Visible light positioning in presence of malicious LED transmitters or intelligent reflecting surfaces
Kötücül LED vericileri veya akıllı yansıtıcı yüzeyler varlığında görünür ışık konumlandırma
- Tez No: 842044
- Danışmanlar: PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Görünür ışık konumlandırma, verici olarak ışık saçan diyotların (LED), alıcı olarak ise ışık detektörlerinin kullanıldığı yeni bir iç ortam konum belirleme çözümüdür. Görünür ışık konumlandırma sistemleri, LED'lerin günümüzde aydınlatma amacıyla geleneksel ampüllere göre belirgin avantajlarından dolayı daha fazla kullanılmasıyla beraber yaygınlaşmıştır. Bu tezde, iki farklı ana senaryo için görünür ışık konumlandırma algoritmaları geliştirilmektedir. İlk senaryoda, sistemin tamamen güvenli olmadığı, LED'lerin güçlerinin, bilinmeyen bir üçüncü parti tarafından konumlandırma doğruluğunu düşürmek amacıyla kontrol edilebildiği varsayılmaktadır. İkinci senaryoda ise sisteme konumlandırma performansını arttırmak amacıyla akıllı yansıtıcı yüzeylerin (AYY'ler) kurulduğu kabul edilmektedir.İlk olarak, bir alıcının birkaç farklı LED'den yayınlanan sinyalleri alarak konumlandırma yaptığı bir sistem ele alınmaktadır. Her LED vericisi, belirli bir olasılıkla kötücüldür ve bilinmeyen bir güç seviyesinde yayın yapmaktadır. LED vericilerinin kötücül olma olasılıklarının bilgisi kullanılarak en büyük olabilirlik kestiricisi türetilmektedir. Ek olarak, eğitim ölçümleri varlığında LED'lerin kötücüllüklerinin belirlenmesi için karar kuralları tasarlanmakta ve bu karar kurallarının sonuçlarına göre konumlandırma için en yüksek olabilirlik kestiricileri önerilmektedir. Önerilen kestiricilerin performanslarını değerlendirmek için eğitim fazlı ve eğitim fazsız senaryolarda Cramér-Rao alt sınırı (CRLB) türetilmektedir. Ayrıca LED vericilerinin kötücül olma olasılıklarının bilinmediği durumda, bir en büyük olabilirlik kestiricisi türetilmektedir. Önerilen tüm kestiricilerinin performansları sayısal örneklerle değerlendirilmekte ve CRLB ile kıyaslanmaktadır. İkinci olarak, AYY'lerin varlığında, alınan sinyal gücü tabanlı konumlandırma problemi formüle edilmekte ve incelenmektedir. Önerilen problem formülasyonunda, görünür ışık haberleşme alıcısı birkaç LED'den yayınlanan sinyalleri görüş açısı yolundan veya AYY'lerden yansıyan yollardan alabilmektedir. AYY'lerin varlığında herhangi bir kurulum için üç boyutlu genel bir konumlandırmada CRLB ve en yüksek olabilirlik kestiricisi türetilmektedir. Ek olarak, görüş açısı yollarının engellenmesi durumunda, AYY'lerin yönelimlerinin en uygun hale getirilmesi problemi ele alınmakta ve AYY'lerden alınan sinyal gücünü en yüksek yapan yönelimlerin bulunması için kapalı formda veya nümerik olarak çöözülebilen ifadeler önerilmektedir. En uygun AYY yönelimleri, alıcı konumuna bağlı olduğu için alıcı konumunun ön bilgisinin yokluğunda AYY yönelimlerini ayarlamak için N-adımlı konumlandırma algoritması önerilmektedir. Önerilen yaklaşımın performansı benzetimlerle değerlendirilmekte ve CRLB ile kıyaslanmaktadır. AYY'lerin kullanımının, yeterli sayıda LED vericisinden görüş alanında sinyal alındığı durumlarda konumlandırma doğruluğuna önemli bir iyileştirme sağlamasa da görüş alanı sinyallerinin tamamının veya çoğunun engellendiği durumlarda konumlandırma doğruluğu için oldukça önemli olduğu sonucuna varılmaktadır.
Özet (Çeviri)
Visible light positioning (VLP) is a recent solution to the localization problem in indoor environments which involves the use of light emitting diodes (LEDs) as transmitters and photodetectors (PDs) as receivers. VLP systems have increasingly been popular as LEDs are employed for illumination purposes over conventional light bulbs nowadays due to their various advantages. In this thesis, we develop VLP algorithms for two main scenarios. In the first scenario, we assume that the system is not completely secure, meaning that the transmit power of some LEDs can be controlled by a third unknown party, i.e., hijacked, to degrade the positioning accuracy. In the second scenario, we assume the deployment of intelligent reflecting surfaces (IRSs) into the system to improve the positioning accuracy in the absence of line-of-sight (LOS) signals from of a subset of LED transmitters. First, we consider a VLP system in which a receiver performs position estimation based on signals emitted from a number of LED transmitters. Each LED transmitter can be malicious and transmit at an unknown power level with a certain probability. A maximum likelihood (ML) position estimator is derived based on the knowledge of probabilities that LED transmitters can be malicious. In addition, in the presence of training measurements, decision rules are designed for detection of malicious LED transmitters, and based on detection results, various ML based location estimators are proposed. To evaluate the performance of the proposed estimators, Cramér-Rao lower bounds (CRLBs) are derived for position estimation in scenarios with and without a training phase. Moreover, an ML estimator is derived when the probabilities that the LED transmitters can be malicious are unknown. The performances of all the proposed estimators are evaluated via numerical examples and compared against the CRLBs. Second, we formulate and analyze a received power based position estimation problem for VLP systems in the presence of IRSs. In the proposed problem formulation, a visible light communication (VLC) receiver collects signals from a number of LED transmitters via LOS paths and/or via reflections from IRSs. We derive the CRLB expression and the ML estimator for generic three-dimensional positioning in the presence of IRSs with arbitrary configurations. In addition, we consider the problem of optimizing the orientations of IRSs when LOS paths are blocked, and propose an optimal adjustment approach for maximizing the received powers from IRSs based on analytic expressions, which can be solved in closed form or numerically. Since the optimal IRS orientations depend on the actual position of the VLC receiver, an N-step localization algorithm is proposed to perform adjustment of IRS orientations in the absence of any prior knowledge about the position of the VLC receiver. Performance of the proposed approach is evaluated via simulations and compared against the CRLB. It is deduced that although IRSs do no provide critical improvements in positioning accuracy in the presence of LOS signals from a sufficient number of LED transmitters, they can be very important in achieving accurate positioning when all or most of LOS paths are blocked.
Benzer Tezler
- 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
- Visible light positioning under hardware impairments
Donanım hataları altında görünür ışık konumlandırma
ISSIFU IDDRISU
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- Functional metal oxide surfaces: Photocatalytic, self-cleaning andmicro-/nanostructuring applications
Başlık çevirisi yok
SALİH VEZİROGLU
Doktora
İngilizce
2021
Metalurji MühendisliğiChristian-Albrechts-Universität zu KielPROF. DR. FRANZ FAUPEL
PROF. DR. LORENZ KİENLE
PROF. DR. JOST ADAM
- Cooperative visible light positioning systems
İşbirlikçi görünür ışık konumlandırma sistemleri
OSMAN ERDEM
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN GEZİCİ
- Optimal pulse design for visible light positioning under power and illumination constraints
Güç ve aydınlatma kısıtları altında görünür ışık konumlandırma için optimal sinyal tasarımı
ONURCAN YAZAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN GEZİCİ