MIMO-OFDM Tabanlı Görünür Işıkla Haberleşme

Abstract

Optik Kablosuz Haberleşme (Optical Wireless Communications (OWC)) sistemleri ve bunun olası bir uygulaması olan Görünür Işıkla Haberleşme (Visible Light Comunications (VLC)), uygulamalarda çok önemli teknik ve operasyonel üstünlükler sağlamaktadır. Sahip olduğu çok yüksek frekans band genişliği, bilgi iletim kapasitesi, elektromanyetik girişimlere karşı yüksek bağışıklığı, uzamsal ortamlarda yüksek oranda güvenli kapanma özelliği ve kapsadığı frekans spektrumunun belli regülasyonlarla düzenlenmemiş olması nedeniyle, gerek OWC ve gerekse VLC sistemleri, çok geniş bir uygulama alanı içinde, radyo tabanlı kablosuz haberleşme sistemlerine bir seçenek olarak veya onların tamamlayıcı niteliğinde karşımıza çıkmaktadır. Ancak, büyük bir potansiyele sahip optik spektrumdan etkin bir biçimde yararlanılabilmesi için yoğun araştırma ve geliştirme çalışmalarına gerek vardır. Bu TÜBİTAKCOST projesi, Optical Wireless Communications -An Emergency Technology adlı COST (4159/10) projesinin bir parçasıdır. COST (4159/10), OWC konusunda disiplinler arası araştırma aktivitelerini yürütmekle görevli bir Avrupa Topluluğu bilimsel platformudur. Kapalı ortamlarda saçılmış veya görüş çizgisi yönünde iletim linki oluşturan kızıl ötesi ve görünür ışık haberleşmesi, son yıllarda yeni bir kablosuz haberleşme teknolojisi olarak karşımıza çıkmaktadır. VLC ürünlerinin pazara çıkmasıyla bunların geleceğinin çok ümit verici olduğu anlaşılmaktadır. VLC ile ilgili standartlaşma IEEE 802.15.7 çalışma grubu tarafından yürütülmüştür ve IEEE standartına uygun ilk VLC ürününün pazara sunulması yakın gelecekte beklenmektedir. Bu ürünün potansiyel uygulama alanları şu şekildedir: (a) kablosuz yerel ağlar (WLAN), (b) hava meydanları, tren istasyonları ve diğer halka açık kritik noktalar (c) uçaklar ve hızlı trenler (d) hastahaneler, müzeler ve sanat galerileri, (e) araç içinde ve araç ile altyapısı oluşturulmuş haberleşme ağları. Araştırma sonuçlarına göre optik kablosuz haberleşme teknolojisinin kullanıldığı diğer alanlarda da VLC yararlı olacaktır. Son on yıl içinde, kablosuz haberleşmenin fiziksel katmanı düzeyinde yürütülen araştırmalar sonucunda çok heyecan verici gelişmelere tanık olunmuştur. Bu gelişmelerden bazılarına çok-girişli-çokçıkışlı (MIMO) haberleşme, dik frekans bölmeli çoğullama (OFDM), uzaysal modülasyon (SM) ve İndis Modülasyonlu OFDM (OFDM-IM) teknikleri ve düşük hesaplama karmaşıklığına sahip kanal kestirim, kanal denkleştirme ve veri sezim algoritmaları sayılabilir. Bu özgün yaklaşımlardan bazıları günümüzde uluslararası kablosuz haberleşme standartlarları içinde yerini almış ve ticari ürün olarak kablosuz RF pazarına sunulmuştur. Bu projenin temel amacı, MIMO, OFDM ve SM gibi fiziksel katman yöntem ve tekniklerini kullanarak, yüksek hızda veri iletimini sağlayan güvenilir, dış etmenlerden etkilenmeyen ve optimal yapıda bir görünür ışıkla haberleşme sistem tasarımını gerçekleştirmektir. Bu kapsamda şu temel araştırma konuları üzerinde yoğunlaşılacaktır: ? Kablosuz RF haberleşmesinde başarı ile kullanılan MIMO-OFDM, MIMO-SM ve OFDM-IM tekniklerini uygulayarak yeni ve özgün VLC sistemleri teklif edilecek ve geliştirilecektir. Bu tekniklerin VLC sistemlerine uygulanmasında, özellikle RF ve VLC haberleşme sistemlerinde karşılaşılan sinyal formatlarındaki farklı yapılardan dolayı, çok ilginç ve zorlu araştırma problemleriyle karşılaşılmaktadır; ? Kızılötesi/görünür-ışık kanalların, fiziksel özelliklerinin de yansıtıldığı, gerçek optik kanal modellerinin matematiksel yöntemlerle geliştirilmesi; ? İleri sinyal işleme tekniklerinden yararlanarak, görüş çizgisi yönünde propagasyon yapmayan (NLOS) VLC sistemleri için, çok yollu kanalın neden olduğu simgelerarası girişimlerin etkisini azaltmak için, yeni ve özgün kanal kestirim ve kanal denkleştirme algoritmalarının geliştirilmesi; ? Geliştirilen kanal kestirim algoritmalarının doğruluğunun VLC başarımına etkilerinin bilgi kuramı yardımı ile belirlenmesi; Bu, kanalda oluşan çeşitli kanal gürültü modelleri (Gauss, Poisson, shot gürültüsü vs. gibi) ve alıcıda farklı kanal durum bilgileri varsayımları altında sistem hata başarımının analitik olarak belirlenmesi süreçlerini içermektedir;Tasarlanacak sistemlerin başarımları çeşitli gürültü ve kanal modellerini içeren gerçekçi haberleşme senaryoları için ayrıntılı bilgisayar benzetimleri ile belirlenecektir. Bu benzetim çalışmalarında, alıcı duyarlığı, alıcı/vericilerin doğrusal-olmayan (non-linear) rejimlerde çalışması, anten yayılım hüzmelerindeki sapmalar, ortam koşulları gibi uygulamalada karşılaşılan türlü sorunların haberleşme sistemin başarımına olası etkileri dikkatle incelenecektir