Reducing Turbulence-Induced Outages in a Deployed Terrestrial Free-Space Optical Communication Link via Interleaving

Resumen Técnico: Reducción de las interrupciones inducidas por la turbulencia en un enlace de comunicación óptica de espacio libre terrestre desplegado mediante entrelazado

Planteamiento del problema
La comunicación óptica de espacio libre (FSO, por sus siglas en inglés) terrestre ofrece conectividad inalámbrica de alta tasa de datos, pero enfrenta desafíos significativos de fiabilidad debido a la turbulencia atmosférica. A diferencia de los enlaces satelitales, los haces terrestres atraviesan la densa atmósfera inferior, lo que provoca fluctuaciones severas en la potencia óptica recibida y la irradiancia. Estas fluctuaciones degradan la relación señal-ruido (SNR) a lo largo del tiempo, lo que conduce a altas probabilidades de interrupción que dificultan su despliegue generalizado. Aunque se ha propuesto el entrelazado de datos para mitigar los errores en ráfagas causados por la turbulencia mediante la redistribución de estos en múltiples palabras de código, los trabajos experimentales existentes sobre enlaces terrestres no han analizado suficientemente cómo la probabilidad de interrupción se ve afectada por los entrelazadores bajo condiciones atmosféricas urbanas realistas.

Metodología
Los autores realizaron un estudio experimental utilizando el banco de pruebas Reid Photonloop, un enlace FSO urbano de 4,6 km que conecta el campus de la Universidad Tecnológica de Eindhoven con el High Tech Campus. La configuración experimental consistió en:

• Medición de potencia: Se transmitió un láser de cavidad externa (1542 nm) amplificado a 29 dBm a través de terminales acoplados por fibra. La potencia recibida ($P_{rec}$) se midió en intervalos de 10 µs utilizando un medidor de potencia de alta velocidad durante un periodo del 10 al 13 de octubre de 2025.
• Caracterización de la turbulencia: Un scintillómetro co-ubicado, el Scintec BLS900 Neo, midió el parámetro de estructura del índice de refracción ($C_n^2$) con un tiempo de promedio de 10 minutos para caracterizar la turbulencia óptica.
• Análisis de datos: El estudio se centró en tres regímenes de turbulencia específicos identificados a partir de la distribución de $C_n^2$: débil ($2,19 \cdot 10^{-16} \text{ m}^{-2/3}$), moderada ($1,62 \cdot 10^{-15} \text{ m}^{-2/3}$) y fuerte ($6,77 \cdot 10^{-15} \text{ m}^{-2/3}$).
• Modelo de simulación: Los autores simularon un sistema utilizando 256-QAM a una tasa de símbolos de 50 GBaud, empleando códigos de paridad de baja densidad (LDPC) con punteo del estándar DVB-S2 (longitud de bloque $N=64800$ bits). Modelaron un entrelazador/desentrelazador de bloque por símbolo para evaluar el impacto de diferentes longitudes de entrelazador (20 ms, 50 ms, 100 ms) en la probabilidad de interrupción ($P_{out}$).

Contribuciones clave y resultados
El artículo presenta los siguientes hallazgos basados en los datos experimentales y las simulaciones:

• Correlación de la turbulencia: Se observó una correlación directa entre el $C_n^2$ medido y la severidad de las fluctuaciones de $P_{rec}$. Niveles de turbulencia más altos resultaron en desvanecimientos de potencia y variaciones de SNR más severos.
• Eficacia del entrelazado: El estudio demuestra que el entrelazado puede reducir la probabilidad de interrupción en dos órdenes de magnitud.
  • En turbulencia débil, el rendimiento se mantuvo constante en el tiempo y el entrelazado tuvo un efecto insignificante en $P_{out}$.
  • En turbulencia moderada, el entrelazado permitió una tasa de datos decodificados hasta un 70% mayor en comparación con la ausencia de entrelazado cuando $P_{out} < 10^{-2}$. Un entrelazador de 20 ms redujo significativamente la probabilidad de interrupción, mientras que las longitudes mayores proporcionaron ganancias incrementales.
  • En turbulencia fuerte, se requirió un entrelazador de al menos 50 ms para lograr una $P_{out} < 10^{-2}$ a tasas de datos decodificados superiores a 200 Gb/s.
• Compromisos de diseño: Los resultados revelan una clara dependencia entre la fuerza de la turbulencia, la longitud del entrelazador y la tasa de datos alcanzable. Si bien los entrelazadores más largos mejoran la fiabilidad en condiciones de alta turbulencia, introducen una latencia igual a $2t$ (donde $t$ es la longitud del entrelazador), ya que la matriz debe llenarse antes de que la transmisión o la decodificación puedan proceder.

Significancia
Los autores afirman que este trabajo llena un vacío crítico al analizar el entrelazado en un sistema FSO terrestre desplegado bajo condiciones urbanas realistas. El estudio establece un vínculo directo entre las condiciones atmosféricas ($C_n^2$) y los requisitos de diseño del entrelazador. Específicamente, proporciona información práctica de diseño que indica que, a medida que aumenta la fuerza de la turbulencia, son necesarios entrelazadores más largos para mantener altas tasas de datos con bajas probabilidades de interrupción. Esta relación constituye una base para el desarrollo de estrategias de entrelazado adaptativo en futuros sistemas FSO terrestres, yendo más allá de los modelos teóricos hacia parámetros de diseño validados experimentalmente.