperatura dell’atmosfera e la sua variazione dell’indice di rifrazione è
data da:
MODELLIZZAZIONE DELLE
TURBOLENZE
L’influenza della fluttuazione d’ampiezza dell’onda in un mezzo turbolento
è data dalla varianza σ2x, chiamata parametro di Roytov, e dalla lunghezza
di coerenza trasversa della turbolenza ρo che sono date rispettivamente
dalle:
Considerando deboli turbolenze e assumendo che l’intensità della luce laser
attraversante l’atmosfera sia normalmente distribuita la funzione di densità
di probabilità dell’intensità della luce è data da:
TECNICHE DI COMPENSAZIONE:
SUBCARRIER MODULATION
La Subcarrier Intensity Modulation (SIM) è considerata un valido mezzo di
aggiramento della scintillazione.
SIM è realizzata modulando una sorgente di informazione digitale e/o analogica su
una portante elettrica, che è a sua volta usata per modulare l’intensità di un’onda
laser continua che serve come portante ottica.
SIM ha la potenzialità di incrementare la capacità del sistema modulando anche
sorgenti multiple di informazione su differenti sottoportanti elettriche.
TECNICHE DI COMPENSAZIONE:
SUBCARRIER MODULATION
La fotocorrente istantanea è espressa da:
L’SNR e la corrispondente probabilità d’errore sono dati da:
Usando una rappresentazione alternativa della funzione Q insieme con
l’integrazione in quadratura di Gauss-Hermite si ottiene la seguente espressione per
la Pe:
SUBCARRIER MODULATION CON
DIVERSITÀ SPAZIALE
L'uso della diversità del rivelatore nella comunicazione ottica atmosferica avviene
col prezzo di avere un complessa localizzazione ed allineamento specialmente in
presenza di costruzioni e di venti forti.
Le tecniche di combinazione di diversità spaziale considerate sono:
Maximum Ratio Combining (MRC)
Equal Gain Combining (EGC)
Selection Combining (SelC)
MAXIMUN RATIO COMBINING
Il combinatore MRC pesa ogni segnale d’uscita da ogni canale attraverso
un guadagno proporzionale all’intensità ricevuta. I segnali pesati sono poi
messi in fase e coerentemente sommati per ottenere la corrente d’uscita del
combinatore. In assenza di interferenza l’MRC è ottimale. Tuttavia è un
sistema complesso poiché richiede la conoscenza dell'intensità ricevuta su
ogni collegamento oltre alle stime di fase delle portanti richieste per la
sommatoria coerente.
EQUAL GAIN COMBINING
Nell’EGC, il combinatore di diversità riceve le fotocorrenti, estrae da
ciascuna di esse la fase stimata e le somma coerentemente con uguali pesi
di unità. La fotocorrente combinata d’uscita è data da:
L’SNR all’uscita del combinatore e la corrispondente Pe sono date da:
SELECTION COMBINING
Il combinatore campiona ogni ir(t) e seleziona il collegamento con l’ SNR
più alto (o con il segnale più forte perché si presume che tutti i rami hanno
lo stesso livello di rumore) senza il bisogno di valutare la fase di ogni ir(t).
Presenta perciò la complessità più bassa paragonato con MRC ed EGC.
RISULTATI E COMMENTI
SENZA DIVERSITÀ SPAZIALE:
L’SNR richiesto per un dato BER aumenta all’aumentare della turbolenza come
mostrato in figura. Per un aumento nella turbolenza da 0,1 a 0.7, l’SNR richiesto
per raggiungere un BER di 10-6 aumenta di circa 20 dB a prescindere dal numero di
portanti; l’SNR aumenta inoltre al crescere del numero di canali.
RISULTATI E COMMENTI
CON DIVERSITÀ SPAZIALE:
All’aumentare della turbolenza, la diversità di selezione inizia a migliorare, tuttavia
le prestazioni risultano comunque inferiori a quelle dell’EGC.
EGC è migliore di
SelC
RISULTATI E COMMENTI
CON DIVERSITÀ SPAZIALE:
Il guadagno di diversità migliora al crescere della scintillazione; aumentando il
numero di rivelatori N con MRC da 1 a 4 si ha un aumento compreso tra 3 e 22 dB,
mentre aumentando N da 4 a 10 si ha un aumento marginale compreso tra 0 e 6 dB.
Il guadagno dell’EGC è comunque compreso tra 0 e 2 dB, dunque più basso di
quello dell’MRC.
MRC è migliore di
EGC
CONCLUSIONI
SelC è la tecnica con guadagno di diversità spaziale più basso.
Comparato con MRC, il margine di collegamento EGC è più basso di almeno 2 dB.
Un guadagno di diversità spaziale significativo (≈ 22 dB) può essere ottenuto
usando almeno quattro ricevitori indipendenti con MRC.
Tuttavia, aumentando il numero di ricevitori oltre quattro aumenta la complessità di
sistema e il costo, ma non conduce ad un aumento proporzionato nel margine di
collegamento.
Nonostante le prestazioni di MRC siano leggermente superiori a quelle di
EGC, quest’ultima è la tecnica di diversità spaziale raccomandata per mitigare
effetti di scintillamento su sistemi FSO essendo meno complessa da
implementare.