Увеличение пропускной способности каналов оптической беспроводной связи с помощью схем мультиплексирования. Обзор

Joseph Chinchu, Bazil Raj A. Arockia, Darusalam Ucuk

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Joseph C., Bazil Raj A.A., Darusalam U. Enhancement of channel capacity in optical wireless communication through multiplexing schemes. A review [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 9. P. 62–81. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-09-62-81

Joseph C., Bazil Raj A.A., Darusalam U. Увеличение пропускной способности каналов оптической беспроводной связи с помощью схем мультиплексирования. Обзор [in English] // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 9. С. 62–81. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-09-62-81

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Обзор схемных решений мультиплексоров, используемых в системах беспроводной оптической связи для увеличения пропускной способности канала связи. Цель работы. Определение соотношений параметров системы беспроводной оптической связи и схемных решений подсистемы мультиплексоров, оптимальных по критерию увеличения пропускной способности канала связи и эффективного использования полосы пропускания канала. Метод. Увеличение пропускной способности системы беспроводной оптической связи достигается посредством добавления в ее структуру подсистемы мультиплексирования. Оптимальные схемы мультиплексирования определяются в результате аналитического обзора различных систем беспроводной оптической связи при сравнении их параметров и характеристик, приведенных в литературных источниках. Основные результаты. На основании аналитического обзора литературных источников, в которых приведены результаты компьютерного и физического моделирования систем беспроводной оптической связи, выявлены схемы мультиплексирования, применение которых позволяет увеличить пропускную способность оптического канала связи. Практическая значимость. Результаты проведенного обзора позволяют при проектировании беспроводной оптической линии связи выбрать оптимальную для данного приложения схему мултиплексирования и, соответственно, увеличить пропускную способность передачи и эффективно использовать полосу пропускания канала, удовлетворяя постоянно растущие требования приложений, для которых необходимы большие объемы передаваемых данных.

Ключевые слова:

оптическая беспроводная связь, мультиплексор, орбитальный угловой момент, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов, поляризация

Коды OCIS: 060.4230, 060.4510

Список источников:

1. Patle Nidhi, Bazil Raj A.A., Joseph Chinchu, et al. Review of fibreless optical communication technology: History, evolution, and emerging trends // J. Opt. Commun. 2024. V. 45. № 3. P. 679–702. http://dx.doi.org/10.1515/joc-2021-0190
2. Bazil Raj A.A., Krishnan P., Darusalam U., et al. A review unguided optical communications: Developments, technology evolution, and challenges // Electronics. 2023. V. 12. № 8. P. 1922. http://dx.doi.org/10.3390/electronics12081922
3. Eguri S.V.K., Bazil Raj A.A., Sharma Nishant. Survey on acquisition, tracking and pointing (ATP) systems and beam profile correction techniques in FSO communication systems // J. Opt. Commun. 2024. V. 45. № 4. P. 881–904. http://dx.doi.org/10.1515/joc-2021-0222
4. Alsemmeari R.A., Bakhsh S.T., Alsemmeari H. Free space optics vs radio frequency wireless communication // Int. J. Inf. Technol. Comput. Sci. 2016. V. 8. № 9. P. 1–8. http://dx.doi.org/10.5815/ijitcs.2016.09.01
5. Chowdhury M.Z., Hossan M.T., Islam A., et al. A comparative survey of optical wireless technologies: Architectures and applications // IEEE Access. 2018. V. 6. P. 9819–9840. http://dx.doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2792419
6. Schirripa Spagnolo G., Cozzella L., Leccese F. Underwater optical wireless communications: Overview // Sensors. 2020. V. 20. № 8. P. 2261. http://dx.doi.org/10.3390/s20082261
7. Haas H., Yin L., Wang Y., et al. What is LiFi? // J. Lightwave Technol. 2015. V. 34. № 6. P. 1533–1544.
8. Joseph C., Murthy A.V.R. Design and implementation of a visible light communication system for indoor environment // ICOL-2019: Proc. Intern. Conf. Optics and Electro Optics. Springer, 2021. P. 793–797. http://dx.doi.org/10.1007/978-981-15-9259-1_183
9. Ericsson. Mobile data traffic outlook. 2023. Access mode: https://www.ericsson. com/en/reports-and-papers/mobility-report/dataforecasts/ mobile-traffic-forecast
10. Khonina S.N., Kazanskiy N.L., Butt M.A., et al. Optical multiplexing techniques and their marriage for onchip and optical fiber communication: A review // Opto-Electronic Advances. 2022. V. 5. № 8. P. 210127–1.6. http://dx.doi.org/10.29026/oea.2022.210127
11. Magidi S., Jabeena A. Review on wavelength division multiplexing free space optics // J. Opt. Commun. 2018. № 3. http://dx.doi.org/10.1515/joc-2017-0197
12. Banerjee A., Park Y., Clarke F., et al. Wavelength-division-multiplexed passive optical network (WDM-PON) technologies for broadband access: A review // J. Opt. Networking. 2005. V. 4. № 11. P. 737–758. http://dx.doi.org/10.1364/JON.4.000737
13. Willner E., Ren Y., Xie G., et al. Recent advances in high-capacity free-space optical and radio-frequency communications using orbital angular momentum multiplexing // Philosophical Trans. Royal Soc. A: Mathematical, Phys. and Eng. Sci. 2017. V. 375. № 2087. P. 20150439. https://doi.org/10.1098/rsta.2015.0439
14. Zhang X., Babar Z., Petropoulos P., et al. The evolution of optical OFDM // IEEE Commun. Surveys & Tutorials. 2021. V. 23. № 3. P. 1430–1457. http://dx.doi.org/10.1109/COMST.2021.3065907
15. Játiva P.P., Sánchez I., Azurdia-Meza C., et al. A theoretical review of modulation and multiplexing techniques in light fidelity // 2021 IEEE CHILEAN Conf. Electrical, Electronics Eng., Inform. and Commun. Technol. (CHILE CON). P. 1–5. http://dx.doi.org/10.1109/CHILECON54041.2021.9702946
16. Winzer P.J. Modulation and multiplexing in optical communications // Conf. Lasers and Electro-Optics. Optica Publ. Group., 2009. P. CTuL3.

17. Kawanishi S. Ultrahigh-speed optical time-division-multiplexed transmission technology based on optical signal processing // IEEE J. Quantum Electron. 1998. V. 34. № 11. P. 2064–2079. https://doi.org/10.1109/3.726595
18. Malhotra Y., Kaler R. Optical time division multiplexing at 160 Gbps using MZI switching // Optik. 2011. V. 122. № 22. P. 1981–1984. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2010.12.014
19. Wu J., Kong D., Li Y., et al. 160 Gbaud Nyquist optical time-division multiplexed signal transmission through 4 km emulated free-space turbulence link // 14th Intern. Conf. Opt. Commun. and Networks (ICOCN). IEEE. 2015. P. 1–3. https://doi.org/10.1364/CLEO_SI.2015.SW4M.4
20. Wang D., Zhou W., Li Z., et al. Research on free-space optical communication based on time-division multiplexing // Optoelectronic Imaging and Multimedia Technol. IV. SPIE, 2016. V. 10020. P. 285–293. http://dx.doi.org/10.1117/12.2247801
21. Hu H., Qian F., Xie X., et al. Demonstration of flexible optical time-division multiplexing system for highspeed free-space optical communications // J. Optics. 2016. V. 45. P. 1–6. http://dx.doi.org/10.1007/s12596-016-0318-5
22. Djordjevic I.B. Advanced optical and wireless communications system. Springer, 2018. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-63151-6
23. Young D.W., Sluz J.E., Juarez J.C., et al. Demonstration of high data rate wavelength division multiplexed transmission over a 150 km free space optical link // MILCOM 2007-IEEE Military Commun. Conf. P. 1–6. http://dx.doi.org/10.1109/MILCOM.2007.4454950
24. Ciaramella E., Arimoto Y., Contestabile G., et al. 1.28 Terabit/s (32×40 Gbit/s) WDM transmission over a double-pass free space optical link // Opt. Fiber Commun. Conf. Optica Publ. Group, 2009. P. OMN7. http://dx.doi.org/10.1364/OFC.2009.OMN7
25. Chun H., Rajbhandari S., Faulkner G., et al. LED based wavelength division multiplexed 10 Gb/s visible light communications // J. Lightwave Technol. 2016. V. 34. № 13. P. 3047–3052. http://dx.doi.org/10.1109/JLT.2016.2554145
26. Feng X., Wu Z., Wang T., et al. 120 Gbit/s high-speed WDM-QPSK free-space optical transmission through 1 km atmospheric channel // Electron. Lett. 2018. V. 54. № 18. P. 1082–1084. http://dx.doi.org/10.1049/el.2018.5450
27. Feng X., Jiang H., Wu Z., et al. 60 Gbit/s coherent wavelength-division multiplexing free-space optical modulating retro-reflector in a turbulence-tunable atmospheric cell // Opt. Commun. 2019. V. 448. P. 111–115. http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2019.05.025
28.Hamzah S.M., Murdas I.A. Enhancement of the performance of DWDM free space optics (FSO) communications systems under different weather conditions // Int. J. Intell. Eng. Syst. 2020.V. 13. № 4. P. 446–456. http://dx.doi.org/10.22266/ijies2020.0831.39
29. Arora D., Saini H.S., Bhatia V., et al. Enhanced spectrum slicing: Wavelength division multiplexing approach for mitigating atmospheric attenuation in optical communication // Opt. and Quant. Electron. 2022. V. 54. № 4. P. 258. http://dx.doi.org/10.21203/rs.3.rs-787010/v1
30. Badraoui N., Berceli T. Enhancing capacity of optical links using polarization multiplexing // Opt. and Quant. Electron. 2019. V. 51. P. 1–11. https://doi.org/10.1007/s11082-019-2017-3
31. Wang Y., Yang C., Wang Y., et al. Gigabit polarization division multiplexing in visible light communication // Opt. Lett. 2014. V. 39. №7. P. 1832–1826. http://dx.doi.org/10.1364/OL.39.001823
32. Yeh C.H., Chang Y.J., Chow C.W., et al. Utilizing polarization-multiplexing for free space optical communication transmission with security operation // Opt. Fiber Technol. 2019. V. 52. P. 101992. http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2019.101992
33. Feng X., Jiang H., Wu Z., et al. Demonstration of modulating retro-reflection free-space optical transmission using 80 Gb/s Pol-MUX QPSK signal in simulated atmosphere environment // Electron. Lett. 2020. V. 56. № 2. P. 93–95. http://dx.doi.org/10.1049/el.2019.1974
34. Mohammed H.A. 320 Gbps free space optic communication system deploying ultra dense wavelength division multiplexing and polarization mode division multiplexing // J. Opt. Commun. 2022. V. 43. № 1. P. 137–145. http://dx.doi.org/10.1515/joc-2018-0182
35. Awati R. Frequency-division multiplexing. 2021. Access mode: https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/frequency-division-multiplexing
36. Shieh W., Djordjevic I.B. OFDM for optical communications. Academic Press, 2009. http://dx.doi.org/10.1016/C2009-0-19354-6
37. Kaushal H., Jain V., Kar S. Free space optical communication. Springer, 2017. 209 p. http://dx.doi.org/10.1007/978-81-322-3691-7
38. Cvijetic N., Qian D., Wang T. 10 Gb/s free-space optical transmission using OFDM // Opt. Fiber Commun. Conf. Optica Publ. Group, 2008. P. OThD2. http://dx.doi.org/10.1109/OFC.2008.4528442
39. Tsonev D., Chun H., Rajbhandari S., et al. A 3-Gb/s single LED OFDM-based wireless VLC link using a gallium nitride µ LED // IEEE Photon. Technol. Lett. 2014. V. 26. № 7. P. 637–640. http://dx.doi.org/10.1109/LPT.2013.2297621
40. Singh M., Malhotra J., Atieh A., et al. Performance investigation of 1.6 Tbps hybrid WDM PDM-OFDMbased free space optics transmission link // Wireless Personal Commun. 2021. V. 117. P. 2285–2309. https://link.springer.com/article/10.1007/s11277-020-07972-1
41. Allen L., Beijersbergen M.W., Spreeuw R., et al. Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre–Gaussian laser modes // Phys. Rev. A. 1992. V. 45. № 11. P. 8185. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.45.8185
42. Chen R., Zhou H., Moretti M., et al. Orbital angular momentum waves: Generation, detection, and emerging applications // IEEE Commun. Surveys & Tutorials. 2019. V. 22. № 2. P. 840–868. http://dx.doi.org/10.1109/COMST.2019.2952453
43. Wang J., Yang J.-Y., Fazal I.M., et al. Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing // Nature Photonics. 2012. V. 6. № 7. P. 488–496. http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2012.138
44. Willner A.E., Pang K., Song H., et al. Orbital angular momentum of light for communications // Appl. Phys. Rev. 2021. V. 8. № 4. P. 041312. http://dx.doi.org/10.1063/5.0054885
45. Joseph C., Kumar E.S.V., Raj A.B., et al. A linear closed loop feedback system for beam wander correction in medium-range optical link // 2023 IEEE Pune Section Intern. Conf. (PuneCon). IEEE, 2023. P. 1–5. http://dx.doi.org/10.1109/PuneCon58714.2023.10450056
46. Huang H., Xie G., Yan Y., et al. 100 Tbit/s free-space data link enabled by three-dimensional multiplexing of orbital angular momentum, polarization, and wavelength // Opt. Lett. 2014. V. 39. № 2. P. 197–200. http://dx.doi.org/10.1364/OL.39.000197
47. Wang J., Li S., Luo M., et al. N-dimentional multiplexing link with 1.036-Pbit/s transmission capacity and 112.6-bit/s/hz spectral efficiency using OFDM 8QAM signals over 368 WDM pol-muxed 26 OAM modes // 2014 European Conf. Opt. Commun. (ECOC). IEEE, 2014. P. 1–3. http://dx.doi.org/10.1109/ECOC.2014.6963934
48. Zhao Y., Liu J., Du J., et al. Experimental demonstration of 260-meter security free-space optical data transmission using 16-QAM carrying orbital angular momentum (OAM) beams multiplexing // Opt. Fiber Commun. Conf. Optica Publ. Group., 2016. P. Th1H–3. http://dx.doi.org/10.1364/OFC.2016.Th1H.3
49. Ren Y., Wang Z., Liao P., et al. Experimental characterization of a 400 gbit/s orbital angular momentum multiplexed free-space optical link over 120 m // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 3. P. 622–625. http://dx.doi.org/10.1364/OL.41.000622
50. Hu N., Song H., Zhang R., et al. Demonstration of turbulence mitigation in a 200-Gbit/s orbitalangular-momentum multiplexed free-space optical link using simple power measurements for determining the modal crosstalk matrix // Opt. Lett. 2022. V. 47. № 14. P. 3539–3542. http://dx.doi.org/10.1364/OL.464217