spectrum)scarcity)and)free)space)op1cal) communicaons ... workshop/7.gw_alouini.pdf ·...

Post on 16-Mar-2020

4 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

Spectrum  Scarcity  and  Free  Space  Op1cal  Communica1ons  

Mohamed-­‐Slim  Alouini  KAUST  

January  2014  

Agenda    •  Spectrum  Scarcity  

–  RF  spectrum  – Mobile  traffic  growth  and  spectrum  scarcity  

•  Cogni1ve  Radio  Networks  (CRNs)          –  Categories  of  CRNs  –  Capacity  results  

•  Free  Space  Op1cal  (FSO)  Communica1ons  –  Impact  of  scin1lla1ons  and  poin1ng  errors  –  RF/FSO  cascade  systems  

•  Concluding  Remarks  

Challenges  and  Solu.ons  Spectrum  Scarcity  

Radio  Spectrum  •  RF  spectrum  typically  refers  to  the  full  frequency  range  from  3  KHz  to  300  GHz.  

•  RF  spectrum  is  a  na1onal  resource  that  is  typically  considered  as  an  exclusive  property  of  the  state.  

•  RF  spectrum  usage  is  regulated  and  op1mized  •  RF  spectrum  is  allocated  into  different  bands  and  is  typically  used  for  –  Radio  and  TV  broadcas1ng  – Government  (defense  and  public  safety)  and  industry  –  Commercial  services  to  the  public  (voice  and  data)  

 

US  Frequency  Alloca1on  Chart  

Growth  of  Mobile  Phone  Subscribers  

Mobile  internet  traffic  is  pushing  the  capacity  limits  of  wireless  networks  !  

RF  Spectrum  “Crunch”  

•  Smartphone  usage  tripled  in  2011.  •  Between  2011  and  2016,  global  wireless  data  traffic  is  expected  to  increase  18  1mes  more.  

•  Rapid  increase  in  the  use  of  wireless  services  has  lead  the  problem  of  spectrum  exhaus'on.  

•  FCC  predicts  that  the  US  is  going  to  start  experiencing  a  spectrum  deficit  for  wireless  communica1ons  in  2013.  

 

Poten1al  Solu1ons  •  More  efficient  usage  of  the  available  spectrum:    

– Mul1ple  antenna  systems    –  Adap1ve  modula1on  and  coding  systems    

•  More  aggressive  temporal  and  spa1al  reuse  of  the  available  spectrum:  –  Cogni1ve  radio  systems  –  Femto  cells  &  Offloading  solu1ons  

•  Use  of  unregulated  bandwidth  in  the  upper  por1on  of  the  spectrum:  – Microwave  and  millimeter-­‐wave  such  as  60  GHz  &  90  GHz  –  THz  carriers  –  Op1cal  spectrum  

 

Towards  the  Speeds  of  Wireline  Networks    

Free  Space  Op1cal  (FSO)  Communica1ons  

FSO  Basic  Principle  

10  

§  Connects  using  narrow  beams  two  op1cal  wireless  transceivers  in  line-­‐of-­‐sight    

§  Light  is  transmieed  from  an  op1cal  source  (laser  or  LED)  trough  the  atmosphere  and  received  by  a  lens  

§  Provides  full-­‐duplex  (bi-­‐direc1onal)  capability  §  3  “op1cal  windows”:  850  nm,  1300  nm,  &  1550  nm.  § WDM  can  be  used  =>  10  Gb/s  (4x2.5  Gb/s)    over  1  Km  &  1.28  Tb/s  (32x40  Gb/s)  over  210  m    

Why  FSO  ?  

–  License-­‐free  

–  Cost-­‐effec1ve  

–  Behind  windows  

–  Fast  turn-­‐around  1me  

–  Suitable  for  brown-­‐field  

–  Very  high  bandwidth  (similar  to  fiber)  

–  Narrow  beam-­‐widths  (point-­‐to-­‐point)  

•  Energy  efficient  

•  Immune  to  interference  

•  High  level  of  security  

11  

fastlinks-­‐wireless.com  

FSO  Applica1ons  

12  

§  Ini1ally  used  for  secure  military  as  well  as  space  applica1ons  

§  Commercial  use:  Last  mile  solu1on,  op1cal  fiber  back-­‐up,  high  data  rate  temporary  links,  cellular    

     communica1on  backhaul,  etc  …  

 

FSO  Challenges  &  Solu1ons  

13  

§  Addi1ve  noise  (photo-­‐detector)    and  background  radia1on  (direct,  scaeered,  and  reflected  sun  light)  =>  sensi1ve  detectors  +  filters  +  heterodyne  detec1on    

§  Free  space  path  loss  =>  limited  range  §  Atmospheric  losses  (rain,  snow,  fog,  aerosol  gases,  smoke,  low  cloud,  sand  

storms,  etc  …)  =>  power  control  +  mesh  architecture  +  hybrid  RF/FSO  §  Atmospheric  turbulences  =>  space  diversity  §  Buildings  swaying,  mo1on,  and  vibra1ons  =>  tracking  systems      

14  

Vendor   Wavelength   Data  Rate   Range  (@  10  dB/km)  

MIMO   Hybrid  RF/FSO  

Price  Range  (USD)  

fSONA  (Canada)  

1550nm   Full  Duplex  with  2.5  Gbps  

1  km   No   Yes  RF:  150  Mbps  (60–70  GHz)  

8-­‐12K  

LightPointe  (USA)  

850nm  1550nm  

Full  Duplex  with  1.25  Gbps  

1.6  kms   Yes  (2  X  2)  (4  X  4)  

Yes  RF:  250  Mbps  (5.4–5.8  GHz)  

11-­‐19K  

RedLine  (South-­‐Africa)  

850nm   Full  Duplex  with  1.25  Gbps  

0.9  kms   Yes  (4  X  4)  

Yes  RF:  250  Mbps  (4.9–5.8  GHz)  

15-­‐24K  

Commercial  Deployment  

Types  of  Detec1on  Techniques  

•  Intensity  Modula/on/Direct  Detec/on  (IM/DD):  IM/DD  is  the  main  

mode  of  detec1on  in  FSO  systems  but  coherent  communica1ons  

have  also  been  proposed  as  an  alterna1ve  detec1on  mode.  

 

•  Coherent  Modula/on/Heterodyne  Detec/on  (CM/HD):  Among  

coherent  communica1ons,  heterodyne  detec1on  is  a  more  

complicated  detec1on  method  but  has  the  ability  to  beeer  

overcome  the  thermal  noise  effects.  

15  

16  

Characteriza1on  of  the  Scin1lla1ons  

•  Frequency  flat  fading  channel  •  Channel  coherence  1me:  10  μs  and  100  ms  •  Turbulence  strength  depends  on  Rytov  variance/number  (i.e.  

distance  and  index  of  refrac1on  structure)  •  Turbulence  regimes:    

–  Rytov  number  <<  1  =>  Weak  turbulence  regime    –  Rytov  number  >>  1  =>  Strong  turbulence  regime  

•  Sta1s1cal  models:  –  Weak  turbulence:  Lognormal  or  Gamma-­‐Gamma  (Generalized  K)  –  Strong  turbulence:  Exponen1al  or  Gamma-­‐Gamma  (Generalized  K)    

  17  

Unified  PDF  

18  

Reference:    I.  Ansari,  F.  Yilmaz,  and  M.  -­‐S.  Alouini,  “On  the  performance  of  mixed  RF/FSO  variable  gain  dual-­‐hop  transmission  systems  with  poin1ng  errors  ”,  (VTC  Fall'2013),  Las  Vegas,  Nevada,  USA,  September  2013.  

19  

20  

21  

22  

23  

24  

25  

26  

Wojnar  Condi1onal  BER  for  Binary  Modula1ons    

27  

28  

29  

30  

31  

RF/FSO  Model  

32  

Reference:    I.  Ansari,  F.  Yilmaz,  and  M.  -­‐S.  Alouini,  “On  the  performance  of  mixed  RF/FSO  dual-­‐hop  transmission  systems”,  (VTC  Spring'2013),  Dresden,  Germany,  June  2013.  

Relaying  and  Channel  Models  

33  

CDF  of  RF/FSO  

34  

35  

36  

Hybrid  RF  &  RF/FSO  Systems  

37  

Reference:    I.  Ansari,  F.  Yilmaz,  and  M.  -­‐S.  Alouini,  “On  the  performance  of  hybrid  RF  and  RF/FSO  dual-­‐hop  transmission  systems    ”,  (IWOW’2013),  Newcastle,  UK,  October  2013.  

Diversity  Model  

38  

BER  for  SC  

39  

BER  for  MRC  

40  

Numerical  Result  

41  

42  

43  

44  

Summary  and  Next  Steps  ?  Concluding  Remarks  

Conclusion  and  Current  Work  

•  Spectrum  scarcity  is  becoming  a  reality  •  This  scarcity  can  be  relieved  through:  – Cogni1ve  radio  networks  – Extreme  bandwidth  communica1on  systems  

•  Analy1cal  results  can  be  used  to  perform  ini1al  system  level  trade-­‐offs  

•  On-­‐going  deployment  and  tes1ng  the  capabili1es  of  FSO  systems  in  hot  &  humid  desert  climate  condi1ons.  

 

Thank  You    Ques.ons?  

top related