Free-space Optik (FSO) iletişim sistemleri modlu ışık kirişleri kullanır - lazerlerden veya ışıktan inen diyotlardan (LEDler) - yüksek bant genişliği kablosuz bağlantı dalgalanmaları talep etmek için, FSO, yüksek frekanslı sensörlerin kapasitesi ve güvenilirliğine büyük ölçüde değişebilir.
Free-space Optik İletişimi Anlamak
Ücretsiz uzay optik iletişim sistemleri verileri ücretsiz bir uzay yoluyla optik bir kirişi taklit ederek iletiyor - atmosfere - uzak bir alıcıya karşılaştırılabilir veri oranlarına (örneğin, on bir modül (kamp veya LED), bir modülatör, optik kolimating optik, ve bir fotodetector ve demodulator ile. FSO, birkaç yüz metreden birkaç kilometreye kadar, birkaç yüz metreden fazla Gbps'ye kadar uzanan bir ekrandan fazla mesafedeki mesafeyi içerir.
FSO'nun temel avantajları şunlardır:
- [FONT:0) Yüksek bant genişliği) - optik spektrum büyük verileri tartışılmaktadır.
- [FONT:0)Electromanyatik müdahale bağışıklıkları[Döntgen: 1) Optik kirişler RF gürültü tarafından etkilenmez.
- [FONT:0]License-free operation[[Dönetici: 1) spektrum lisans için ihtiyaç yoktur.
- [FONT:0)Inherent güvenlik - dar kirişler bağlantıyı bozmadan zorlanır.
- [FONT:0)Rapid dağıtım[[Dönetici:0)[[Dönetici: 2) Geçici bağlantılar, felaket kurtarma ve son mil bağlantı için idealdir.
Bu yararlarına rağmen, FSO optik sinyali bozan atmosferik etkilere karşı hassastır. Alınan güç dalgalanmaları ve biraz hata oranı (BER) artışları, sonuçta etkili kanal kapasitesinin (en yüksek veri oranına göre kullanılabilir) Bu atmosferik sınırlamaları anlamak gerçek dünya ortamları için FSO ağlarını tasarlamak için kritiktir.
FSO Kanallarını Etkileyen atmosferik koşullar
atmosfer dinamik, gaz molekülleri, su damlacıkları, buz kristalleri, toz ve diğer katılımcılar ile etkileşimi, bu bileşenler, optik radyasyon ile absorbe edilmesi ve FSO için en önemli atmosferik bozulmalar içerir.
Rain and Snow
Raindrops ve karflakes optik dalgalar ile kıyaslanıyor (tipik olarak 0,5-10 mm vs. 0.78-1.55 μm). Bu nedenle, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte Mie saçıyor, optik kirişin yönlendirmesine yol açıyor. ek olarak, spesifik dalga boyundaki asitler tarafından absorbe ediliyor.
Yağmurun neden olduğu intenuation genellikle yağmurun belirli katlanma kataraktını kullanarak modellenir. ⁇ R (dB/km) yağmur oranı R (mm/h) Örneğin, 1550 nm, ⁇ R ⁇ 0.2R ^0.6 dB/km. Ağır yağış (25 mm/h) alınan sinyal gücünü ciddi şekilde azaltır.
Kanal kapasitesi üzerindeki etkisi iki yönlüdür: Optik güç, dönüşüm olayları sırasında veri oranını azaltabilir.For a sabit modulation format ve kodlama programı için, bağlantı marjı azaltıcı gibi maksimum veri oranı azalır.
Fog ve Haze
Fog muhtemelen FSO için en zararlı atmosferik bir durumdur. Fog, 50-100 dB/km veya daha yoğun fog. Haze'ye ulaşan küçük partiküllerden oluşur.
Fog droplets için kesit büyük ve ileri düzey lobicilik lobu geniştir, yani ışığın çoğu alıcının görüş alanına yönlendirilemez bir mesafedir. Sonuç, genellikle yüksek verici güce (örneğin, 100 mW) ve hassas alıcılara bile bağlantı kurmaktır.
Fog ile savaşmak için mühendisler fog droplets tarafından daha az dağınık dalgalar seçerler. Tarihsel olarak, 1550 nm düşük fog intenuation and better eyes security limits. Ancak, 1550 nm'de bile, fog attenuation önemli. Bazı hibrit sistemler FSO'yu fog sırasında bir düşüş olarak birleştirir, mitigation bölümünde tartışılan bir strateji.
Atmospheric Turbulence
AtmosphericTurbulence, sıcaklık ve basınçta küçük ölçekli değişikliklerden kaynaklanır, rastgele edler (turbules) farklı refraktif indekslerle ortaya çıkıyor. Optik kirişler olarak bu inhomogeneities aracılığıyla ortaya çıkıyor, deneyim aşaması ve amplitude dalgalanmalar, birkaç silici etki yaratıyor:
- [FONT:0)Beam dolaşıyor – kirişin yüzderoidi rastgele hareket ediyor.
- [FONT:0]Scintillation[[Dönetici: 1) alıcıda yoğunluk dalgalanmaları (fading)
- [FONT:0]Image dansı[Döneticileri kullanarak sistemler için, nokta hareket eder.
- [FONT:0)Beam yayılıyor[[Dönetici: 1)
Türbülans gücü, reraktif indeks yapısı parametre C n^2 (units m) ile karakterize edilir (Düzücük değer) 10[D[Düzücükler) zemine yakın olarak 10[Düzükleerleri) ile 10[Düzücükler arası) arasında değişir.[Dörtücükler[Düzücükler) - 13[Düzücükler)
Kanal kapasitesindeki türbülans etkisi genellikle fading istatistikler kullanılarak incelenir: alınan gücün bir eşin altında tutulması olasılığın yüksek hızlı FSO bağlantıları için, derinlerin 20 dB'yi aşması mümkün, sistemin büyük bir marjla çalışmasını veya çeşitli tekniklerle çalışmasını sağlamak.
Diğer Faktörler
Üç birincil bozulmanın ötesinde, diğer atmosferik faktörler FSO kapasitelerini etkileyebilir:
- [FONT:0)Clouds[[Dönetici:0))[[[Döneticiler) – kalın bulutlar ağır intenuation (20-300 dB/km) ve genellikle ulaşılamaz. FSO bağlantıları genellikle açık-sky veya ince-bulut koşullarla sınırlıdır.
- [FONT:0]Dust ve kum fırtınaları[[Dönemli bölgelerde, toz parçacıkları ışık ve ışık yakılır, fındık ile karşılaştırılabilir (2-20 dB/km).
- [FONT:0]Temperature gradients[[DÜT:1) – zemine yakın, sıcaklık inversiyonları farklı refraktif indekslerle katmanlar yaratır, bükmeye (termal çiçeklenme) ve ek turbulence.
- [FONT=0]A atmosferik absorpsiyon[[DÜDÜT 1: 1 ) - su buharı, karbondioksit ve ozon belirli dalgalarda ışık alır (örneğin, 1.4 μm, 1.9 μm, 2.7 μm). Düşük-abpsiyon iletim pencerelerini seçmek (850 nm, 1064 nm, 1550 nm) bu kaybı en aza indirir.
Bu faktörlerin her biri genel bağlantı bütçesine katkıda bulunur. İstenen bir kanal kapasitesi korumak için mühendisler, en kötü durumlarda atmosfer koşullarına dikkat etmelidir, genellikle yerel iklim verilere dayanan istatistiksel modelleri kullanarak.
Kanal Kapasite Üzerine Etkisi
Kanal kapasitesi, FSO bağlamında, B log2 (1 + SNR)[Dışkanlık ve SNR’nin alıcıya yönelik kısıtlamalara verdiği maksimum bilgi oranına atıfta bulunur.Atmospheric's kanal kapasitesi theorem apply: 03:0)C = B log2 (1 + SNR)[D)[Dışkanlık ve SNR, alıcıya geçiş oranına göre sinyal-to-noise oranına sahip.
Tipik bir FSO sistemi için, SNR > 20 dB'ye ulaşmak için, SNR'nin yağmurdan, fogdan veya kardan doğrudan daha düşük güç aldığı, SNR'yi azalttığı gibi, net bir şekilde, SNR > 20 dB'ye ulaşabilen 10 dB'ye kadar, SNR 10 dB'ye düşer.
Biraz hata oranı üzerindeki etkisi (BER) eşit derecede kritiktir.In-off keying (OOK) modulation, BER, SNR'yi azaltmakla üst üste bir şekilde artış gösterir. Kabul edilebilir BER'yi korumak için ileri sürülen kodları ekleyeceğiz, ancak FEC ekin bant genişliğini azaltır, etkili verileri azaltır.
Link kullanılabilirliği kapasitenin başka bir boyutu: %99.9 oranında bir sistem zamanın% 99.9'u yüksek kapasiteye sahip olabilir ancak birçok uygulama için (örneğin, hücresel gerihaul), kullanılabilirlik gereksinimleri sıkıdır (99.999%), önemli marjlar veya karma mimariler gerektirir.
Gerçek koşullarda kapasiteyi ölçmek için, araştırmacılar Gamma-Gamma dağıtımını türbülanslı fading ve Gamma dağıtımını türbülans artı işaret hataları için ölçmek için kullanır.Bu modeller sistem tasarımcılarının hatalı kapasite veya kesinti kapasitesi hesaplamalarına izin verir, bu da verilen maksimum veri oranı ile devam edebilir. Örneğin, orta sınıf tahmin edilebilirlik kapasitesinin% 10) sadece% 15)
Böylece, FSO kanal kapasitesi üzerindeki atmosferik koşulların etkisi derindir: yüksek kapasiteli bir ortayı tam potansiyeline yaklaşmak için uyarlanabilir teknikler gerektiren bir zamana kadar dönüştürmektedir.
Mitigation Strategies
FSO kanal kapasitesindeki atmosferin olumsuz etkilerini karşılayabilmek için çeşitli mitigation stratejileri geliştirildi. Bu teknikler, yazılım ve sistem mimarisi domainleri.
Adaptif Optikler
Adaptif optikler (AO) sistemleri, alıcıya yakın bir şekilde ayarlanabilir aynalar veya uzaysal ışık modülatörler kullanarak, kanalize edici ve eğimli bir dalga sensörü önlemleri alır ve bir kontrol döngüsü aynayı telafi etmek için şekli ayarlar, yakın yere -ki bağlantıları oluşturmak için, AO önemli ölçüde scintillasyon ve kirişi dolaşabilir, SNR ve kapasiteyi geliştirir.
İleri Hata Düzeltme ve Adaptasyon Coding
FEC kodları, bu verilere kırmızıdan biraz ekliyor, alıcıya hata düzeltmesi sağlar. Kanal koşullarına göre optimize edilen kodlar - sistem farklı SNR'de daha yüksek bir kapasiteyi koruyabiliyor (LDPC) kodları, sistem, birkaç tane decibels kodlama sağlarken - 1/2 mod ile QPSK oranına göre değişir.
Wavelong Selection
Doğru iletim dalgasını seçmek atmosferin azalmasını azaltabilir. 1550 nm penceresi popüler çünkü bu dalgalarda daha düşük ve 850 nm ile kıyasla daha yüksek güç seviyelerinden daha düşük seviyededir. ek olarak, 10 μm orta-inredilen bölge (örneğin, CO2 lazerler) daha düşük fogasyon sunar, ancak bu dalgalardaki sensörler daha az olgun ve daha pahalı.
Hibrit RF/FSO Systems
En pratik masyon stratejilerinden biri FSO'yu mikrodalga RF yedekleme bağlantı ile birleştirir. RF bağlantı (örneğin, 60 GHz veya E-band) aynı anda FSO bağlantısını kullanarak, optik ve RF kanallarının tamamlayıcı fading özelliklerini kullanarak çalışır.
Çeşitlilik Teknikleri
Spasal çeşitlilik, alıcıların üzerindeki aşırı dozlama modellerini (örneğin, eşit giriş veya seçim) birleştirerek, aşırılıkta daha yüksek bir kapasiteye sahip olma olasılığını azaltır (tipik olarak birkaç santimetre), alıcıların aşırı doldurma modellerini bir araya getirir.
Diğer mitigation yöntemleri şunları içerir:
- [FONT:0)Power kontrol[[DÜT:1) - olumsuz koşullarda (göz güvenliği ile sınırlı) artan verici güç.
- [FONT:0) Takip ve işaret sistemleri[Dönlendirme: 1 ) – kiriş için denge aynaları kullanarak dolaşarak.
- [FONT:0)Multi-hop röleksiyon[DÜT:1) - her biri daha az atmosferik bozulma ile uzun bir bağlantı kırıyor.
- [FONT:0)Makine öğrenme tabanlı tahmin) - hava tahminleri ve gerçek zamanlı olarak sistem parametrelerini dinamik olarak ayarlayan bir atmosfer ölçümlerini kullanarak.
Future Yol Tarifi
Ücretsiz uzay optik iletişim alanı, optimize edilmiş optik ve kodlanmış protokolleri geliştirmek için umut verici birkaç trende devam ediyor.KD) FSO bağlantıları üzerinde aşırı düşük gürültü ve yüksek güvenilirlik gerektirir; atmosferik bir türkleme büyük bir zorluktur, ancak son zamanlarda deneyler uzaydan gelen bir optik ve kodlanmış protokollerin incelenebilirliği ve kodlama kontrolü tahmin etmek için uygulanır.
Veriler arttıkça, FSO sistemleri, orta yağmur ve fog. Emerging fotonik teknolojilerde bile güvenilir bir şekilde çalışmalıdır - FSO bağlantı performansı ölçümleri, entegre fotonik sensörler ve yüksek bant genişliği dedektörü - paralel olarak daha sofistike masyon çabaları (örneğin, ITU-T G.640) FSO bağlantı performansının ölçümlenmesi, daha geniş dağıtım için antenler.
Sonuç olarak, atmosferik koşullar, bağımsız olarak, optik kanal kapasitelerini saçılma, absorpsiyon ve türbülans yoluyla derinden etkiler.Bu etkileri anlamak ve bir sonraki nesil kablosuz altyapının bir kombinasyonunu uygulamak, 5G/6G'den tekrarlama, iç mekansal çeşitlilik, mühendisler, güvenilir erişilebilirlik ile yüksek bağlantılarını tasarlayabilirler.