Görünür Işık Kanallarının Modellenmesi ve Optik OFDM Sistemleri için Başarım Analizi / Modelling of Visible Light Channels and Performance Analysis for Optical OFDM Systems

Yıl 2015, Cilt: 5 Sayı: 9, 18 - 29, 30.06.2015

ANIL Yeşilkaya FARSHAD Miramirkhani HÜSEYİN FUAT Alsan ERTUĞRUL Başar Erdal Panayırcı Murat Uysal

Öz

Gelişen teknolojiler ve bilgiye olan hızlı gereksinim nedeniyle kablosuz mobil haberleşmeye tahsis edilen radyo frekans (RF) bantları hızla dolmakta bunun sonucunda da RF frekans bandının üst sınırlarına doğru  yaklaşılmaktadır. Dolayısıyla, 5'nci nesil (5G) sistemler için belirlenecek muhtemel frekans bantlarının ötesinde daha yüksek frekans bantlarında çalışmanın son derece güç veya olanaksız hale geleceği anlaşılmaktadır. Bu durumda RF teknolojisine alternatif olabilecek ve bu teknolojiye paralel optik tabanlı yeni haberleşme teknolojilerinin geliştirilmesi için araştırma ve geliştirme çalışmalarına  gereksinim vardır. Bu soruna en uygun çözüm olan görünür ışıkla haberleşme (VLC), çok geniş ve regüle edilmemiş bir frekans bandına sahip olması nedeniyle, ilginç bir teknoloji olarak öne çıkmakta olup üzerinde yoğun araştırma ve geliştirme çalışmaları sürdürülmektedir. VLC alanında yakın zamanda yapılan çalışmaların tamamına yakınında gerçekçi bir kanal modelinin elde edilememesi sebebiyle yalnızca ideal toplamsal beyaz Gauss gürültülü (AWGN) kanallar kullanılmıştır. Bu bağlamda, bir VLC sistemin kullanılacağı kanal  ortamının gerçek modelinin ortaya çıkarılması ve bu kanal üzerinden yapılan iletişimin hata başarımının belirlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, kablosuz mobil haberleşme konusuna odaklanan araştırmacılara bu güncel ve ilginç alanı ayrıntılarıyla tanıtmak ve  özellikle optik çok-girişli çok-çıkışlı (MIMO) iletişim tabanlı dik frekans bölmeli çoğullama (OFDM) için yüksek veri hızlarına erişebilen  yeni  ve özgün bir VLC sistemin tasarımını sunmaktır. Dört ışık yayan diyot (LED) ile dört foto detektörlü (PD) bir optik MIMO sistem için önerilen tekniğin, Zemax yazılımı yardımıyla modellenen gerçek optik kanallar üzerinden hata başarımı bilgisayar benzetimleri yoluyla incelenerek diğer MIMO-VLC tekniklere göre en yüksek hata başarımını sağladığı gösterilmektedir.

 Rapid development in technology and increasing necessity to reach information instantaneously, drives the radio frequency (RF) band to a bottleneck. It can be seen that, we are gradually approaching to the upper limits of the band at both network access and backhaul levels. Operating beyond that upper limit would be so difficult or may be unfeasible for 5th generation (5G) mobile communication systems. In such case, it is necessary to develop optics based alternative telecommunication systems to RF technology. Visible light communications (VLC) could be the most appropriate and appealing solution for researchers due to its unregulated and very wide frequency band. Yet, there is no appropriate VLC channel model in the literature, only ideal and additive white Gaussian noise (AWGN) channels are assumed in the recent papers. In this context, determination of the real VLC channel models would play vital role on the bit error rate performance of the communication systems. The main objective of this tutorial paper is, to  introduce this unique and interesting topic to the researchers and offer detailed information on a novel VLC system based on multiple-input-multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Besides, proposed  4 LED's and 4 photodiodes (PD) containing MIMO system is analyzed by computer simulations in the presence of real optical channels created by an optical design software Zemax. It has been shown that this scheme provides the best BER performance compared to the other MIMO-VLC systems.

Anahtar Kelimeler

Görünür Işıkla Haberleşme (VLC), Yüksek Hızlı Optik Dik Frekans Bölmeli Çoğullama (HRO-OFDM), VLC Kapalı Alan Kanal Modelleme, MIMO sistemler, MIMO-OFDM, MAP kestirimi

Kaynakça

• C. Shannon, “Communication in the presence of noise,” Proceedings
• of the IEEE, vol. 86, no. 2, pp. 447–457, Feb 1998.
• T. Rappaport, S. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y. Azar, K. Wang,
• G. Wong, J. Schulz, M. Samimi, and F. Gutierrez, “Millimeter wave
• mobile communications for 5G cellular: It will work!” Access, IEEE,
• vol. 1, pp. 335–349, 2013.
• H. Burchardt, N. Serafimovski, D. Tsonev, S. Videv, and H. Haas,
• “VLC: Beyond point-to-point communication,” Communications Magazine, IEEE, vol. 52, no. 7, pp. 98–105, July 2014.
• J. Kahn and J. Barry, “Wireless infrared communications,” Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, pp. 265–298, Feb 1997.
• H. Elgala, R. Mesleh, and H. Haas, “Indoor optical wireless communication: potential and state-of-the-art,” Communications Magazine,
• IEEE, vol. 49, no. 9, pp. 56–62, September 2011.
• A. Yesilkaya, H. F. Alsan, F. Miramirkhani, E. Panayirci, H. Senol,
• and M. Uysal, “Modeling of visible light channels and performance
• analysis of ACO-OFDM,” in Signal Processing and Communications
• Applications Conference (SIU), 2015 23th, May 2015, pp. 2102–2105.
• J. Armstrong and A. Lowery, “Power efficient optical ofdm,” Electronics Letters, vol. 42, no. 6, pp. 370–372, March 2006.
• R. Mesleh, H. Elgala, and H. Haas, “Optical spatial modulation,”
• Optical Communications and Networking, IEEE/OSA Journal of,
• vol. 3, no. 3, pp. 234–244, March 2011.
• Y. Li, D. Tsonev, and H. Haas, “Non-dc-biased ofdm with optical
• spatial modulation,” in Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2013 IEEE 24th International Symposium on, Sept
• , pp. 486–490.
• D. Tsonev, S. Sinanovic, and H. Haas, “Novel unipolar orthogonal
• frequency division multiplexing (U-OFDM) for optical wireless,” in
• Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2012 IEEE 75th, May
• , pp. 1–5.
• E. Basar, E. Panayirci, M. Uysal, and H. Haas, “High-rate optical
• OFDM for MIMO visible light communications systems,” IEEE
• Wireless Communications Letters, (under review) 2015.
• S. Dissanayake and J. Armstrong, “Comparison of ACO-OFDM,
• DCO-OFDM and ADO-OFDM in IM/DD systems,” Lightwave Technology, Journal of, vol. 31, no. 7, pp. 1063–1072, April 2013.
• F. Miramirkhani, M. Uysal, and E. Panayirci, “Novel channel models
• for visible light communications,” pp. 93 870Q–93 870Q–13, 2015.
• “CREE LEDs, [Online],” http://www.cree.com, accessed: 13-07-2015.
• “OSRAM LEDs, [Online],” http://www.osram-os.com, accessed: 13-
• -2015.
• “Zemax 13 Release 2, Radiant Zemax LLC [Online],”
• http://www.zemax.com, accessed: 13-07-2015.
• E. Sarbazi, M. Uysal, M. Abdallah, and K. Qaraqe, “Indoor channel
• modelling and characterization for visible light communications,”
• in Transparent Optical Networks (ICTON), 2014 16th International
• Conference on, July 2014, pp. 1–4.
• L. Zeng, D. O’brien, H. Minh, G. Faulkner, K. Lee, D. Jung, Y. Oh,
• and E. T. Won, “High data rate multiple input multiple output (MIMO)
• optical wireless communications using white led lighting,” Selected
• Areas in Communications, IEEE Journal on, vol. 27, no. 9, pp. 1654–
• , December 2009.