Design and analysis of optical wireless communication systems under energy constraints
Optik kablosuz iletişim sistemlerinin enerji kısıtları altında tasarım ve analizi
- Tez No: 856407
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT UYSAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
OWC, iletis ̧im alanında, kablosuz veri iletimi ic ̧in ıs ̧ık dalgalarını kullanır (yani, LEDs veya LDs) ve fiber optiklere kıyasla kapasitesi c ̧ok daha yu ̈ksek ve RF rakipleri tarafından desteklenemeyen bir LOS bag ̆lantısı sunar. Optik spektrumda c ̧alıs ̧tıkları mu ̈dahaleye kars ̧ı bag ̆ıs ̧ıktırlar. Ayrıca, is ̧letim ic ̧in alan veya bag ̆lantı lisansı gerektiren RF bag ̆lantılarına kıyasla OWC iletis ̧im sistemlerinde lisans u ̈creti gerekmemektedir. OWC, FSO ve UOWC gibi alt dalları ic ̧erir. FSO, serbest uzayda kızılo ̈tesi dalga boylarında c ̧alıs ̧an lazer vericilerini kullanır. O ̈zellikle daha hızlı veri hızları, gelis ̧mis ̧ gu ̈venlik ve fiziksel kablolar veya RF ag ̆ları uygun olmayan yu ̈ksek veri gec ̧is ̧i uygula- maları ve senaryoları ic ̧in maliyet etkili bag ̆lantı sunar. UOWC, suda RF ve akustik sinyal- lerin sınırlamalarını ele alarak, deniz uygulamaları ic ̧in gu ̈venilir ve yu ̈ksek hızlı iletis ̧imi kolaylas ̧tırır. OWC sistemlerinde, o ̈zellikle sualtı ve ac ̧ık hava ortamlarında, enerji verimlilig ̆i, sınırlı kapasiteli pillere dayanma gereklilig ̆i nedeniyle kritik bir tasarım kriteri haline gelir ve du ̈zenli s ̧arj veya deg ̆is ̧tirme gerektirir. Bu tez, OWC ic ̧inde enerji verimlilig ̆inin o ̈nemine odaklanır ve o ̈zellikle enerji kaynakları sınırlamalarıyla kars ̧ılas ̧an hava ve sualtı ag ̆larını hedefler. Sualtı ortamlarda, USNs, kirlilik izleme, deniz akıntıları analizi, ekipman kontrolu ̈ is ̧birlig ̆i gerektiren go ̈revler ic ̧in dag ̆ıtılır. Senso ̈r du ̈g ̆u ̈mleri deniz c ̧evresine yayılmıs ̧tır ve veri genellikle bir kapı du ̈g ̆u ̈mu ̈nde toplanır, genellikle bir batık veya destek gemisidir. Veri iletimi tek atlamalı veya c ̧oklu atlamalı rotalar aracılıg ̆ıyla gerc ̧ekles ̧ebilir ve c ̧oklu atlamalı iletimler, bireysel du ̈g ̆u ̈m arızalarından kaynaklanan kesinti riskini tas ̧ır. C ̧oklu atlamalı veri iletimi durumunda, senso ̈r du ̈g ̆u ̈mleri veri aktarma ve yo ̈nlendirme ic ̧in enerji tu ̈ketir. Bu sorunu ele almak ic ̧in tez, veri iletimi gereksinimini ortadan kaldıran AUVs kullanımını o ̈nerir ve enerji tu ̈ketimini azaltır. AUV'lerin her bir senso ̈r du ̈g ̆u ̈mu ̈ne yakınlıg ̆ı ayrıca kendi veri iletimleri ic ̧in gereken enerjiyi azaltır. Ancak, AUVs, veri iletiminde gecikme ve yu ̈ksek enerji tu ̈ketimi gibi zorluklarla kars ̧ılas ̧ır. Tez, USNs ic ̧inde AUV destekli veri toplama ic ̧in verimli rotaların uygulanmasını aras ̧tırır. Ayrıca, sualtı ortamlarında enerji verimlilig ̆ini daha da artırmak ic ̧in gu ̈nes ̧ enerjisiyle c ̧alıs ̧an AUVs tanıtır. Gu ̈nes ̧ panellerini entegre ederek, AUVs, daha uzun dayanıklılık, maliyet etkili is ̧letmeler ve c ̧evre dostu c ̧o ̈zu ̈mler elde eder. Gu ̈nes ̧ten enerji toplamanın mu ̈mku ̈n oldug ̆u farklı cog ̆rafi konumlar, yılın farklı gu ̈nleri, gu ̈nde farklı saatlerde ve saf deniz, temiz su, sahil suyu, liman suyu gibi farklı su tu ̈rlerinde modellenir. Aras ̧tırma, gu ̈ndu ̈zleri pilları s ̧arj etme ve geceleri anket yapma zorlug ̆unu ele alır ve enerji toplama ve anket verimini en fazla artıran en uygun 3D rotayı sunar. Ac ̧ık hava ortamlarında, UAVs, iletis ̧im ag ̆ları ic ̧in c ̧ok yo ̈nlu ̈ ve maliyet etkili c ̧o ̈zu ̈mler sunar. Geribag ̆lantıbag ̆lantısıic ̧insabitkanatlıUAVsvedo ̈nerkanatlıUAVs'lerinher ikisini de aras ̧tırır ve o ̈zellikle gu ̈nes ̧ enerjisiyle c ̧alıs ̧an UAVs'ler kullanarak enerji ver- imlilig ̆i sag ̆layan yaklas ̧ımlara vurgu yapar. O ̈zellikle, gu ̈nes ̧ enerjisiyle c ̧alıs ̧an do ̈ner kanatlı UAVs'ler, hu ̈cresel ag ̆larda verimli geri bag ̆lantı sag ̆lama potansiyelini aras ̧tırır ve FSO teknolojisini kullanır. Tez, enerji toplama ve tu ̈ketimi arasında denge sag ̆lamayı amac ̧layan bir yu ̈kseklik optimizasyon sorununu tanıtır. Ayrıca, bu platformların enerji toplama ve tu ̈ketim yo ̈nlerini analiz eden bir deg ̆erlendirmeyi ic ̧erir. Ayrıca, havadaki ag ̆ların enerji verimlilig ̆ini artırmak ic ̧in, UAVs/ HAPs kablosuz olarak s ̧arjetmekic ̧inlazerenerjisiiletimio ̈nerilir. Buteknoloji,yu ̈ksekverimlilig ̆iveuzun mesafelere enerji iletim yeteneg ̆ini kullanması nedeniyle dikkat c ̧ekmektedir. Bu, gu ̈c ̧lu ̈ lazer ıs ̧ınlarını, lazer enerjisini elektrig ̆e do ̈nu ̈s ̧tu ̈ren bir fotovoltaik hu ̈cre ile donatılmıs ̧ bir alıcıya kablosuz olarak iletmek anlamına gelir. OWC bag ̆lantılarının enerji verimlilig ̆ini artırmak ic ̧in SLIPT kullanılabilir. SLIPT, hem gu ̈c ̧ hem de veri transferini aynı anda kablosuz olarak iletmek ic ̧in ıs ̧ık yog ̆unlug ̆unu kullanır. Gu ̈c ̧ ve veri transferini aynı OWC bag ̆lantısında birles ̧tirerek, SLIPT, geri bag ̆lantı bag ̆lantısının performansını ve o ̈mru ̈nu ̈ artırma potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Optical Wireless Communication (OWC) is a field in communication that employs light waves (i.e.,Light Emitting Diodes (LEDs), or Laser Diodes (LDs)) for wireless data trans- mission, and provides a Line of Sight (LOS) link with a capacity comparable to fiber optics and much higher than those that can be supported by Radio Frequency (RF) counterparts. In addition, since they operate in optical spectrum, they are immune to interference. Further- more, unlike RF links which require either area or link license for operation, no licensing fee is required in OWC communication systems. OWC encompassing sub-branches like Free Space Optical (FSO) and Underwater Op- tical Wireless Communication (UOWC). FSO uses laser transmitters operating at infrared wavelengths through free space. It specifically offers faster data rates, improved security, and cost-effective connectivity suitable for high-data-throughput applications and scenar- ios where physical cables or RF networks are impractical. UOWC addresses the limitations of RF and acoustic signals in water, facilitating reliable and high-speed communication for marine applications. In OWC systems, particularly in underwater and outdoor environments, energy effi- ciency becomes a critical design criterion due to reliance on batteries with limited capacity, requiring regular and costly recharging or replacement. This dissertation focuses on the significance of energy efficiency in OWC, specifically targeting airborne and underwater networks facing energy resource limitations. In underwater environments, Underwater Sensor Networks (USNs) are deployed for collaborative tasks such as pollution monitoring, ocean currents analysis, equipment con- trol, and mineral exploration. Sensor nodes are scattered throughout the marine environ- ment, and data is collected at a gateway node, typically a buoy or support vessel. Data transmission can occur through single-hop or multi-hop routes, with multi-hop transmis- sions posing the risk of disruptions from individual node failures. In the case of multi-hop data transmission, sensor nodes consume power for data relaying and routing. To address this, the dissertation proposes the utilization of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for data collection, eliminating the need for data relaying and reducing energy consump- tion. The proximity of AUV to each sensor node also decreases the power required for their own data transmission. However, AUVs face challenges like latency in data delivery and high-power consumption. The dissertation explores the implementation of efficient trajectories in AUV-assisted data collection within USNs. Furthermore, the dissertation introduces solar-powered AUVs to further enhance en- ergy efficiency in underwater environments. By incorporating solar panels, AUVs achieve longer endurance, cost-effective operations, and environmentally friendly solutions. We model the energy harvesting from the Sun considering different geographical locations, different days of a year, different times in a day at different depths and types of water in- cluding pure see, clear water, coastal water, harbor water to asses the energy harvesting made possible from the Sun in underwater environments. The research addresses the chal- lenge of charging batteries during the day and conducting surveys at night, presenting an optimal Three-Dimensional (3D) trajectory that maximizes energy harvesting and survey efficiency. In outdoor environments, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) present versatile and cost- effective solutions for communication networks. This study explores both fixed-wing UAVs and rotary-wing UAVs for backhaul connectivity, with a particular emphasis on energy- efficient approaches utilizing solar-powered UAVs. Specifically, solar-powered rotary-wing UAVs are investigated for their potential to enable efficient backhauling in cellular net- works, leveraging FSO technology. The dissertation introduces an altitude optimization problem aimed at striking a balance between energy harvesting and consumption. Addi- tionally, the research includes an assessment of High Altitude Platforms (HAPs) which is a specific type of fixed-wing UAVs operating at high altitudes in the stratosphere layer (17km-20km). The evaluation focuses on analyzing the energy harvesting and consumption aspects of these platforms. Additionally, to enhance the energy efficiency of airborne networks, laser power beam- ing is proposed to charge the UAVs/HAPs wirelessly. This technology is gaining attention due to its high efficiency and ability to transfer power over long distances. It involves using powerful laser beams to transfer energy to a receiver equipped with a photovoltaic cell that converts the laser energy into electricity. In addition to that, to further enhance the efficiency of OWC systems, Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer (SLIPT) is investigated. SLIPT utilizes light intensity to transfer both power and data at the same time. By combining power and data transfer in the same OWC link, SLIPT has the potential to enhance the performance and lifespan of the backhaul link.
Benzer Tezler
- Physical layer security performance of satellite networks
Uydu ağlarının fiziksel katman güvenlık başarımı
OLFA BEN YAHIA
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
Assoc. Prof. Dr. EYLEM ERDOĞAN
- Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde insansız hava araçları için kaynak yönetim teknikleri
Resource management techniques for unmanned aerial vehicles in next generation communication systems
UYGAR DEMİR
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK TOKER
- QoS-based resource management and optimization in CR-based NOMA networks
CR tabanlı NOMA ağlarında QoS tabanlı kaynak yönetimi ve optimizasyonu
ÖMER FARUK AKYOL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİHA TEDİK BAŞARAN
- On optimization of wireless multimedia broadcasting
Kablosuz çoğulortam yayınında eniyileme üzerine
ÇAĞDAŞ ATICI
Doktora
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. M. OĞUZ SUNAY
- Resilient ultra dense networks under UAV coverage for disaster management
Afet yönetiminde İHA'lar ile dayanıklı ultra yoğun ağlar
ELİF BOZKAYA
Doktora
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BERK CANBERK