آنالیز کارایی سیستم های نوری فضای آزاد موازی چند هاپی بر روی کانال های محو ویبول با تابع توان ریاضی

Performance Analysis of Multihop Parallel Free-Space Optical Systems Over Exponentiated Weibull Fading Channels

مقدمه

مدل‌های سیستم و کانال

مدل کانال

مدل سیستم

تحلیل عملکرد

تحلیل عملکرد ABER

تحلیل احتمال قطع

نتایج تحلیلی و شبیه‌سازی

نتیجه‌گیری

چکیده

عملکرد سیستم‌های ارتباطی همیاری نوری فضای آزاد ( FSO) موازی چند هاپی با پروتکل رمزگشایی و ارسال به‌وسیله کانال‌های محو ویبول و آنهم با استفاده از تابع توان ریاضی ( EW) به‌صورت سیستماتیک موردبررسی قرارگرفته است. تابع چگالی احتمالی و تابع توزیع تجمعی حداکثر-حداقل متغیر تصادفی EW به‌وسیله معیار حداقل-حداکثر به‌عنوان بهترین طرح انتخاب مسیر به دست می‌آیند. بعد از آن، عبارات تحلیلی میانگین نرخ خطای بیتی ( ABER) و احتمال قطع برق به ترتیب با لینک‌های توزیع یکسان و مستقل ( i.i.d) به دست می‌آیند. بر این اساس، میزان ABER برای یک سیستم FSO توزیع مستقل و غیر یکسان (non-i.i.d) نیز به‌وسیله قانون تربیع گاوس-لاگر به دست می‌آید. عملکرد ABER سیستم مورد بررسی تحت شرایط آشفتگی مختلف، اندازه‌های دیافراگم گیرنده و پارامترهای ساختاری مختلف (C و R) به‌صورت مفصل در آینده تحلیل خواهند شد. مقایسه بین سیستم‌های FSO i.i.d و non-i.i.d بر روی کانال‌های محو EW نشان می‌دهد که عملکرد هر دو سیستم را با قطرهای بزرگ‌تر دیافراگم در نظر گرفته‌شده برای پارامترهای ساختار انتخابی R و C می‌توان ارتقا داد. شبیه‌سازی مونت کارلو نیز برای تأیید صحت عبارات تحلیلی ABER ارائه می‌شود. این کار یک مدل سیستمی کلی را معرفی می‌کند و از آن برای تحلیل و طراحی سیستم‌های ارتباطی FSO می‌توان استفاده کرد.

5- نتیجه‌گیری

در این مقاله عملکرد DF موازی چند هاپی کلی بر اساس سیستم ارتباطی همیاری FSO تحت کانال‌های محو EW به‌صورت تحلیلی و عددی و با استفاده از معیار حداکثر-حداقل موردبررسی قرارگرفته است.PDF و CDF مربوط به EW RV مشخص‌شده‌اند و عبارات تحلیلی متناظر مربوط به ABER احتمال قطع مربوط به مدولاسیون BPSK با لینک‌های i.i.d به ترتیب به دست آمدند. بعدازآن،ABER مربوط به سیستم FSO توزیع مستقل و غیر یکسان (non-i.i.d) بر اساس قانون تربیع گاوس-لاگر به دست می‌آید. علاوه بر این، عملکرد ABER سیستم‌های موردنظر به همراه شبیه‌سازی‌های MC به‌صورت سیستماتیک بررسی می‌شوند. مقایسه بین سیستم‌های i.i.d و non-i.i.d بر روی مدل محو EW نشان می‌دهد که عملکرد هر دو سیستم را با اندازه‌های بزرگ‌تر دهانه دیافراگم با پارامترهای R و C ساختار انتخابی می‌توان ارتقا داد. این مقاله به طراحی سیستم مربوط به سیستم‌های FSO موازی چند هاپی کمک زیادی خواهد کرد.

Abstract

The performances of multihop parallel free-space optical (FSO) cooperative communication systems with decode-and-forward protocol under exponentiated Weibull (EW) fading channels have been investigated systematically. With the max-min criterion as the best path selection scheme, the probability density function and the cumulative distribution function of the max-min EW random variable are derived. The analytical expressions for the average bit error rate (ABER) and outage probability with identically and independently distributed (i.i.d.) links are then obtained, respectively. Based on it, the ABER for a non-identically and independently distributed (non-i.i.d.) FSO system is also deduced with the help of the Gauss-Laguerre quadrature rule. The ABER performance of the considered system are further analyzed, in detail, under different turbulence conditions, receiver aperture sizes, and structure parameters (R and C). The comparison between i.i.d. and non-i.i.d. FSO systems over EW fading channels shows that the performances of both systems could be improved with large aperture diameters adopted for the structure parameters R and C selected. Monte Carlo simulation is also provided to confirm the correctness of the analytical ABER expressions. This work presents a generalized system model, and it can be used to analyze and design FSO communication systems.

5- Conclusion

In this paper, the performance of a generalized multi-hop parallel DF based FSO cooperative communication system under EW fading channels have been studied analytically and numerically with the max-min criterion employed. The PDF and CDF of the max-min EW RV have been deduced and the corresponding analytical expressions of ABER and outage probability of BPSK modulation with i.i.d. links have been achieved, respectively. Then, the ABER for non-identically and independently distributed (non-i.i.d.) FSO system is derived based on the Gauss-Laguerre quadrature rule. Furthermore, the ABER performance of the considered systems are investigated systematically combined with MC simulations. The comparison between i.i.d. and non-i.i.d. systems over EW fading model demonstrates that the performance of both systems could be enhanced by large aperture sizes with the structure parameters R and C selected. This work will be of great help for the system design of multi-hop parallel FSO systems.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

آنالیز کارایی سیستم های نوری فضای آزاد موازی چند هاپی بر روی کانال های محو ویبول با تابع توان ریاضی

Performance Analysis of Multihop Parallel Free-Space Optical Systems Over Exponentiated Weibull Fading Channels

سیستم های فوتونیکی یکپارچه مبتنی بر ابزارهای اندیس گرادیانی فعال شده با اپتیک تبدیلی

Integrated photonic systems based on transformation optics enabled gradient index devices

مقدمه

مواد و روش‌ها

نتایج و بحث

نتیجه‌گیری

انتظار می‌رود که ابزارهای مجتمع فوتونیکی بتوانند نقش روزافزونی در ارتباطات نوری، تصویربرداری، رایانش و شناسایی با هدف کاهش هزینه و وزن این سیستم‌ها ایفا نمایند. پیشرفت‌های بیشتر این فناوری به شدت به توانایی توسعه اجزای نوری پکیده و قابل اطمینان و تسهیل ادغام آنها در یک بستر معمول وابسته است. در اینجا با استفاده از روش نوظهور اپتیک تبدیلی نشان می‌دهیم که اجزای عملکرد متشکل از مواد اندیس گرادیانی صفحه‌ای را می‌توان طراحی و به اسانی در مدارهای فوتونیکی گنجاند. انعطاف‌پذیری بی‌نظیر فرایند طراحی ابزارهای اپتیکی تبدیلی امکان ایجاد تعدادی از ابزارهای جدید مانند کولیماتورهای (موازی‌سازهای) نوری، آداپتورهای موج‌بر و گذرگاه موج‌بر را میسر می‌سازد که کاربردهای گسترده‌ای در تراشه‌های مجتمع نوری داشته و با فناوری ساخت کنونی سازگاری دارند. برای نمایش عملکرد بی‌نظیر نوری و مجتمع‌سازی موثر این ابزارها با سایر اجزای موردنظر در یک سیستم فوتونیکی روی تراشه‌ای، شبیه‌سازی عددی موج کامل را با استفاده از روش تفاضل محدود دامنه زمان به اجرا درخواهیم آورد. این قطعات تنها به مواد دی‌الکتریک متغیر مکانی فاقد ویژگی‌های مغناطیسی نیاز دارند که اتلاف اندک و عملیات پهن‌باند در یک محیط فوتونیک مجتمع را تسهیل می‌سازند.

مقدمه

اپتیک تبدیلی (TO)، روشی سیستماتیک برای دستکاری انتشار نور از طریق استفاده از نگاشت‌ها و توزیع‌های فضایی مواد ساختاری است.1، 2 TO براساس ویژگی عدم تغییر معادلات ماکسول تحت تبدیلات مختصات، ابزار طراحی جدید قدرتمندی در کنترل مسیر نور و ساخت ابزارهای جدیدی همچون پوشش‌های نامرئی3، متمرکزکننده‌های میدان4 و جذب‌کننده‌های ”حفره سیاه“ کامل5 را نشان می‌دهد. دسته مهمی از مختصات تبدیل تعبیه شده با ایجاد ناپیوستگی در امتداد مرزهای محیط تبدیلی ایجاد می‌شود. این ویژگی منحصر به فرد، توسعه برخی از ابزارهای TO عملی‌تر، اما جالب توجه شامل چنبره‌ها و شکافنده‌های باریکه بدون بازتاب7، چرخنده‌های قطبشی8 و لنزهای تخت مختلف9- 11 را تسهیل نموده است. 

نتیجه‌گیری

به طور خلاصه، چندین مولفه GRIN الهام گرفته از TO را با استفاده از شبیه‌سازی‌های FDTD تمام‌موج برای سیستم‌های فوتونیک مجتمع طراحی و ارائه نموده‌ایم. با استفاده از روش تبدیل QC الحاقی، ابزارهایی متشکل از مواد همسانگرد صرفاً دی‌الکتریک را ارائه نموده‌ایم. ثابت شده است که این اجزای TO در عین ارائه انعطاف‌پذیری عمده در فرایند طراحی، توانایی جفت‌سازی موثر نور بین اجزای فوتونیکی همچون منابع نوری و موج‌برها را میسر می‌سازد. این ابزارهای GRIN مبتنی بر TO با اتلاف اندک و محدوده عمل در گستره پهن‌باند دارای کاربردهای متعددی همچون ارتباطات نوری، رایانش و شناسایی است. روش طراحی ما و مثال‌های ارائه شده، توان روش TO برای بهره‌گیری از پتانسیل کامل اپتیک GRIN به منظور پیشبرد ابزارهای نوری عملی و سیستم‌های فوتونیک مجتمع را نشان می‌دهد.

Integrated photonics is expected to play an increasingly important role in optical communications, imaging, computing and sensing with the promise for significant reduction in the cost and weight of these systems. Future advancement of this technology is critically dependent on an ability to develop compact and reliable optical components and facilitate their integration on a common substrate. Here we reveal, with the utility of the emerging transformation optics technique, that functional components composed of planar gradient index materials can be designed and readily integrated into photonic circuits. The unprecedented design flexibility of transformation optics allows for the creation of a number of novel devices, such as a light source collimator, waveguide adapters and a waveguide crossing, which have broad applications in integrated photonic chips and are compatible with current fabrication technology. Using the finite-difference time-domain method, we perform full-wave numerical simulations to demonstrate their superior optical performance and efficient integration with other components in an on-chip photonic system. These components only require spatially-varying dielectric materials with no magnetic properties, facilitating low-loss, broadband operation in an integrated photonic environment.

INTRODUCTION

Transformation optics (TO) provides a systematic method to manipulate light propagation by exploiting spatial mappings and distributions of constituent materials.1,2 Based on the property that Maxwell’s equations are invariant under coordinate transformations, TO represents a powerful new design tool in controlling the trajectory of light and creating novel devices, such as invisibility cloaks,3 field concentrators4 and perfect ‘black hole’ absorbers.5 The important class of embedded coordinate transformations6 stands out by allowing discontinuities along transformation media boundaries. This unique property has facilitated the development of some of the more practical, but nonetheless remarkable TO devices, including reflectionless beam bends and splitters,7 polarization rotators8 and various flat lenses.9–11

CONCLUSIONS

In summary, we have designed and demonstrated several TO-inspired GRIN components for integrated photonic systems using full-wave FDTD simulations. An embedded QC transformation approach is employed, yielding devices comprised of isotropic, dielectric-only materials. These TO components were shown to be able to achieve efficient light coupling between photonic elements, such as optical sources and waveguides, while exhibiting great design flexibility. Such TO-based GRIN devices, with low losses and broadband operation, have a wide range of applications including optical communications, computing and sensing. Our design approach and examples illustrate the power of the TO methodology to bring GRIN optics into their full potential for advancing practical optical devices and integrated photonic systems.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

سیستم های فوتونیکی یکپارچه مبتنی بر ابزارهای اندیس گرادیانی فعال شده با اپتیک تبدیلی

Integrated photonic systems based on transformation optics enabled gradient index devices