Görünür ışık haberleşmesi için yeni nesil fiziksel katman teknikleri
Novel physical layer techniques for visible light communication
Yazar: YASİN ÇELİK
Danışman: PROF. DR. AYDIN AKAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bina içi haberleşme = Indoor communication

Özet:
Kablosuz haberleşme teknolojileri yoğun olarak radyo frekans (RF) bandı kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Son yıllarda akıllı mobil cihazlara ve video temelli uygulamalara artan ilgi, mobil veri trafiğinde çok büyük artışa sebep olmuştur. Artan mobil veri ihtiyacı mevcut aktif RF bandını doyum seviyesine getirmiştir ve yakın bir gelecekte frekans izgesi darlığının baş göstereceği öngörülmektedir. Bu noktada görünür ışık haberleşmesi (VLC) izge krizinin aşılabilmesi için, alternatif bir kısa mesafe kablosuz haberleşme tekniği olarak ön plana çıkmaktadır. 
VLC'de kullanılan modülasyon teknikleri, yoğunluk modülasyonlu direk sezim (IM/DD) kısıtları altında olduğu için, pozitif ve gerçek değerli olmak zorundadır. Bu durum RF haberleşmede kullanılan birçok bant ve güç verimli modülasyon tekniğinin direk olarak VLC sistemlere uygulanmasını kısıtlamaktadır. Bununla birlikte VLC sistemlerde her ne kadar optik izge Terra Hertz seviyesinde olsa da, sistemin elektriksel bant genişliği ışık kaynağı olarak kullanılan LED'lerin elektriksel bant genişliği ile sınırlıdır. Sonuç olarak, IM/DD kısıtlamalarının bulunması ve elektriksel bant genişliğinin düşük olması, VLC sistemlerde güç ve izge verimli yeni modülasyon tekniklerinin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. 
İzge verimini artırmak için önerilen en etkili tekniklerden biri çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO) iletim planıdır. MIMO iletim planının başarımı, MIMO kanalları arasındaki ilinti ile ters orantılıdır. VLC sistemlerde ise MIMO kanalları arasında ilinti katsayısı yüksektir. Bu durumu önlemek için, alıcı tarafta fotodedektörler arasında belirli bir mesafenin olduğu alıcı modeli tasarlanmıştır. Ancak bu tip bir alıcı modeli kullanıcının gezginliğini sınırlamaktadır. Son yıllarda kompakt yapıda tasarlanmış MIMO VLC alıcı çeşitleri kullanıcının gezginliğini artırmıştır. Fakat MIMO kanallar arası ilintiyi azaltmak için tasarlanan bu alıcı yapılarında, her bir kanalın tek tek kazancı ve doğal olarak toplam kazanç azalmaktadır. Bu oluşan kayıp ile uzamsal çoğullama yoluyla elde edilen kazanç arasında bir ödünleşim söz konusudur. 
Bu tezde, güç ve izge verimli bir teknik olan DC-yardımlı alt taşıyıcılı yoğunluk modülasyonu (DCA-SIM), uzamsal modülasyonlu (SM) MIMO VLC sistemler için önerilmiş ve çeşitli bina içi MIMO senaryolarda bit hata oranı (BER) başarımları incelenmiştir. Buna ek olarak, yüksek ilintili bina içi MIMO VLC kanallar için verici tarafta dengesiz güç dağılımı (PI) senaryoları dikkate alınmıştır. Devamında DCA-SIM için farklı izge verimlilik değerlerinde sabit bir sinyal gürültü oranı (SNR) için en iyi PI çarpanı değerleri tespit edilmiştir. PI yönteminin DCA-SIM'in BER başarımı üzerindeki etkisi incelenmiş ve önemli SNR kazancı sağlandığı gösterilmiştir. \textit{Monte Carlo} benzetim yöntemi ile elde edilen sonuçları desteklemek için üst sınır BER başarımları analitik olarak elde edilmiştir.
Tezin devamında, DC-bilgili alt taşıyıcılı yoğunluk modülasyonu (DCI-SIM) VLC sistemler için incelenmiştir. DCI-SIM ile literatürde öne çıkan modülasyonların toplamsal beyaz Gauss gürültülü (AWGN) kanal BER başarımları tek-girişli tek-çıkışlı (SISO) iletim planında karşılaştırılmıştır. SM iletim planı için DCI-SIM yıldız diyagramları IM/DD kısıtlamaları altında optimize edilmiştir. Devamında DCI-SIM BER başarımları yeni nesil gezgin alıcı üniteleri içeren MIMO VLC sistemlerde farklı bina içi geometriler göz önüne alınarak incelenmiştir. İletim planlarının üst bant BER başarımları analitik olarak türetilmiş ve yüksek SNR değerlerinde \textit{Monte Carlo} benzetim yöntemi sonuçları ile yakın başarımlara sahip olduğu ortaya konmuştur. DCI-SIM modülasyonunun bütün MIMO yapılarında en iyi başarımı sağladığı gösterilmiştir. 
Son olarak, literatürde önerilmiş karmaşık tasarıma sahip kompakt alıcı ünitelerinin uzamsal çoğullama kazançları ve kanal kazançları arasındaki ödünleşim incelenmiştir. Bu ödünleşimi ortaya koymak için, basit ve kompakt tasarıma sahip tekrarlamalı kodlamalı alıcı (RCR) ünitesi tekrarlamalı kodlama (RC) iletim planı ile birlikte dikkate alınmıştır. Devamında, RCR BER başarımları karmaşık tasarıma sahip kompakt açısal çeşitlemeli alıcı (ADR) ünitesi BER başarımları ile karşılaştırılmıştır. Farklı bina içi senaryolar için basit alıcı yapısının karmaşık alıcıya çok yakın ve bazı bina içi pozisyonlarda daha iyi başarımlar elde ettiği gösterilmiştir.

Abstract:
Wireless communication has extensively been carried out at radio frequency (RF) bands. Recently, the increasing demand for video based applications with smart phones caused tremendous increase in mobile data traffic. The growing need for mobile data saturates the RF bands and it is envisaged that we will run into a spectrum crisis  in the near future. Herein visible light communication (VLC) stands out as an alternative short range wireless communication technique to overcome the spectrum crisis.        
Modulation techniques used in VLC have to be real and positive throughout the transmission period due to the intensity modulation direct detection (IM/DD) system constraints. Hence, the bandwidth and energy efficient modulation techniques used in RF is not applicable to the VLC systems. Furthermore, the optical bandwidth of the VLC system is limited by the electrical bandwidth of the LEDs used as the light source, even though the optical spectrum is at the Terra Hertz levels. Consequently, because of the IM/DD constraints and the low electrical bandwidth of the LEDs, it is imperative to develop new bandwidth and energy efficient modulation techniques for VLC systems.
Multiple-input multiple-output (MIMO) transmission techniques is the one of the best effective technique, which is suggested to increase spectral efficiency. The performances of MIMO techniques are inversely proportional to the correlation between MIMO channels. Unfortunately, correlation between MIMO channels is high in VLC systems. In order to decrease the channel correlations photo-detectors (PD) at the receiver side are spatially separated. However, such a receiver limits the mobility of the user. Several compact receivers have been proposed for indoor MIMO VLC systems in recent years. But, compact receivers have a trade-off between the individual channel gains and the correlation of the channels.
In this thesis, DC-aid subcarrier intensity modulation (DCA-SIM), which is an energy and bandwidth efficient modulation technique, is proposed for spatial modulation (SM) MIMO VLC systems and the bit error rate (BER) performances are investigated for various indoor MIMO scenarios. Additionally, the power imbalance (PI) scenarios are considered at the transmitter side for correlated indoor MIMO VLC channels. Moreover, the best power imbalance factors are obtained for DCA-SIM at different spectral efficiencies and fixed signal to noise ratio (SNR) value. The effect of power imbalance method on the BER performance of DCA-SIM is investigated and remarkable power gains are obtained compared to the non-power imbalanced cases. The upper bound BER performances of the proposed models are obtained analytically in order to validate the Monte Carlo simulation results.
Additionally, DC-informative subcarrier intensity modulation (DCI-SIM) is investigated for VLC systems. The additive white Gaussian noise (AWGN) channel BER performances of the DCI-SIM are compared with other modulations, which are stand out in literature, in single-input single-output (SISO) transmission plan. Then DCI-SIM constellations are optimized for SM transmission plan under IM/DD constraints. Moreover, BER performances of DCI-SIM is studied for MIMO VLC systems with new generation mobile receiver units in different indoor scenarios. The upper-bound BER performances of DCI-SIM are derived for MIMO transmission plans.  close to the Monte Carlo simulation results in high SNR values. Consequently, it is showed that DCI-SIM has the best performances for all MIMO transmission plans.
Finally, the trade-off between the multiplexing gain and the channel gain for complex designed compact receiver units is investigated. In order to find out this trade-off simply and compactly designed  repetition coding receiver (RCR) unit is taken into consideration for repetition coding (RC) transmission plan. Then, the BER performance of RCR with RC is compared with the performance of angular diversity receiver (ADR), which is a  complex designed compact receiver unit, with SM. For different indoor scenarios, it has been shown that the RCR performance is very close to the ADR. Furthermore RCR outperform ADR in some indoor positions.