Investigation Of Underwater Wireless Optical Communication Monte Carlo Channel Capacity For Various Environments And System Parameters

Değişik Ortam Ve Sistem Parametreleri İçin Sualtı Kablosuz Optik Haberleşme Monte Carlo Kanal Kapasitesinin İncelenmesi

Abstract

Increasing interest in oceans increases the scientific, commercial and military studies in this field, in which underwater wireless communication systems are frequently used. In literature, underwater wireless, synchronous, high speed data transfer can only be done with optical systems. The distorting effects of underwater environment (UE) on optical waves significantly affect the communication distance and speed of underwater wireless optical communication (UWOC) systems. Therefore, in order to design reliable UWOC systems, it is important to examine effects of various UEs on UWOC systems on a realistic channel model. In this study, instead of the approximate channel models, Monte Carlo approach UWOC channel model, which is accepted in literature with its high accuracy and sensitivity, was used, and effects of the transmitter's beam divergence angle and aperture diameter of receiver parameters, which are important design parameters for UWOC systems, on a typical UWOC system were investigated. In this study, three various UEs, namely clean ocean, coastal ocean and harbor waters, which are frequently used as benchmarks in the literature, were taken into consideration, and channel impulse responses, signal to noise ratios and channel capacity distributions were presented and interpreted for each UE. With the results obtained, the communication speed and distance limits of a typical UWOC system were determined, and a prediction was provided for UWOC systems that can be used in various UEs and parameter values.

Özet

Okyanuslara olan ilginin gün geçtikçe artması, bu alanda yapılan ve sualtı kablosuz haberleşme sistemlerinin sıklıkla kullanıldığı bilimsel, ticari ve askeri ağırlıklı çalışmaları da artırmaktadır. Literatürde, sualtında kablosuz olarak senkron ve yüksek hızlı veri aktarımı ancak optik sistemlerle yapılabilmektedir. Sualtı ortamının optik dalgalar üzerindeki bozucu etkileri, sualtı kablosuz optik haberleşme (UWOC) sistemlerinin haberleşme mesafesini ve hızını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle, güvenilir UWOC sistemlerinin tasarlanabilmesi için farklı sualtı ortamlarının UWOC sistemleri üzerindeki etkilerinin detaylı bir şekilde incelenmesi ve bu incelemelerin de gerçekçi bir kanal modeli üzerinden yapılması önem arz etmektedir. Bu çalışmada, yaklaşık kanal modelleri yerine, sağladığı yüksek doğruluk ve hassasiyeti ile literatürde kabul görmüş olan Monte Carlo yaklaşımlı UWOC kanal modeli kullanılmış olup, UWOC sistemleri için önemli tasarım parametreleri olan vericinin ışını yayma açısı, alıcının açıklık çapı parametrelerinin tipik bir UWOC sistemi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Yapılan incelemelerde, literatürde sıklıkla karşılaştırma amacıyla kullanılan temiz okyanus suyu, kıyı okyanus suyu ve liman suyu olmak üzere üç farklı sualtı ortamı dikkate alınmış olup, her sualtı ortamı için kanal dürtü yanıtları, sinyal gürültü oranı ve kanal kapasitesi dağılımları sunulmuş ve yorumlanmıştır. Elde edilen sonuçlar ile tipik bir UWOC sisteminin haberleşme hızı ve mesafe sınırları belirlenmiş olup, farklı sualtı ortamlarında ve parametre değerlerinde kullanılabilecek UWOC sistemleri için bir öngörü sağlanmıştır.

Keywords: Sualtı kablosuz optik haberleşme, Monte Carlo yaklaşımı, Kanal kapasitesi