Visible light communication techniques for future generation underwater networks

Sualtı bilimsel veri toplama, çevresel izleme, açık deniz petrol sahası araştırmaları, deniz arkeolojisi, liman güvenliği ve taktik gözetim gibi su altı ortamlarında artan insan faaliyetleri nedeniyle su altı iletişim sistemlerine olan talep artmıştır. Kablolu haberleşme sistemleri (özellikle optik fiber sistemler) gerçek zamanlı iletişim sağlamak için kullanılabilir, ancak esnek bir çözüm olmaması, yüksek maliyet ve operasyonel dezavantajları nedeniyle çoğu pratik senaryo için kısıtlayıcı hale gelmektedir. Bu durum, su altı kablosuz \linebreak haberleşme sistemlerine olan talebi arttırmaktadır. Sualtı kablosuz haberleşme için geleneksel seçim, kilometrelerce haberleşme mesafesi destekleyebilen akustik haberleşmedir. Fakat bu sistemler, görüntü ve gerçek zamanlı video aktarımı gibi yüksek bant genişlikli sualtı uygulamaları için düşük veri hızına sahip olmaları nedeniyle (saniyede onlarca Kilobit/Saniye (Kb/s)) yetersiz kalır. Kısa ve orta menzilli haberleşme için optik iletişim, yüksek kapasiteli bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Su ortamı, mavi veya yeşil ışık dalgaboylarına (450\,nm\,\textendash\,550\,nm) nispeten etkisiz \linebreak olduğundan, Lazer Diyotlar (LD'ler) veya Işık Yayan Diyotlar (LED'ler), onlarca \linebreak Megabit/Saniye (Mb/s) hızlara ulaşan veri hızlarıyla su altı kablosuz haberleşme için kullanılabilir. Sualtı Görünür Işık İletişimi (UVLC) sistemlerine artan ilgiye rağmen, UVLC'nin \linebreak başarım sınırını araştırmaya, bağlantı adaptasyonunun faydalarını araştırmaya, Sualtı Optik Türbülansının (UOT) doğru modellenmesine, türbülans etkisini azaltmaya ve fiziksel katman algoritmalarını geliştirmeye hala ihtiyaç vardır. Bunları amaç edinerek, öncelikle ideal durumdaki referans olarak kabul edilebilecek türbülans ve işaretleme hatalarının yokluğunda UVLC sisteminin başarım sınırını \linebreak araştırıyoruz. Özellikle, yakın zamanda piyasaya sürülen kapalı-form yol kaybı oranı ifadesine dayanarak saf deniz, berrak okyanus, kıyı suyu ve liman suyunda belirli bir hedeflenen Bit Hata Oranını (BER) elde etmek için ulaşılabilecek maksimum bağlantı mesafesini araştırıyoruz. Ayrıca, röle destekli iletimin konumlandırılmasını düşünüyoruz ve hedeflenen uçtan uca BER'i karşılamak amacıyla belirli sayıda atlama ile ulaşılabilecek maksimum mesafeyi belirliyoruz. UVLC sistemlerinin başarım sınırının araştırılması, yüksek bant genişlikli sualtı uygulamaları için gerekli veri hızı ile de incelenmesini gerektirir. UVLC, gerçek zamanlı \linebreak görüntü ve video iletimi için yeterince yüksek yüksek veri hızları elde etmeyi \linebreak amaçladığından, iletim frekans seçiciliği yaşayabilir. Bu, Dikey Frekans Bölmeli \linebreak Çoğullama (OFDM) gibi verimli çok taşıyıcılı tekniklerin kullanılmasını gerektirir. Bu nedenle, adaptif bir Doğrusal Akım (DC) merkezli optik-OFDM (DCO-OFDM) düşünüyor ve türbülans ve işaretleme hataları olmadan OFDM tabanlı UVLC sistemleri bağlamında link adaptasyonunun faydalarını araştırıyoruz. Yukarıdaki noktalarda, UOT'nin UVLC sistemlerinin başarımı üzerindeki etkisi hariç tutulmuştur. Bununla birlikte, UVLC'nin başarımı UOT'den ciddi şekilde etkilenir. UOT, deniz suyunun kırılma endeksindeki dalgalanmanın bir sonucu olarak, ortalama alınan güç üzerinde anlık dalgalanmalar ortaya koymaktadır. Bu esas olarak sıcaklık ve tuzluluk dalgalanmalarından kaynaklanır. Bu nedenle, deniz suyu kırılma endeksinin türbülans dalgalanmalarının, hem sıcaklık hem de tuzluluktaki dalgalanmanın kırılma endeksindeki dalgalanmaya nasıl katkıda bulunduğunu doğru bir şekilde tanımlayan doğru bir uzaysal güç spektrum modeli geliştiriyoruz. Ayrıca, deniz suyunun hem sıcaklığı hem de tuzluluğu sabit olmadığından, derinlikle değiştiğinden ve bu nedenle dikey bağlantılar, iletim aralığı boyunca türbülans mukavemetinde değişiklik yaşayabildiğinden, dikey UVLC optik türbülans kanallarını karakterize ediyoruz. Spektrum modelimizi ve türbülans kanallarımızı kullanarak UVLC sistemlerinin \linebreak başarımını araştırıyoruz. Özellikle, zayıf ve orta / kuvvetli türbülans koşullarını göz önünde bulundurarak sönümleme katsayısının kademeli yapısına dayalı UVLC sisteminin BER başarımı için kapalı-form ifadeleri türetiyoruz. Ardından, BER'in asimptotik davranışını analiz eder ve çeşitlilik düzenlerini belirleriz. Ek olarak, UVLC sistemlerinin ortalama ergodik kapasitesi için de kapalı form ifadeleri türetiyoruz. UVLC'nin başarımı UOT'den ciddi şekilde etkilendiğinden, UVLC sistemlerinin \linebreak başarımı üzerinde farklı sönümleme önleme tekniklerinin kullanılmasının yararını \linebreak araştırıyoruz. Özellikle, mekansal çeşitliliği çıkarmak için birden fazla verici ve / veya alıcı konuşlandırılmasını düşünüyoruz. Alternatif olarak, ön çeşitliliğin karmaşıklığını önemli ölçüde azaltırken, tam çeşitliliği elde edebilen İletim Lazer Seçimi'nin (TLS) \linebreak konuşlandırılmasını düşünüyoruz. Daha sonra log-log ölçeğinde BER'nin azalan \linebreak oranındaki artımlı değişiklik olarak tanımlanan ve lognormal (LN) solma kanalları \linebreak üzerinden iletişim sistemlerinin çeşitlilik kazanımlarını ölçmek için SNR ile çeşitlilik sırası değişikliklerinin ne kadar hızlı değiştiğini ortaya çıkaran Artımlı Çeşitlilik Düzeni (IDO) kavramını öneriyoruz. Bu tezin son bölümünde, çeşitli sensör düğümlerini desteklemek için çoklu erişim sistemlerinin tasarlanmasını gerektiren Sualtı Sensörü Ağlarının (USN) pratik bir uygulamasını düşünüyoruz. İlk olarak UVLC sistemleri bağlamında uyarlanabilir Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (OFDMA) kullanımını sunuyoruz. Uyarlanabilir sistem, toplam veri hızının iki kısıtlamaya tabi olarak maksimize edileceği şekilde formüle edilmiştir: özdeş kullanıcının veri hızı ve her kullanıcının BER'ini aşmayacak şekilde, önceden tanımlanmış bir maksimum kabul edilebilir. Ayrıca USN bağlamında Dikey Olmayan Çoklu Erişimi (NOMA) ele alıyor ve ulaşılabilir NOMA kapasitesini araştırıyoruz.