Performance analysis of FSO Communications in desert environments

Abstract

This thesis tackles the issue of high-speed digitalization in the desert environment specially in our country. The key argument is that Free-Space Optical (FSO) communication may offer significant capacity (112 Gbps) and be cheaper than fiber in theory, but reliability failure in desert region is a serious concern because of its warm climate. The main constraining factor is not the technology as such, but the environment: severe thermal scintillation, damaging sandstorms driven by Sirocco, and complex aerosol behaviour owing to the combination of airborne dust and agricultural humidity. The study tackles this issue in two sequenced phases. The first stage is diagnostic: performance analysis of a single input single output system under diverse atmospheric scenarios to benchmark channel degradation against an established baseline. The second stage is solution-oriented represented by the proposal and performance evaluation of a multiple-input multiple-output (MIMO) architecture under specific atmospheric scenarios and a rigorous comparison to the single link to arrive at clear conclusions. With respect to Bit Error Rate (BER) and Q-Factor limits relative to Forward Error Correction (FEC), the performance of proposed MIMO-FSO system remains well above the SISO link performance. Essentially, the MIMO configuration allows for a sufficient link margin during extreme dust-storm conditions, which bridges the connectivity gap. The MIMO-FSO configuration is confirmed to the powerful engineering solution for high-speed. تتناول هذه الأطروحة مسألة التحول الرقمي عالي السرعة في البيئة الصحراوية، وخاصة في بلدنا. وتتمثل الحجة الرئيسية في أن الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر ( )FSOقد توفر سعة كبيرة ( 111جيجابت في الثانية) وتكون أرخص من الألياف الضوئية نظريًا، إلا أن فشل الموثوقية في المناطق الصحراوية يمثل مصدر قلق بالغ نظ ًرا لمناخها الحار. ولا يكمن العامل المعيق الرئيسي في التكنولوجيا بحد ذاتها، بل في البيئة: التذبذب الحراري الشديد الذي يتجاوز °54درجة مئوية، والعواصف الرملية المدمرة التي تغذيها ( رياح السيروكو)، وسلوك الهباء الجوي المعقد نتيجة لتفاعل الغبار المحمول ج ًوا مع الرطوبة الزراعية. تتناول الدراسة هذه المسألة على مرحلتين متتاليتين. المرحلة الأولى تشخيصية: تحليل أداء نظام أحادي المدخلات والمخرجات في ظل سيناريوهات جوية متنوعة لتقييم تدهور القناة مقارنةً بخط أساس محدد. أما المرحلة الثانية فهي موجهة نحو الحلول، وتتمثل في اقتراح وتقييم أداء بنية متعددة المدخلات والمخرجات ( )MIMOفي ظل أربعة سيناريوهات جوية محددة، ومقارنة دقيقة بالوصلة الأحادية للوصول إلى استنتاجات واضحة. فيما يتعلق بمعدل خطأ البت ( )BERوحدود عامل الجودة ( )Qبالنسبة لتصحيح الخطأ الأمامي ( ،)FECيظل أداء نظام MIMO-FSOالمقترح أعلى بكثير من أداء وصلة .SISOفي الأساس، يتيح تكوين MIMOهامش أمان كافيًا للوصلة خلال ظروف العواصف الترابية الشديدة، مما يسد فجوة الاتصال. وقد ثبت أن تكوين MIMO-FSOحل هندسي فعال للاتصالات عالية السرعة في المناطق الصحراوية الجافة، ويراعي تما ًما الظروف المناخية للصحراء الجزائرية