Optimizing the performance of visible light communication system with angular diversity
Görünür ışık haberleşmesinde açısal çeşitleme ile sistem performansının en iyilenmesi
- Tez No: 653865
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SULTAN ALDIRMAZ ÇOLAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Telsiz bağlantılar günümüzde hayatımızın önemli bir parçası haline geldi. Telsiz cihazların sayısı yüksek veri hızlarına olan talep ve sürekli bağlantıda olma talebi her geçen gün artmaktadır. Nesnelerin İnterneti (Internet of Things, IoT) ve Yapay Zeka (Artificial Intelligence, AI) ile ilgili hizmetlerin ortaya çıkmasıyla birlikte, yüksek veri hızı ve mutlak bağlantı ihtiyacı gelecekte daha da artacaktır. Ancak böyle bir artış, tüm yeni kullanıcıları birlikte yer alabileceği etkin bir yöntem gerektirir. Radyo frekans spektrumu şuan çok sıkışık durumdadır. Araştırmacılar, sözkonusu bu yeni kullanıcıları iletişim sistemine dahil edebilmek için, lisanssız bandları ve kaynakları henüz işletilmeyen görünür ışık spektrumunu kullanmaya karar verdiler, böylece Görünür Işık iletişim (Visible Light Communication, VLC) sistemlerinin temelini oluşturdular. VLC sistemi, elektromanyetik spektrumunun bir parçası olan görünür ışık ile iletişimin gerçekleştirildiği bir sistemdir ve çoklu Işık Yayan Diyotlardan (Light Emitting Diodes, LEDs) ve Fotodetektörlerden (Photodetectors, PDs) oluşur. Bunların içinde iletişim elektromanyetik spektrumun görünür kısmı aracığıyla gerçkleşir. VLC, özellikle iç mekan ortamlarında çok sayıda uygulamaya sahiptir. VLC için mevcut optik bant genişliği birkaç THz'dir, ancak elektrik bant genişliği sadece birkaç MHz ile sınırlıdır. Yüksek veri hızı gereksinimini karşılamak için Çok-Girişli Çok-Çıkışlı (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) teknikleri benimsenmiştir. İç mekan MIMO-VLC sistemleri için kritik zorluklardan biri kanal korelasyonudur. İç ortam nedeniyle, özellikle görüş hattı sahıp (Line of Sight, LoS) senaryolar düşünüldüğünde sönümleme bileşenleri yoktur. Sonuç olarak, iç mekan MIMO-VLC kanalları yüksek derecede korelasyona girerek sadece düşük çeşitlilik kazancı sağlar. Benzer şekilde, bir MIMO-VLC sistemindeki çoklu veri akışlarının başarılı bir şekilde çözülmesi de yüksek kanal korelasyonu tarafından önlenir ve bu da düşük performansa neden olur. Bu nedenle, ilişkili kanal matris girişlerinin bu zorluğunun üstesinden gelmek için bir mekanizma mevcut olmalıdır. Kanal ilintisini en aza indirmek için, Açısal Çeşitlilik Alıcı (Angular Diversity Receiver, ADR) yapısı kullanılabilir. Bir ADR'de, kanal matrisinin elemanları PD'lerin normal vektörlerine bağlıdır. ADR tabanlı bir MIMO-VLC sistemi, PD'lerin normal vektörlerinin farklı yönlere yönlendirileceği bir şekilde tasarlanır. İlgili normal vektörler PD'lerin Yükseklik Açılarına (Elevation Angle, EA) bağlıdır, bu nedenle EA'ların değiştirilmesi ile ilgili normal vektörler değiştirilebilir. EA tüm PD'ler için aynı kabul edilir, dolaysıyla sabit bir EA için, MIMO-VLC sisteminde sabittir. Bu tezde, Piramit Alıcı (Pyramid Receiver, PR) adı verilen özel bir ADR türü ele alınmıştır. Değişken EA'ya sahip bir iç mekan MIMO-VLC sistemi öneriyoruz. Değişken EA MIMO-VLC sisteminde, PD'lerin EA'ları birbirinden bağımsız olarak değişir. Böyle bir MIMO-VLC sisteminde, her PD'nin kendi özgün optimum EA değeri vardır, bu da kanal ilintisinin düşük olmasına neden olur. Yapılan benzetimlerde, sabitve değişken yükselme açılarına sahip 4x4, 4x5 ve 5x5 MIMO-VLC sistemleri ele alınmış, performansları kapasite ve Bit Hata Oranı (Bit Error Rate, BER) ölçütleri cinsinden karşılaştırılmıştır. Ayrıca, birçok iç mekan MIMO-VLC sistemleri için optimum veri hızı performansı sağlayacak şekilde uygun alıcı konumları belirlenmiştir. İç mekan MIMO-VLC sistemlerinin BER performansını belirlemek için Tekrarlı Kodlama (Repetition Coding, RC) ve Uzamsal Çoğullama (Spatial Multiplexing, SMP) gibi iletim şemaları da ele alınmış ve performansları karşılaştırılır. ADR tabanlı MIMO-VLC sisteminin performansı, Açısal Olmayan Çeşitlilik Alıcı (Non-angular Diversity Receiver, N-ADR) tabanlı MIMO VLC sistemi ile de karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, önerilen yöntemin tüm iç mekan MIMO-VLC sistemleri için daha yüksek veri hızı elde ettiğini göstermektedir. Önerilen yöntemin BER sonuçları da diğer sistemlerin BER sonuçlarından daha iyidir. Ayrıca, Görüş Alanı (Field-of-View, FoV), LED verici dizi uzunluğu ve alıcının yatay yönlendirme açısı gibi faktörlerin ele alınan sabit ve değişken EA MIMO-VLC sistemlerinin performansın üzerindeki etkisi de bu tezde incelenmiş ve tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Wireless connectivity is becoming an essential part of our life nowadays. The number of wirelessly connected devices and the demand for high data rates and continuous connectivity is increasing day by day. With the emergence of the Internet of Things (IoT) and Artificial Intelligence (AI) associated services, the need for high speed and absolute connectivity would only grow in the future. Such an increase, however, requires an efficient mechanism to accommodate all the new users. The Radio Frequency (RF) spectrum is already very congested. In order to accommodate these new users, researchers decided to harness unlicensed and mostly unexploited resources in the visible light spectrum for communication, thus, becoming the foundation for Visible Light Communication (VLC) systems. A VLC system is composed of multiple Light Emitting Diodes (LEDs) and Photodetectors (PDs) in which communication takes place via visible part of the Electromagnetic (EM) spectrum. VLC has numerous applications specifically in indoor environments. The available optical bandwidth for VLC is several THz, however, the electrical bandwidth is limited to only several MHz. In order to accommodate the high data rate requirement, Multi-Input Multi-Output (MIMO) techniques are adopted. One of the critical challenges for the indoor MIMO-VLC systems is the channel correlation. In an indoor MIMO-VLC system, Line of Sight (LoS) links exist between an LED-based transmitter and a PD based receiver. Due to the indoor environment, there are no fading components present, especially when LoS scenarios are considered. As a result, indoor MIMO-VLC channels become highly correlated resulting in only small diversity gain. Similarly, successful decoding of multiple data streams in a MIMO-VLC system is also prevented by a high channel correlation, resulting in poor performance. Therefore, a mechanism must be in place to overcome this challenge of correlated channel matrix entries. In order to minimize the channel correlation, an Angular Diversity Receiver (ADR) can be employed. In an ADR, the channel matrix entries depend on the respective of normal vectors of the PDs. An ADR based MIMOVLC system is designed in such a way that the normal vectors of PDs are directed in different directions. The respective normal vectors depend on Elevation Angles (EAs) of the PDs, thus, by varying the EAs, the respective normal vectors can be changed. The EA is assumed the same for all the PDs resulting in a fixed EA MIMO-VLC system. In this thesis, we consider the work of a special type of ADR called Pyramid Receiver (PR) and propose a new variable EA based indoor MIMO-VLC system. In the variable EA MIMO-VLC system, the EA of the PDs is varied independently of one another. In such a MIMO-VLC system, each PD has its own unique optimum EA value which results in a further reduction in channel correlation. In the simulations, 4x4, 4x5 and 5x5 MIMO-VLC systems with fixed and variable EAs were handled and their performances were compared in terms of capacity and Bit Error Rate (BER). Furthermore, suitablereceiver positions resulting in optimum throughput performance have been highlighted for multiple considered indoor MIMO-VLC systems. In order to determine the BER performance of the indoor MIMO-VLC systems, transmission schemes like Repetition Coding (RC) and Spatial Multiplexing (SMP) are considered and compared. The performance of the ADR based MIMO-VLC system is also compared with the Non-Angular Diversity Receiver (N-ADR) based MIMO-VLC system. The results show that the proposed method achieves higher throughput for all the considered indoor MIMO-VLC systems. The BER results of the proposed method also show improvement for some respective receiver positions. Furthermore, the impact of factors including Field-of-View (FOV) angle, LED transmitter array length, and the horizontal orientation angle of the receiver on the performance of the considered fixed and variable EA MIMO-VLC systems have also been investigated and discussed in this dissertation.
Benzer Tezler
- Visible light positioning in presence of malicious LED transmitters or intelligent reflecting surfaces
Kötücül LED vericileri veya akıllı yansıtıcı yüzeyler varlığında görünür ışık konumlandırma
FURKAN KÖKDOĞAN
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- Visible light positioning systems: Fundamental limits, algorithms and resource allocation approaches
Görünür ışık konumlandırma sistemleri: Temel sınırlar, algoritmalar ve kaynak tahsisi yaklaşımları
MUSA FURKAN KESKİN
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- The rational design of heterogeneous photocatalysts for the tandem photocatalytic hydrogen evolution and reduction of organic compounds in water
Suda tandem fotokatalitik hidrojen üretimi ve organik bileşiklerin indirgenmesi için heterojen fotokatalizörlerin rasyonel tasarımı
BEGÜMHAN KARAPINAR KOÇ
- Production and characterization of self-cleaning clay-based roofing tiles as a building material for environmental remediation
Çevresel iyileştirme için bir yapı malzemesi olarak kendi kendini temizleyen kil esaslı çatı kiremitlerinin üretimi ve karakterizasyonu
AHMET YAVAŞ
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FETHULLAH GÜNEŞ