Увеличение дальности атмосферных оптических линий связи с помощью позиционного кодирования

Тимофеев А.Л., Султанов А.Х., Мешков И.К., Гизатулин А.Р.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Тимофеев А.Л., Султанов А.Х., Мешков И.К., Гизатулин А.Р. Увеличение дальности атмосферных оптических линий связи с помощью позиционного кодирования // Оптический журнал. Т. 89. № 9. С. 75–85. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-09-75-85

Timofeev A.L., Sultanov A.Kh, Meshkov I.K., Gizatulin A.R. Position coding as a means of increasing the range of optical communications links [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V.89. № 9. P. 75-85. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-09-75-85

Ссылка на англоязычную версию:

A. L. Timofeev, A. Kh. Sultanov, I. K. Meshkov, and A. R. Gizatulin, "Position coding as a means of increasing the range of optical communications links," Journal of Optical Technology. 89(9), 555-561 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000555

Аннотация:

Предмет исследования. зависимость дальности атмосферных оптических линий связи от атмосферных условий, сочетания видов модуляции лазерного луча и помехоустойчивого кодирования в канале связи. Цель работы. Разработка способа повышения дальности атмосферных оптических линий связи путем повышения устойчивости к атмосферным турбулентностям. Метод. Показано, что для достижения оптимального результата необходимо обеспечить сочетаемость вида канального кодирования с методом модуляции. Примером такого сочетания являются позиционно-импульсная модуляция и позиционные помехоустойчивые коды. В качестве одного из таких кодов выступает голографический код, использующий для передачи не одиночный импульс в нужной позиции, как при позиционно-импульсной модуляции, а передачу последовательности импульсов, представляющей собой одномерную линейную голограмму одиночного импульса. Модуляция в этом случае остается позиционной, но становится многоимпульсной. Голографический код использует свойство делимости голограммы и восстанавливает переданную информацию по фрагменту голограммы, а также скрытую шумами. Восстановительные возможности голографического кода зависят от длины голограммы — числа слотов в символьном интервале. Основные результаты. Показано, что использование голографического кодирования приводит к повышению помехоустойчивости и снижению вероятности ошибки в приемнике и дает эффект, эквивалентный повышению мощности передатчика. Практическая значимость. Эффект, создаваемый голографическим кодированием, можно использовать как для увеличения дальности связи, так и для повышения надежности канала связи. Преимуществом позиционного кодирования является тот факт, что информационная избыточность, необходимая для помехоустойчивого кодирования, создается внутри символьного интервала и не изменяет частоты следования символов, т.е. не уменьшает скорость передачи информации.

Ключевые слова:

атмосферные оптические линии связи, позиционно-импульсная модуляция, позиционное помехоустойчивое кодирование

Благодарность:

работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00041, https://rscf.ru/project/22-29-00041/

Коды OCIS: 060.2605, 060.4510, 070.2025

Список источников:

1. Ciaramella E., Arimoto Y., Contestabile G., Presi M., D’Errico A., Guarino A., Matsumoto M. 1.28-Tb/s (32ґ40 Gb/s) free-space optical WDM transmission system // IEEE Photon. Technol. Lett. 2009. V. 21. № 16. P. 1121–1123.

2. Sahu M., Kiran K.V., Das S.K. FSO link performance analysis with different modulation techniques under atmospheric turbulence // Proc. 2nd Internat. Conf. Electronics, Communication and Aerospace Technology. IEEE. Coimbatore, India, 2018. P. 619–623. DOI: 10.1109/ICECA.2018.8474849

3. Khalighi M.A., Uysal V. Survey on free space optical communication: A communication theory perspective // IEEE Commun. Surveys & Tutorials. 2014. V. 16. № 8. P. 2231–2258. DOI:10.1109/COMST.2014.2329501

4. Ghassemlooy Z., Popoola W.O. Terrestrial free-space optical communications // Mobile and wireless communications network layer and circuit level design / Eds. Fares S.A., Adachi F. InTech. 2010. P. 355–392. DOI: 10.5772/7698

5. Xu F., Khalighi M.A., Causse P., Bourennane S. Channel coding and time-diversity for optical wireless links // Opt. Exp. 2009. V. 17. № 2. P. 872–887.

6. Wilson S.G., Brandt-Pearce M., Cao Q.L., Baedke M. Optical repetition MIMO transmission with multipulse РРМ // IEEE J. Selected Areas Commun. 2005. V. 23. № 9. P. 1901–1910.

7. Gagliardi R.M., Karp S. Optical communications / 2nd ed. NY: John Wiley & Sons, 1995. 368 p.

8. Xu F., Khalighi M.A., Bourennane S. Coded РРМ and multipulse РРМ and iterative detection for free-space optical links // IEEE/OSA J. Opt. Commun. and Networking. 2009. V. 1. № 5. P. 404–415.

9. Hemmati H. Deep space optical communications. Wiley-Interscience, 2006. 659 p.

10. Парфенов В.И., Голованов Д.Ю. Помехоустойчивость алгоритмов приема сигналов с многоимпульсной позиционно-импульсной модуляцией // Computer Opt. 2018. Т. 42 № 1. С. 167–174. DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-1-167-174

11. Peppas K.P., Boucouvalas A.C., Ghassemloy Z. Performance of underwater optical wireless communication with multi-pulse pulse-position modulation receivers and spatial diversity // IET Optoelectron. 2017. V. 11. № 5. P. 180–185. DOI: 10.1049/iet-opt.2016.0130

12. Moision B., Hamkins J. Multipulse РРМ on discrete memoryless channels // IPN Progress Report. Jet Propulsion Laboratory. 2005. V. 42. № 160. P. 1–13.

13. Hassan M., Shapsough S., Landolsi T., Elrefaie A.F. Error performance study of MPPM optical communication systems with finite extinction ratios // Proc. Internat. Conf. Industrial Informatics and Computer Systems. Sharjah, United Arab Emirates, 2016. P. 1–4. DOI: 10.1109/ICCSII.2016.7462445

14. Simon M.K., Vilnrotter V.A. Performance analysis and tradeoffs for dual-pulse PPM on optical communication channels with direct detection // IEEE Trans. Commun. 2004. V. 52. № 11. P. 1969–1979.

15. Fan Y., Green R.J. Comparison of pulse position modulation and pulse width modulation for application in optical communications // Opt. Eng. 2007. V. 46. № 6. P. 97–104.

16. Краснов Р.П. Система атмосферной оптической связи OFDM-типа на базе кода LDPC с перемежением в турбулентном канале // Вест. Воронежского государственного технического университета. 2018. Т. 14. № 4. С. 71–76.

17. Bukola D. Ajewole, Kehinde O. Odeyemi, Pius A. Owolawi, and Viranjay M. Srivastava. Performance of OFDM-FSO communication system with different modulation schemes over gamma-gamma turbulence channel // J. Commun. 2019. V. 14. № 6. P. 490–497.

18. Chowdhury R., Choyon S.J. Design of novel hybrid CPDM-CO-OFDM FSO communication system and its performance analysis under diverse weather conditions // J. Opt. Commun. 2021. V. 42. № 1. P. 47–68. DOI: 10.1515/joc-2021-0113

19. Tang Q., Li K., Liu X., Kong L. Performance analysis of spectral efficiently adaptive modulation DFT-spread polar coordinate-based OFDM in hybrid fiber-visible laser light communication system // IEEE 20th Internat. Conf. Commun. Technol. 2020. P. 594–598.

20. Proakis J.G., Salehi M. Digital communications / 5th ed. NY: McGraw-Hill, 2007. 1170 p.

21. Khalighi M.A., Schwartz N., Aitamer N., Bourennane S. Fading reduction by aperture averaging and spatial diversity in optical wireless systems // IEEE/OSA J. Opt. Commun. and Networking. 2009. V. 1. № 6. P. 580–593.

22. Anguita J.A., Djordjevic I.B., Neifeld M.A., Vasic B.V. Shannon capacities and error-correction codes for optical atmospheric turbulent channels // J. Opt. Networking. 2005. V. 4. № 9. P. 586–601.

23. Cvijetic N., Wilson S.G., Zarubica R. Performance evaluation of a novel converged architecture for digital-video transmission over optical wireless channels // IEEE/OSA J. Lightwave Technol. 2007. V. 25. № 11. P. 3366–3373.

24. Djordjevic I.B., Denic S., Anguita J., Vasic B., Neifeld M.A. LDPC-coded MIMO optical communication over the atmospheric turbulence channel // IEEE/OSA J. Lightwave Technol. 2008. V. 26. № 5. P. 478–487.

25. Djordjevic I.B., Vasic B., Neifeld M.A. LDPC coded OFDM over the atmospheric turbulence channel // Opt. Exp. 2007. V. 15. № 10. P. 6336–6350.

26. Uysal M., Li J., Yu M. Error rate performance analysis of coded free-space optical links over gamma-gamma atmospheric turbulence channels // IEEE Trans. Wireless Commun. 2006. V. 5. № 6. P. 1226–1233.

27. Chan V.W.S. Free-space optical communications // IEEE/OSA J. Lightwave Technol. 2006. V. 24. № 12. P. 4750–4762.

28. Shapiro J.H., Puryear A.L. Reciprocity-enhanced optical communication through atmospheric turbulence, Part I: Reciprocity proofs and far-field power transfer optimization // IEEE/OSA J. Opt. Commun. and Networking. 2012. V. 4. № 12. P. 947–954.

29. Puryeara A.L., Shapirob J.H., Parenti R.R. Reciprocity-enhanced optical communication through atmospheric turbulence — Part II: Communication architectures and performance // IEEE/OSA J. Opt. Commun. and Networking. 2013. V. 5. № 8. P. 888–900.

30. Muhammad S.S., Javornik T., Jelovcan I., Leitgeb E., Ghassemlooy Z. Comparison of hard-decision and soft-decision channel coded M-ary РРМ performance over free space optical links // European Trans. Telecommun. 2008. V. 20. № 8. P. 746–757.

31. Тимофеев А.Л., Султанов А.Х. Позиционные делимые коды с исправлением ошибок / В кн. Проблемы техники и технологий телекоммуникаций ПТиТТ-2019. Казань: КНИТУ-КАИ. 2019. С. 132–135.

32. Timofeev A.L., Sultanov A.Kh. Holographic method of error-correcting coding // Proc. SPIE 11146. Opt. Technol. Telecommun. 2019. Proc. V. 11146. Р. 111461A. DOI: 10.1117/12.2526922

33. Timofeev A.L., Sultanov A.Kh., Filatov P.E. Holographic method for storage of digital information // Proc. SPIE 11516. Opt. Technol. Telecommun. 2020. Р. 1151604. DOI: 10.1117/12.2566329

34. Тимофеев А.Л., Султанов А.Х. Построение помехоустойчивого кода на базе голографического представления произвольной цифровой информации // Компьютерная оптика. 2020. Т. 44. № 6. С. 978–984. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-739

35. Kaushal H., Jain V., Kar S. Free-space optical channel models / Free Space Opt. Commun. New Delhi: Springer, 2017. P. 41–89. DOI:10.1007/978-81-322-3691-7_2

36. Huihua F.U., Wang P., Liu T., Cao T., Guo L., Qin J. Performance analysis of a РРМ-FSO communication system with an avalanche photodiode receiver over atmospheric turbulence channels with aperture averaging // Appl. Opt. 2017. V. 56. № 23. P. 6432–6439. DOI: 10.1364/AO.56.006432 37. Gaррмair W., Hranilovic S., Leitgeb E. Performance of РРМ on terrestrial FSO links with turbulence and pointing errors // IEEE Сommun. Lett. 2010. V. 14. № 5. P. 468-470.