Optimal Choice of Laser Beam Diameter in Atmospheric Communication Networks of Distributed and Mobile Type

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Relevance. The rapid development of the Internet of Things technology has led to an exponential increase in the number of different intelligent hardware connected to the Internet, which, in turn, has contributed to the emergence of a large amount of data to be transmitted over communication systems. Electromagnetic communication networks have insufficient potential to solve this problem, and optical information transmission systems via atmospheric channels are one of the real options for solving this problem. However, optical atmospheric communication systems are subject to the influence of atmospheric factors, i.e. due to absorption, scattering, and diffraction, the laser beam is weakened in power and broadens. In well-known works on the divergence of the beam, the question of the dependence of the maximum divergence of the beam on such indicators as the power of the laser source, the geometric length of the channel, and the wavelength of optical radiation is investigated. At the same time, in these works, one channel of the laser communication network is considered, and the question of choosing the diameter of the laser beam in all channels of the laser multichannel atmospheric network is not discussed. Purpose. The problem of optimal choice of the diameter of a laser beam in a multichannel atmospheric optical communication system of a distributed type is formulated, taking into account the divergence of the beam. The essence of the proposed solution, unlike well-known works that solve the optimization problem taking into account the influence of beam divergence, the solution to this goal covers both stationary and mobile versions of the network channels of the entire multichannel system. The task was solved by forming a single target functional and further optimizing it in order to identify the optimal relationship between the radius of the beam at the input of the channel receiver and the radius of the beam at the output of the radiator when applied to the atmospheric channel under consideration, taking into account the possibility of its broadening. It is shown that such an expansion of the diameter of the laser beam, according to the optimal law identified, makes it possible to achieve a maximum of the average intensity of the laser beam transmitted through the atmospheric channel to all receivers of the system. The conducted model studies of the proposed method for accounting for beam diameter broadening confirmed the possibility of obtaining an optimal ratio between the main indicators of a multichannel laser atmospheric network. Scientific novelty. A mathematical model for optimizing the choice of beam diameter in a multichannel laser atmospheric network has been developed. Theoretical and practical significance. Optimization of the proposed model made it possible to obtain an optimal ratio between the main indicators of a multi-channel laser atmospheric network of a distributed type, which can be used in the construction of such systems.

About the authors

A. M Mammadov

Azerbaijan State Economic University

Email: aflatunmasimoglu@gmail.com

References

  1. Masud M., Gaba G.S., Choudhary K., Alroobaea R., Hossain M.S. A Robust and Lightweight Secure Access Scheme for Cloud Based E-Healthcare Services // Peer-to-Peer Networking and Applications. 2021. Vol. 14. Iss. 5. PP. 3043–3057. doi: 10.1007/s12083-021-01162-x. EDN:HOLGNG
  2. Zhang Y., Ma X., Zhang J., Hossain M.S. Edge Intelligence in the Cognitive Internet of Things: Improving Sensitivity and Interactivity // IEEE Network. 2019. Vol. 33. Iss. 3. PP. 58–64. doi: 10.1109/MNET.2019.1800344
  3. Harada R., Shibata N., Kaneko S., Imai T., Kani J.I., Yoshida T. Adaptive Beam Divergence for Expanding Range of Link Distance in FSO With Moving Nodes Toward 6G // IEEE Photonics technology letters. 2022. Vol. 34. Iss. 20. PP. 1061‒1064. doi: 10.1109/LPT.2022.3199789
  4. Sahoo P.K., Yadav A.K., Prajapati Y.K., Tripathi R. Optimum APD Gain Evaluation of FSO System for Inter-building Laser Communication Application // Select Proceedings of VCAS: Advances in VLSI, Communication, and Signal Processing. Lecture Notes in Electrical Engineering. Singapore: Springer, 2020. Vol. 587. PP. 307‒314. doi: 10.1007/978-981-32-9775-3_29
  5. Ding J., Nemati M., Ranaweera C., Choi J. IoT Connectivity Technologies and Applications: A Survey // IEEE Access. 2020. Vol. 8. PP. 67646–73. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2985932. EDN:PTUAHG
  6. Liu T., Lu D. The application and development of IoT // Proceedings of the International Symposium on Information Technologies in Medicine and Education (Hokodate, Hokkaido, 03‒05 August 2012). IEEE, 2012. Vol. 2. PP. 991–994. doi: 10.1109/ITiME.2012.6291468
  7. Masud M., Alazab M., Choudhary K., Gaba G.S. 3P-SAKE: Privacy-Preserving and Physically Secured Authenticated Key Establishment Protocol for Wireless Industrial Networks // Computer Communications. 2021. Vol. 175. PP. 82–90. DOI:10.1016/ j.comcom.2021.04.021. EDN:ODUELB
  8. Gaba G.S., Kumar G., Kim T.-H., Monga H., Kumar P. Secure Device-to-Device communications for 5G enabled Internet of Things applications // Computer Communication. 2021. Vol. 169. PP. 114‒128. doi: 10.1016/j.comcom.2021.01.010. EDN:URLIZU
  9. Huang L., Liu S., Dai P., Li M., Chang G.-K., Shi Y. Unified Performance Analysis of Hybrid FSO/RF System with Diversity Combining // Journal of Lightwave Technology. 2020. Vol. 38. Iss. 24. PP. 6788–6800. doi: 10.1109/JLT.2020.3018125. EDN:LTGOED
  10. Bloom S., Hartley W. The last-mile solution: Hybrid FSO Radio. 2002. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/The-last-mile-solution%3A-Hybrid-FSO-Radio-Bloom-Hartley/d3ff29c18df55d5fb8baf4372adddc2399ceb121 (Accessed 28.03.2025)
  11. Guiomar F.P., Lorences-Riesgo A., Ranzal D., Rocco F., Sousa A.N., Fernandes M.A., et al. Adaptive Probabilistic Shaped Modulation for High-Capacity Free-Space Optical Links // Journal of Lightwave Technology. 2020. Vol. 38. Iss. 23. PP. 6529–6541. doi: 10.1109/JLT.2020.3012737. EDN:XYPJOZ
  12. Rangan S., Rappaport T.S., Erkip E. Millimeter-Wave Cellular Wireless Networks: Potentials and Challenges // Proceedings of the IEEE. 2014. Vol. 102. Iss. 3. PP. 366–385. doi: 10.1109/JPROC.2014.2299397
  13. Zhao Z., Liao R., Zhang Y. Impact of Laser beam deverging angle on free-space optical communications // Proceedings of the Aerospace Conference (Big Sky, Montana, USA, 05‒12 March 2011). IEEE, 2011. doi: 10.1109/AERO.2011.5747410
  14. Killinger D. Free-Space Optics for Laser Communication Through the Air // Optics and Photonics News. 2002. Vol. 13. Iss. 10. PP. 36–42. doi: 10.1364/OPN.13.10.000036
  15. Farid A., Hranilovic S. Outage Capacity Optimization for Free-Space Optical Links with Pointing Errors // Journal of Lightwave Technology. 2007. Vol. 25. Iss. 7. PP. 1702‒1710. doi: 10.1109/JLT.2007.899174
  16. Ren Y., Dang A., Luo B., Guo H. Capacities for Long-Distance Free-Space Optics Links Under Beam Wander Effects // IEEE Photonics Technology Letters. 2010. Vol. 22. Iss. 14. PP. 1069‒1071. doi: 10.1109/LPT.2010.2050468. EDN:ODHBUJ
  17. Peppas K.P., Datsikas C.K. Average Symbol Error Probability of General-Order Rectangular Quadrature Amplitude Modulation of Optical Wireless Communication Systems Over Atmospheric Turbulence Channels // Journal of Optical Communications and Networking. 2010. Vol. 2. Iss. 2. PP. 102–110. doi: 10.1364/JOCN.2.000102
  18. Arnon S. Effects of atmospheric turbulence and building sway on optical wireless communication systems // Optics Letters. 2003. Vol. 28. Iss. 2. PP. 129‒131. doi: 10.1364/OL.28.000129
  19. García-Zambrana A., Castillo-Vázquez B., Castillo-Vázquez C. Asymptotic error-rate analysis of FSO links using transmit laser selection over gamma-gamma atmospheric turbulence channels with pointing errors // Optics Express. 2012. Vol. 20. Iss. 3. PP. 2096‒2109. doi: 10.1364/OE.20.002096.
  20. Mitsev T., Kolev N., Ivanov H., Dimitrov K. Optimum Divergence of the Transmitter Optical Radiation in FSO Systems // Proceedings of the 6th International Conference of Environmental Science and Technology (ICEST 2012, Veliko Tarnovo, Bulgaria, 28‒30 June 2012). 2012.
  21. Singh H., Miglsni R., Mittal N., Gaba G., Masud M., Aljahdali S. Design and analysis of commercially viable free-space optical communication link for diverse beam divergence profiles // Frontiers in Physics. 2021. Vol. 9. doi: 10.3389/fphy.2021.778734. EDN:UHUYWI
  22. Andrews L.C., Phillips R.L. Laser Beam Propagation through Random Media. Bellingham, Washington: SPIE, 2005. 783 p. doi: 10.1117/3.626196. EDN:YCTRZM

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».