توصيفگر ها :
مخابرات نوري زير آب , مخابرات نوري مبتني بر دوربين , جذب و پراكندگي , مونت كارلو
چكيده فارسي :
با گسترش روزافزون فناوري و كاربردهاي متنوع دوربينها، به ويژه در سيستمهاي اينترنت اشيا (IoT)، استفاده از آنها به عنوان گيرنده در سيستمهاي مخابرات نوري بيسيم زير آب (UOWC) به طور فزايندهاي مورد توجه قرار گرفته است. قابليتهاي منحصربهفرد دوربينها، مانند تصويربرداري همزمان و پردازش اطلاعات بصري، امكانات جديدي را در زمينه ارتباطات زير آب فراهم ميكند. با اين حال، فقدان يك مدل جامع و دقيق براي اين سيستمها، همراه با عدم بررسي پارامترهاي كليدي عملكرد، موانع مهمي را در مسير توسعه و پيادهسازي آنها ايجاد ميكند. در اين راستا، انجام تحقيقات جامع و دقيق در زمينه مدلسازي و تحليل سيستمهاي مخابرات نوري بيسيم زير آب مبتني بر دوربين (UOCC)، از اهميت بسزايي برخوردار است. اين پژوهش با هدف رفع اين خلاءها و ارائه مدلي كامل براي بررسي عملكرد اين سيستمها انجام ميشود.
در اين پژوهش، تأثير كانال بر عملكرد سيستم UOCC مورد مطالعه قرار گرفته است. چالشهاي ناشي از جذب و پراكندگي و تأثير آنها بر عملكرد سيستم، ارزيابي شده است. ابتدا، يك مدل جامع براي سيستم ارائه شده و سپس، با استفاده از دادههاي تستهاي آزمايشگاهي، صحت عملكرد مدل مورد تأييد قرار گرفته است. عملكرد سيستم با در نظر گرفتن پارامترهاي مختلف از جمله طول كانال، فاصله بين ديودهاي نوري (LED)، زاويه بين فرستنده و گيرنده، قطر LED (D)و طولموج فرستنده، مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به وابستگي ضرايب جذب و پراكندگي كانال به طولموج، انتخاب طولموج مناسب از اهميت ويژهاي برخوردار است. در سيستمهاي مدولاسيون رنگي و سيستمهاي چندكاناله مبتني بر طولموج كه از فيلترهاي رنگي و پردازش تصوير ديجيتال استفاده ميكنند، اين اهميت دوچندان ميشود. نتايج نشان ميدهد كه در آبهاي تميز و ساحلي، رنگهاي سبز، آبي و قرمز به ترتيب عملكرد بهتري دارند، در حالي كه در آب لنگرگاهي، رنگ قرمز به دليل طول موج بزرگتر و در نتيجه كاهش ضريب پراكندگي، عملكرد بهتري نسبت به رنگهاي سبز و آبي دارد.علاوه بر اين، انتخاب نامناسب توان ارسالي و زمان نوردهي دوربين ميتواند منجر به اشباع پيكسلها يا افزايش تأثير نويز بر عملكرد سيستم شود. زاويه نصف توان LED نيز در سيستمهايي كه نياز به تحرك فرستنده يا گيرنده دارند، از اهميت بالايي برخوردار است. مدل ارائه شده در اين پژوهش، امكان تحليل و بررسي تأثير هر يك از پارامترهاي سيستم را به صورت مجزا فراهم ميكند.براي بررسي تأثير پراكندگي بر عملكرد سيستم، تداخل بين كانالها مورد مطالعه قرار گرفته است. تحليل تأثير تداخل و نويز نشان داد كه در آب لنگرگاهي، تداخل، عامل غالب در كاهش عملكرد سيستم است، در حالي كه در آبهاي تميز و ساحلي، نويزهاي سيستم تأثير بيشتري دارند. قابليت تحرك در سيستمهاي UOCC، يكي از مزاياي كليدي اين سيستمها است. زاويه نصف توان LED از پارامترهاي بسيار مؤثر بر اين قابليت سيستمهاي UOCC است. افزايش زاويه نصف توان LED از 10 درجه به 60 درجه در آب لنگرگاهي با طول كانال 8/0 متر، منجر به كاهش dB20 در نسبت سيگنال به نويز و تداخل (SINR) شده است. علاوهبراين، تحرك فرستنده و گيرنده ميتواند منجر به ناهمترازي زاويهاي شود. نتايج اين پژوهش نشان ميدهد كه تغيير زاويه بين فرستنده و گيرنده در آب لنگرگاهي با طول كانال 6/0 متر تا 45 درجه، منجر به كاهش dB 15 در SINR ميشود.
چكيده انگليسي :
With the increasing development of technology and the diverse applications of cameras, particularly in Internet of Things (IoT) systems, their use as receivers in underwater optical wireless communication (UOWC) systems has received increasing attention. The unique capabilities of cameras, such as simultaneous imaging and visual information processing, open up new possibilities in underwater communication. However, the lack of a comprehensive and accurate model for these systems, coupled with the absence of investigation into key performance parameters, poses significant obstacles to their development and implementation. In this thesis, conducting comprehensive and accurate research on modeling and analyzing underwater optical camera communication (UOCC) systems is of great importance. This research aims to address these gaps and provide a complete model for evaluating the performance of these systems.
In this study, the impact of the channel on the performance of the UOCC system is investigated. Challenges arising from absorption and scattering, and their effects on system performance, are evaluated. First, a comprehensive model for the system is presented, and then, using data from experimental tests, the accuracy of the model is validated. The system's performance is examined by considering various parameters, including channel length, distance between light-emitting diodes (LEDs), angle between transmitter and receiver, LED diameter (D), and transmitter wavelength. Given the wavelength dependence of channel absorption and scattering coefficients, selecting the appropriate wavelength is crucial. This importance is increased in color modulation and wavelength division multiplexing (WDM) systems that employ color filters and digital image processing. The results indicate that in clear and coastal waters, green, blue, and red colors perform better, respectively, whereas in harbor waters, red color, due to its longer wavelength and consequent lower scattering coefficient, outperforms green and blue.
Furthermore, inappropriate selection of transmitted power and camera exposure time can lead to pixel saturation or increased noise impact on system performance. The LED half-power angle is also critical in systems requiring transmitter or receiver mobility. The model presented in this study enables the analysis and investigation of the impact of each system parameter individually. To examine the effect of scattering on system performance, inter-pixel interference (IPI) is studied. Analysis of the impact of interference and noise on system performance reveals that in harbor waters, interference is the dominant factor in performance degradation, while in clear and coastal waters, system noise has a greater influence. Mobility in UOCC systems is a key advantage. The LED half-power angle is a highly effective parameter on this capability of UOCC systems. Increasing the LED half-power angle from 10 degrees to 60 degrees in harbor water with a channel length of 0.8 meters results in a 20 dB reduction in singnal to interference and noise ratio (SINR). Additionally, transmitter and receiver mobility can lead to angular misalignment. The results of this research show that changing the angle between the transmitter and receiver in harbor water with a channel length of 0.6 meters up to 45 degrees leads to a 15 dB reduction in SINR.