Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.27
no.2
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pp.238-246
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2024
Modern military operations rely heavily on broadband communication and data transmission. Recently, the rising use of intelligent unmanned technology necessitates more frequencies. Free-space optical(FSO) communication can offer high-data-rate communications with high security and no need for licensing. Therefore, the FSO communication holds significant interest and potential in the defense industry. In this paper, we present design of a FSO communication terminal taking Korean domestic weather conditions into account. The domestic atmospheric attenuation is analyzed using several models and two-year meteorological information for a city in Korea, and this analysis is utilized to design the FSO communication terminal. The design results were verified using an FSO communication test bed, and we achieved an Ethernet bandwidth of approximately 1.86 Gbps at a distance of 1.3 km with the optical amplifier output power of the test bed set to about 20 dBm.
We derived the average bit error rate (BER) of coherent free-space optical (FSO) systems with digital binary phase shift keying (BPSK) modulations over atmospheric turbulence channels with a gamma-gamma distribution. To obtain a generalized derivation in a closed-form expression, we used special integrals and transformations of the Meijer G function. Furthermore, we numerically analyzed and simulated the average BER behavior according to the average SNR for different turbulence strengths. Simulation results are demonstrated to confirm the analytical results.
The misalignment errors and fluctuations in irradiance due to atmospheric turbulence can severely degrade the performance of free-space optical (FSO) systems. In this paper, we investigate the asymptotic bit error rate (BER) performance and diversity orders of FSO links using parallel transmit-diversity schemes. The BER expressions of FSO links with the switch-and-examine transmit (SET), switch-and-examine transmit with post-selection (SETps), dual-branch transmit laser selection (Dual-TLS), and group transmit laser selection (Group-TLS) schemes are derived, based on an approximate channel model. Then numerical simulations for these four schemes in the region of high average signal-to-noise ratio (SNR) are presented under different channel conditions. The results show that the four transmit-diversity schemes can reduce system complexity and overcome the limitation of peak power, without much BER deterioration.
Since the direct-gradient (DG) method uses the Shack-Hartmann wave front sensor (SH-WFS), based on the phase-conjugation principle, for atmospheric compensation in free-space optical (FSO) communication, it cannot effectively correct high-order aberrations. While the stochastic parallel gradient descent (SPGD) can compensate the distorted wave front, it requires more calculations, which is sometimes undesirable for an FSO system. A hybrid compensation (HC) method is proposed by properly using the DG method and SPGD algorithm to improve the performance of FSO communication. Simulations show that this method can well compensate wave-front aberrations and upgrade the coupling efficiency with few computations, preferable correction results, and rapid convergence rate.
In this paper, we carry out a performance analysis of a two-user free-space optical (FSO) communication system with photodetector multiplexing, in which the two users are defined as the primary user (PU) and secondary user (SU). Unlike common single-user FSO systems, our photodetector multiplexing FSO system deploys a shared detector at the receiver and enables PU and SU to send their own data synchronously. We conduct the performance analysis of this FSO system for two cases: (1) in the absence of background radiation, and (2) in the presence of background radiation. Decision strategies for PU and SU are presented according to the two scenarios above. Exact and approximate conditional symbol-error probability (SEP) expressions for both PU and SU are derived, in an ideal channel with no fading. Average SEP expressions are also presented in the no-background-radiation scenario. Additionally, in some particular cases where the power ratio tends to 0.5 or 1, approximate SEP expressions are also obtained. Finally, numerical simulations are presented under different conditions, to support the performance analysis.
A hybrid free-space-optical/radio-frequency (FSO/RF) communication system is considered, with the help of amplify-and-forward (AF) relaying. We consider various weather conditions to investigate their effects on the system's performance. We begin by obtaining the cumulative distribution function and probability density function of the end-to-end signal-to-noise ratio for the AF dual-hop FSO communication system with RF backup link. Then, these results are used to derive closed-form expressions for the outage probability, average bit-error rate, and average ergodic capacity. The results show that the considered system efficiently employs the complementary nature of FSO and RF links, resulting in impressive performance improvements compared to non-hybrid systems.
In recent years, the unmanned aerial vehicle (UAV) assisted mobile free space optical (FSO) communication technique has attracted considerable attention regarding its aims to provide improved communication conditions for fixed-to-fixed FSO network and promising fronthaul and backhaul solutions for 5G+ wireless networks. This can be attributed to its outstanding advantages such as fast deployment and flexible network configuration. The UAV-assisted mobile FSO system can be used to provide cost-effective internet services in rural and remote areas and in hotspot areas that are characterized by increased data traffic. Additionally, it can be used to provide secure communication services under emergency circumstances. In this report, we review recent R&D trends in wireless network technology employing the UAV-assisted mobile FSO technique and key technologies for mobile FSO wireless networks. Furthermore, we introduce drone-based mobile FSO terminals and control systems that we have developed.
Free-space optical (FSO) systems have attracted much attention from both research and application perspectives owing to their many benefits, such as license-free operation, low-cost, and high data rates. This paper investigates the ergodic capacity of FSO systems, which is an important metric of system performance. The stochastic temporary laser-beam blockage, pointing errors, and atmospheric turbulence are simultaneously considered. The results illustrate that the link blockage causes a decreased ergodic capacity. We show that to maximize the ergodic capacity, there is an optimal value of the laser-beam radius at the waist, which largely depends on pointing errors; however, it is independent of the atmospheric turbulence and the probability of link blockage.
Free-space optical (FSO) communication is considered to be a potential solution to congestion in the radio-frequency spectrum and last-mile-access bottleneck issues in future cellular communication networks, such as 5G and beyond. However, FSO link performance may degrade significantly due to irradiance fluctuations and random temporal fluctuations from atmospheric turbulence. Therefore, in this work the main objective is to reduce the effect of the atmospheric turbulence by considering a multihop FSO communication system with amplify-and-forward relaying supported by a radio-frequency (RF) link, which form a hybrid FSO/RF communication system. The FSO link is assumed to follow the gamma-gamma fading model, which represents strong turbulence. Also, the RF link is modeled by a Rayleigh distribution. The performance of the considered system, in terms of the outage probability and average bit-error rate (BER), is investigated and analyzed under various weather conditions and pointing errors. Furthermore, the effect of the number of employed relay nodes on the performance of the system is investigated. The results indicate that the considered system reduces outage probability and average BER significantly, especially for low channel quality. Finally, the closed-form expressions derived in this work are compared to the results of Monte Carlo simulations, for verification.
In this study, a novel parallel wavefront correction system architecture is proposed, and a model-based tabu search (MBTS) algorithm is introduced for this new system to compensate wavefront aberration caused by atmospheric turbulence in a free-space optical (FSO) communication system. The algorithm flowchart is presented, and a simple hypothetical design for the parallel correction system with multiple adaptive optical (AO) subsystems is given. The simulated performance of MBTS for an AO-FSO system is analyzed. The results indicate that the proposed algorithm offers better performance in wavefront aberration compensation, coupling efficiency, and convergence speed than a stochastic parallel gradient descent (SPGD) algorithm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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