Visible light communication techniques for future generation underwater networks
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 648242
- Danışmanlar: Prof. Dr. MURAT UYSAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 149
Özet
Sualtı bilimsel veri toplama, çevresel izleme, açık deniz petrol sahası araştırmaları, deniz arkeolojisi, liman güvenliği ve taktik gözetim gibi su altı ortamlarında artan insan faaliyetleri nedeniyle su altı iletişim sistemlerine olan talep artmıştır. Kablolu haberleşme sistemleri (özellikle optik fiber sistemler) gerçek zamanlı iletişim sağlamak için kullanılabilir, ancak esnek bir çözüm olmaması, yüksek maliyet ve operasyonel dezavantajları nedeniyle çoğu pratik senaryo için kısıtlayıcı hale gelmektedir. Bu durum, su altı kablosuz \linebreak haberleşme sistemlerine olan talebi arttırmaktadır. Sualtı kablosuz haberleşme için geleneksel seçim, kilometrelerce haberleşme mesafesi destekleyebilen akustik haberleşmedir. Fakat bu sistemler, görüntü ve gerçek zamanlı video aktarımı gibi yüksek bant genişlikli sualtı uygulamaları için düşük veri hızına sahip olmaları nedeniyle (saniyede onlarca Kilobit/Saniye (Kb/s)) yetersiz kalır. Kısa ve orta menzilli haberleşme için optik iletişim, yüksek kapasiteli bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Su ortamı, mavi veya yeşil ışık dalgaboylarına (450\,nm\,\textendash\,550\,nm) nispeten etkisiz \linebreak olduğundan, Lazer Diyotlar (LD'ler) veya Işık Yayan Diyotlar (LED'ler), onlarca \linebreak Megabit/Saniye (Mb/s) hızlara ulaşan veri hızlarıyla su altı kablosuz haberleşme için kullanılabilir. Sualtı Görünür Işık İletişimi (UVLC) sistemlerine artan ilgiye rağmen, UVLC'nin \linebreak başarım sınırını araştırmaya, bağlantı adaptasyonunun faydalarını araştırmaya, Sualtı Optik Türbülansının (UOT) doğru modellenmesine, türbülans etkisini azaltmaya ve fiziksel katman algoritmalarını geliştirmeye hala ihtiyaç vardır. Bunları amaç edinerek, öncelikle ideal durumdaki referans olarak kabul edilebilecek türbülans ve işaretleme hatalarının yokluğunda UVLC sisteminin başarım sınırını \linebreak araştırıyoruz. Özellikle, yakın zamanda piyasaya sürülen kapalı-form yol kaybı oranı ifadesine dayanarak saf deniz, berrak okyanus, kıyı suyu ve liman suyunda belirli bir hedeflenen Bit Hata Oranını (BER) elde etmek için ulaşılabilecek maksimum bağlantı mesafesini araştırıyoruz. Ayrıca, röle destekli iletimin konumlandırılmasını düşünüyoruz ve hedeflenen uçtan uca BER'i karşılamak amacıyla belirli sayıda atlama ile ulaşılabilecek maksimum mesafeyi belirliyoruz. UVLC sistemlerinin başarım sınırının araştırılması, yüksek bant genişlikli sualtı uygulamaları için gerekli veri hızı ile de incelenmesini gerektirir. UVLC, gerçek zamanlı \linebreak görüntü ve video iletimi için yeterince yüksek yüksek veri hızları elde etmeyi \linebreak amaçladığından, iletim frekans seçiciliği yaşayabilir. Bu, Dikey Frekans Bölmeli \linebreak Çoğullama (OFDM) gibi verimli çok taşıyıcılı tekniklerin kullanılmasını gerektirir. Bu nedenle, adaptif bir Doğrusal Akım (DC) merkezli optik-OFDM (DCO-OFDM) düşünüyor ve türbülans ve işaretleme hataları olmadan OFDM tabanlı UVLC sistemleri bağlamında link adaptasyonunun faydalarını araştırıyoruz. Yukarıdaki noktalarda, UOT'nin UVLC sistemlerinin başarımı üzerindeki etkisi hariç tutulmuştur. Bununla birlikte, UVLC'nin başarımı UOT'den ciddi şekilde etkilenir. UOT, deniz suyunun kırılma endeksindeki dalgalanmanın bir sonucu olarak, ortalama alınan güç üzerinde anlık dalgalanmalar ortaya koymaktadır. Bu esas olarak sıcaklık ve tuzluluk dalgalanmalarından kaynaklanır. Bu nedenle, deniz suyu kırılma endeksinin türbülans dalgalanmalarının, hem sıcaklık hem de tuzluluktaki dalgalanmanın kırılma endeksindeki dalgalanmaya nasıl katkıda bulunduğunu doğru bir şekilde tanımlayan doğru bir uzaysal güç spektrum modeli geliştiriyoruz. Ayrıca, deniz suyunun hem sıcaklığı hem de tuzluluğu sabit olmadığından, derinlikle değiştiğinden ve bu nedenle dikey bağlantılar, iletim aralığı boyunca türbülans mukavemetinde değişiklik yaşayabildiğinden, dikey UVLC optik türbülans kanallarını karakterize ediyoruz. Spektrum modelimizi ve türbülans kanallarımızı kullanarak UVLC sistemlerinin \linebreak başarımını araştırıyoruz. Özellikle, zayıf ve orta / kuvvetli türbülans koşullarını göz önünde bulundurarak sönümleme katsayısının kademeli yapısına dayalı UVLC sisteminin BER başarımı için kapalı-form ifadeleri türetiyoruz. Ardından, BER'in asimptotik davranışını analiz eder ve çeşitlilik düzenlerini belirleriz. Ek olarak, UVLC sistemlerinin ortalama ergodik kapasitesi için de kapalı form ifadeleri türetiyoruz. UVLC'nin başarımı UOT'den ciddi şekilde etkilendiğinden, UVLC sistemlerinin \linebreak başarımı üzerinde farklı sönümleme önleme tekniklerinin kullanılmasının yararını \linebreak araştırıyoruz. Özellikle, mekansal çeşitliliği çıkarmak için birden fazla verici ve / veya alıcı konuşlandırılmasını düşünüyoruz. Alternatif olarak, ön çeşitliliğin karmaşıklığını önemli ölçüde azaltırken, tam çeşitliliği elde edebilen İletim Lazer Seçimi'nin (TLS) \linebreak konuşlandırılmasını düşünüyoruz. Daha sonra log-log ölçeğinde BER'nin azalan \linebreak oranındaki artımlı değişiklik olarak tanımlanan ve lognormal (LN) solma kanalları \linebreak üzerinden iletişim sistemlerinin çeşitlilik kazanımlarını ölçmek için SNR ile çeşitlilik sırası değişikliklerinin ne kadar hızlı değiştiğini ortaya çıkaran Artımlı Çeşitlilik Düzeni (IDO) kavramını öneriyoruz. Bu tezin son bölümünde, çeşitli sensör düğümlerini desteklemek için çoklu erişim sistemlerinin tasarlanmasını gerektiren Sualtı Sensörü Ağlarının (USN) pratik bir uygulamasını düşünüyoruz. İlk olarak UVLC sistemleri bağlamında uyarlanabilir Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (OFDMA) kullanımını sunuyoruz. Uyarlanabilir sistem, toplam veri hızının iki kısıtlamaya tabi olarak maksimize edileceği şekilde formüle edilmiştir: özdeş kullanıcının veri hızı ve her kullanıcının BER'ini aşmayacak şekilde, önceden tanımlanmış bir maksimum kabul edilebilir. Ayrıca USN bağlamında Dikey Olmayan Çoklu Erişimi (NOMA) ele alıyor ve ulaşılabilir NOMA kapasitesini araştırıyoruz.
Özet (Çeviri)
The demand for underwater communication systems has increased due to the increasing expansion of human activities in underwater environments such as underwater scientific data collection, environmental monitoring, offshore oil field exploration, maritime archaeology, port security and tactical surveillance. Wire-line systems (especially optical fiber systems) can be used to provide real-time communication, but their lack of flexibility, high cost and operational disadvantages become restrictive for most practical scenarios. This increases the demand for underwater wireless communications. The typical choice for wireless transmission underwater is acoustic signaling, which can support transmission ranges in the order of kilometers. It, however, falls short with its low data rate (in the order of tens of Kilobits Per Second (Kb/s)) for high-bandwidth underwater applications such as image and real-time video transmission. For short and medium ranges, optical communication has emerged as a high-capacity alternative. Since water is relatively transparent to blue or green light (450 nm – 550 nm), Laser Diodes (LDs) or Light Emitting Diodes (LEDs) can be used as transmitters for underwater wireless connectivity with data rates in the orders of tens of Megabits Per Second (Mb/s). Despite the increasing attention on Underwater Visible Light Communication (UVLC) systems, there is still a need for investigating the performance limit of UVLC, investigating the benefits of link adaptation, accurate modeling of Underwater Optical Turbulence (UOT), mitigating the turbulence effect and developing the physical layer algorithms. Motivated by these, we firstly investigate the performance limit of UVLC system in the absence of turbulence and pointing errors, which can be considered as an ideal benchmark. Particularly, we investigate the maximum achievable link distance to achieve a specified targeted Bit Error Rate (BER) in the pure sea, clear ocean, coastal water and harbor water based on the recently introduced closed-form path loss ratio expression. We further consider the deployment of relay-assisted transmission and determine the maximum achievable distance for a given number of hops to satisfy a targeted end-to-end BER. Investigating the performance limit of UVLC systems requires also studying it with the required data speed for high-bandwidth underwater applications. Since UVLC aim to achieve high data rates sufficiently high for real-time image and video transmission, the transmission may experience frequency-selectivity. This necessitates the use of efficient multi-carrier techniques such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Therefore, we consider an adaptive DC-biased optical-OFDM (DCO-OFDM) and investigate the benefits of link adaptation in the context of OFDM-based UVLC systems in the absence of turbulence and pointing errors. In the above points, the effect of UOT on the performance of UVLC systems is excluded. However, the performance of UVLC is severely affected by UOT. UOT introduces instantaneous fluctuations over the average received power as a result of the fluctuation in the refractive index of seawater. This is mainly caused by temperature and salinity fluctuations. Therefore, we develop an accurate spatial power spectrum model of turbulent fluctuations of the sea-water refraction index that accurately describe how the fluctuation in both temperature and salinity contribute to the fluctuation in the refractive index. Additionally, since both temperature and salinity of the seawater are not constant but change with depth and hence vertical links may experience variation in turbulence strength through the transmission range, we characterize the vertical UVLC optical turbulence channels. Utilizing our spectrum model and turbulence channels, we investigate the performance of UVLC systems. Particularly, we derive closed-form expressions for the BER performance of UVLC system based on the cascaded structure of the fading coefficient considering both weak and moderate/strong turbulence conditions. Then, we analyze the asymptotic behavior of BER and determine the diversity orders. Additionally, we derive closed-form expressions for the average Ergodic capacity of UVLC systems. Since the performance of UVLC is severely affected by UOT, we investigate the benefit of using different fading mitigation techniques on the performance of UVLC systems. Particularly, we consider the deployment of multiple transmitters and/or receivers to extract the spatial diversity. As an alternative, we consider the deployment of Transmit Laser Selection (TLS) that can extract full diversity while significantly reducing the complexity of the front-end. We propose the concept of Incremental Diversity Order (IDO) to quantify diversity gains of communication systems over Lognormal (LN) fading channels, which is defined as the incremental change in the decreasing rate of BER in log-log scale and determines how fast the diversity order changes with Signal-to-Noise Ratio (SNR). In the last part of this dissertation, we consider a practical implementation of Underwater Sensor Networks (USNs) that requires the design of multiple access systems for supporting several sensor nodes. We first introduce the use of adaptive Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) in the context of UVLC systems. The adaptive system is formulated such that the overall data rate is maximized subject to two constraints: identical user's data rate and BER of each user not exceeding a pre-defined maximum acceptable BER. We further consider Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in the context of USN and investigate the achievable NOMA capacity.
Benzer Tezler
- Görünür ışıkla kablosuz yeşil haberleşme sistemleri
Wireless green communication systems with visible light
DİLEK ŞENYER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHava Harp Okulu KomutanlığıElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN
YRD. DOÇ. DR. NUMAN ÜNALDI
- Görünür ışık haberleşmesi için yeni nesil fiziksel katman teknikleri
Novel physical layer techniques for visible light communication
YASİN ÇELİK
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN AKAN
- New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks
Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri
SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- İç mekan ve araç milimetre dalgası (MMW) iletişimi için kanal modelleme ve karakterizasyonu
Channel modeling and characterization for indoor and vehicular millimeter wave (MMW) communications
FAHIMEH AGHAEI
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT UYSAL
- From media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions
Ortam-tabanlı modülasyon'dan uyarlanabilir akıllı yüzeylere: Özgün indis modülasyon çözümleri
ZEHRA YİĞİT
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ