Physical layer design of energy efficient and secure FSO links for next generation communication systems
Yeni nesil iletişim sistemleri için enerji verimli ve güvenli FSO bağlantılarının fiziksel katman tasarımı
- Tez No: 944836
- Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA, DR. SERDAR ÖZGÜR ATA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Bilişim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Bilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Bilgi ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Son derece yüksek veri hızı ağlarına yönelik sürekli artan talep, araştırma topluluğunu bu talebi karşılayabilecek yeni teknolojileri keşfetmeye teşvik ediyor. Serbest uzay optik (FSO) iletişim sistemi, ultra yüksek veri hızı, lisanssız spektrum, dağıtım kolaylığı ve düşük maliyet gibi çekici özellikleri nedeniyle gelecekteki yeni nesil kablosuz ağlar için önerilen umut verici bir teknolojidir. Ancak, bu çekici özelliklere rağmen, FSO iletişim sistemlerinin performansı bazı olumsuz faktörler tarafından engellenmektedir. İlk olarak, sis ve yağmur gibi hava koşulları, havada seyahat ederken iletilen optik sinyalin gücünü önemli ölçüde zayıflatır. İkinci olarak, atmosferik sıcaklık, basınç ve yükseklikteki rastgele değişikliklerden kaynaklanan atmosferik türbülans solması, kırılma indisinde değişikliklere neden olur. Bu rastgele değişiklikler, yayılma yolu boyunca iletilen optik sinyalin gücünde dalgalanmalara neden olur. Üçüncüsü, termal genleşme ve bina salınımları nedeniyle optik iletim ve alım açıklıkları arasındaki görüş hattı (LOS) gereksiniminin ihlali olan işaretleme hataları etkisi, FSO iletişim sistemlerinin performansını ciddi şekilde bozar. FSO iletişim sistemlerinin performansını sınırlayan bir diğer faktör, kanal durumu bilgilerinin eksik bilinmesi nedeniyle alıcı tarafta kaçınılmaz olarak meydana gelen kanal tahmin hatalarıdır. FSO iletişim sistemlerinin performansını doğru bir şekilde değerlendirebilmek için hava koşulları (atmosferik zayıflama), atmosferik türbülans solması, işaret hatası etkisi ve kanal tahmin hataları için hassas istatistiksel modellere ihtiyaç vardır. Hava koşullarından kaynaklanan atmosferik zayıflama, modelin atmosferik zayıflama katsayısını ve FSO bağlantı mesafesini hesaba kattığı Beers-Lamber yasası kullanılarak hesaplanır. Benzer şekilde, log-normal dağılım, negatif üstel dağılım, K dağılımı ve Gamma-Gamma dağılımı gibi farklı istatistiksel dağılımlar atmosferik türbülans sönümlenme etkisini modellemek için kullanılmıştır. Başka bir genelleştirilmiş istatistiksel model, log-normal, Gamma-Gamma ve K atmosferik türbülans modelleri gibi diğer dağılımların özelliklerini kapsayan Malaga (M) dağılımıdır. Atmosferik zayıflamanın, atmosferik türbülansın azalmasının ve işaret hataları etkisinin bozucu etkilerini azaltmanın bir yolu, birden fazla verici lazer ve/veya birden fazla alıcı açıklığının kullanıldığı çeşitlilik tekniklerini kullanmaktır. Bu olumsuz etkilerle mücadele etmenin bir başka yolu da verici ve alıcı arasında bir röle yerleştirmektir. Röle teknikleri ayrıca FSO iletişim sistemlerinin kısa menzil sorununu da uzatır. Röleleme, kaynak ve hedef arasındaki tüm atlamaların FSO bağlantıları olduğu FSO/FSO iletişim sistemleri olarak uygulanabilir. Ek olarak, atlamalardan birinin RF bağlantısı olarak çalışacağı karma FSO/RF iletişim sistemleri de uygulanabilir. Sık pil değiştirme ve malzeme israfını en aza indiren enerji hasadı, 6G ağlarının sürdürülebilirliğini sağlamada önemli bir role sahiptir. FSO sistemlerinde, iletilen optik sinyal, bilgiyi taşıyan bir alternatif akım (AC) bileşeni ve optik sinyalin negatif olmamasını garanti eden bir doğru akım (DC) bileşeninden oluşur. Son zamanlarda, hedefin DC bileşenini çıkararak alınan optik sinyalden enerji toplayabildiği eş zamanlı ışık dalgası bilgisi ve güç aktarımı (SLIPT) konsepti tanıtıldı. SLIPT benimsenerek, alınan optik sinyal yalnızca bilgi alımı için değil, aynı zamanda hedefe kablosuz olarak enerji iletmek için enerji hasadı için de kullanılır. Fiziksel katman güvenliği, ağ yığınının üst katmanında herhangi bir şifreleme tekniği kullanmadan kablosuz olarak iletilen bilgilerin gizliliğini ele alır. FSO sistemleri RF muadillerinden daha güvenli olsa da, FSO bağlantıları atmosferik türbülans, yönlendirme hataları ve optik ışın sapmasının doğası nedeniyle dinlemeye karşı da hassastır. Bu tezde FSO haberleşme sistemlerinin fiziksel katmanına ilişkin üç farklı çalışma sunulmaktadır. İlk çalışmada, Gamma-Gamma ve K türbülans kanallarının genelleştirilmiş biçimi olan, kesin olmayan Málaga (M) türbülans kaynaklı sönümlenme kanalı üzerindeki FSO haberleşme sistemlerinin performansını araştırıyoruz. Ayrıca, işaretleme hataları etkisini de dikkate alıyoruz. Analizde, öncelikle kanal tahmin hatasının varlığında kanalın sönümlenme katsayısının olasılık dağılım fonksiyonunu (PDF) ve kümülatif dağılım fonksiyonunu (CDF) türetiyoruz. Ardından, ele alınan sistemin performansını ölçmek için ortalama bit hata oranı (BER), kesinti olasılığı (OP) ve ergodik kanal kapasitesinin tam kapalı biçimli ifadelerini elde ediyoruz. Ek olarak, yüksek sinyal-gürültü oranı (SNR) rejiminde sistem performansı hakkında daha fazla bilgi sağlamak için BER ve OP'nin asimptotik ifadeleri elde ediliyor. Dahası, analitik sonuçlar Monte-Carlo simülasyonları ile başarıyla doğrulanıyor. Sonuçlar, kesin olmayan kanal tahmininin M türbülans kanalları üzerindeki FSO iletişim sistemlerinin performansı üzerinde olumsuz etkilere sahip olduğunu göstermektedir. Örneğin, %5'lik bir tahmin hatası, 5×10^-2'lik BER değeri için yaklaşık 8 dB SNR kaybına neden olur. İkinci çalışmada, atmosferik türbülans etkileri ve işaretleme hataları gibi kötüleşen etkilerle mücadele etmek için FSO iletişim sistemleri için mekansal çeşitlilik teknikleri önerilmiş ve Alamouti kodlama şemasına sahip FSO iletişim sistemlerinin Málaga (M) türbülans kanalı üzerindeki performansı incelenmiştir. İlk olarak, atmosferik türbülans ve işaretleme hatası koşulları altında uçtan uca kanal kazancının PDF'sini türetiyoruz. Daha sonra, bu PDF'den yararlanılarak önerilen sistem için ortalama BER ve OP'nin kapalı form ifadeleri elde edilmiştir. Ek olarak, daha fazla içgörü sağlamak için ortalama BER ve OP için asimptotik ifadeler de türetilmiştir. Analizde, elde edilen sonuçların her iki durumu da kapsayabilmesi için yoğunluk modülasyonu/doğrudan algılama ve heterodin algılama teknikleri dikkate alınmıştır. Ayrıca, analitik sonuçlar Monte Carlo simülasyonları ile başarıyla doğrulanmıştır. Sonuçlarımız, Alamouti kodlama şeması FSO iletişim sistemlerinde kullanıldığında elde edilebilecek performans kazanımlarını vurgulamaktadır. Son çalışmada, çift atlamalı kod çözme ve iletme röleleme tabanlı bir FSO iletişim sistemi sunuyoruz. Rölede zaman bölme tekniği ile eş zamanlı ışık dalgası bilgisi ve güç aktarımı (SLIPT) kullanmayı düşünüyoruz; burada alınan optik sinyalin doğru akım bileşeni röle için bir iletim gücü olarak hasat ediliyor. FSO bağlantılarının Malaga türbülans kanalını işaretleme hatalarıyla deneyimlediği varsayılıyor. Önerilen iletişim sisteminin performansını değerlendirmek için OP, ergodik kapasite, ortalama BER ve verim için kapalı form ifadeleri türetilmiştir. Ek olarak, önerilen sistemin fiziksel katman güvenliğini analiz etmek için gizlilik kesintisi olasılığı ve kesinlikle pozitif gizlilik kapasitesi için kapalı form ifadeleri elde edilmiştir. Son olarak, türetilen analitik ifadelerin doğruluğu Monte Carlo simülasyonları ile doğrulanmıştır. Sonuçlar, önerilen sistem modelimizin SLIPT olmayan muadilinden daha iyi performans gösterdiğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The ever-increasing demand for extremely high data rate networks has prompted the research community to explore new technologies capable of meeting this need. Free-space optical (FSO) communication systems are a promising technology for next-generation wireless networks due to their attractive features, such as ultra-high data rates, license-free spectrum, ease of deployment, and low cost. However, despite these appealing characteristics, the performance of FSO communication systems is hindered by several detrimental factors. Weather conditions, such as fog and rain, can significantly degrade FSO system performance. Atmospheric turbulence fading, caused by random variations in the atmosphere, also attenuates the power of the transmitted optical signal. Pointing errors, which arise from violations of the line-of-sight requirement between transmitting and receiving apertures, further degrade FSO performance. Another limiting factor is channel estimation errors, which stem from imperfect knowledge of the channel state information at the receiver. This thesis presents three distinct studies concerning the physical layer of FSO communication systems. In the first study, we investigate the performance of FSO communication systems over an imprecise Málaga turbulence-induced fading channel, which is a generalized form of both the Gamma-Gamma and K turbulence channels. The effect of pointing errors is also considered. In our analysis, we first derive the probability density function (PDF) and cumulative distribution function (CDF) of the channel's fading coefficient in the presence of channel estimation errors. We then obtain exact closed-form expressions for the average bit error rate (BER), outage probability (OP), and ergodic channel capacity to quantify the performance of the system under consideration. Additionally, to provide further insight into system performance in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime, we derive asymptotic expressions for the BER and OP. Furthermore, the analytical results are successfully validated through Monte Carlo simulations. The results demonstrate the detrimental effects of the channel estimation errors on the performance of FSO communication systems. For instance, an estimation error of 5% results in approximately an 8 dB SNR loss at a BER of 5 × 10^−2. In the second study, spatial diversity techniques are proposed for FSO communication systems to combat the deteriorating effects, such as atmospheric turbulence and pointing errors. The performance of FSO communication systems with the Alamouti encoding scheme over the Málaga turbulence channel is investigated. We first derive the PDF of the end-to-end channel gain under atmospheric turbulence and pointing error conditions. Then, by capitalizing on this PDF, closed-form expressions for the average BER and OP of the proposed system are obtained. Additionally, to provide more insight, the asymptotic expressions for the average BER and OP are also derived. In the analysis, intensity modulation/direct detection and heterodyne detection techniques are considered, allowing the obtained results to cover both cases. Furthermore, the analytical results are successfully validated through Monte Carlo simulations. Our results highlight the performance gains that can be achieved when the Alamouti encoding scheme is employed in FSO communication systems. In the final study, we present a dual-hop decode-and-forward relaying-based FSO communication system. We consider utilizing simultaneous lightwave information and power transfer (SLIPT) with a time-splitting technique at the relay, where the direct current component of the received optical signal is harvested as transmit power for the relay. It is assumed that the FSO links experience Málaga turbulence channels with pointing errors. In order to evaluate the performance of the proposed communication system, closed-form expressions for OP, ergodic capacity, average BER, and throughput are derived. Additionally, to analyze the physical layer security of the proposed system, closed-form expressions for secrecy outage probability and strictly positive secrecy capacity are obtained. Finally, the accuracy of the derived analytical expressions is validated through Monte Carlo simulations. Results show that our proposed system model outperforms its non-SLIPT counterpart.
Benzer Tezler
- Uzak uç birim sensör ağlarında lora haberleşme destekli ıot sistem tasarımı
Design of lora communication supported iot system in remote end sensor networks
BURAK SUHA YÜKSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mekatronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKHAN ATALI
- Hybrid beamforming techniques for millimeter-wave MIMO systems
Milimetre dalga MIMO sistemleri için hibrit hüzme oluşturma teknikleri
LIZA AFEEF OMAR SHEHAB EL DIN
Doktora
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN
- Energy efficiency and security of rıs-aided communication networks
Ris-tabanli haberleşme ağlarinda enerji verimliliği ve güvenlik
HAKAN ALAKOCA
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
- Development of combustion tube experimental setup for underground coal gasification
Yer altı kömür gazlaştırması için yanma tüpü deney düzeneği geliştirilmesi
İSMAİL HAKKI SARIÇAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPetrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT ÇINAR
- Physical layer techniques for 5G and beyond wireless systems
5G ve ötesi kablosuz sistemler için fiziksel katman teknikleri
ABUU BAKARI KIHERO
Doktora
İngilizce
2024
İletişim Bilimleriİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği ve Siber Sistemler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ARSLAN