Skip to main content
SUPERVISOR
دیوید مایکلسون (استاد مشاور) مسعود عمومی (استاد راهنما) ذبیح قاسملویی (استاد مشاور) اصغر غلامی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Zahra Vali
زهرا ولی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Channel modeling of under water wireless optical communications
The idea of using free space optical communications underwater has developed recently to investigate the oceans for scientific and financial reasons. Underwater wireless optical communications (UWOC) is a newly emerged technology which uses the optical carriers to transmit information underwater. In comparison to acoustic waves that were used previously in underwater wireless communications, employing optical waves increases the speed and bandwidth of data transmission, significantly. However, using optical waves is limited to short distances due to high water absorption in optical frequencies. Fortunately, the lowest absorption of water in green-blue wavelengths, makes the visible light as a good option to provide high bandwidth communications in tens of meter link span. This short distance is used for applications such as maintaining oil equipment, monitoring ports and connections of submarines to lands in wireless sensor networks. Due to the unique features of water, channel models of free space optical communications are not suitable for UWOC. To provide acceptable data rate and bit error rate for underwater optical communications, it is necessary to investigate the effective parameters on light propagation in the water. In this research, the physical model of UWOC channel including absorption and scattering phenomena based on the Monte Carlo approach is studied. The effects of absorption and scattering on different aspects of communications system performance such as power loss, time dispersion (channel bandwidth), transmitter and receiver misalignment and angular spreading (angle of arrival distribution) in clear and harbor water are investigated. In addition to underwater channel characteristics, the parameters of optical communications system affect the system performance, as well. Among different system parameters, the effects of divergence angle of Gaussian beam transmitter and its limitation cases including plane and spherical beams, size of the aperture, field of view and sensitivity of detector on the power loss, channel bandwidth and receiver offset are investigated. In addition to absorption and scattering, variations of water refractive index cause turbulence underwater. Despite the existing physical models including absorption and scattering in previous researches, a physical turbulence model for the applications of UWOC is not presented yet. In this research, a turbulence model based on the refractive index variations in a horizontal UWOC link with the Monte Carlo approach is presented which is far less computationally intensive than approaches based on computational fluid dynamics. Furthermore, it is more simple and flexible for UWOC applications. Model results show that the lognormal distribution is fitted well with the probability density function of the received light intensity fluctuations in weak, moderate and strong turbulence regimes, while in the saturation regime it follows the negative exponential distribution. Variations of scintillation index with the channel parameters including link span and refractive index variation and with the system parameters including divergence angle of Gaussian beam transmitter, aperture size and field of view of the detector are investigated. Moreover, the proposed model predicts the turbulence induced power loss especially in longer link span and higher refractive index variations. To verify the proposed turbulence model, experimental tests are achieved. A new practical method is introduced to produce turbulence. Weak turbulence is investigated up to 12 meter link span. The link span is one of the main factor defining turbulence strength and its effect on the probability density function of the received light intensity and the scintillation index is investigated in the experiments. The results of the experiments and the proposed model are in good agreement. Keywords: Underwater wireless optical communications, Channel modeling, Absorption, Multiple scattering, Turbulence, Loss, Time dispersion, Misalignment, Angular spreading, Transmitter beam divergence angle, Probability density function, Scintillation index, Aperture size, Field of view
ایده استفاده از مخابرات نوری فضای آزاد در دریاها با توجه به دلایل علمی، اقتصادی در راستای بررسی اقیانوس ها و دریاها با سرعت چشم گیری توسعه یافته است. مخابرات نوری بی سیم زیر آب (UWOC) فنآوری نوظهوری است که از حامل های نوری برای انتقال اطلاعات در محیط های آبی استفاده می کند. استفاده از امواج نوری در مقایسه با امواج صوتی که سابقاً در مخابرات بی سیم زیر آب استفاده می شدند، سرعت انتقال و پهنای باند ارسال اطلاعات را به طور چشم گیری افزایش می دهد. از طرفی، استفاده از امواج نوری محدود به فواصل کوتاه می شود زیرا جذب آب در فرکانس های نوری شدید است. با این وجود طول موج های آبی-سبز، به دلیل تضعیف کمتر نور در آب نسبت به سایر طول موج ها، گزینه مناسبی برای ایجاد مخابرات با پهنای باند زیاد در طول های چند ده متر می باشد. این محدوده ارتباطی برای کاربردهایی مانند نگهداری تجهیزات نفتی، نظارت بر بندرگاه ها و اتصال زیردریایی ها به خشکی، در شبکه های حسگر بی سیم مورد استفاده قرار می گیرد. ویژگی های منحصر به فرد آب سبب شده است، مدل های کانال مربوط به مخابرات نوری فضای آزاد برای کانال های UWOC مناسب نباشند. به منظور داشتن نرخ داده و نرخ خطای قابل قبول برای یک ارتباط نوری زیر آب لازم است عوامل تأثیرگذار بر انتشار نور در آب مورد بررسی و ارزیابی قرار گیرند. این تحقیق ابتدا به بررسی مدل فیزیکی کانال UWOC مبتنی بر روش مونت کارلو، شامل پدیده های جذب و پراکندگی می پردازد و اثرات ناشی از آن ها را بر جنبه های مختلف عملکرد سیستم مخابراتی شامل تضعیف توان، پاشندگی زمانی (پهنای باند کانال)، ناهم ترازی فرستنده و گیرنده و پخش شدگی زاویه ای (توزیع زاویه ورودی به گیرنده) در آب های تمیز و بندرگاهی مورد بررسی قرار می دهد. علاوه بر مشخصات کانال زیر آب، پارامترهای سیستم مخابرات نوری نیز بر عملکرد سیستم مؤثر می باشند. از میان پارامترهای مختلف سیستم، تأثیر زاویه واگرایی فرستنده با پرتو گوسی و حالت های حدی آن شامل پرتوهای صفحه ای و کروی، اندازه روزنه، میدان دید و میزان حساسیت گیرنده بر تضعیف توان، پهنای باند کانال و آفست گیرنده مورد بررسی قرار خواهند گرفت. افزون بر رخداد های جذب و پراکندگی، پدیده اغتشاش در آب به دلیل تغییرات تصادفی ضریب شکست رخ می دهد. علیرغم مدل های فیزیکی بیان شده شامل اثر پراکندگی و جذب در تحقیقات گذشته، مدل فیزیکی که اثر اغتشاش را در کاربردهای UWOC در نظر گرفته باشد، ارائه نشده است. در این تحقیق یک مدل اغتشاش بر اساس تغییرات ضریب شکست در لینک افقی UWOC با روش مونت کارلو ارائه می شود که نسبت به روش های مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی، حجم محاسباتی بسیار کم تری دارد و برای کاربردهای UWOC ساده تر و انعطاف پذیرتر می باشد. نتایج حاصل از مدل ارائه شده نشان می دهند که نوسانات شدت نور دریافتی در حوزه های ضعیف، متوسط و قوی اغتشاش، به خوبی بر تابع چگالی احتمال لگنرمال منطبق می شود و در حوزه اشباع از تابع نمایی منفی پیروی می کند. تغییرات ضریب درخشش با پارامترهای کانال شامل طول لینک و تغییرات ضریب شکست و با پارامترهای سیستم شامل زاویه واگرایی پرتو فرستنده، اندازه روزنه و میدان دید گیرنده مورد بررسی قرار می گیرد. به علاوه مدل پیشنهادی، تلفات توان ناشی از اغتشاش را مخصوصاً در فواصل لینک و تغییرات ضریب شکست بیشتر پیش بینی می کند. تست آزمایشگاهی برای راستی آزمایی مدل اغتشاش پیشنهادی انجام می شود. روش عملی جدیدی برای ایجاد اغتشاش معرفی می گردد و اغتشاش حوزه ضعیف تا طول لینک 12 متری بررسی می شود. طول لینک یکی از عوامل مهم تعیین کننده شدت اغتشاش است و اثر آن بر تابع چگالی احتمال شدت نور دریافتی و ضریب درخشش در آزمایشات مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج حاصل از تست و مدل پیشنهادی با هم منطبق هستند. واژگان کلیدی: مخابرات بی سیم نوری زیر آب، مدل سازی کانال، جذب، پراکندگی چندگانه، اغتشاش، تضعیف، پاشندگی زمانی، ناهم ترازی، پخش شدگی زاویه ای، واگرایی پرتو فرستنده، تابع چگالی احتمال، ضریب درخشش، اندازه روزنه گیرنده، میدان دید گیرنده

ارتقاء امنیت وب با وف بومی