Direk görüşü olmayan ultraviyole haberleşme sistemleri için ileri sinyal işleme teknikleri
Advanced signal processing techniques for non-line-of-sight ultraviolet communication systems
Yazar: SAYED HASAN HARİQ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BAHATTİN KARAKAYA
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Optik iletişim sistemleri = Optical communication systems ; Sayısal iletişim sistemleri = Digital communication systems

Özet:
Ultraviyole (UV) bandındaki sinyallerin atmosferdeki zengin saçılması, direk görüşü olmayan dış mekan kablosuz bağlanabilirliği sağlamakta ve kızılötesi optik bağlantılarının direk görüş olma gereksinimini ortadan kaldırmaktadır. UV sinyallerinin zengin saçılması, direk görüşü olmayan (NLOS) iletişim sağlarken, aynı zamanda NLOS-UV bağlantılarının performansını önemli ölçüde düşüren büyük bir yol kaybına neden olur. Saçılma ve emilme kayıplarının yanı sıra, atmosferik türbülans kaynaklı sönümleme, NLOS-UV iletişim sistemleri için önemli bir sınırlayıcı faktördür. Türbülans kaynaklı sönümleme, alınan optik ışında dalgalanmalara neden olarak alıcıda güç kaybına ve performans düşüşüne neden olmaktadır. Hata düzeltme kodları, işbirlikli haberleşme sistemleri, bağlantı adaptasyonu vb. dahil olmak üzere sönümleme etkisini azaltan birçok teknikler vardır. Bunlar arasında, uzaysal çeşitleme teknikleri, doğal fazlalıkları ile sönümleme etkisini izole etmek için çekici bir alternatif yaklaşım sağlamaktadır.
Bu tezde, atmosferik türbülans kaynaklı sönümleme varlığında NLOS-UV haberleşme sistemleri için uzaysal çeşitleme teknikleri incelenmektedir. Çalışma esas olarak (i) verici çeşitlemesi olarak adlandırılan MISO sistemine, (ii) alıcı çeşitlemesi olarak adlandırılan SIMO sistemine ve (iii) MIMO NLOS-UV iletişim sistemlerine odaklanmaktadır. Uzaysal çeşitleme tekniklerinin sönümleme etkisini azaltma gücünü göstermek için, bahsedilen sistemlerin bit hata oranı ve kesinti performansı analizi yapılmaktadır. Bahsedilen tüm sistemlerin bit hata oranı ve kesinti olasılığı için kapalı form ifadeleri türetilmektedir. Elde edilen teorik ifadelerin doğruluğu sayısal simülasyonlarla teyit edilmektedir. Sayısal simülasyonlarda, alıcı çeşitleme durumu için eşit kazanç birleştirme (EGC), en büyük oransal birleştirme (MRC) ve seçim birleştirme (SelC) dahil olmak üzere farklı birleştirme yöntemleri dikkate alınmaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, tek-girişli-tek-çıkışlı (SISO) sistemine göre uzaysal çeşitleme şemalarında önemli performans iyileştirmeleri olduğunu göstermektedir. Uzaysal korelasyonun etkisi ayrıca araştırılmakta ve ilişkili atmosferik sönümleme kanalları durumunda MISO, SIMO ve MIMO NLOS-UV bağlantılarının bit hata oranı ve kesinti performansları türetilmektedir. Sönümleme yolları arasındaki uzaysal korelasyonun performansı önemli ölçüde düşürdüğü ve sönümleme yolları arasında hiçbir korelasyon olmaması durumunda maksimum çeşitleme kazancının elde edilebildiği gösterilmektedir. Uzaysal çeşitlemeli NLOS-UV bağlantılarının çeşitleme kazancı analizi ayrıca araştırılmakta ve MISO, SIMO ve MIMO NLOS-UV bağlantılarının göreceli çeşitleme kazancı ve asimptotik göreceli çeşitleme kazancı için kapalı form ifadeleri türetilmektedir.
MIMO NLOS-UV sistemleri için, verici anten seçimi (TAS), alıcı anten seçimi (RAS) ve verici ve alıcı antenlerin birlikte seçimi (TRAS) şemaları dahil olmak üzere, atmosferik türbülans kanalları durumunda seçim çeşitleme teknikleri de incelenmektedir. Önerilen yaklaşımlarda, karşılık gelen optik yolun sinyal gürültü oranını (SNR) maksimize etmek için N verici ve/veya M alıcı antenler arasından tek bir verici ve/veya alıcı anten seçilmektedir. Kesinti olasılığı ölçütü, belirtilen tekniklerin performansını değerlendirmek için kullanılır ve kesinti olasılıkları için kapalı form ifadeler türetilmektedir. Elde edilen ifadelerin doğruluğunu teyit etmek için kapsamlı simülasyon çalışmaları da sunulmaktadır. Bahsedilen tekniklerin çeşitleme kazancı analizleri de araştırılmakta ve asimptotik göreceli çeşitleme kazancı türetilmektedir. Sonuçlar, anten seçimi olmayan MIMO şemalarına göre anten seçim şemalarında önemli performans iyileştirmeleri olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Rich scattering of ultraviolet (UV) signals enables the non-line-of-sight (NLOS) outdoor wireless connectivity and eliminates the line-of-sight (LOS) requirement of free-space optical links. While the rich scattering of UV signals provides NLOS communication, they also cause a huge path loss which significantly degrades the performance of NLOS-UV links. Besides scattering and absorption losses, atmospheric turbulence-induced fading is a major limiting factor for NLOS-UV communication systems. The turbulence-induced fading causes fluctuations in the received optical beam, resulting in power loss and performance degradation at the receiver. There are many fading mitigation techniques, including error-correcting codes, cooperative communications, link adaptation, etc. Among these, spatial diversity techniques provide an appealing alternative approach for fading compensation with their inherent redundancy.
In this thesis, the spatial diversity techniques for NLOS-UV communication systems in the presence of atmospheric turbulence-induced fading are investigated. The study mainly focuses on (i) the MISO system, which is called transmit diversity, (ii) the SIMO system, which is called receive diversity, and (iii) MIMO NLOS-UV communication systems. The BER and outage performance of the mentioned systems is analyzed to show the fading mitigation power of spatial diversity techniques for NLOS-UV communication systems. Closed-form expressions are derived for the BER and outage probability of all the mentioned systems. The accuracy of the derivations is confirmed through numerical simulations. In the numerical simulations, different combining methods are considered, including equal gain combining (EGC), maximum ratio combining (MRC), and selection combining (SelC) for receive diversity case. The BER and outage performances of all the techniques are derived, and comparisons are made between them. The results of this study demonstrate significant performance improvements in spatial diversity schemes over single-input–single-output (SISO) counterparts. The effect of spatial correlation is further investigated, and the BER and outage performances of MISO, SIMO, and MIMO NLOS-UV links over correlated atmospheric fading channels are derived. It is illustrated that the spatial correlation between fading paths significantly degrades the performance, and maximum diversity gain is achievable in the case of no correlation between fading paths. The diversity gain analysis of NLOS-UV links with spatial diversity is further investigated, and closed-form expressions are derived for the relative diversity order and asymptotic relative diversity order of MISO, SIMO, and MIMO NLOS-UV links.
Selection diversity techniques are also studied for MIMO NLOS-UV systems over atmospheric turbulence channels, including transmit aperture selection (TAS), receive aperture selection (RAS), and joint transmit and receive aperture selection (TRAS) schemes. In the proposed approaches, a single transmit and/or receive aperture is selected among N transmit and/or M receive apertures for transmission to maximize the corresponding optical path's signal to noise ratio (SNR). The outage probability metric is used to evaluate the performance of the mentioned techniques, and closed-form expressions are derived for their outage probability. Extensive simulation studies are further presented to confirm the accuracy of the derivations. The diversity gain analyses of the mentioned techniques are also investigated, and the asymptotic relative diversity order is derived. The results demonstrated significant performance improvements in aperture selection schemes over MIMO schemes without aperture selection counterparts.