TESINA DI COMUNICAZIONI OTTICHE “Comunicazione ottica nello spazio libero (FSO) impiegante la modulazione subcarrier e la diversità spaziale in un canale con turbolenze atmosferiche.” L’argomento affrontato nella seguente presentazione è la “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. Le comunicazioni ottiche nello spazio libero rappresentano una valida alternativa per accedere all’ingorgo della rete. 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. 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, dei gas atmosferici attenuano il segnale a causa dell’assorbimento e dello scattering. Anche il forte 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: Dove P è la pressione atmosferica in millibars, T la temperatura in kelvin e λ la lunghezza d’onda in micrometri

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: La più piccola dimensione del vortice lo è chiamata scala interna di turbolenza con un valore di alcuni millimetri mentre la più grande dimensione del vortice Lo ,chiamata scala esterna di turbolenza, ha valore che giungono a diversi metri. L è il range del canale ottico nello spazio libero, C2n la costante di struttura dell’indice di rifrazione e K il numero d’onda

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. La figura 2 mostra il diagramma a blocchi di un sistema FSO impiegante lo schema di modulazione subcarrier.

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: dove I = Ipeak/2, Ipeak il picco di irradianza ricevuto, β l’indice di modulazione, m(t) il segnale multiplo ed n(t) ~ N(0, σ2) il rumore additivo, g(t) è la funzione con forma dell’impulso rettangolare wcj la frequenza angolare, Aj il picco di ampiezza di ogni portante

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) Questo approccio è particolarmente valido per il caso in cui il rumore di fondo della radiazione è la principale sorgente come per il caso di FSO. Comunque, per un sistema limitato dal thermal noise, il livello di rumore su ogni fotorivelatore non è ridotto di un fattore N ma rimane costante

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. PI(I) è la densità di probabilità congiunta della scintillazione data dalla (25) per ricevitori con separazione spaziale s>ρo

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.