Experimental characterization of underwater visible light communications

Bilimsel veri toplama, çevreyi izleme, açık deniz petrol sahalarını keşfetme, arkeoloji, liman güvenliği ve gözetleme gibi insan faaliyetleri arttıkça, su altı iletişim sistemlerine olan talep de artmıştır. Su altındaki kablolu sistemler, çeşitli şekillerde gerçek zamanlı iletişim sağlayabilir. Bununla birlikte, kablolu sistemler, fiziksel olarak sabit yapıları, yüksek maliyetleri ve gerçek hayattaki çoğu durumda su altında kullanılmaya yönelik operasyonel dezavantajları ile sınırlıdır. Bu nedenle, su altı kablosuz iletişimi, araştırmacıların kaçınılmaz bir şekilde ilgisini çekmiştir. Su altı kablosuz veri iletimi, onlarca kilometreye kadar olan mesafeleri destekleme kapasitesi nedeniyle tipik olarak akustik sinyal kullanılarak gerçekleştirilir. Ancak, düşük veri hızı nedeniyle (onlarca Kilobit/Saniye (Kb/s) olarak), görüntü veya gerçek zamanlı video iletimi gibi yüksek bant genişliğine sahip su altı uygulamaları için uygun değildir. Bu nedenle, optik iletişim, düşük kapasiteli akustik iletişime yüksek kapasiteli bir alternatif sunar. Suyun mavi ve yeşil ışığa karşı şeffaflığı sayesinde (450 nm - 550 nm), Lazer Diyotlar (LD) veya Işık Yayan Diyotlar (LED), potansiyel olarak onlarca Gigabit/Saniye (Gb/s) veri hızına sahip su altı kablosuz vericileri olarak hizmet verebilir. Teorik çalışmaların doğrulanması için herhangi bir teknolojinin deneysel doğrulama ve araştırmadan geçmesi gerekir. Bununla birlikte, Sualtı Görünür Işık İletimi (UVLC) sistemleri için daha fazla deneysel doğrulamaya ihtiyaç vardır. Spesifik olarak, su altı ortamlarında büyük zayıflama nedeniyle bir kaçınılmaz olan yol kaybının ele alınması gerekir. Yarı koşutlanmış optik sinyallerin sualtı yayılımı bu nedenle deneysel olarak doğrulanmalıdır. Deneysel olarak doğrulanmış zayıflatma modeline dayalı olarak, UVLC'nin performans kısıtlamalarını elde etmek için yarı paralelleştirilmiş kaynağa sahip bir UVLC sistemi daha fazla araştırılmalıdır. Dahası, su altında doğrusal yoldan alınan bir optik sinyalin, bir reflektör yoluyla da aynı anda alındığında, toplamda alınmış optik sinyalin nasıl daha fazla geliştirileceğinin incelenmesinin gerektiği gibi, güneş enerjisinin sebep olduğu ısıl gürültünün, UVLC sistem performansını nasıl etkilediği ve bundan ötürü geliştirilebilecek iyileştirme çalışmalarına ihtiyaç vardır. Bunlardan motive olarak, paralelleştirilmiş ve yarı paralelleştirilmiş bir UVLC zayıflama modelini deneysel olarak doğrulamayı hedefliyoruz. Bu nedenle, suyun sönümleme katsayısını ölçtükten sonra, paralel ölçümlerin doğruluğunu deneysel olarak doğrulayacağız. Ardından, çeşitli optik lensler kullanarak yarı koşutlanmış bir Gauss ışını oluşturduktan sonra, ışın sapma açısını ölçeceğiz. Daha sonra OKATEM Araştırma merkezindeki bir kapalı akvaryumdaki farklı su türlerini ve Gauss ışını şekillerine sahip paralelleştirilmiş ve yarı paralelleştirilmiş lazer kaynaklarını göz önünde bulundurarak UVLC yol kaybı kanal katsayısını belirlemek için ölçümler yapacağız. Son olarak, hem zayıflamayı hem de geometrik kaybı içeren teorik olarak önerilen kanal modelini deneysel olarak doğrulayacağız. Ardından, halihazırda deneysel olarak doğruladığımız geleneksel UVLC yarı paralelleştirilmiş kanallara yeterince güvenerek, türbülans ve işaretleme hataları gözardı edilerek, UVLC sisteminin performans kısıtlamalarını araştıracağız. Hedeflenen bir Bit Hata Oranı (BER) performansı için, elde edilebilecek maksimum bağlantı mesafesi, kabul edilebilir maksimum ışın sapma açısı, kabul edilebilir minimum alıcı açıklık çapı ve kabul edilebilir maksimum su bulanıklığı için kapalı biçimli ifadeler türeteceğiz. Bu ifadeleri kullanarak, istenen BER performansını karşılamak için her sistem parametresinin saf deniz, berrak okyanus ve kıyı suyundaki simülasyon ortamındaki performansını M-li Tek Kutuplu Darbe Genlik Modülasyonu (M-UPAM) UVLC sistemleri için araştıracağız. Görüş Hattı (LOS) bağlantıları için toplam yol kaybı kanal katsayısını doğruladıktan sonra, saçılan ışınların bir reflektörle kanal kazancını fotodetektöre yansıtarak destekleyeceğini gözlemleyeceğiz. Literatürde, reflektör destekli iletim tekniği, yalnızca daha yüksek alınan sinyal gücü için hem doğrudan hem de dağınık ışınlar alındıktan sonra elde edilir. Bu nedenle, LOS bağlantısına ek olarak su yüzeyinden ve insan yapımı reflektörden, yansımadan elde edilebilir maksimum kanal katsayısı ile genel kanal katsayısı arasındaki oran olarak tanımlanan ulaşılabilir Görüş Hattı Dışı (NLOS) kazancını inceleyeceğiz. Ardından, bir akvaryumda yansıtıcı yüzeyler olarak su yüzeyini ve aynayı kullanarak bulgularımızı deneysel olarak doğrulayacağız. Sonuçlarımız, yansımalar nedeniyle yaklaşık 3 dB'ye kadar elde edilebilir kazançların gözlemlenebileceğini ortaya koymaktadır. Bu tezin son bölümünde, analitik ve deneysel olarak analiz ettiğimiz bir su altı iletişim konuşlandırma senaryosunda güneş enerjisinin, dikey UVLC bağlantılarının performansı üzerindeki etkisini inceleyeceğiz. Çalışmamızda, güneş enerjisinin günün saatindeki konumuna, yılın gününe ve görünür ışık spektrumuna dayalı olarak dünyadaki konumuna göre iletişim kalitesi üzerinde yıkıcı bir etkisi olduğunu göstereceğiz. Ayrıca, bu UVLC sisteminin çalışmasını optimize etmek için, sistem parametrelerini optimize etmek amacıyla maksimum Sinyal Gürültü Oranı (SNR) elde etmek için optimizasyon algoritmaları önereceğiz.