Transmittance, scintillation and BER analysis in underwater optical wireless communication systems

Abstract

Son yıllarda, yüksek hızlı veri iletiminin gereksinimleri nedeniyle sualtı kablosuz optik haberleşme sistemleri daha popüler olmuştur. Bu tezde, farklı ışık huzmelerinin ve performans kıstas ölçütlerinin sistem üzerine etkilerini inceleyerek, sualtı türbülansında kablosuz optik haberleşme performansının geliştirilmesi ele alındı. Geçirgenlik, ışın yayılması, parıldama, bit hata oranı gibi sualtı kablosuz optik haberleşme sistem performans ölçütleri üzerine okyanus türbülansının etkisi incelendi. Sistem performansını karşılaştırmak için kısmi eş fazlı düz tepeli, kosinüs Gauss, kısmi eş fazlı kosinüs Gauss, kosinüs hiperbolik Gauss ve kısmi eş fazlı kosinüs hiperbolik Gauss ışık huzmeleri kaynak olarak kullanıldı. Okyanus türbülansının sualtı kablosuz optik haberleşme sistemine etkisini incelemek için suyun güç spektrumu homojen ve izotropik olarak kabul edildi. Ortalama geçirgenliği analiz etmek için genişletilmiş Huygens Fresnel prensibi kullanıldı. Kısmi eş fazlı düz tepeli, kosinüs Gauss, kosinüs hiperbolik Gauss ve bunların kısmi eş fazlı formundaki ışık huzmeleri için eksen üzeri ve eksen dışı geçirgenlik incelendi. Carter tanımı yardımıyla kısmi eş fazlı düz tepeli ışık huzmesi için ışın yayılması gözlendi. Parıldama hesaplamaları için yine genişletilmiş Huygens Fresnel prensibinden yararlanıldı. Bunların dışında, okyanus türbülansının sualtı kablosuz optik haberleşme sistemlerinin önemli kriterlerden olan bit hata oranı üzerine etkisi gözlendi. Hesaplamalar MATLAB programı kullanılarak elde edildi. Bütün sistem performans ölçütlerine karşılık ortalama kare sıcaklık dağılım oranı, sıcaklık ve tuzluluk katkılarının kırılma indisi spektrumuna oranı, birim sıvı kütlesi için kinetik enerjinin dağılma hızı gibi önemli okyanus türbülansı parametreleri bu tez çalışmasında incelendi. Dahası eş fazlılık derecesi ve eksen dışı parametresi bu tezde gözlemlendi. Bu tez ile sualtı türbülanslı ortam için uygun huzmelerin seçilmesi hedeflenmiş ve çeşitli uyarımlar altında UWOC linklerinin performansları farklı yönlerden incelenmiştir.

Underwater Wireless Optical Communication (UWOC) has been more popular in recent years due to the need for high data rate transmission in underwater communication. In this thesis, UWOC system is considered to improve its performance by analyzing the effects of different beam types on the system in turbulent underwater medium. More specifically, the influences of oceanic turbulence on the link performance of UWOC such as the transmittance, beam spread, scintillation and BER are examined thoroughly for different optical sources beams. PCFT, cosine Gaussian, partially coherent cosine-Gaussian, cosine-hyperbolic Gaussian and partially coherent cosine-hyperbolic Gaussian beams are used as the source to benchmark the performance of the system. To investigate the oceanic turbulence effect on the UWOC system, the power spectrum of the ocean is assumed to be homogeneous and isotropic. Additionally, the extended Huygens Fresnel principle is employed to analyze the average transmittance. In particular, on-axis and off-axis average transmittance is examined for the PCFT, cosine-Gaussian, cosine-hyperbolic Gaussian, and their partially coherent cases as well. With the help of Carter's definition, beam spread is observed for the PCFT beam. The scintillation calculation is also benefited from the extended Huygens Fresnel principle. Apart from these, oceanic turbulence effects on BER, which is another performance criterion, in the UWOC link was also studied. Calculations were carried out by using the MATLAB program. All the system performance phenomena are examined against the important parameters of oceanic turbulence, such as the rate of dissipation of mean square temperature, ratio of the temperature and salinity contributions to the refractive index spectrum and the rate of dissipation of kinetic energy for the unit mass of fluid. Moreover, with these analyses, the degree of coherence and off-axis parameters are also studied. With this thesis, we aim at selecting suitable beams for the underwater turbulent environment and to examine the performance of UWOC links in different aspects under various excitations.