Araç görünür ışık haberleşmesi kanal modellemesi ve performans analizleri

İleri otonom sürüş teknolojileri ve otonom araçlar, kısıtlı insan girdisi ile veya insan girdisi olmaksızın yol güvenliğini sağlamak üzere ve bir çok sensor, teknoloji ve gelişmiş yazılıma güvenir. Araç, alt-yapı, ve diğer yol kullanıcıları arasında bilgi alışverişini sağlayan bağlantılı araç teknolojilerinin de otonom sürüse imkan verecek önemli teknolojiler arasında olduğu ön görülmektedir. Mevcut, radyo frekansı (RF) tabanlı IEEE 802.11p ve hücresel araçtan her şeye (C-V2X) teknolojilerinin, esas olarak bağlantılı araç temel güvenlik uygulamalarını desteklemesi benimsenmiştir. Ancak RF tabanlı bu teknolojiler RF kıtlığı, ağ kalabalığı ve güvenlik kaygıları gözetildiğinde otonom sürüş için ileri sürüş kullanım senaryolarını gerçeklemekte yetersiz kalacaktır. Bu sebeple, lisanssız görünür ışık görüngesinde, araç LED ışıklarını kullanarak, yönlü ve güvenilir haberleşme vadeden, Araç Görünür Işık Haberleşmesi (V-VLC) teknolojisi önerilmiştir. Ancak, V-VLC sistemlerinin performansı temel olarak V-VLC kanal karakteristiklerine bağlıdır. Bu tez kapsamında, farklı çevre koşulları ve link geometrilerinin gözetilerek V-VLC kanalının kapsamlı anlaşılması ve modellenmesi ile pratik V-VLC sistem performans değerlendirmeleri incelenmiştir. Ilk olarak, V-VLC kanal modellemesi ile ilgili güncel literatür sunulmuştur. Ölçüm temelli kapsamlı V-VLC kanal modellemesinin literatürde eksik olduğu vurgulanmıştır. İkinci olarak, kanal ölçümleri, ölçüm verisinin islenmesi, ve karakterize edilmesi adımları ile kanal frekans cevabı temelli kanal modellemesi önerilmiştir. Çevre araç varlığının kanal kazancını artırdığı, ağırlaştırılmış grup gecikmelerinin artan araç-arası mesafe ile arttığı gösterilmiştir. Artan mesafe ile optik alıcının yol yüzeyi ve çevre araçlardan daha fazla yansıma alması neticesinde yansıma bileşenlerinin daha ayrıştırılabilir hale geldiği gösterilmiştir. Üçüncü olarak, farklı ortam ve bağlantı senaryoları için V-VLC kanalı ve gürültü modellemesi incelenmiştir. Yakın araç, bina kolonları, bina plakaları ve duvar etkilerinin V-VLC sinyal yayılımı üzerindeki etkilerini değerlendirmek için iç ortam V-VLC kanal karakterizasyonu yapılmıştır. Aracın bulunduğu şerit ve alıcı eğim açısının V-VLC sinyal yayılımında önemli etkisi olduğu gösterilerek, aynı şeritte bulunan alıcı ve verici senaryosunda, yansımaların 25 m mesafeden sonra alınan sinyal gücünü artırdığı, yakın araç yansımalarının 30 ° alıcı açısı için ihmal edilebileceği gösterilmiştir. Araç-araç haberleşmesi (V2V) için türbülans koşulları altında V-VLC kanalı, sezonluk ve günlük atmosfer kırılım endeksi ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Farklı hava koşulları için V-VLC türbülans kanalı istatistiksel olarak karakterize edilmiş ve sınıflandırılmıştır. Ayrıca, araç yansımalarından kaynaklı görüş hattı dışı (non-line-of-sight) kanalı için ampirik sinyal kaybı ve kanal dürtü yanıtı modellenmiştir. V-VLC kanal gürültüsü, zaman korelasyon özellikleri tanımlanarak modellenmiş olup, önerilen modelleme ile V-VLC kanal gürültüsü davranışını simüle edebilmek maksatlı kanal gürültü sentezlemesine olanak sağlanmıştır. Dördüncü olarak, sinyal kaybı ve kanal frekans cevabını tahmin etmek için, çok kanal girdi değişkenli, veriye dayalı makine öğrenmesi tabanlı kanal modellemesi önerilmiştir. Önerilen model, çok katmanlı algılayıcılı yapay sinir ağı, radyal tabanlı fonksiyon ve rassal orman makine öğrenme algoritmaları, veri isleme ve hiperparametre seçim aşamaları, V-VLC kanal ölçüm verisine uyumlandırılmıştır. Sunulan model, ilave giriş ve çıkış değişkenleri ile genişleyebilir ve farklı V-VLC senaryolarına uyarlanabilir, genelleyici metodoloji sunmaktadır. Geliştirilen modeller farklı kanal girdileri ile sistem simülasyonları için kullanılmaya elverişlidir. Besinci olarak, pratik V-VLC sistem gerçeklemeleri ile kanal ölçümü ve modellemesine dayalı sistem performans değerlendirmeleri önerilmiştir. Kapalı otopark ortamında, farklı mesafelerde V-VLC sistem performansını değerlendirmek için, yazılım tanımlı radyo tabanlı, IEEE 802.15.7 standardına uyumlu fiziksel katman uygulaması geliştirilmiştir. Geliştirilen uygulama ile farklı kanal kosulları, degisen standartlar ve algoritmalar analiz edilebilmektedir. İşbirlikçi çok-giriş-çok-çıkış (MIMO), dikgen frekans bölüsümlü çoğullama (OFDM) tabanlı V-VLC mimarisi önerilerek, araç fren lambalarından alınan kanal ölçüm verilerinin kullanımı ile performans değerlendirmeleri sunulmuştur. Son olarak, makine öğrenmesi temelli V-VLC sinyal yol kaybı tahmin mimarisi performans değerlendirmeleri, geleneksel uydurma (fit) tabanlı ve IEEE 802.11p sinyal kaybı tahmin modelleri ile karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Önerilen model, fit tabanlı modelden 2.34 dB daha iyi sinyal yol kaybı tahmin hassasiyeti sergilemektedir. Özet olarak, bu tez, sistem tasarımı, simülasyon ve performans değerlendirmeleri için yararlı olan V-VLC kanal modelleme metotları ve pratik kanal modelleri sunmaktadır. Ayrıca, bu tez, önerilen model ve metotların pratikliğini doğrulamakta ve yeni V-VLC uygulamalarını desteklemek için gelecek araştırma yönlerini belirtmektedir.