Finally, a research stay at McMaster University (Hamilton, Ontario, Canada) under the supervision of Prof. Steve Hranilovic was performed for 4 months in the context of FSO communication systems under mobility grant EEBB-I-16-11099.
Appendix E
Summary (Spanish)
E.1 Introducci´ on
E.1.1 Motivaci´on
El uso de comunicaciones ´opticas inal´ambricas (OWC, Optical Wireless Communication) como soluci´on a la escasez de recursos espectrales en la zona del espectro radioel´ectrico ha atra´ıdo una considerable atenci´on en a˜nos recientes como consecuencia del crecimiento del volumen de datos y la cantidad de usuarios, as´ı como de la aparici´on de nuevas tecnolog´ıas tales como acceso a Internet de banda ancha ultra-r´apido, the Internet of Things (IoT), servicios de alta definici´on para televisi´on, servicios de televisi´on en streaming, etc [1,2]. Esta tecnolog´ıa puede ser aplicable a diferentes aplicaciones como: comunicaciones chip-to-chip para ultra-corto alcance, comunicaciones IR (Infrared ), VLC (Visible Light Communication) y UOC (Underwater Optical Communication) para medio alcance, comunicaciones FSO (Free-Space Optical ) para largo alcance, y enlaces tierra-sat´elite para ultra-largo alcance.
En esta tesis, todo el estudio se realiza sobre enlaces terrestres FSO. Dichos enlaces utilizan longitudes de onda ubicadas en la zona del infrarrojo cercano, es decir, longitudes de ondas de 850 nm, 1300 nm y 1550 nm que se corresponden con la primera, segunda y tercera ventana de transmisi´on, respectivamente.
Tradicionalmente, los sistemas de comunicaciones FSO han sido propuestos como una alter-nativa a la tecnolog´ıa de RF (Radio-Frequency) y como una interesante soluci´on al conocido problema de la ´ultima milla, es decir, la distancia entre el usuario final y la infraestructura de fibra ´optica. Este problema continua siendo el cuello de botella en las redes existentes debido a que la tecnolog´ıa de RF limita la velocidad en el ´ultimo tramo, obteniendo reg´ımenes binarios del orden de 10-100 Mbps. La tecnolog´ıa FSO permite a los diferentes usuarios conectarse a las redes de fibra ´optica a una velocidad mucho mayor como consecuencia directa de su elevado ancho de banda disponible. El espectro ´optico ofrece numerosas
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ventajas tales como la posibilidad de utilizar un ancho de banda m´as elevado que el espectro radioel´ectrico y, adem´as, este carece de regulaci´on por encima de los 300 GHz. Otra ventaja en relaci´on a los sistemas de RF es que los sistemas FSO presentan una menor atenuaci´on en lluvia e inmunidad frente a interferencias debido al uso de un haz muy estrecho entre transmisor y receptor. Por ´ultimo, no solo son una m´as que interesante alternativa a los sistemas de RF, sino tambi´en a los sistemas guiados de fibra ´optica. No cabe duda que los enlaces de fibra ´optica son a d´ıa de hoy la mejor soluci´on para garantizar una buena calidad de servicio, pero por temas relacionados con coste e instalaci´on no siempre son una buena opci´on.
Como es de esperar, no todo son ventajas en el ´ambito de la tecnolog´ıa FSO donde algunos inconvenientes limitan el rango de viabilidad de estos sistemas. Los factores m´as delimita-dores son: la turbulencia atmosf´erica, los errores por desapuntamiento entre transmisor y receptor, y la niebla espesa. La turbulencia atmosf´erica es provocada por microvariaciones de presi´on y temperatura que conllevan a fluctuaciones locales del ´ındice de refracci´on en la atm´osfera. Como resultado, la se˜nal ´optica que se propaga a trav´es de la atm´osfera sufre fluctuaciones aleatorias en intensidad y en fase. La turbulencia atmosf´erica puede ser descrita f´ısicamente por la teor´ıa de cascadas propuesta por Kolmogorov [13]. Seg´un esta teor´ıa, la masa de aire turbulento est´a compuesto por un conjunto de torbellinos de difere-ntes tama˜nos donde se asume que cada uno de ellos es homog´eneo aunque con un ´ındice de refracci´on diferente al de sus vecinos. La energ´ıa procedente del movimiento de las masas de aire ser´a transportada a torbellinos cada vez m´as peque˜nos hasta que se termine disipando en calor. Respecto a los errores por desapuntamiento entre transmisor y receptor, estos son una consecuencia directa de la dificultad de conseguir un perfecto alineamiento entre ellos debido al estrecho haz de la fuente l´aser. Las causas del desapuntamiento pueden deberse a fen´omenos meteorol´ogicos como fuertes rachas de viento y peque˜nos terremotos, entre otras. Por ´ultimo, los sistemas FSO son, en general, altamente vulnerables a condiciones meteorol´ogicas adversas como la niebla espesa.
E.1.2 Objetivos
Esta tesis est´a centrada en el estudio de las prestaciones de sistemas avanzados de comu-nicaciones ´opticas atmosf´ericas o sistemas FSO. El estudio de las prestaciones, ya sea en t´erminos de probabilidad de error de bit (BER, Bit Error-Rate), probabilidad de outage o capacidad erg´odica, ha sido un tema de inter´es relevante para la comunidad cient´ıfica desde hace varias d´ecadas. En este sentido, dos grandes ´areas o l´ıneas de investigaci´on son abor-dadas a lo largo de esta tesis, presentando nuevos e interesantes resultados relacionados con las comunicaciones ´opticas. Estas dos grandes ´areas son: an´alisis de la capacidad erg´odica, y modelado de errores por desapuntamiento generalizado entre transmisor y receptor.
Por un lado, el estudio de la capacidad erg´odica representa la primera l´ınea de investigaci´on de esta tesis en la cual no solo se analiza la capacidad erg´odica correspondiente a sistemas
E.2. EL CANAL ´OPTICO ATMOSF ´ERICO 139