Comparative Study of the Performance of Different Modulations in FSO Communication over a Turbulent Channel with Pointing Error

Abstract

Оптичний зв’язок у вільному просторі (FSO) — це метод передачі даних за допомогою модульованих світлових хвиль через вільний простір, наприклад, повітря чи вакуум, замість використання традиційних дротових або волоконно-оптичних кабелів. У системах FSO зазвичай використовують лазери або світлодіоди як джерела світла для передачі даних, а також фотодіоди або інші детектори світла для отримання даних. У статті досліджена ефективність помилок оптичної системи вільного простору з використанням різних методів модуляції за різних умов коливання інтенсивності. Аналіз, проведений в роботі, враховує комбінований вплив завмирання, спричиненого атмосферною турбулентністю, і завмирання зміщення на сигнал, що поширюється. Були отримані нові співвіношення закритої форми для статистики випадкового загасання каналу розповсюдження для кожної використаної схеми модуляції. Крім того, проведено порівняльне дослідження ефективності частоти бітових помилок (BER) для всіх методів модуляції. Наведені чисельні результати для оцінки ефективності похибок усіх схем модуляції, що використовуються в системах FSO з наявністю атмосферної турбулентності та/або неузгодженості. Крім того, ми порівнюємо методи модуляції OOK, PPM, DPSK і BSPK, щоб визначити найкращу модуляцію, яка забезпечує мінімальний BER для заданого значення співвідношення сигнал/шум, що дорівнює 30 дБ у різних сценаріях.

Free Space Optical (FSO) communication is a method of transmitting data using modulated light waves through free space, such as air or vacuum, instead of using traditional wired or fiber-optic cables. FSO systems typically use lasers or light-emitting diodes (LEDs) as light sources to transmit data, and photodiodes or other light detectors to receive the data. In this paper, we investigate the error performance of a Free Space Optical system using various modulation techniques under different intensity fluctuation conditions. Our analysis takes into account the combined effects of atmospheric turbulence-induced fading and misalignment fading on the propagating signal. We derive novel closed-form expressions for the statistics of the random attenuation of the propagation channel for each modulation scheme used. Additionally, we perform a comparative study of bit-error rate (BER) performance for all modulation techniques considered in this work. We present numerical results to evaluate the error performance of all modulation schemes used in FSO systems with the presence of atmospheric turbulence and/or misalignment. Furthermore, we compare the OOK, PPM, DPSK, and BSPK modulation techniques to determine the best modulation that achieves the minimum BER for a given signal-to-noise ratio value equal to 30 dB in different scenarios.