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

Technische Samenvatting: Verminderen van turbulentie-geïnduceerde uitval in een operationele terrestrische Free-Space Optical communicatielink via interleaving

Probleemstelling
Terrestrische Free-Space Optical (FSO) communicatie biedt draadloze connectiviteit met hoge datasnelheden, maar kampt met aanzienlijke betrouwbaarheidsproblemen door atmosferische turbulentie. In tegenstelling tot satellietverbindingen doorkruisen terrestrische bundels de dichte onderste lagen van de atmosfeer, wat leidt tot ernstige fluctuaties in het ontvangen optische vermogen en de irradiantie. Deze fluctuaties verslechteren de signaal-ruisverhouding (SNR) in de loop van de tijd, wat leidt tot hoge uitvalkansen (outage probabilities) die grootschalige implementatie bemoeilijken. Hoewel data-interleaving is voorgesteld om burstfouten veroorzaakt door turbulentie te mitigeren door deze over meerdere codewoorden te herverdelen, hebben bestaande experimentele werken naar terrestrische links de invloed van interleavers op de uitvalkans onder realistische stedelijke atmosferische omstandigheden niet voldoende geanalyseerd.

Methodologie
De auteurs hebben een experimentele studie uitgevoerd met de Reid Photonloop testopstelling, een 4,6 km lange stedelijke FSO-link die de Eindhoven University of Technology Campus verbindt met de High Tech Campus. De experimentele opstelling omvatte:

• Vermogensmeting: Een externe caviteitslaser (1542 nm), versterkt tot 29 dBm, werd verzonden via vezelgekoppelde terminals. Het ontvangen vermogen ($P_{rec}$) werd gemeten met intervallen van 10 µs met behulp van een hogesnelheidsvermogensmeter gedurende een periode van 10 tot 13 oktober 2025.
• Turbulentiekarakterisering: Een co-gelokaliseerde Scintec BLS900 Neo scintillometer mat de structuurparameter van de brekingsindex ($C_n^2$) met een gemiddelde tijd van 10 minuten om de optische turbulentie te karakteriseren.
• Data-analyse: De studie richtte zich op drie specifieke turbulentieregimes geïdentificeerd uit de $C_n^2$-distributie: zwak ($2,19 \cdot 10^{-16} \text{ m}^{-2/3}$), matig ($1,62 \cdot 10^{-15} \text{ m}^{-2/3}$) en sterk ($6,77 \cdot 10^{-15} \text{ m}^{-2/3}$).
• Simulatiemodel: De auteurs simuleerden een systeem met 256-QAM bij een 50 GBaud symboolsnelheid, gebruikmakend van gepuncteerde Low-Density Parity-Check (LDPC) codes uit de DVB-S2 standaard (bloklengte $N=64800$ bits). Ze modelleerden een symbool-voor-symbool blokinterleaver/deinterleaver om de impact van verschillende interleaverlengtes (20 ms, 50 ms, 100 ms) op de uitvalkans ($P_{out}$) te evalueren.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
Het artikel presenteert de volgende bevindingen op basis van de experimentele gegevens en simulaties:

• Turbulentiecorrelatie: Er werd een directe correlatie waargenomen tussen de gemeten $C_n^2$ en de ernst van de $P_{rec}$-fluctuaties. Hogere turbulentieniveaus resulteerden in ernstigere vermogensfades en SNR-variaties.
• Effectiviteit van Interleaving: De studie toont aan dat interleaving de uitvalkans met twee ordes van grootte kan verminderen.
  • In zwakke turbulentie bleef de doorvoersnelheid constant over de tijd, en had interleaving een verwaarloosbaar effect op $P_{out}$.
  • In matige turbulentie maakte interleaving een tot 70% hogere gedecodeerde datasnelheid mogelijk vergeleken met geen interleaving wanneer $P_{out} < 10^{-2}$. Een 20 ms interleaver verminderde de uitvalkans aanzienlijk, waarbij langere lengtes extra winst boden.
  • In sterke turbulentie was een interleaver van ten minste 50 ms vereist om een $P_{out} < 10^{-2}$ te bereiken bij gedecodeerde datasnelheden boven de 200 Gb/s.
• Ontwerptrade-offs: De resultaten onthullen een duidelijke afhankelijkheid tussen turbulentiekracht, interleaverlengte en de haalbare datasnelheid. Hoewel langere interleavers de betrouwbaarheid verbeteren in omstandigheden met hoge turbulentie, introduceren ze een latentie gelijk aan $2t$ (waarbij $t$ de interleaverlengte is), aangezien de matrix gevuld moet worden voordat transmissie of decodering kan plaatsvinden.

Significantie
De auteurs stellen dat dit werk een kritieke kloof vult door interleaving in een operationeel terrestrisch FSO-systeem onder realistische stedelijke omstandigheden te analyseren. De studie legt een direct verband tussen atmosferische condities ($C_n^2$) en de eisen voor interleaverontwerp. Specifiek biedt het praktische inzichten voor het ontwerp, waarbij wordt aangegeven dat naarmate de turbulentiekracht toeneemt, langere interleavers noodzakelijk zijn om hoge datasnelheden bij lage uitvalkansen te handhaven. Deze relatie vormt een basis voor het ontwikkelen van adaptieve interleaving-strategieën in toekomstige terrestrische FSO-systemen, waarbij men verder gaat dan theoretische modellen naar experimenteel gevalideerde ontwerpparameters.