Görünür ışıkla kablosuz yeşil haberleşme sistemleri
Wireless green communication systems with visible light
Yazar: DİLEK ŞENYER
Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR BARIŞ AKAN ; YRD. DOÇ. DR. NUMAN ÜNALDI
Hava Harp Okulu Komutanlığı / Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Haberleşme son zamanlarda 5G WiFi, yeşil haberleşme, vücudumuzun  içindeki nano-haberleşme, nötrino haberleşmesi, gezegenler arası haberleşme, yerçekimsel haberleşme gibi mevcut ve gelecekte kullanılması öngörülen bir çok haberleşme tekniği ile gelişen bir teknolojidir.
Gelecek vadeden bu tür yeni nesil teknolojilerin yakın bir gelecekte yaygın olarak kullanımı artık insanoğlu için uzak bir hedef olmaktan çıkmıştır. Özellikle yeşil haberleşme kavramı, ekolojik perspektiften bakıldığında küresel ısınma konusunda önemli etkisi olan CO2 gazı yayılımını azaltması ve insan nesli için hayati önemi olan enerji tüketimini düşürerek enerji verimli bir haberleşme olanağı sunması açısından geleceğin haberleşme teknolojileri arasında önemli bir yer tutmaktadır. Kablosuz haberleşmede daha yeşil çözüm arayışları günümüzde hükümetlerin, akademik camianın ve endüstrinin dikkatini çeken bir husustur. Bu kapsamda geliştirilen görünür ışıkla kablosuz haberleşme teknolojisi, gelişme aşamasında olan ve mevcut diğer haberleşme teknolojilerine oranla daha az enerji tüketim potansiyeli ile dikkat çeken, endüstride, bilimde ve medikal (ISM) bantta, radyo frekans spektrumun (RF) aksine maliyet etkin ve henüz lisanslandırılmamış bantgenişliği ile haberleşme olanağı sunan bir teknolojidir. Görünür ışıkla haberleşme teknolojisini diğer tekniklerinden ayıran özelliği haberleşme ve aydınlatma olarak çift fonksiyonlu kullanım sunabilmesidir. Bu durumda diğer sistemlerden farklı olarak tasarımda optik güç kısıtlarının da dikkate alınması gerekmektedir. Ayrıca sinyal formatı RF haberleşmeden farklıdır ve RF enerji ile kıyaslandığında insan sağlığına daha az zarar vermektedir.  Bu nedenle araştırmacılar görünür ışıkla haberleşme sistemlerini gelecek nesil haberleşme ve ağ iletimi için potansiyel bir araştırma alanı olarak görmektedirler ve özellikle iç mekan aydınlatma sistemleri üzerine yoğunlaşarak kablosuz haberleşme kapasitesinin sistem fonksiyonları üzerindeki etkilerinin  azaltılması ve ortaya çıkan zorlukların belirlenmesi üzerine çalışmaktadırlar. Yeni gelişen bu teknolojinin pratik olarak günlük yaşamda veri iletiminde kullanımının yaygınlaşması Gb/s hızına erişilebilmesi durumunda olacaktır ki, bu durumda bir takım düzenlemelerin yapılması ve teknik anlamda ortaya çıkan zorlukların aşılması gerekmektedir. Sistem tasarımında; Gb/s hızında yayın yaparken veri iletiminin aydınlatma fonksiyonu üzerindeki etkilerinin giderilmesini sağlamak, değişik ortamlarda etkin karatma kontrol teknikleri kullanılarak yeterli aydınlatma seviyesini standartlara uygun şekilde ayarlamak, karatma sisteminin modülasyon tekniği ile uyumlu olarak çalışmasını sağlamak, mobilite yönetimini sağlamak ve geliştirmek, çok yollu iletim kanal karakteristikleri sorununu çözmek, çift yönlü iletişim sağlamak karşılaşılan sorunlar arasında yer almaktadır. Ayrıca dış mekan haberleşme sistem tasarımı, sistem güvenilirliği, kanal kodlama teknikleri, ağ iletimi kapsama alanı sorunları da ortaya çıkan diğer sorunlardır. Araştırmaları bu yönde geliştirerek, güncel standartlar yayınlanması gerekmektedir. Araştırmacılar mevcut ve öngörülen görünür ışıkla haberleşme teknolojisi üzerinde daha yeşil çözümler üretmek amacıyla yeni tasarım paradigmaları üzerinde çalışmalarını sürdürmektedir.
Bu tezde LED tabanlı ve modülasyon tabanlı enerji verimli görünür ışıkla haberleşme sistemleri ile ilgili olarak yapılan çalışmalar aktarılmıştır. Geleneksel ışık kaynakları ve LED ışık kaynakları ile yapılan VLC uygulamaları incelenerek,  haberleşme tekniği ile yakın ilgisi bulunan katı hal aydınlatma teknolojisinde gelinen son nokta özetlenmiştir. Yüksek veri hızı sağlayan yeni nesil LED teknolojilerinin avantajları belirtilerek, tasarımlarında karşılaşılan sorunlar tartışılmıştır. Sistemin standartlarla tanımlanan fiziksel katmanları, güç optimizasyonu ile veri hızını Gb/s seviyesine çıkarmak için çözümlenmesi gereken süreçler aktarılmış ve uygulanan modülasyon teknikleri tanıtılmıştır. Başlangıç safhasında bulunan mobilite uygulamaları aktarılmıştır. Enerji verimliliğinin sağlanması için uygulanan ve görünür ışıkla haberleşme sistemi için tasarlanan temel ve ileri teknikler ve elde edilen sonuçlar açıklanmıştır. Ayrıca yapılan literatür araştırmasında, sistem tasarımı aşamasında aydınlatma kriterlerinin optimizasyonu ile enerji verimli bir sistem tasarlanması konusu üzerine yapılan çalışma bulunmadığı belirlenmiştir. Karartma, gölgeleme, titreme etkisi gibi aydınlatma fonksiyonunu doğrudan etkileyen kriterlerin optimize edilmesi sonucunda elde edilecek enerji verimli görünür ışıkla veri iletimi tasarımının VLC sistem tasarımlarında önemli bir aşama olacağı değerlendirilmektedir. 
Bu incelemede amaç, günümüz için yeni bir teknoloji olması ve teknik sorunların çözümlenememesi nedeniyle pratikte uygulama alanları henüz kısıtlı olan görünür ışıkla haberleşme sistemlerinin yeşil haberleşme kapsamındaki potansiyelinin daha iyi anlaşılmasını sağlamak ve araştırmacıları bu güncel teknoloji alanında daha fazla çalışma yapabilmeleri amacıyla motive etmektir.

Abstract:
The developments in the communication technologies have yielded many existing and envisioned data transmission architectures such as 5G WiFi, green communication, body-in nano-communication, neutrino communication, inter-planets communication, gravitational communication. 
The widespread use of these promising technologies in the very near future is not out of reach anymore. From echological perspective, among these technologies, green communication known as also energy efficient communication that mitigates green house gas (CO2) emissions which is a major contributor to the climate change equation and decrease the overall energy consumption becomes vitally important for human beings. Therefore, the need for greener solutions for wireless technologies has emerged by increasing the attention of government, academia, and industry. 
Wireless network's environmental responsibility, such as energy efficiency and environmental impact are key challenges in this area. In wireless communication energy efficiency has significant economic benefits, ecological benefits and also represents social responsibility in the means of climate change. By reviewing the trend and taking into account the new generation wireless communications which are expected to be a major energy consumer, rapid increasement of rate in the future is expected. Therefore effective actions must be taken in the case of energy efficiency.  
Reducing energy consumption in wireless communications to construct a green wireless communication network has become a primary purpose currently. Therefore many research industries, telecommunication service providers, lighting industry manufacturers and academic ﬁelds are engaged in green communication and energy efficient system design of wireless communications is the future trend from now on. And also high energy consumption make it almost impossible for the RF communication systems to independently provide the increasing demand for wireless data transmission. Although this technology is still in its infant stages, VLC is considered to be a green communication alternative depending on its developing stage which can be used instead of RF communication or as a complementary technology to the existing wireless Networks.
The rapid development of these wireless communication technologies may have brought convenience and ease directly or indirectly to human life in many respects, however besides these beneficial aspects, technology also brings many adversities to natural life such as increasing green house effect which is a sensitive spot to be dealt with seriously.  The fossil fuels will be extinct in near future, and the climate changes due to global warming will become much more severe. To overcome the concerns about global warning, considerable strategies to mitigate the increase of CO2 levels in the atmosphere have to be developed. These factors force us to search greener solutions for communication. To think of how to cause minimal damage to the environment has become more vital nowadays while producing new technologies.
On the other hand wireless devices have become an indispensable part of our lives, however this widespread usage of wireless technology makes it an important part of total energy consumption. Therefore green communication technologies such as VLC, the new emerging technology which has the potential of low energy consumption and allows licenced free bandwidth and differs from radio frequency communication in both baseband signal format and optical power constraints and also environment friendly solution compared with IR communication became more popular nowadays. Also, VLC allows low-cost broadband communication in the industrial, scientific, and medical (ISM) band with respect to overcrowding of the radio frequency (RF) spectrum and differs from radio frequency communication in both baseband signal format and optical power constraints and also less harmful to human health compared with IR communication. The researches on VLC systems are in the rapid development stage due to the increasing demand for  high-quality applications that needs high-speed data rates. The prospect of ubiquitous Gb/s wireless access to internet transmitted through streetlights without using wireless internet routers which are potentially harmful electromagnetic pollution emitters in mobile indoor or outdoor environments is considered to be a revolution in communication technology and soon it will become vital.
Therefore being a potential research focus for all the next-generation communications and networks designers, the researchers reengineer the function of indoor lighting and address the wireless capacity challenge. However, there exist many common significant regulatory and technical challenges to be addressed for the practical realization of this new emerging technology before its widespread acceptance, such as to find a way to achieve Gb/s transmission without affecting the illumination,to obtain adequate illuminance according to various environments under power efficient dimming control schemes, to achieve enhanced lighting efficiency, to provide modulation scheme compatibility with the dimming system, mobility management, duplex communication, multipath transmission channel characteristics, outdoor communication, reliability, channel coding,network coverage and to publish timely standards. Inspired by these challenges, many researchers are currently engaged in developing innovative design paradigms to address the energy efficiency challenges of existing and envisioned VLC systems for developing green VLC solutions.
In this paper, the current state-of-the-art in LED-based and modulation-based energy efficient visible light communication is captured. VLC applications with traditional light sources, LED-based VLC applications and solid state technology researches are presented. The next generation LED technologies proposed for high-speed communication for VLC applications are discussed and challenges that has to be overcome to increase the data-rate to Gb/s speeds while optimizing the power consumption are reviewed. Basic concepts of VLC physical layer, energy efficient light communication, applications of mobility issues are presented along with open research issues and challenges. A wide range of energy efficient modulation schemes that address the many technical challenges in implementing VLC at high speeds are discussed and challenges that has to be overcome to increase the data-rate to Gb/s speeds while optimizing the power consumption are reviewed. Fundamental and advanced techniques designed for VLC for energy efficiency (EE) such as multiple-input multiple-output (MIMO) and multiple-input single-output (MISO) techniques with orthogonal frequency division multiplexing are summarized by identifying valuable topics on energy-efficient design for future research. The objective of this survey is to provide better understanding of the potentials for green VLC systems which is currently far from being fully recognized, and to motivate the research community to further explore this timely and vital topic. We also identify the issues that are particular to VLC and we discussed spectrally efficient modulation candidates below that fulfill the required constraints.
The objective of this survey is to provide better understanding of the potentials for green VLC systems which is currently far from being fully recognized, and to motivate the research community to further explore this timely and vital topic.