Μελέτη τοπικών δικτύων που βασίζονται σε ενσύρματα και ασύρματα οπτικά μέσα

Abstract

In the present dissertation, two sections were covered that concerned the investigation of the potential deployment of links for short distances that are based on optical technologies. The first section concerns wired transmissions using plastic optical fibers with 980 μm core diameter made of PMMA for tens of meters coverage in indoor areas. The question that was answered was how feasible is the direct intervention in the plastic optical fibers, in order to deal with their rather increased power losses and their limited bandwidth. The results were a bandwidth increase of almost 40% and a slight decrease of the power losses of the plastic optical fibers that went through a specific heating procedure. The profitable results appeared under the condition of direct connection of the laser with the plastic optical fiber, with the beam launched focused in the center of the fiber core. However, under overfilled launching conditions, the bandwidth increase disappeared, whereas a slight decrease of the power losses was measured again. The explanation of the phenomena was confirmed theoretically through simulations, as well. In the second section, which concerns the optical wireless transmissions in an outdoor environment, the target was the coverage of short distances with low data rates. The requirements that were defined were the absence of line-of-sight components between the transmitter and the receiver and the insignificant degradation of the operation of the links due to the solar ambient noise. A band that supports both requirements lies between 200 nm and 280 nm. Initially, the survey included the channel modeling of point-to-point links at 265 nm. Moreover, transmissions of pulsed and multicarrier signals were considered and the operation of a simple network infrastructure was modeled, as well. The issue of the operation under a thicker atmosphere regime, like when fog appears, was also investigated and according to the results, a significant decrease of the power losses and an amelioration of the bandwidth appeared. In terms of the theoretical transmissions of signals, the propagation through a medium with larger density resulted in the reduction of the required power levels and the limitation of the intersymbol interference in some cases where the bandwidth was low under a clear atmosphere regime. Furthermore, in the networking scenario, the lower optical power levels under a thick atmosphere case were verified. In the experimental part, point-to-point links were deployed. In the optical part, the transmitter consisted of Light Emitting Diodes at 265 nm and at the receiving side an optical filter was followed by a Photo-Multiplier Tube. The first stage included the measurement of the power losses under clear atmosphere conditions up to 20 meters baseline range. When artificial fog appeared in the wireless medium, a clear decrease of the power losses was measured. For some links that were tested, the reduction of the power losses was over 7 dB. The lower values of the losses measured for some configurations were more than 10 dB lower compared to clear atmosphere. The second stage of the measurements included the performance evaluation of links up to 20 meters in terms of the bit error rate for diffuse transmissions of a 4-PPM modulated signal and a Flip-OFDM modulated signal for 10 kbit/s rate. The optimum demodulation process of 4-PPM was the reason of its superiority. When the artificial fog appeared, the expected decrease of bit error rate for both 4-PPM and Flip-OFDM was verified. The amelioration was over two orders of magnitude for some link cases than the respective measurements under clear sky conditions. Finally, the impact of fog on line-of-sight links was investigated. For these links, the receiver consisted of a lens and a pin photodiode. The appearance of fog had a devastating impact on performance, as a significant deterioration of the losses and the bit error rate appeared.

Στη παρούσα διατριβή καλύφθηκαν δύο θεματικές ενότητες στις οποίες εξετάστηκε η δυνατότητα ανάπτυξης ζεύξεων που βασίζονται σε οπτικές τεχνολογίες για την κάλυψη μικρών αποστάσεων. Η πρώτη θεματική ενότητα αφορά ενσύρματες μεταδόσεις με χρήση πλαστικών οπτικών ινών με πυρήνα διαμέτρου 980 μm κατασκευασμένες από PMMA για την κάλυψη δεκάδων μέτρων σε εσωτερικούς χώρους. Αυτό που εξετάστηκε ήταν κατά πόσο είναι εφικτή η επέμβαση απευθείας στις πλαστικές ίνες, ώστε να αντιμετωπιστούν οι σχετικά υψηλές απώλειες και το περιορισμένο εύρος ζώνης τους. Αυτά που προέκυψαν ήταν η αύξηση του εύρους ζώνης κατά περίπου 40% και μία μικρή μείωση των απωλειών των τμημάτων ινών που υπέστησαν μία συγκεκριμένη διαδικασία θέρμανσης. Τα επικερδή αποτελέσματα προέκυψαν υπό την προϋπόθεση ότι η πηγή laser και η ίνα είναι άμεσα συνδεδεμένες, με τη δέσμη να εισέρχεται εστιασμένη στο κέντρο της ίνας. Ωστόσο, όταν η δέσμη κάλυπτε την επιφάνεια του πυρήνα, το κέρδος στο εύρος ζώνης εξαφανιζόταν, ενώ παρέμενε μία μικρή μείωση των απωλειών. Η ερμηνεία των φαινομένων επιβεβαιώθηκε και θεωρητικά μέσω προσομοιώσεων. Στη δεύτερη θεματική ενότητα, που αφορά τις οπτικές ασύρματες μεταδόσεις σε εξωτερικό περιβάλλον, ο στόχος ήταν η κάλυψη μικρών αποστάσεων σε χαμηλούς ρυθμούς δεδομένων. Οι απαιτήσεις που τέθηκαν ήταν η έλλειψη οπτικής επαφής μεταξύ πομπού και δέκτη και η περιορισμένη υποβάθμιση της λειτουργίας των ζεύξεων λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας. Μία μπάντα που καλύπτει και τις δύο προϋποθέσεις βρίσκεται μεταξύ 200 nm και 280 nm. Αρχικά, η μελέτη περιλάμβανε τη μοντελοποίηση καναλιών για ζεύξεις δύο σημείων στα 265 nm. Επίσης, θεωρήθηκαν μεταδόσεις παλμικών σημάτων και σημάτων πολλαπλών φερόντων, ενώ μοντελοποιήθηκε και η λειτουργία μίας απλής δικτυακής υποδομής. Επιπλέον, τέθηκε το ζήτημα της λειτουργίας υπό καθεστώς πυκνότερης ατμόσφαιρας, όπως με την εμφάνιση ομίχλης, και τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μείωση των απωλειών και βελτίωση στο εύρος ζώνης. Όσον αφορά τις θεωρητικές μεταδόσεις σημάτων, το αποτέλεσμα της διάδοσης μέσα από το πυκνότερο μέσο ήταν η μείωση των απαιτούμενων επιπέδων ισχύος εκπομπής και ο περιορισμός της αλληλοπαρεμβολής συμβόλων. Τα χαμηλότερα επίπεδα ισχύος εκπομπής υπό πυκνή ατμόσφαιρα επιβεβαιώθηκαν και στην περίπτωση του δικτυακού σεναρίου. Στο πειραματικό κομμάτι, εγκαταστάθηκαν ζεύξεις δύο σημείων. Στο οπτικό τμήμα, ο πομπός αποτελούνταν από LEDs στα 265 nm και ο δέκτης από ένα φίλτρο και ένα φωτοπολλαπλασιαστή. Το πρώτο στάδιο περιλάμβανε τη μέτρηση των απωλειών υπό καθαρή ατμόσφαιρα μέχρι και τα 20 μέτρα. Με την εισαγωγή τεχνητής ομίχλης στο μέσο, προέκυψε καθαρή πτώση των απωλειών. Σε κάποιες ζεύξεις, η μείωση των απωλειών ξεπέρασε τα 7 dB, ενώ υπήρχαν και περιπτώσεις σχηματισμών όπου οι ελάχιστες τιμές των απωλειών ήταν ακόμα και πάνω από 10 dB μικρότερες σε σχέση με την καθαρή ατμόσφαιρα. Το δεύτερο στάδιο των μετρήσεων περιλάμβανε την αξιολόγηση των επιδόσεων ζεύξεων μέχρι 20 μέτρα όσον αφορά τον ρυθμό σφαλμάτων bits για διάχυτες μεταδόσεις σημάτων διαμορφωμένων κατά ένα παλμικό (4-PPM) και κατά ένα σχήμα πολλαπλών φερόντων (Flip-OFDM) σε ρυθμό 10 kbit/s, όπου φάνηκε η ανωτερότητα του 4-PPM λόγω της βέλτιστης διαδικασίας φώρασης. Με την εμφάνιση τεχνητής ομίχλης προέκυψε η αναμενόμενη πτώση του ρυθμού σφαλμάτων bits τόσο για το 4-PPM όσο και για το Flip-OFDM. Η πτώση αυτή ξεπερνούσε σε κάποιες περιπτώσεις ζεύξεων ακόμα και τις δύο τάξεις μεγέθους. Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση της ομίχλης σε ζεύξεις με οπτική επαφή πομπού-δέκτη, όπου ο δέκτης αποτελούνταν από ένα φακό και μία φωτοδίοδο pin. Η επίδραση της ομίχλης ήταν αρνητική επιδεινώνοντας τόσο τις απώλειες όσο και το ρυθμό σφαλμάτων bits.