In d o n e sian   Jou r n al of  Ele c tr i c a l  En g in e erin g   a n d  C om pu t er S c ien ce   Vol.  14, No.  1, April 2019,   pp.  303~310  ISSN: 2502- 4752,  DOI :   10.115 91/ijeecs. v 14. i 1 . pp303-310          303     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/ i j eec s   Impact of rain weather over f ree s p ace optic communication   transmission       A.K Ra hma n 1 , N Ju l ai 2 , C.B.M . R ashidi 3 ,  Nu r d ia n i   Z amhari 4 ,  S . K Sa ha ri 5 ,   N . A. A  M o h t ad zar 6 ,   M. R . M  S h arip 7   1 , 2, 4, 5, 6, 7 F a c u lt y o f  En g i n eerin g,  D ep artm en t   o f  Elect rical El e ct ronic,  U n i v ers i t y  M al aysi a S a rawak ,  M alay si a   3 Ad van ce Com m u n i cati o n   En g i neeri ng,  Cent r e of  E xcellence,  SCCE,  U n i v ersity M alay s i a P e rli s , M a l a ysia      Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Sep  2 7 ,  2 018  Re vise d N ov  26,  201 8   A c c e pte d   N ov 5,  201 8       Th is   p aper  f o c us e s   t h e   r ain  eff ect   over  F S O  lin k  m e d i um  i n  M a l a ysia   env i ro nm ent.  I n   t h is  w ork,  a   r ain  d a ta  s am p l es  t hat  c o ll ected   f ro m  Ma laysian  M e teo r olo g i cal  D epart m ent  (MM D )  t o   d eterm i ne  t he  s c a t t erin g   coe f f i ci en t ,   atm o sph e ric  attenu ati on  an d  t o tal   att e n u at io n .   F rom  t h e  an al ys i s,  the  pre c i p itation   rat e   g ive  d i ff er ent  i m pact   o ver   FS O  l i nk  wh i c h  can   caus e   th e  atten u ati on  an d  bit   erro r  rat e   i n c rease.  T h e   r esults  a ls o  s ho w  th e   com p ariso n   p aram eter  f or  o p tim a l   g eo m e tri c al   l o ss  such   a s   b e am   di vergen ce,   apert u re s ize an d receiv e r sen s iti v i ty .   K eyw ord s :   A tte nua t i on   Fr ee   s pace  opt i c   Ra i n   Sc atteri ng e f fe ct    Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d   Scien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Abdul  Rahm an Bin Kram,    D e pa rtme nt   o f  El e c t rica l   and  Ele c t ron i c E n g i nee r in g,  Uni v ersi ty  M al ays i a  Sar a wa k,  F a kult i  K e j u r u t e r aa n,  J a l an D ato  Mo h d . Musa ,  9430 0 K o t a  S am ara h an, Sar awak,  M a lays ia.   Em ail:  kara hma n @ unim a s. my       1.   I N TR OD U C TI O N    I n   t e l ec omm u n i cat i o n s ,  F r e e   S pac e   O ptic s  (F SO )  w h ich  util izes   l igh t   p r o paga t i o n   i n  free   spac e   t o   transm it da ta b etw e e n   t w o  poi nt s  ha s bec o me   a n   attra c tive   a l te r nat i ve  t o o p t ica l   f i b er   c omm unica t i on or ra d i o   fre que nc y  sys t e m   [ 1] .  V a rious  a p p l i c a t io ns  c a n   b e   a p p lied  in  F S O   sys t em s,   s uc h  a s   t he  l ast  m i le  h ig h   ban d w i d t h  i n te rne t   c o nnec t iv ity,   the   te m por a r y  h i gh   b a n d w id th   d at a   li nk s,  t h e   m obi l e   t el e pho ny   b ack h a ul   (3 G),  s a t e ll it e   li nk s  a s   w e l l   a s   t h e   v ario us  a p p l i c a t io n s   w h e re   t h e   o pt i cal   f i b ers  ca n n o t   b e  use d .  Ho wev e r  FS O   com m unic a t io n  i s   v ulne rab l e  to atm o s p h e r ic   w eathe r.   The r e  are   seve r a l  fa c t ors  w h i c h  c o n t r i b u te   t o  t h e   de gra d a t i on  o f  F S O   pe rfor ma nce,   w hi ch  i nc l ude s   sci n ti lla t i on,   a bsor pt ion   an d  scat ter i n g   [ 2],   [3].   I n   pro p a g ati o n   o f  o p t i c a l   s ig na ls,  t h e  perform ance   c han g es   eve n   m or e  ea s i l y ,   esp e c i a lly   i n  va ryin g  w eathe r  e f fec t s.   F og,   r ain,   d u s t ,   s n o w ,   s m oke,   an d  ot her   aer oso l   part icu l a t e  m a tt e r   p rima ril y   a t t en ua te  t he sig nal-c a rr yin g   l a s e r  beam [4].  Th is  w ork  foc u ses  on  a t te nu ati o n  d u e  t o   r a i n f a ll,  w h i ch   i n  tur n   g e n era t e s   t h e   s ca tt eri n g   eff e c t .  S c atteri ng  is   c a u se d b y  par tic l e s suc h  a s   fog,  haz e a n d   r a i n . T he t ype  o f sc a tter i n g  is de t e rm ined  b y  the   s i ze of  the s o urc e  part i cle s . S c a tterin g  cause d  by pa r t ic l e s w h ich a r e   eq u a l   o r  l a r ge r  co mp are d  t o t h e t r an smitt e d   ligh t  w a ve l e ng th  i s   re fe rred  t o   a s  Mi e   sca t ter i ng.   T o  a n a l yz e  the  sc a t t erin g  ra t e   i n  the s e  ca ses,  i t  is  m ore   appr opr i a t e   t o  use   ge om etric  op t i c s .  In  s c a t t e r in g,  e nergy  i s   t a k en  f r o m  t h e  be am   w he n   the  bea m   e nc ou n t ers   p a rti c l e s  o r   m ol e c ul es  o f  di ff ere n t   si ze s  an d   sh ap es .  Thu s ,  th e   m ain  a t m o sphe r i c  a tte nua tio n  c o m p o n e n t   w a s  assum e d t o  b e   on l y  of sca t t e ri ng   l osse s. O the r  fac tor s  su c h a s   d u s t  or l i q u i d   pa rt ic les in  a ir co u ld a ls o pr oduc e   scat ter i n g ,   gi ve n tha t   t he re  a r e  irr egulari t ies o n   t he  s ig na l-e nt r y  s u r f a ce .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2502- 4752  I n do n e si an  J  E l e c   E n g   &   C o m p  S ci , V o l .   1 4 ,   No. 1, April 2019 :   303 –  3 10  30 4 P r evio us  r e s ear cher s  ha ve  b e e n  i nve st iga t i n g  t o   d e t er mine   t he   l ev el   o f   att e nu at i o n   du e  ra i n f a l l ,  a n d  rela tin g  i t   t o  the   ra in  r ate  [ 5 ],  [ 6],  [7],   [ 8].  H o w e ver,   m ost  of  t he   r e s e a r c h es  w e r e  fo cuse d  o n   E ur ope an   w e a t he r,   a nd   m in i m al  e f f ort  ha s  be en   c ha nne l e d  t o   i n v es t i ga te   t h i s  e f fe ct  i n  t h e  t r o p i c a l   r eg io n,     w h ic h  ex per i e n ce s  a   s i gn ific ant  am ou n t   o f  r a infa l l .  A n   a l m ost - d ai l y   r ain f a l l   w h i c h   tot a ls  u p   to   b e t we e n   1500  and  2 0 0 0   m m   ann u a l l y ,  w a s  c e rtai n  t o   i n f lu enc e   t he  qua li t y   t ra n sm issio n   of  F S O   l i n k  de pl oye d.  T his  e f fort   w ill  a d dress  t h is  v aca nc y  t o   a   s ig n i fica n t   e xte n t,  w ith  p re cise   m athem a t i c a l   r elat i o n s ,   der i ve d  an d  im pro v e d   over  t h e ye ars  by var i o u s r e sea r che r s [9]   c o u p le d  b y  simu l a t i o n s us in g O p t i S y s t e m  softw a r e.       2.   RESEARCH  M ETH O D    A.   The o re tic al    The  at te nua t i o n   o f  lase r  pow er  by  r a in  can  b e  ca lc u l at ed  a n d   i s   b es t   de scribe d  b y   Bee r’s  l aw    [1 0],   [11] :    () () (0 ) R PR R e P   ( 1 )     whe r e  R  i s   t h e   l ink  ra n g e  i n   m ete r s,  τ (R)  is  t he  t ra nsm i tt a n ce  a t  r a n g e  R   ( k m ) ,  P ( R )   i s   t h e  l a s e r   pow er  at  range   R .   P ( 0)  i s  the l a se r pow e r  a t the  so ur ce  (Wa t t )   and   is the  sc atter i n g  c oe ff i c ien t  ( 1 km ).     The  sc at teri n g   c oe ffic ie nt  c an   b e   calc u l a t e d  by  usin g  S t rok e   L a w   [12].   The  sc at teri n g   c oe ffic ie n t   due  t o  rain  w it h dr o p s  of  r adi u s  a ,   is def i n es  as:     rainsc at n   (2)     Where  n   i s  t h e   num ber   of  r ai ndr ops  p er   u n i t   v o lum e   f or  d r ops  w i t h  rad i us  a ,  a n d   σ,  t he   s c a t t e ri ng   cross  se cti o n,     2 s ca t t aQ   ( 3 )     (Q ) sca t   i s   t h e   wav e l e ng th -d ep e n d e nt   s ca tt ering   e f fi c i en cy   f ro m  t h e   Mi e   t h e o r y  [13][1 4].   N o w ,   f or   x =   2π a/ λ   >>  1,   (Q) sc at   appr oac h e s   2   a s  a  li m i t  [ 13] ,  [14 ] .  The   aver age   rain drop s  siz e   is  a bou t  0. 05  cm .   F o r   infra r ed  w avele n gt hs  o f  inter e s t ,  e . g. ,  3- 5μ  o r  8-1 5 μ,  t hen   x ≈  30 0 - 100 0;   t hu s  (Q) sca t   =   2.   T he   s ca tt er i n g   c o eff i ci ent   b eco me s     2 2 ra i n sc a t t na  ( 4 )     I t   w as  f ou nd  exper i m e nta lly   t ha t  t h e  rain   p a r tic le  s ize   dis t r i b u t io n  i s   a   f unc t i on  of  t he  t o t a l   prec i p ita ti o n  ra t e Z  [15].   Z a  i s   r ela t e d  to Z  in  t he f oll o w i n g  m anner :     a zz   (5)     Where  Z a  i s  t h e   r at e   o f   r ai nf al l  i n   c m (d ep th  of  wat e r) p e r se co nd  f o r  d r ops w it h r a d i us  a , and  α   is the  f r ac t i on   o f  t o t a l   v o lu me   r ea c h i n g   g r oun d  c o n t ri but e d   by  d r o p s   o f  radius   a .   S i nce   t h e   me asure d   v a l ues  of  t h e   ext i n ct io n  coe fficie n t  d u e  to   r ain  a r e  usu a lly  p rese nt ed  a s  a   f unc tio n  of  t he   t o t a l   p r e cip ita ti o n   r a t e  [16] ,   it  is  u se fu l  to  e xp r e ss   t he   calc u la te d  c o e f f i c i ent  in  t erm   of  t he  s am e  par a meter.   β rai n s cat  ca n  be   r elate d   t o  Z a   by  firs t no t i ng  t h a t .    a a a z v n V   (6)     Where   ρ  =  de ns ity  o f  w a te r,  2   g m/cc ,  V a  =   te rmina l   v e l oc i t y  o f   r a i ndr ops  s ize   a ,  cm/sec,  V a  =   vo lum e   o f  eac h ra indr op s  of  r adi u s  a ,  4πa 3 /3   S ubst i t ut i ng (6 )  into  ( 4)  y i e l d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i    IS S N : 2502- 47 52       Im pac t   o f  ra in   we athe r ove r  f r ee  space  o p tic  com m u n ic ati o n tr ansm i ss io n (A. K   Rahm a n )  30 5 1 31 2 a ra i n sc a t t a Z cm va  ( 7 )   Ter m inal ve l oc ity  o f a   ra ind r o p  thr ou g h  a i r  c a n  be   ob ta in ed  by  a  Stroke  L aw:    2 2 9 ag v   (8)     Where ,   a s  be fore ,  ρ   =  dens it y  of  t he  d ro ple t ,  1   gm/cc ,   a   =   r adi us  o f  t h e  ra i n dr op ,   cm,  g  =  ac cele r at io n d u e   t o  grav it y,  980  cm /sec 2,   η = vi scos i t y   o f   t he  air, 180  x 1 0 -6    S ubst i t ut i ng (8 )  into  ( 7)  w il l  sim p ly  t he e x p ressi on for  β ra i n s c a t t   :    61 3 1 . 25 10 a rai n sc att Z x cm a      ( 9 )     A nothe r  of  s i g n i fica n t   l oss   due   t o  a t m o s p he ric  tha t   m us t  be  t a k en   i nt o   a cco unt   i s  t h e  g e o m e t ri c a l  sp re adi n g   att e n u a ti o n .   G eo met r i cal   a t t e n u a ti on   o ccu rs  w he n   t h e  tra n sm itte d  be am   s pre a ds  w i t h  in cre a si ng  range .  Eve n   i n  clear   c o n d i tio ns,  the   beam   d iver ge s  a nd  a s   r esul t ,   t he  d e t e c t or  c ol lec t s  le ss  si g n al  p ow er  [ 17].   The  ge om etric   l o s s es  a r e   s impl y  the  ra ti o  o f   t he  s urface   a r e a  o f  the  re ce ive   aper ture   t o   the   s u rfac e   a r e a  of  t he  transm it  beam  a t the  rec e i v er.       Geom etrica l L o ss (GL )  =  2 3 2 1 2 2 r r r  ( 1 0 )     wher e r 1  = r adius of  t r a nsmit t e r  aper tu r e ,   r 2   =  rad i u s of  rec ei v e r a p e r tu re an d   r 3   =  ra d i u s  o f  be a m   ar ea  The  ge om etric  l o sses  de pen d   p r i ma rily  o n th e dive r g ence  a nd t h e  r ange  [ 1 8 ].     GL=   2 3 2 1 2 2 2 2 2 d d d  ( 1 1 )     wher e d 1 ,  d 2  and  d 3  are  d iam e ters. Replace d 3   w ith  R  w ill y i e l d a   fina l  ge ome t ric l o ss e x pressi on .     Geom etric  lo ss e s   ( GL)   =  2 1 2 2 )] ( [( R d d     The r ef ore,   t he  t o t a l   a t t e n ua ti o n   e x p r e ssio n   c an  b e   der i ve d.  T he   t o t a l   a t t e n uat i on  i s   a   c om bina t i o n   of  a tm os p h e r ic   a tte n u a t i on  a n d  ge om etric  lo ss.  T he  t o t a l   a t t en u ation  for  FS O  syst em  i s  actua lly  v ery  s i mple  at  a   h i g h  l e ve l   (lea v i ng  out  o pt ica l   e ffic i e n c y ,  detec t or  n oise s ,  e t c ) .  I t   c a n  b e   d e s c r i b e d   a s  a  r a t i o  o f   o u t p u t   pow er  re ceive  over   p o w e r   tra n sm i t  w hic h   i s  equa l to  g e o me trica l  loss mu lt i p l i ed  by tran s m i tta nc e a t  ra n ge R.   The  eq uat i on c a n  be   w r itte n a s  [19] :     P tra n smit rec e ive P   =   10 l og   ) ( * ) ( 2 1 2 2 R e R d d  ( 1 2 )     wh ere  d 2  =   d i am eter  r ece iver  a pe rture  ( m ),  d 1 =  dia m e t e r   t ransm i t t er   a per t ur e  (m),   =  b e a m   di verge n c e   ( mrad),  R = lin k ra nge  ( km) ,    = sca tte rin g   c oe ffic ie nt  ( 1 / km ).    B.   Si mu l a ti on  The  s i m u la ti on  se t u p   f o r   a n   F S O   c om mun i ca tio n  sys t em   i n   or der   t o   i m pl emen t   a t mo sp h e ric  atte n u a t i o n  is  s ho w n   i n  F i g u r e  1.  T he   c ontin u o u s   w a v e  l a ser s   w e re   u sed  t o   c rea t e  a  car rier  s igna l.  I n  t h is   si mul a tio n ,   t wo   t yp e s   o f  l a sers  w ere  u s e d ,  wi th   w a v el en gt hs  o f   7 8 5 n m   and   15 50 nm .  The  c a rrie r   s ig nal   w a s   then  e ncode d  thr o ugh  a  m u ltipl e xer  be fore  m odulate d  in  a n  exter na l  Mac h - Z eh nder   mo du la tor.   T he  p s e ud o- rand om   b i t   s e que nce   ge ne rator  w a s  used  t o  ge ner a te  t h e   r a n d o m  i n p u t   da ta  b it  se que nc e  a t   t he   r ate   o f   1 55M bp s.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2502- 4752  I n do n e si an  J  E l e c   E n g   &   C o m p  S ci , V o l .   1 4 ,   No. 1, April 2019 :   303 –  3 10  30 6     F i gure   1.  F r ee space  o pt ic si m ul a t i on se t u p       Aft e r  tha t ,   a  n o n- return- t o-zero  ( N R Z )  p u l s e  g e n e r a t o r   w a s  u s e d   t o   act   a s  th e   inp u t   f o r  mo dul ati o n  i n   a n  ext e rn al   m o d u l a t o r.  T he   m o d u l at ed   d at a  was   t h en  t ra n s mi t t e d   v ia   t he  free   space   o p t i c   ( F S O)   c ha nne l.    In  t he  F S O   c hanne l ,   t he   r an ge   w a s   a cti v a t e d   a nd  w a s  set  t o   1   k m .   The  atte nua t i o n   c o n si d e r e d  w a s  losse s   t ha t   w e r e  c aused  by atm o s pheri c  effec t   (ra i n   a nd  ha z e )  fr o m  lo w   to h i gh a tte n u a t i on  (1 0d B/k m  -  60dB/ k m) .   M e a n w h i l e ,  a  g e o m e t r i c a l  l o s s   w a s   d e f i n e d   w i t h  a   t r a n s m i t t e r  a p er tur e   s i z e  of  0 . 05m   a nd  a  rec e iver   a per t u r e   size  o f .   0. 2 5 m .   The   be am   d iver ge nce   w a s set  t o  1   mrad .  Al l   att e nu at ions ,  g e o m et ri c a l   l o sse s  a n d   b e a m   d i v e r g e n c e   we re  s p e ci fi e d   acco rd i n g   t o   t y p i c al  i ndu st r ia l  va lue s   i n  o r der  to   s imu l a t e   a s   c l o se  a s  pos si b l e  t o   t he r eal  e nv ironme n t .    Th e   rec e i v e r  si d e   c on si st s  o f   a   s pl i t t e r,  p hot odi od e  and   fil t e r .  Th e   sp lit t e r   s p lit s   an   o p tic al   i np u t   i n t o   t wo   o u t pu t   si gn a l   b a c k   to   c h a nn el   w a v ele n gth s   o f  785 nm  a n d   1 5 50n m,  r esp e c t iv e l y .   T h e   pho t o d i ode   w a s   use d   f or  o p tica l   t o  elec trica l   c on ve rsio n  be fo re  s igna l  fl ow   t o   a   l ow   p a ss  filte r.  T he   d ec o d e d   s i gna l  w i l l   t he n   a r r i v e  a t   s i g n a l   i n s p e c t i o n  e q u i p m e n t  s u c h   a s  t h e  B E R  a n a l y z e r   an d   Eye - Di ag ra m  a n al y z e r .  Th e   rece ived  power  was measure d  us i n g   O pt i c a l  P ower  Me t er .       3.   RESULT S   A N D   ANALY S IS   F i gur e  2  sh ow s  the  to ta l   a tte nua tio n  corr es po n d in g  t o   t he  r a i nf a l l  rate.   Tw o  de sig n s  w ith  d iffe rent   transm itt er   a nd  re ce i v e r   a pe r t ur e  si z e s  w e re   c ompa red  –  D e sig n   1  a nd  D e si g n   2 .   Bot h   a pert ure   de sign   dime n s i o ns  w e r e def i ne d base d on c o mm er cial F S O   s ystem   tha t  is  w i de ly a va ila bl e i n   m ar k e t   t o day.   I t ca n be  seen  f rom   the   gra p h   tha t  D e s ign  1 w a s  perfo rming  be tt e r   t h a n   D e sig n  2,   prod uc i n g  a low e r a t te n u a t ion  l e vel.            Fi g u r e 2 .  To t al at t enu a ti on  v ersu s rai n f a ll  rat e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i    IS S N : 2502- 47 52       Im pac t   o f  ra in   we athe r ove r  f r ee  space  o p tic  com m u n ic ati o n tr ansm i ss io n (A. K   Rahm a n )  30 7 As  t he  r e ceiv e r   diam ete r   i nc rea s e s ,  the  geo m etric  loss  was  re du ced,   co mpa r in g  t o   s ma ll   r e cei ver .   Thi s   i s   b e cau se   t h e   l a r g e r  col l ectin g   a r e a   ap ertu re   s i g ni fic a n t l y   r ed uce s   s ig na l  fl uct u a t i o n  b y   a ver a g i n g   t he   rec e ive d   w ave f orm   ov e r   t h e   a per t ure   a r e a .  Ther efor e,  i n  he av y  r ai n  co n d i tio ns  w h i c h   p r oduc e  hig h e r   t ota l   atte n u a t i o n,  t h e  depl o ym en t of  a   s m a ll tra n s m itter  an d la rg er r ec eiver   ape r ture  w il l  he l p  in im pr ov ing  t h e   li n k .  Tab l e  1  s h ow s   the  pr ed ic ti on   o f  t h e  ma xim u m   all o w a ble  rainfa l l   rate  w hic h   c oul d  im pair  t he   F S O   lin k,   a gai n s t   d iffe ren t   lin k  d i s t anc e s.  T he  r e ceive r  se nsit iv it y  w a s  assu me d  to  h a v e  a   BER  of  1 0 -9  a n d     D e s i g n  1  w a s  a n a l y z e d .   I t  c a n  b e   s e e n  t h a t   w i t h  f i x e d  r e c e i v e r   se ns it iv ity  a n d   a t   s hor t  d i sta n ce,   a   h ig her   rainfa l l   r ate  w a s  a b l e   t o  be   t ol e r a t ed  by  t h e  system .  A s   t he  l i nk  d i s t an ce   i nc rea s es,  the  t o lera ble  le vel   o f   rainfa l l   r a t e   w i l l   d ro p,   d ue  t he  r ec ei ver’ s  i n ab i l i t y  t o   r ec eiv e   suf f ic ie nt   s i g nal   p o w e r.  T h i s  pre d i c tio n   is   sign ifica n t  in   o rder   t o   de te r m ine  t h e   m a x i m u m  l a ser  t r avel i n g   d i s t a n c e   a n d   it s  corre s p o ndi ng   r ai nf a l l     rate  limi t .   F i gure   3 sh ow s   t h e   re ce ive d  p ow er  due  to t h e t o ta l atmos p h e r i c   a tte nua tio n o v e r  sys tem ’ s l i n k . It c a n  be  s ee n  tha t   f or  b ot h  w a ve l e ngt hs,  t h e   rec e ive d   pow er   uni for m ly   d e c re ase d   w i t h   t h e  i n cre a se   i n   t o t a l  atm o sphe ric  a tte n u a tio n.   T he   w avele n g t h  1 5 5 0 n m   w a s  foun d  t o   r e c e i ve   a   h i ghe r  p o w e r   leve l ,   a s  the   lo nger   w a ve l e ng th  w as  a ble t o   p ene t r a t e  a tten u a t i n g pa rt icles,  t he refo r e ,  ex p e r i en ci ng  l o w er  p o w e r  l o s s .     O n e  of  t he  f ac tors  d is cuss ed  p re vi o u sl y,  i n  r e d u c i n g   a tmos pher i c  a t t e nu a t i o n   e f f ect   w as  t he  a p pli c at ion   o f   a   n arro w  op t i cal   b ea m.  F i g u r e  4   sho w s   th e   co nseq ue n c e   o f   t h e   b e a m   di ver g ence ,    by  inve st iga t i n g  t h e   r ece i v ed  pow er  a ga in st  t he  t ota l   a tmos pher i c   e ffe c t,   f or  b o t h  w a ve le ng t h s  o f   7 8 5 n m   a nd  1 550 n m .  It   c an   b e  see n   t h a t   all   re ce ive d   p o w e r   d e c re as ed   c on st a ntl y   w i t h  a n   i ncre ase d   a t t e nua t i o n ,    with  d i f fe rent   b e a m   d i ver g en ce .  The  beam   d ive r ge nc e  o f   1   m r a d  w a s   f ou nd   t o   b e   r e c e i v in g  t h e   ma x i mu m  pow er   w hen  t r a n sm it t e d  a t   1 5 5 0nm .  A   w i de   b ea m  di v e r g ence   w i l l   c ause  a   h ig h  pow er   l oss  i n to  t he  atm o sphe re  d u r in g  transm issi on.  O n  t h e   o t h e r  hand,  a   n arr o w   be a m   tends  t o  focus  tr ansmission  s igna l   and  minim i z e   p o w er  l oss,  t hus,   hi gher   re ceive d  pow er .      Tab l e  1.  T he  P re di c t i o n  o f  M axim um  R a i nf all  Rate  a t D i ff ere n t   L ink  Ra n g e   R a n g e   ( K m )   0 .5   1   1 .5   2   2 .5   Ma xim u m   Ra i n f a ll  Ra t e   (m m / h r )   155   7 0   40   3 0   20   R e ce iv er   Se ns itivity  BE R = 1 0 -9   -42  dB m   (AP D  c o m me r c i a l l y   ty p e )  Ape r t u r e   T ra ns m i t t e r  =  0 . 05m  R e c e i ve r =   0 .2 5 m           F i gur e 3.  Rec ei ved  pow e r   v ersus t o ta l a t m o s p heric  at ten u a t i o n       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2502- 4752  I n do n e si an  J  E l e c   E n g   &   C o m p  S ci , V o l .   1 4 ,   No. 1, April 2019 :   303 –  3 10  30 8     F i gure  4.  R e cei ved  p o w e r  ver s us  a t t e n ua ti on  for  di ffe re nt be a m   diverge n ce       F i gure   5  sh ow s  re ceive d  pow e r   v er su s  the  t o ta l  atm o sp he ric  at te nua t ion  for  dif f eren t   a p erture   s iz es.   The  tra n sm i t t e r /rec eiver  a p erture   s izes  f or   b oth  D e s i g n   1  a n d  D esi g n  2  w e re   a s  di scuss e d  pre v i o us l y .   A ll  rec e i v ed  pow er   u nifor m ly  d ec rea s e d   w ith  a t t e n ua t i on  i n c r ea s e ,   a nd  th e   bes t   p e r for m i ng  se t up  w a s    D e sig n   1   t r a ns mitt ing   o n   a   1 55 0 n m   w a vele ngt h.   T he  c lea r   a dva nta ge  o f  a  lar g er  r ece iv e r   a r ea  wa s  i t s  abi l i t y  to  r e duce   err o rs  due  t o  sc in t i l l a tio n,   w hi c h   i s  a n   a tm osp h eric   t u r b u l e n c e   d u e   t o  s o l a r  loa d i n g  an d  nat u ral   con v ec tio n.  It cause s  tem pora l l y  a nd s p a t i a ll y vary i ng r e fr a c ti ve  i n d e x  cha nge s i n  t he a ir,   time - var y i n g a   la ser  bea m ’s  p ropa g a tio n  t h r o ug h   t h e  atm o sp he re.  T h is  phe n o me no n  is  a l s o   qu it e   s i mil a r  t o   t he   a p p a re nt   t w i n k li ng  o f  t h e  s t a r s   o r   d i s t a n t   c i t y  l i g h t s .  T h e  r e s u l t   i s  t h a t   a n  F S O   communic a tio ns  r ec eiver   ca n  experie n c e   e r r or   burs t s  due   t o  s u rge s   a nd   f a d e s   i n  t h e  re cei v e   s i gna l  s t r e n g t h.  U t iliz i ng  a  r ece iv e r   a pe rt u r e  w h ic h   is  r e l a t i v e l y   muc h   l a r ger   t h an  t he  s pa tia l  s c ale  o f   t he  s ci n t i l la tio n  pro v i d e s   a n  a v e r a g i n g  e f f e c t  o f   t h e   l o c a l i z e d  s u r g e s   a n d   fa des,  t h u s  i m prov in g  the   error   ra te.  Wi t h   t he  r ed u c ti o n   o f  t h i s  effec t   t he   t o t a l   a t t e nua t i o n   a l s o  ca n     be  d ecr ease d .  F i gure   6  sh ow s  the   BE R  vers us  a tte n u at i on  fo r   d i ffere n t  p h o t o  d et e c to r  at   t h e   r ec ei v e r.  T h e   g raph   i s  repr esente d  by   t w o   d e t e c t or  A P D   a nd  p- i - n   de t e c t or,   for  a  si n g l e  o p er at i n g  w a vele n g t h   ( 155 0nm ).   A c c or d i n g   from   t h e   g rap h ,   t he  a t t e nua ti o n   a t   -35 d B /km   the   pe rfor m a n ce  of  A P D   ph ot o d io de   d etec t o r   w a s  fo un d  to  b e   bet t er  t ha n   a  p - i-n  de t e c t or.  The  BE R  va lu e   for  A P D   w a s  o f   t he   or de r  1 0 -32   w h e r e a s   a   p -i -n   d et e c t o r,   o n  th e   ot her  h a n d ,  pr od uce d   B E R   i n  the  order  of  1 0 -0 5 ,  w h i c h   m a de  t he   A P D   a   m ore  pop ular   c ho ice   fo r   FS O   equ i pme n t  ve nd ors  in  t he ir  d esi g ns.  Th is   i s  d u e  to  t he   h ig h  le v e l   o f  a t te n u a t ion  w h ic h  e x is ts  i n  F S O  com m unic a t io n  sys t em s.  U sing   d e t ec t o rs  w i t h  h i g h er   s e n s iti vi ty  i n cre a se s  th e   abi l i t y   o f  a   re ce iv e r   t o   d e t ect  low e r  pow er  l e v el s  a n d   ma inta i n   t ra nsmis s ion   q u a lit y  w i t h i n   h i g h  at mo sp h e ri c  a t t e n u a ti on  c ondi t i o n s.   Th is  c o ndi ti o n   c a n  be  o bser ved  dee p l y   i n  eye  pa t t e r n  in  f ig ure   bel o w   b e tw ee n  2   di ffe r e n t   t y pe  d e t e c tors.     A  large   e y e  o p en i n g   an d  grea ter  he i g h t   l e v el   r epr e sen t s  t h e   li n k’s  g o o d   c on d i t i on,  w he rea s   a   s m a l l e r  e y e  ope n i n g  i nd i c a t es  t he  li n k s   p rone ne ss  t o  err o r.          F i gur e 5.  Rec ei ved p o w e r ve rsus at t en ua t i o n  for di f fere nt   a p e r t u r e   s i ze  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Ind ones i a n   J   E lec  En g & Co mp  S c i    IS S N : 2502- 47 52       Im pac t   o f  ra in   we athe r ove r  f r ee  space  o p tic  com m u n ic ati o n tr ansm i ss io n (A. K   Rahm a n )  30 9     F i gur e 6.  BER  v er sus  at t e nua t i on  for  differ en t ph o t o de te c t o r  a t   re ceiver       F i gure   7  a n d   8  s how s  t h e   e y e   dia g ra m  fo r  bo t h   A P D   a nd   p - i - n   f or   a   c o n st an t  a t te nua t i o n   o f  - 3 5dB / k m.  I t   can   b e   se en   t h a t   t h e  op e n ing   ey e   p a tt ern  fo r  p - i - n   w a s  sm all,  w i t h  a n   e y e   h e i g h t   o f  2. 4 3x1 0 -7 ,  w h e r e a s   t h e   o p e n i n g  e y e   p a t t e r n   f o r  A P D  w a s   s l i g h t l y  b e t t e r ,  w i t h   a   h e i gh t   a t   2 .4 9x1 0 -6 .   The  BE R  va lues  f or   A P D   and  p-i-n   p h o t o  de tec t or   w e r e  fou n d  t o be 5.26 x 1 0 -5   a n d   6 .17x 10 -32 .  It   s ho we d   t h at   a t   -35 d B/k m   t he   l i nk  w ith  t he  p -i-n  t y p e  de tec t or   w a s   p er form ing  w i th  h i gh  e r rors,  a s  the  m i nimum   BE R  l i mit  s h o u l d  be  i n  t h e   order   of  1 0 -9 .   O n   t he  c on trar y,  t h e   l i nk  w i t h   a n  A P D   detec t or   p r o d u c e d   a  muc h  low e r   BER  a nd  ope ra tin g   u n d e r g ood  c on dit i o n s .           F i gure  7.  E ye dia gr am  patter n  at  atte n u a t i on  - 35 d B /km   for  p - i-n ph ot o d i o de     F i gure  8.  E ye dia gr am  patter n  at  atte n u a tio n  - 35 d B /km  for  A P D  pho tod i ode       4.   CONCL U S ION  In   t hi s  wo rk ,  th e   st udy   o f  ra in   e ff e c t   u pon   a n   FS O  co mmu n i c a ti o n  sys t e m   i n  t h e  tro p ic al  r e g i o n   w a s  prese n t e d.  T he   r esul t  s h ow s  tha t   t he  r ai n  in  M a l ays i a  e n vir onm e nt   can   e f f e c t   t h e   t ra nsmissi o n   FSO  e s pe ci al ly   for  he av y  ra in   c on d i t i on.   T he   a t t en ua t i o n   c a n   d e t e r iorat e   l i n k   a p p r oxi ma te l y   6 0   dB/ k m.  B ased   o n  si mul a ti o n   for  op tim al  p e r for m a n ce,   t he   p ar am eter  c a n   b e   u s ed   a p p l y   b y   u s i ng   n arro w  b e am  w h i ch   r e f er  t o  smal l   transm itt er .  For rec e iver   i s  be t t e r   l a r ger size to  c ol lec t  m ore  l i g h t . In t e r m   of  o per a t i ng w a ve l e n g th,   the lo n g er  w a ve l e ng th  1 550 nm   w in d o w   is  m uch  bet t e r   due   t o  pe n e t r at i o n  a b i l it y .   M e a nw h ile  a t   rec e iv er  p art   A P D   ph o t o d e t e c t or  i s  hi gh l y   s e n s iti ve  c om par e   t o  P I N  de t e c t or .   A s   r esult   r ece i v e r   c a n   d e t e c t  a  we ak  s i gna l  t o   incre a se  p ower  r ec eived.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2502- 4752  I n do n e si an  J  E l e c   E n g   &   C o m p  S ci , V o l .   1 4 ,   No. 1, April 2019 :   303 –  3 10  31 0 ACKNOW LEDG E MEN T S   Th is  w ork  has be en s up p o rted   by My R A   g ra nt  U n i ve rs iti Ma l a ys i a   S a rawak.       REFE RENCES   [1]   A.   A kb u l u t ,   H.   G .   Il k  an d  F.   A ri,   Desi gn ,   Avail a bili ty  a nd  Rel i abi lity  A nalysi s   on  a n  Exper i mental  O u t door  F S O / R F  Co m m u n i cati on  S y stem,  IEEE,   p . ( 20 05 ).  [2]   Ro bert M .agl i a rd i Sh erman   karp ,  Op tical  Co m mun i cat ion s ,   Joh n   W i le y &   So ns,   1 9 9 5 .   [3]   Karp  Gag liard i  Mo r an S t o tts, O p ti cal Ch a nn els F i bers , Cl oud s ,  w at er, an d   t he A t m o s p h ere ,  P lenu m  Press,  19 8 8   [4]   M . Geb h art,   E .Leit g eb,   J . Bregenzer,  At mo sp heric  ef f ect s  on   O p t ic a l   W ire l e s s  l i n k s,  C o n T E L2 00 3,  V ol .2,  p p .3 95   -   40 1,   A pril  2 0 0 4 .   [5]   M .   A ch our,   Sim u l a ti ng  a t m o spheri c  f r ee-s p ac e  op ti cal  p ro pa g a tio n :   r ainfall  at tenu ati o n ,   F ree-Sp ac e  Lase r   Com m unicatio n T echno lo gi es  X IV,   P r o c .   S P IE,   v o l .  46 35,   p p . 19 2 - 2 0 1 , Apr i l  2 00 2 .   [6]   J.T.Ong ,   K .I .  T i m othy ,  Cho n g   &   S.V.B . Ra o ,   H e a v y  ra in  e ffe c t s   on   t he  p rop a g a ti on   o f   f r ee  sp ac e  op tical   l i nks  i n  S i n g apo r e,   I CAP  200 3,   ( Conf .  Pub l .  No.   4 9 1 ),V o l . 1 ,   pp.   3 65  -  36 8,   A pril  200 3 .   [7]   Vi kas  Ku ks hya,   T. S . Rapp aport,  H .  Izad pan a h,   G .   Tang on an,   R. A.  G u e rrero ,  J.K .   M en doza  an d  Brey  L ee,  F re e- S p ace  Opt i cs   &   h i ghs peed   R F   f o r  N e xt   G enerat i o n   N e t w o r k s -P ropag ati on  M easu r emen ts ,  VTC200 2  IEEE   5 6 t h   Vol.1 , pp . 61 6 -   62 0 ,  2 00 2.   [8]   [8] H a i p i ng   W u,  H am zeh.B,  Kav e hrad,   M ,   A chi e vi ng  carrier  c l a s s   a v a i l ab ilit y   o f   F S O  li nk   v ia  a   c om pl e m ent a ry   R F   li nk,  S y s t e ms  a nd  Com p uters ,   C onf eren ce  Record   o f   t h e  Thi r ty -Ei gh th  A s i l o m a r  Co nf eren c e   V o l . 2 ,   pp . 1 4 8 3   -  14 87,  2 00 4.   [9]   Hai p ing   W u   A c h ievi ng  C arr i er  C l a ss  A vai l abili ty of  F S O  L i nk  v i a  a C o m pl em ent a r y   R F Li nk   S i gnal s , S y s t e ms and   Com p u t ers. Co n f e rence Reco rd  o f th e Th irt y -Ei g h t h   A s il o m ar Co n f erence o n , 2 004.   [10]   I.  I .   Kim,  J .   Ko o n tz,  H.  H akak ha,  P.   A dh i k ari,  R .  S t i e g e r,  C .  M ours u n d ,  M .   B a r cl ay,   A .   S tan f ord ,   R .  Ru i g ro k,   J .  S c hu ster,   and   E.  K o r evaar,  M e a s u r em ent  of   s cin till a tio n  a n d  lin k  m a rg in   f or  t h e   T erraLi nk   l as er  c om m u nicatio n  sy st e m ,   Wi re les s   T echn o lo gi e s   a n d   S y s t e m s :   Mil l imet er  W av e  and   O p ti cal,   P r oc.   SPIE ,   V ol.   32 32,   pp .   1 00-1 1 8 ,   1 9 9 7.   [11]   D.   J o hns on: O ptical   T h r oug h  the  Air  Co mm un ication s   H and b o ok,  ht tp:/ /ww w . i m a g i neeri ngezi ne. c o m ,  20 06 .  [12]   Ac ho ur , M .  S i m u la t i n g   Atmo sp he ric   Fr e e   Sp ace   O ptic a l   P rop a ga tio n   P art  1,   R ai nf all   A t t e nu ation  P r oceed in g  of  S P I E  V o l . 46 35,  20 0 2 .   [13]   Van   de  H ulst,   H.   G . ,   Li gh t  S catteri ng  by  Sm a ll  P a rt ic l e s,   J oh n  Wiley  a n d  So ns ,  In c. ,   N e w Y o rk,   1957 .   [14]   Di ermen d jian ,   D .,  Electro m a gn etic S ca t t eri n g   on   S ph erical  P o l y- disp ersi on s, T he Ran d  Co rp ora t io n ,   R -4 56 -(Apr il) ;   also  American  E lsev i e r  Pu bl i s h i n g  Co m pan y ,   Ne w York ,  1 9 6 9 .  [15]   Law s ,  J.   O ,.  a nd   D .  A .   P arso ns,  Th e  Rel a tio n  o f   R ain d ro ps   S i ze  t o   I nt ens i t y ,   Trans.   A m.   G eop hysical   U ni on,   V o l .  24 ,   1 943 ,  p p .  452-46 0.   [16]   Rens ch,  D,  B .,  a n d  R.  K .  Lon g ,   Co m p arati v e  Studi es  o f   Extin cti o n  a n d   Bac k sc a t te rin g   By   A e r osols,  F og   a n d   R a i n  at 10 . 6μ an d  0 . 6 3μ ,   App .  Op t . ,   V o l .   9,  No.  7,   Ju l y  19 7 0 , pp .   1 5 6 3 - 15 73 .   [17]   L  W   Barclay,  Te r ahertz Propagat i on,   Lancaster Uni v ersity,   Book :  P rop a gat i o n   o f Radi owav es,   P u b lis h ed   D ec  2 002  [18]   Mourad Chabane,  A new   quality of service FSO  soft w are, P roc.  S P IE,  Vol .   5 46 5 , 1 80 ,  2 0 0 4 .   [19]   Blo o m,  S .   Eri c   K o r evaar,  J o h n   S ch us ter,  H ein z   W ill e brand ,   U nder s t an di ng  the  P e rf orm a nce  o f   f ree  sp ace  op ti cs   [Inv ited] ,  J o u r na l  o f   O p t ical  N etw o rk in g,  2 00 3.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.