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Spectrum)Scarcity)and)Free)Space)Op1cal) Communicaons ... workshop/7.GW_Alouini.pdf ·...

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Spectrum Scarcity and Free Space Op1cal Communica1ons MohamedSlim Alouini KAUST January 2014
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Spectrum  Scarcity  and  Free  Space  Op1cal  Communica1ons  

Mohamed-­‐Slim  Alouini  KAUST  

January  2014  

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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  

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Challenges  and  Solu.ons  Spectrum  Scarcity  

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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)  

 

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US  Frequency  Alloca1on  Chart  

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Growth  of  Mobile  Phone  Subscribers  

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

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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.  

 

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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  

 

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Towards  the  Speeds  of  Wireline  Networks    

Free  Space  Op1cal  (FSO)  Communica1ons  

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FSO  Basic  Principle  

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§  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    

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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  

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FSO  Applica1ons  

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§  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  …  

 

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FSO  Challenges  &  Solu1ons  

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§  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      

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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  

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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.  

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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)    

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Unified  PDF  

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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.  

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Wojnar  Condi1onal  BER  for  Binary  Modula1ons    

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RF/FSO  Model  

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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.  

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Relaying  and  Channel  Models  

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CDF  of  RF/FSO  

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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.  

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Diversity  Model  

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BER  for  SC  

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BER  for  MRC  

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Numerical  Result  

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Summary  and  Next  Steps  ?  Concluding  Remarks  

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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.  

 

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Thank  You    Ques.ons?  


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