Kablosuz optik haberleşme için uyarlanabilir modülasyon ve kodlama

Abstract

Uzun mesafeli kablosuz optik haberleşme bağlantıları için en önemli sorun, atmosferin sıcaklık ve basınç homojensizliğinden kaynaklanan atmosferik türbülanstır. Sönümlenme veya parıldama olarak da bilinen atmosferik türbülans, alınan optik sinyalin gücünde dalgalanmalara neden olmaktadır. Son yıllarda kablosuz optik haberleşme sistemlerinin performansını arttırmak için sönümlenme etkisini azaltmaya yönelik birçok teknik geliştirilmiştir. Bütün bu tekniklerdeki ortak varsayım, sadece alıcının kanal durum bilgisine sahip olması ve bu bilginin vericide mevcut olmamasıdır. Atmosferik türbülans sönümlenmeli kanallarda olduğu gibi çok yavaş değişen kanallar için, kanal durum bilgisinin alıcıda kestirilip geribesleme yolu ile vericiye gönderilmesi mümkündür. Verici bu bilgiyi kullanarak güç, modülasyon boyutu ve kodlama oranı gibi iletişim parametrelerini, bantgenişliği verimliliğini maksimize etmek için kanal durumuna göre değiştirebilir. Bu işlem, bağlantı uyarlaması olarak adlandırılmaktadır.Bu tezde, log-normal türbülanslı ve darbe konum modülasyonlu (pulse position modulation, PPM) kablosuz optik haberleşme sistemi için, tepe güç sınırı koşulu altında uyarlanabilir modülasyon ve kodlama teknikleri geliştirilmiştir. Özellikle üç teknik üzerinde çalışılmıştır: i) Kodlamasız kablosuz optik haberleşme sistemleri için uyarlanabilir modülasyon tekniği, ii) Kodlamalı kablosuz optik haberleşme sistemleri için uyarlanabilir modülasyon tekniği, ve iii) Modülasyon ve kodlamanın birlikte uyarlanması. Bu teknikler geliştirilirken sistemin verimliliğini tepe güç sınırı koşulu altında belli bir bit hata oranı ve devre dışı kalma olasılığı için maksimize eden optimal uyarlama stratejisi belirlenmiştir. Bilgisayar benzetim sonuçları, önerilen uyarlanabilir tekniklerinin uyarlanabilir olmayanlara göre daha iyi performans gösterdiğini kanıtlamaktadır.

A major problem in long-range wireless optical links is atmospheric turbulence due to inhomogenities in the temperature and presure. This results in severe fluctuations of the received intensity of the optical signal, known as fading or scintillation. Over the last decade, various fading mitigation techniques have been proposed to improve the reliability of wireless optical links. A common assumption in all those techniques is that only the receiver has channel state information (CSI) while the transmitter has no knowledge of the channel. For very slowly-varying fading channels as in the case of atmospheric turbulence-induced fading, it is possible to reliably estimate the channel state information and send it back to the transmitter. The transmitter can use this information to vary the transmission parameters such as power, modulation size, code rate etc. according to the channel conditions. This is known as link adaptation. In this thesis, we investigate an adaptive modulation and coding scheme for wireless optical communication systems with M-ary pulse position modulation over log-normal turbulence channels under peak power constraints. Specifically, we consider three schemes: i) Adaptive modulation for uncoded wireless optical communicaiton systems, ii) An adaptive modulation scheme for coded wireless optical communication systems, and iii) Joint modulation and coding adaptation. Optimal adaptation strategy that maximizes the efficiency of the system at a targeted bit-error rate and outage probability under peak power constraint is determined. Our simulation results demonstrate significant performance improvements of the proposed adaptive schemes over non-adaptive counterparts.