Hybrid microwave/free-space optical transmission in the maritime environment

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Freiraum-Übertragungssystem bestehend aus einer Richtfunkstrecke und einem optischen Link vorgeschlagen und untersucht. Das Konzept basiert auf einem Richtfunksystem bei einer Trägerfrequenz von 38 GHz und einem optischen MIMO System mit einer Wellenlänge von 1550 nm. Beide Systeme wurden im Zuge einer 13.9 km langen Versuchsstrecke über Wasser aufgebaut um die beiden Kanäle zu charakterisieren. Während der Meßkampagne wurden große Datenmengen rund um die Uhr aufgezeichnet und über mehrere Monate ausgewertet. Aus diesen Datensätzen wurden Kanalmodelle extrahiert. Das gegensätzliche Verhalten von Richtfunk und optischer Übertragung gegenüber Kanaleinflüssen konnte erfolgreich gemessen werden. Des Weiteren sind die aufgezeichneten Wettereinflüsse sehr stark mit den jeweiligen Qualitäten der Empfangssignale korreliert. Eine statistische Auswertung der Daten zeigt, dass eine Vorhersage der Qualität der Datenübertragung durch entsprechende Messungen von Wettergrößen erfolgen kann. Unter Hinzunahme von theoretischen Kanalmodellen werden verschiedene Link Budgets aufgestellt und der anschließende Vergleich zu den Messdaten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Praxis. Basierend auf einer umfangreichen Untersuchung wird ein Systementwurf für das FSO MIMO Übertragungssystems vorgestellt. Ferner werden Modulations- und Codierverfahren diskutiert und schließlich erfolgt eine Optimierung des Systems mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen. Für die Simulationen werden die aus den Messdaten generierten Kanalmodelle zugrunde gelegt. Verschiedene Empfangsmetriken werden verglichen und eine neue Metrik, basierend auf einem Log-APP Detektor, wird vorgestellt, welcher Korrelationen zwischen den verschiedenen Empfangszweigen berücksichtigt. Schließlich wird das entwickelte Empfangskonzept anhand von gemessenen Datensätzen, welche in die Simulationen eingebunden werden, getestet. Neben der systematischen Untersuchung der beiden Übertragungssysteme und der Entwicklung von Algorithmen zur effizienten Datenauswertung liegt ein Hauptaugenmerk auf der Bewertung eines kombinierten hybriden RF/FSO Systems. Insbesondere werden hierzu verschiedene publizierte Ansätze verglichen und bewertet. Für das hier zugrunde gelegte Szenario, einer Übertagungsstrecke über Wasser, wird ein Systementwurf hergeleitet und hinsichtlich Anforderungen wie Verfügbarkeit und Datendurchsatz analysiert. Optimierungsstrategien können sich stark unterscheiden, je nach Anwendungsfall. Aus diesem Grunde wurde in dieser Arbeit versucht, die Auswertungen in einer entsprechenden Form darzustellen, welche es erlaubt bei bekannten Anforderungen die erforderlichen Systemparameter zu selektieren. Insgesamt kann gezeigt werden, dass mit dem vorgeschlagenen Ansatz des hybriden RF/FSO Systems ein hoher Datendurchsatz bei hoher Verfügbarkeit erzielt werden kann. Zudem stellt sich heraus, dass ein 4×4 FSO MIMO Ansatz die Degradation des Empfangssignals durch turbulenzinduzierte Szintillationen vollständig ausgleichen kann.