3D-printed actuator-based beam-steering approach for improved physical layer security in visible light communication
Görünür ışıkla haberleşmede geliştirilmiş fiziksel katman güvenliği için 3D baskılı aktüatör tabanlı ışın hüzmesinin yönlendirilmesi tekniği
- Tez No: 906480
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 86
Özet
Bu çalışmada, görünür ışıkla haberleşme (VLC) uygulamaları için daha gelişmiş bir fiziksel katman güvenliği sağlamak amacıyla bir 3 boyutlu yazıcı ile oluşturulmuş bir lens tarayıcısının tasarımı, üretimi ve ışın hüzmesinin yönlendirilmesi tekniği ile yapılan deneyler betimlenmiştir. Bu lens tarayıcısı, dış çerçevesi 5 x 5 cm boyutlarında olması kaydıyla polilaktik asit (PLA) materyali ve FDM (fused deposition modelling/eriyik yığma modelleme) tekniği ile tasarlanmıştır. Betimlenen bu tarama işlemi, 25 mm çaplı ve bir tarafı düzlem ve diğer tarafı dışbükey olan bir lensi taşıyan lens çerçevesinin üzerinde bulunan iki neodimyum mıknatıs ile tarayıcının dış çerçevesinin içerisinde bulunan iki bobin arasındaki elektromanyetik etkileşimler ile yapılmıştır. Mıknatıslar, lens çerçevesinin sağ üst kısmında x ile y eksenlerinde ve birbirlerine göre dik açılı olacak şekilde, bobinler ise dış çerçevenin sağ üst kısmında ve mıknatısların tam olarak karşılarında bulunacak şekilde yerleştirilmiştir. Lens çerçevesini dış çerçeveye bağlayan kıvrımlı yay yapısı, x ile y eksenlerinde benzer yay sabitleri olacak şekilde ve merceğin kütlesi sonucu minimum bir sarkma (< 1,5 mm) sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Üretilen eyleyici, minyatür bir VLC sınama odası (70 cm x 40 cm x 40 cm) entegre edilmiştir. Bu odanın boyutları, konvansiyonel bir odanın boyutlarının onda biri olarak kabul edilebilir ve eyleyici; odanın boyutları, lensin çap değeri ve LED ışık kaynaklarının boyutları dikkate alınarak tasarlanmıştır. Oluşturulan bu lens tarayıcısı için belirtilen VLC test yatağı içerisinde bobinlere 10 Volt'a kadar çeşitli farklı değerlerde gerilim uygulanması ile bir LED içerisinden çıkan ışın hüzmesinin yere düşen ana lobunun değişik gerilim değerlerine göre yer değiştirmesi karakterize edilmiştir. Bununla birlikte, yapılan bu yer değiştirme işlemleri ile bir yüz algılama ve tanıma programının kullanımı sayesinde hareketli bir hedef üzerinde ışın hüzmesinin yönlendirilmesi betimlenmiştir. Bu çalışmada önerilen güvenlik şeması, belirtilen yüz algılama ve tanıma programı ile meşru alıcının oda içerisinde hareketlerini izleyerek VLC için daha gelişmiş bir fiziksel katman güvenliği sağlamıştır. Işın hüzmesinin meşru alıcı üzerinde odaklanması ve yönlendirilmesi teknikleri, betimlenen bu sistemin kullanımı ile birlikte meşru alıcının oda içinde serbestçe dolaşmasına izin vermektedir ve alıcının verilerinin odada bulunabilecek diğer dinleyicilere karşı daha korunaklı olmasını sağlamaktadır. Belirtilen güvenlik şeması, tasvir edilen VLC sınama odası içerisinde eyleyicinin bir LED altına yerleştirilmesi ve bir kameranın belirtilen yüz algılama ve tanıma programını geri bildirim olarak kullanması ile birlikte çeşitli deneyler ile test edilmiştir. Gerçekleştirilen deneyler sonucunda eyleyici, ışın hüzmesinin şekillendirilmesi yöntemini başarıyla sağlamıştır. Bu deneylerde, odaklanmış ışığın x ve y eksenleri üzerinde uygulanan voltaj değerlerine göre çeşitli yer değiştirme mesafeleri elde edilmiştir ve edinilen değerler hakkında birtakım değerlendirmeler yapılmıştır. Ayrıca, çalışmada belirtilen bu sistemin gizlilik kapasitesi hesaplanmıştır ve alınan sonuçlar, başka benzer çalışmalar ile de karşılaştırılmıştır. Hesaplanan bu gizlilik kapasitesi değeri, haberleşme içerisindeki iletici ile meşru alıcının arasında sağlanan veri aktarımı sırasında oda içerisinde bulunan ve meşru olmayan diğer alıcılara göre ne kadar fazla verinin gizlice aktarılabildiğini belirtmektedir. Bu değer, meşru ve meşru olmayan alıcıların edindikleri sinyal gürültü oranı (signal-to-noise ratio / SNR) değerlerine bağlı olarak hesaplanmıştır. Tasarlanan eyleyici daha büyük boyutlara sahip olacak şekilde tasarlanıp daha büyük bir oda içerisinde kullanıma sunulabilir, ancak daha büyük aydınlatma birimleri ile ışın hüzmelerinin yönlendirilmesini sağlamak amacıyla daha büyük bir toplam yönlendirme açısının elde edilmesi gerekmektedir. Belirtilen bu yönlendirme açısının değeri, eyleyicinin bulunduğu oda içerisinde daha geniş bir alan kapsamasına yol açacaktır ve bu sayede, VLC haberleşmesi için daha gelişmiş bir fiziksel katman güvenliğinin oluşumuna katkı sağlayacaktır. Bu sebepten dolayı, daha büyük bir oda için eyleyici içerisinde daha küçük odaklı bir lensin kullanılması gerekmektedir. Tasarlanan eyleyicinin, VLC'nin haberleşme türü olarak kullanıldığı çeşitli uygulamalar için uyarlanabilmesi amacıyla başka çözümler de mevcuttur. Bir dizi halinde birbirlerine bağlanmış eyleyiciler, meşru alıcı için oda içerisinde daha geniş bir alanın taranabilmesini sağlayabilir, ancak odada bulunan LED veya başka ışık kaynaklarından oluşabilecek bir aydınlatma sisteminin odayı düzgün bir şekilde aydınlatmasını engellememek amacıyla bu eyleyici dizisi, odadaki LED'lerin yalnızca belirli bir kısmına uygulanmalıdır. Başka bir çözüm ise mıknatıs ve bobin arasındaki elektromanyetik kuvvetin artırılması olarak belirtilebilir. Bunu gerçekleştirebilmek için de daha yüksek bir indüktans değerine sahip bir bobin veya daha büyük bir mıknatıs kullanılarak bobin ile mıknatıs arasındaki elektromanyetik etkileşim arttırılabilir. Bu sayede artmış olan kuvvet değeri, odaya yerleştirilmesi gereken aktüatör sayısını da azaltabilecektir ve bu sayede daha uygun maliyetli bir çözüm elde edilebilecektir. Bu çalışma, beş ayrı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, görünür ışıkla haberleşme ve ışık tabanlı bağlantı (Li-Fi) kavramları kapsamlı bir literatür taraması ile tanıtılırken, tezde kullanılan çeşitli teknikler ve önerilen fiziksel katman güvenlik şeması tanımlanıp bu bölümde sunulmuştur. İkinci bölümde, belirli bilgisayar destekli tasarım (CAD) modelleri ve sonlu elemanlar analizi (FEA) simülasyonları ile eyleyicinin tasarımı ile üretimi anlatılmıştır ve deney düzeneği ile birlikte sunulmuştur. Ayrıca, bu bölümde deneyin optik düzeneği hakkında da birtakım bilgiler sunulmuştur ve ışın hüzmesinin yönlendirilmesi yönteminin bobinler ve mıknatıslar arasındaki elektromanyetik etkileşimleri ile olan bağlantısı formüller ile betimlenmiştir. Üçüncü bölümde, eyleyicinin ışın hüzme yönlendirme işleminden elde edilen ölçüm sonuçları ve çeşitli deneyler sunulmuştur. Dördüncü bölümde, eyleyicinin kullanımı yoluyla iletici ile meşru alıcı arasındaki haberleşme ve veri aktarımı ile betimlenen gizlilik kapasitesinin arttırılmasına ve eyleyicinin gerçek hayattaki uygulamalarda kullanılabilmesi için boyutlarının ve kullandığı çeşitli komponentlerin değiştirilmesine dayanan tartışma bölümü sunulmuştur. Beşinci bölümde ise, oluşturulan eyleyiciye dair çeşitli çıkarımlar ve sonuçlar belirtilmiştir. Ayrıca, bu çalışmada ışın hüzmesinin yönlendirilmesi deneyleri hakkında bazı ek bilgiler, tasarlanan eyleyicinin farklı versiyonlarının tasvirleri ve lensin ağırlığı sebebiyle eyleyici üstünde oluşan mekanik stres hakkında birtakım tasvirler çalışmanın ekler (Appendix) kısmında çeşitli detayları ile birlikte sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the design, manufacturing and implementation of a 3D-printed lens scanner-based beam-steering are presented for use in visible light communication (VLC) applications. The scanner, measuring 5 x 5 cm, is designed for low-cost 3D printing with fused deposition modeling using polylactic acid (PLA). The scanning is facilitated through electromagnetic actuation of the lens frame, carrying a conventional 25 mm lens in two nearly orthogonal directions. The serpentine spring that connects the lens frame to the external frame is tailored to offer similar spring constants in the directions of actuation, and minimal (< 1.5 mm) sag due to the mass of the lens. The manufactured actuator was integrated on a miniaturized VLC test-bed (70 cm x 40 cm x 40 cm). Using the test-bed, the applied voltage vs. beam displacement behavior of the actuator was characterized in the lateral plane, and beam-steering on a moving target was demonstrated with face-recognition feedback. The proposed scheme was targeted to offer an improved security measure in VLC through tracking the legitimate receiver (i.e. via face recognition) and using the feedback to steer the focused light onto the targeted device. The joint use of focusing and steering features allows for the legitimate receiver to roam within the room while enjoying the improved secrecy due to focused light. The secrecy capacity for the demonstrated approach was also calculated, which compares favorably to a number of jamming, spatial modulation and beam-forming counterparts. The presented actuator can be used with larger room dimensions, yet up-scaling to larger illumination units will require the use of a lens having a smaller focus to achieve a larger total steering angle. This thesis is composed of five different chapters. The concepts of visible light communication and light fidelity (Li-Fi) are introduced with a thorough literature review in the first chapter, while the techniques used in the thesis are also defined and presented. In the second chapter, the design of the actuator is described through definite computer-aided design (CAD) models and finite element analysis (FEA) simulations, while the experimental setup is also presented. Meanwhile, the demonstrations and the measurement results from the beam-steering operation of the actuator are presented in the third chapter. Then, the discussion section, based on the secrecy improvement through the use of the actuator and the up-scaling of the actuator to real-world dimensions, is presented in the fourth chapter. Finally, the fifth chapter presents the conclusions and further future work based on the actuator. Also, the details regarding the experiments conducted in Chapter 3, some of the designs of the actuator that were changed in order to obtain the final prototype and some discussion based on the mechanical stress on the actuator caused by the weight of the lens are presented in the Appendix section.
Benzer Tezler
- Development of anthropomorphic prosthetic hand and its control scheme for transhumeral amputee
Antropomorfik protez el gelişimi ve transhumeral amputeler için kontrol şeması
SARMAD SHAMS
Doktora
İngilizce
2017
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
PROF. DR. KEMAL SITKI TÜRKER
- Design, fabrication and control of a compact soft manipulator
Kompakt yumuşak eyleyicinin tasarımı, imalatı ve kontrolü
BURAK ÖZTOPRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MELİH TÜRKSEVEN
- Karada hareket edebilen mikrorobotun tasarımı, analizi ve 3 boyutlu yazıcı yardımıyla üretimi
Design, analysis and 3D printer aided manufacturing of terrestrial locomoted microrobot
VOLKAN KORKUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiEge ÜniversitesiMakine Teorisi ve Dinamiği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYSUN BALTACI
- Reliability and Cyclic Testing of 3D-Printed Polyamide Actuators for Opto-medical imaging
Opto-medikal görüntülemede kullanilan 3 boyutlu yazici ile üretilmiş polyamid eyleyicilerin güvenilirliği ve döngü testi
GÖKÇE KASAP
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Çift yönlü hareket edebilen elektrotermal mikroaktüatörün tasarımı, analizi ve üretimi
Design, analysis and fabrication of bidirectional electrothermal microactuator
İSHAK ERTUĞRUL
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT AKKUŞ