Channel modeling for free space optical transmission of satellite data

Abstract

Sowohl satellitengebundene als auch terrestrische Kommunikation wird über Funk- oder optische Kanäle geführt. Letztere haben die Vorteile kürzerer Wellenlängen, simpler Bauelemente und der lizenzfreier Frequenzbänder. Diese Diplomarbeit behandelt atmosphärische optische Kanäle, in denen Turbulenzen das sich durch ein inhomogenes Medium ausbreitende Signal verzerren. Die Modellierung dieses Einflusses ist ein wichtiger Schritt beim Entwurf eines Kommunikationssystems um die ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen wie auch durch Bezifferung von Effekten verschiedener Entscheidungen Kosten zu sparen. Die vorliegende Arbeit analysiert normalverteilte sowie log-normalverteilte Übertragungskoeffizienten im Detail die jeweiligen optimalen Symboldetektoren für Amplitudenumtastung (OOK) werden hergeleitet und die resultierende Kapazität wird berechnet. Weiters werden Modelle für die zeitliche Korrelation des Übertragungskoeffizienten betrachtet und Detektionsverfahren verglichen. Ein optischer Kanal einer Gesamtlänge von 600 Metern in städtischer Umgebung bildet den physikalischen Aspekt dieser Diplomarbeit. Die Verteilung von Bitfehlern und des Übertragungskoeffizienten wird bestimmt und liefert Evidenz für das log-normalverteilte Modell. Das Flimmern kann mit 0.1 quantifiziert werden, dadurch wird der Kanal als schwach flimmernd klassifiziert. Verschiedene Ansätze, die Kapazität des Kanals zu bestimmen, werden gegenübergestellt und ein systematischer Zugang, die Parameter eines Gilbert-Bündelfehlerkanals anhand gemessener Fehlerverteilungen zu schätzen, wird angeführt und die daraus resultierende Kapazität bestimmt.

Free space optical satellite communication systems offer numerous advantages to satisfy todays and future demands of satellite up- and downlink. In comparison to conventional RF communication they provide smaller wave-lengths, low-complexity components and the absence of spectrum licensing. However, the optical frequency regime is more susceptible to atmospheric influences and therefore requires integral, well balanced system design and operation. This work is concerned with atmospheric optical links, where turbulence distorts the signal propagating through an inhomogeneous medium. Modeling this atmospheric influence is a key step when designing a communication system in order to ensure its operation as well as to save costs by quantifying the effects of different design choices. This thesis analyzes Gaussian and log-normally distributed fading coefficients in depth the respective optimal symbol detectors for on-off keying are derived and the resulting channel capacity is calculated. Furthermore, models for the temporal correlation are discussed and detection strategies are compared. An optical link of 600 m total length in urban environment forms the physical side of this work. The fading and error statistics of the channel are extracted and display evidence for the log-normal model. The observed scintillation indices are below 0.1, classifying the link as weakly turbulent. Several methods determining the capacity of the optical link are contrasted. A systematic approach for Gilbert burst error model fits based on measured error statistics is presented and the resulting capacity evaluated.