Optimizing the Performance of Visible Light Communication System with Angular Diversity
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2020
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: AAMIR ULLAH KHAN
Danışman: Sultan Aldırmaz Çolak
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
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.