Adaptive multiple-input multiple-output (MIMO) techniques for visible light communications

Görünür Işık Haberleşme (VLC) teknolojisi; 5G'nin ötesindeki ağlarda kablosuz iletişim sistemlerinin umut verici bir çözümüdür. Düşük uygulama maliyeti, yüksek enerji verimliliği ve yüksek hızla veri iletimi sağlar. VLC sistemleri, yüksek kapasitenin artırılması taleplerini karşılamak için mevcut Radyo Frekansı (RF) tabanlı kablosuz iletişim sistemleri için tamamlayıcı veya alternatif olarak düşünülebilir. VLC sistemlerinde, ışık yayan Diyotlar (LED'ler) geri-verici olarak ve Fotodetektörler (PD'ler) alıcı olarak kullanılır. İç mekan ortamları için yeterli aydınlatma sağlamak üzere birden fazla LED monte edilmiştir. Bu özellik, spektral verimliliği artırarak yüksek veri hızlarına ulaşmak için Çok Girişli Çok Çıkışlı (MIMO) iletişim sistemlerini uygulamak için kullanılabilir. Ancak, LED'ler yalnızca tek kutuplu sinyalleri iletebilir. Ayrıca, VLC kanalının doğası frekans seçicidir, bu da kritik Semboller Arası Girişim (ISI) nedeniyle VLC sisteminin performansında önemli ölçüde bozulmaya neden olur. VLC sisteminin ISI'sinin üstesinden gelmek için darbe modülasyonu ve Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullamaya (OFDM) dayanan birkaç şema önerilmiştir. Yeni Optik Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullama (O-OFDM), Tek Kutuplu Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullama (U-OFDM) olarak adlandırılan, ortaya çıkan VLC sistemleri için çekici bir çözüm olarak görülmektedir. 5G'nin geleceğinde ve 5G iletişim ağlarının ötesinde, spektral verimliliğin adaptif iletim tekniği ile MIMO aracılığıyla daha da geliştirilmesi gerekmektedir. Bunları motive ederek, öncelikle MIMO VLC sistemlerinin daha iyi ortalama Symbol Error rate (SER) ve daha yüksek spektral verimlilik elde etmek için sabit bir toplam sayıda Mevcut ASM ve Generalized Spatial Modulation (GSM) şemalarıyla karşılaştırıldığında LED'ler. Önerilen sistem, mevcut LED'lerin yanı sıra aktif LED'lerin sayısına göre modül-asyon boyutlarını değiştirir. Modülasyon boyutlarının seçimi, spektral verimliliğin önceden tanı-mlanmış bir değeri altında ortalama SER için bir optimizasyon problemine dayanmaktadır. Önerilen sistem için yaklaşık ortalama SER'nin kapalı formda bir ifadesini türetiriz ve kod çözme karmaşıklığını değerlendiririz. FGSM şemasının gelecekteki MIMO-VLC sistemleri için potansiyel bir aday olabileceğini gösteriyoruz. İkinci olarak, U-OFDM avantajlarından yararlanmak için MIMO VLC sistemi için U-OFDM ile birlikte uyarlamalı iletim tekniği öneriyoruz. Önerilen uyarlanabilir MIMO U-OFDM VLC sistemi, bir dizi farklı modülasyon boyutu sağlayan üç farklı MIMO modunu desteklemek için uygulanır. Dikkate alınan MIMO modları Tekrar Kodlama (RC), Mekansal Çoklama (SMUX) ve Mekansal Modülasyon (SM) 'dir. RC'de, aynı sinyal tüm LED'lerden eşzamanlı olarak iletilirken, bağımsız sinyaller SMUX'daki tüm LED'lerden aynı anda iletilir. SM tekniğinde, tek bir LED etkinleştirilir ve etkinleştir-ilen LED'in dizini modüle edilmiş sinyallerin yanı sıra bilgi taşır. Alınan Sinyal-Gürültü Oranına (SNR) ve hedef Bit Hata Oranına (BER) bağlı olarak, önerilen uyarlamalı iletim sistemi mevcut MIMO modları arasında geçiş yapar ve daha yüksek spektral verimlilik elde etmek için modülasyon boyutunu ayarlar. Önerilen U-OFDM sistemi, 8x8, 4x4 ve 2x2 MIMO sistemleri için gerçekçi kanal modellerine sahip farklı VLC MIMO kurulumlarına uygulanır. Son zamanlarda, Generalized LED Index Modulation (GLIM), ortaya çıkan VLC sistemleri için çekici bir MIMO OFDM şeması olarak ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle, bu tezin son bölümünde, MIMO VLC sistemleri için bir Magnitude and Wrap-Phase OFDM (MW-OFDM) şeması öneriyoruz. Önerilen MW-OFDM sistemi, geleneksel GLIM-OFDM'e kıyasla LED sayısındaki kısıtlamayı azaltmak için karmaşık sinyalin büyüklüğe ve sargı fazına dönüştürülmsini kullanır. Ayrıca, önerilen şema için bir ML Tahmincisi (MLE) türetilir. Geleneksel GLIM ile karşılaştırıldığında, önerilen MW-OFDM aynı spektral verimliliği sağlamak ve aynı zamanda ortalama BER'i geliştirmek için yarım sayıda LED gerektirir. Ayrıca, önerilen MW-OFDM'in kod çözme karmaşıklığı geleneksel GLIM-OFDM ile kıyaslandığında önemli ölçüde azalır.