هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

بررسی تاثیرات شرایط جوی و مقادیر مختلف بودجه‌ توان فرستنده بر نرخ خطای بیت، نرخ ارسال داده و سیگنال به نویز در یک کانال مخابرات نوری فضای آزاد با دود و مه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مهدی اکبری 1
سعید علیائی 2
1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران
2 آزمایشگاه تحقیقاتی نانوفوتونیک و اپتوالکترونیک، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه شهید رجائی، تهران، ایران
چکیده
عملکرد یک سامانه مخابرات نوری فضای آزاد، به شدت توسط اثرات محیطی ازجمله شرایط جوی و وجود رطوبت و مه آلود بودن کانال، تحت تأثیر قرار می گیرد. در این مقاله، عملکرد مدولاسیون های محل پالس (PPM)، مدولاسیون غیر بازگشت به صفر (NRZ) و مدولاسیون بازگشت به صفر (RZ) در نرخ سیگنال به نویز و نرخ خطای بیت و در شرایط مختلف جوی ازجمله با حضور مه، مقایسه می شود. این سامانه با استفاده از یک منبع نور به طول‌موج 1550 نانومتر، در نرم افزار MATLAB و با انتخاب مدل خط انتقال اطلاعات کیم با قابلیت های رؤیت مختلف و با استفاده از روابط تحلیلی مخابرات نوری فضای آزاد، شبیه سازی شده است. اثرات تضعیف کم، متوسط و زیاد محیطی و توان های مختلف فرستنده بر نرخ خطای بیت و نرخ سیگنال به نویز برای هر سه مدولاسیون بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد که مدولاسیون PPM، مؤثرترین مدولاسیون در مقایسه با دیگر مدولاسیون ها بوده و عملکرد بهتری در شرایط مختلف تضعیف جوی از خود در مقادیر نرخ خطای بیت و سیگنال به نویز، در سه حالت تضعیف محیطی کم، متوسط و زیاد و در توان فرستنده 1 و 5 میلی وات نشان می دهد. نوآوری این پژوهش ارائه یک سامانه تخصیص توان بلادرنگ با تأخیر کم و دقت نزدیک به روش تحلیلی است که به افزایش نرخ داده دریافتی و بهبود عملکرد سیستم در شرایط تضعیف مختلف کمک می‌کند.
کلیدواژه‌ها
تضعیف
مدولاسیون
نرخ خطای بیت
نرخ سیگنال به نویز
موضوعات

عنوان مقاله English

Investigation of Atmospheric Conditions and Transmitter Power Budget Effects on Bit Error Rate, Data Rate, and Signal-to-Noise Ratio in a Free-Space Optical Channel under Fog and SmokeInvestigation of Atmospheric Conditions and Transmitter Power Budget Effects on Bit Error Rate, Data Rate, and Signal-to-Noise Ratio in Free-Space Optical Channels under Fog and Smoke

نویسندگان English

Mahdi Akbari 1
Saeed Olyaee 2
1 Faculty of Electrical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran.
2 Faculty of Electrical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran.
چکیده English

The performance of free-space optical (FSO) communication systems is strongly affected by environmental factors such as atmospheric conditions, humidity, and the presence of fog and smoke along the propagation path. In this study, the performance of pulse position modulation (PPM), non‑return‑to‑zero (NRZ), and return‑to‑zero (RZ) modulation formats is analyzed and compared in terms of signal‑to‑noise ratio (SNR), bit error rate (BER), and achievable data rate under different atmospheric conditions, including fog. The FSO link is simulated in MATLAB using a 1550 nm optical source and the Kim atmospheric attenuation model with various visibility ranges, together with standard analytical relations for free‑space optical transmission. The effects of low, moderate, and high atmospheric attenuation, as well as different transmitter power budgets, on BER, SNR, and data rate are evaluated for all three modulation schemes. The results show that PPM is the most effective modulation format, providing lower BER and higher SNR than NRZ and RZ under all attenuation scenarios and for transmitter powers of 1 mW and 5 mW. In particular, PPM maintains better performance in the presence of dense fog and smoke, indicating its robustness for FSO links in harsh atmospheric conditions. The main contribution of this work is the introduction of a real‑time power allocation scheme with low latency and accuracy close to analytical solutions, which enhances the received data rate and improves overall system performance under varying attenuation levels.

کلیدواژه‌ها English

Free-space optical communication
atmospheric attenuation
modulation schemes
bit error rate
signal-to-noise ratio
[1] Hassan MZ, Hossain MJ, Cheng J, Leung VCM. Statistical delay-QOS aware joint power allocation and relaying link selection for free space optics based fronthaul networks. IEEE Transactions on Communications 2018;66(3):1124–38.
[2] Heidari M, Akbari M, Olyaee, S. Investigating and Improving the Efficiency of Space-time Codes in Visible light Communication Systems based on a Multi-input-multi-output Channel Model. Recent Advances in Electrical & Electronic Engineering (Formerly Recent Patents on Electrical & Electronic Engineering). 2024;17(7):687-97.
[3] Sun H, Chen X, Shi Q, Hong M, Fu X, Sidiropoulos ND. Learning to optimize: Training deep neural networks for wireless resource management. IEEE Transactions on Signal Processing. 2018;66(20):5438–53.
[4] Akbari M, Olyaee S. Performance analysis of total attenuation effects and different values of transmitter power on bit error rate and signal-to-noise ratio for free space optical communication, Recent Advances in Electrical & Electronic Engineering. 2022;15(3):1-9.
[5] Akbari M, Olyaee S, Baghersalimi G. Design and Implementation of Real-Time Optimal Power Allocation System with Neural Network in OFDM-Based Channel of Optical Wireless Communications. Electronics. 2025;14(8):1580.
[6] Gao Z, Eisen M, Ribeiro A. Optimal WDM power allocation via deep learning for radio on free space optics systems. IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2013.
[7] Zhou H, Hu D, Mao S, Agrawal P. Joint relay selection and power allocation in cooperative FSO networks. IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2013.
[8] Chaudhary S, Bansal P, Singh G. Implementation of FSO network under the impact of atmospheric turbulences. International Journal of Computer Applications. 2013;75(1):1-10.
[9] Chaudhary S, Chaudhary N, Sharma S, Choudhary BC. High speed inter-satellite communication system by incorporating hybrid polarization-wavelength division multiplexing scheme. Journal of Optical Communications. 2017;39(1):87-92.
[10] Chaudhary S, Amphawan A. High-speed millimeter communication through radio-over-free-space-optics network by mode-division multiplexing. Optical Engineering. 2017;56(11):116112-116112.
[11] Chaudhary S, Amphawan A. High speed MDM-Ro-FSO communication system by incorporating AMI scheme. International Journal of Electronics Letters. 2019;7(3):304-10.
[12] Chaudhary S, Choudhary S, Tang X, Wei X. Empirical evaluation of high-speed cost-effective Ro-FSO system by incorporating OCDMA-PDM scheme under the presence of fog. Journal of Optical Communications. 2024;44(s1):s1181-4.
[13] Amphawan A, Chaudhary S, Ghassemlooy Z, Neo TK. 2×2-channel mode-wavelength division multiplexing in Ro-FSO system with PCF mode group demultiplexers and equalizers. Optics Communications. 202;467:125539.
[14] Amphawan A, Chaudhary S, Din R, Omar MN. March. 5Gbps HG 0, 1 and HG 0, 3 optical mode division multiplexing for RoFSO. In 2015 IEEE 11th International Colloquium on Signal Processing & its Applications (CSPA) (pp. 145-149). IEEE.
[15] Amphawan A, Chaudhary S, Chan V. Optical millimeter wave mode division multiplexing of LG and HG modes for OFDM Ro-FSO system. Optics Communications. 2019;431:245-54.
[16] Sharma V, Chaudhary S. Implementation of hybrid OFDM-FSO transmission system. Int J Comput Appl. 2012;58(8):37-40.
[17] Sharma A, Kaur S, Chaudhary S. Performance analysis of 320 Gbps DWDM—FSO system under the effect of different atmospheric conditions. Optical and Quantum Electronics. 2021;53(5):239.
[18] Upadhyay KK, Shukla NK, Chaudhary S. A high speed 100 Gbps MDM-SAC-OCDMA multimode transmission system for short haul communication. Optik. 2020;202:163665.
[19] Willebrand H, Willebrand BS. Free Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today’s Networks, Sams Publishing, ISBN: 0-672-32248-x, USA, 2002. P.120.
 
 

  • تاریخ دریافت 14 دی 1404
  • تاریخ بازنگری 03 اسفند 1404
  • تاریخ پذیرش 16 فروردین 1405