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.

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.