Simultaneous lightwave information and power transfer in underwater visible light communications

Abstract

In this thesis, we investigate simultaneous lightwave information and power transfer (SLIPT) for underwater visible light communication systems. We consider four SLIPT methods namely AC-DC separation (ADS), time switching (TS), power splitting (PS) and time switching-power splitting (TS-PS) where the splitting/switching factors are defined as optimization parameters in TS, PS and TS-PS methods. For each of these methods, we derive closed-form expressions for the average harvested energy, bit error rate and spectral efficiency in the presence of underwater turbulence modeled by lognormal statistics. Using these expressions, we determine the optimal splitting factors to maximize the harvested energy while satisfying a given bit error rate value and a given threshold spectral efficiency value. Our results reveal that, if not optimized, SLIPT methods under consideration are outperformed by the simple AC-DC separation (ADS) method which provides the largest harvested energy versus spectral efficiency (HE-SE) region. Optimization of splitting/switching factors extends the HE-SE regions; hence, optimized versions of TS, PS and TS-PS methods are able to significantly outperform ADS for most cases. We further investigate the effect of various channel and system parameters such as water type, turbulence level, beam divergence, receiver aperture size on the harvested energy and quantify the improvements in battery lifetime through the use of SLIPT methods.

Bu tezde, su altı görünür ışık iletişim sistemleri için eşzamanlı ışık dalgası bilgisi ve güç aktarımını (SLIPT) araştırıyoruz. Ayırma/anahtarlama faktörlerinin TS'de optimizasyon parametreleri olarak tanımlandığı AC-DC ayırma (ADS), zaman anahtarlama (TS), güç bölme (PS) ve zaman anahtarlama-güç bölme (TS-PS) olmak üzere dört SLIPT yöntemini ele alıyoruz, PS ve TS-PS yöntemleri. Bu yöntemlerin her biri için, lognormal istatistiklerle modellenen sualtı türbülansı varlığında ortalama hasat edilen enerji, bit hata oranı ve spektral verimlilik için kapalı biçimli ifadeler türetiyoruz. Bu ifadeleri kullanarak, belirli bir bit hata oranı değerini ve belirli bir eşik spektral verimlilik değerini karşılarken, hasat edilen enerjiyi en üst düzeye çıkarmak için en uygun bölme faktörlerini belirleriz. Sonuçlarımız, optimize edilmemişse, söz konusu SLIPT yöntemlerinin, en büyük hasat edilen enerjiye karşı spektral verimlilik (HE-SE) bölgesini sağlayan basit AC-DC ayırma (ADS) yönteminden daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır. Ayırma/anahtarlama faktörlerinin optimizasyonu HE-SE bölgelerini genişletir; bu nedenle, TS, PS ve TS-PS yöntemlerinin optimize edilmiş sürümleri, çoğu durumda ADS'den önemli ölçüde daha iyi performans gösterebilir. Ayrıca su tipi, türbülans seviyesi, ışın sapması, alıcı açıklığı boyutu gibi çeşitli kanal ve sistem parametrelerinin hasat edilen enerji üzerindeki etkisini araştırıyor ve SLIPT yöntemlerini kullanarak pil ömründeki gelişmeleri nicelleştiriyoruz.