Sualtı Optik Kablosuz Haberleşme Sistemi Tasarımı ve Uygulaması

Abstract

Sualtı ortamında kablosuz haberleşme çoğunlukla düşük veri oranlarındaki ses dalgalarıyla gerçekleştirilmektedir. Endüstri, bilimsel ve savunma alanlarındaki ihtiyaçlar, sualtında yüksek veri hızına sahip iletişimi gerektirmektedir. Sualtı kablosuz optik haberleşme sistemleri bu ihtiyacı karşılamak üzere önerilmiş ve okyanusta kirlilik tespiti, petrol ve gaz rezervlerinin izlenmesi, sismik gözlemler, petrol ve gaz boru hatlarının kurulum ve işletimi, sensörlü ağ iletişimi, gemi-denizaltı haberleşmesi gibi alanlarda kullanılmaya başlamıştır. Suyun karmaşık doğasından dolayı sualtında kablosuz optik iletişim bir çok zorluk içerir. Su ışığın yayılmasına büyük bir engel teşkil eder ve bu durum optik geçirgenliğin onlarca metreyle ifade edilebilen kısa mesafelere inmesiyle sonuçlanır. Deniz suyu, okyanus suyu, sığ su, liman suyu gibi farklı su tiplerinden oluşan sualtı ortamında optik geçirgenliğin davranışı dalga boyuna göre incelendiğinde büyük değişiklikler gösterir. Suda bulunan çeşitli bileşenlerden dolayı oluşan saçılım, emilim ve ısı ile tuzluluk salınımlarından kaynaklanan sualtı türbülansı, gelen ışığı bozarak veri aktarım hızlarında kayda değer düşüşlere sebep olur. Bu projede mevcut sualtı kablosuz optik haberleşme sistemlerinin performansını modülasyon, kodlama, kanal kestrimi ve değişik tip ışık hüzmeleri kullanarak ilerletecek yöntemler sunulmuştur. Sığ okyanus suyu kullanılarak sualtı kablosuz optik haberleşme linki laboratuvar ortamında kurulmuş ve 12 Mbit/s veri iletimi sağlanmıştır. Teorik ve deneysel olarak uygun optik geçirgenlik pencereleri dalga boyuna göre araştırılmış ve pırıldama indisi ile belirlenen ışık şiddeti salınımları ve Bit Hata Oranı (BER) açısından sistemin değerlendirmesi yapılmıştır. Bu kapsamda düzlemsel, küresel ışık dalgaları ve farklı ışık hüzmeleri için pırıldama indisi formüle edilip link uzunluğu, dalgaboyu, Kolmogorov mikro ölçek uzunluğu, sıcaklık ve tuzluluk salınımları gibi parametreler açısından incelenmiştir. Bunlara ek olarak farklı modülasyon (M-QAM v.b.) ve kodlama tekniklerinin (BCH v.b.) veri iletişimini nasıl etkilediği araştırılmış, kanal kestrimi ile kanal denkleştirmenin BER’i oldukça düşürdüğü ve oldukça uzun mesafelerde iletişime olanak sağladığı tespit edilmiştir. Ayrıca farklı tipde ışık hüzmeleri kullanmanın (çapraz, çok modlu, odaklanmış Gauss v.b) sualtı kablosuz optik haberleşme sistemlerinde performansı iyileştirdiği gözlenmiştir.

Wireless communication in underwater medium is usually realized by acoustic waves at low data rates. Needs in industrial, scientific and defence areas require high data rate communications in underwater. Underwater wireless optical communication (UWOC) systems are proposed to meet this need and are being used in detecting oceanic pollution, observing petroleum and gasoline reserves, seismic observations, petroleum and gas pipeline installations, operations, sensor network, ship-submarine communications. UWOC involves many difficulties due to complex nature of water. Water is big obstacle in propagation of light, reducing optical transmittance (OT) to short distances of several ten meters. OT behaviour shows big variations when examined versus wavelength in different water media like sea, ocean, shallow, harbour water. Scattering, absoption occurring due to presence of various constituents in water and underwater turbulence originating from temperature, salinity fluctuations degrade received light, causing substantial decreases in data transmission rates. In this project, methods are presented to improve current performance of UWOC systems by using modulation, coding, channel estimation and different optical beam types. UWOC link is established in laboratory environment by using shallow ocean water and 12 Mbit/s data transmission is achieved. Appropriate OT windows versus wavelength are searched theoretically and experimentally, evaluation of system is made with respect to intensity fluctuations quantified by scintillation index (SI) and Bit Error Rate (BER). In this scope, SI is formulated for plane, spherical and different light beams, examined under variations of parameters like link length, wavelength, Kolmogorov microscale, temperature, salinity fluctuations. In addition, research is performed on how various modulation (like M-QAM) and coding techniques (like BCH) effect data transmission, found that channel estimation and equalization substantially reduce BER, make communication possible at quite long distances. Also observed that use of different types of light beams (cross, multimode, focused Gaussian and others) improves performance of UWOC systems.