Systèmes de Communication Optique Aérienne Utilisant la Diversité Spatiale: Analyse de Performances en Considérant desÉvanouissements Corrélés

Free-space optical (FSO) communication is a high-bandwidth, license-free, and cost-effective technique, which has attracted significant attention since a few years for a variety of applications and markets. Under clear weather conditions, one of the main impairments that limits the performance of FSO links is the atmospheric turbulence, which induces signal fading at the receiver. To mitigate the turbulence-induced fading, the most practical and widely-used solution is spatial diversity that can be realized by employing multiple apertures at the receiver and/or multiple beams at the transmitter. However, this technique loses its efficiency under the conditions of correlated fading on the underlying sub-channels. This thesis focuses on accounting the effect of fading correlation on the FSO system performance. For this purpose, we firstly evaluate the fading correlation coefficients in space-diversity FSO systems via wave-optics simulations, and study the impact of different system parameters and turbulence conditions on it. Then, we propose methods for generating correlated Gamma-Gamma (ΓΓ) random variables in view of evaluating the system performance via Monte Carlo simulations. Also, we propose approximations to the sum of correlatedΓΓ random variables to evaluate the link performance analytically. Furthermore, we study different space-time schemes for space-diversity FSO systems and investigate the trade-off between the transmission rate and the link performance. Finally, via some experimental works, we study the effectiveness of fading mitigation by aperture averaging and receive diversity for an FSO link in a controlled laboratory environment.Les communications optiques en espace libre, connues sous le nom du FSO (Free-Space Optics), sont considérées comme une solution intéressante pour les transmissions sans-fil à très haut-débit, et depuis quelques années, elles sont étudiées avec beaucoup d’attention dans de nombreuses applications. En présence de conditions d’atmosphères claires (absence de précipitations, aérosols, etc.), un des problèmes majeurs auxquels un système FSO doit faire face, est celui causé par les turbulences atmosphériques. En effet, celles-ci sont à l’origine des évanouissements du signal au niveau du récepteur affectant considérablement les performances du système. Pour faire face à ces évanouissements, la solution la plus pratique et couramment utilisée est celle de la diversité spatiale, qui peut être réalisée en utilisant des lentilles multiples à la réception, des faisceaux multiples à l’émission, ou une combinaison de ces deux techniques. Néanmoins, cette solution perd son efficacité dans les conditions d’évanouissements corrélés sur les souscanaux correspondant. Cette thèse est donc consacrée à l’étude de l’effet de cette corrélation sur les performances du système. Pour cela, dans un premier temps, nous quantifions les coefficients de corrélation dans les systèmes FSO à diversité spatiale à l’aide de la méthode des écrans de phase et étudions l’impact des différents paramètres du système et l’influence des conditions de turbulence sur ces coefficients. Ensuite, nous proposons des méthodes pour générer des variables aléatoires corrélées de distribution Gamma-Gamma (ΓΓ) en vue d’évaluer les performances du système à l’aide des simulations de Monte Carlo. De plus, nous proposons des approximations à la somme des variables aléatoires de distribution ΓΓ afin d’évaluer les performances du système de façon analytique. Egalement, nous étudionsdifférents schémas de codage espace-temps pour les systèmes FSO à diversité spatiale, et étudions le compromis entre le débit de transmission et les performances du lien FSO. Enfin, à l’aide d’une série de mesures expérimentales, nous étudions l’efficacité des techniques classiques de réduction d’évanouissements, à savoir, l’utilisation d’une grande pupille (“aperture averaging”) et la diversité à la réception, dans un environnement contrôlé en laboratoire