Experimental characterization of underwater visible light communications

Abstract

As human activities such as collecting scientific data, monitoring the environment, exploring offshore oilfields, archaeology, harbor security, and surveillance increase, the demand for underwater communication systems has also increased. Wire-line systems underwater can provide real-time communication in numerous ways. Wire-line systems, however, are limited by their inflexibility, high costs, and operational disadvantages to being used underwater in most real-life situations. Thus, underwater wireless communication has attracted an inevitable amount of attention from researchers. Underwater wireless transmission is typically performed using acoustic signaling due to its capability to support distances of up to tens of kilometers. However, due to its low data rate (in tens of Kilobits Per Second (Kb/s)), it is unsuitable for high-bandwidth underwater applications such as image or real-time video transmission. Therefore, optical communication offers a high-capacity alternative to low-capacity acoustic communication. With the transparency of water to blue and green light (450 nm – 550 nm), Laser Diodes (LDs) or Light Emitting Diodes (LEDs) can potentially serve as underwater wireless transmitters with data rates up to tens of Gigabits Per Second (Gb/s) per wavelength. Any technology must undergo experimental validation and investigation for the theoretical studies to be validated. However, there still needs to be more experimental verification for Underwater Visible Light Communication (UVLC) systems. In addition, path loss, a bottleneck caused by massive attenuation in underwater environments, must be addressed. Therefore, experimental verification is needed for semi-collimated optical signals propagating underwater. Based on the experimentally verified attenuation model, a UVLC with a semi-collimated source is to be investigated to achieve the performance constraints of UVLC, how further to improve the received optical signal via a reflector, and how to optimize the system performance in the presence of solar noise. Motivated by these, we target experimentally validating a collimated and semi-collimated UVLC attenuation model. For this reason, we first confirm the accuracy of the collimated measurements after measuring the extinction coefficient of the water experimentally. Then, after generating a semi-collimated Gaussian beam using various optical lenses, we measure the beam divergence angle. Afterward, considering different water types in an indoor aquarium at OKATEM Research center and both collimated and semi-collimated laser sources with Gaussian beam shapes, we perform measurements to determine the UVLC path loss channel coefficient. Finally, we confirm experimentally the theoretically proposed aggregate channel model that incorporates both attenuation and geometric loss. Having enough confidence in the conventional UVLC semi-collimated channels, which are already verified experimentally, we then investigate the performance constraints of UVLC system in the absence of turbulence and pointing errors. For a targeted Bit Error Rate (BER) performance, we derive closed-form expressions for the maximum achievable link distance, maximum acceptable beam divergence angle, minimum acceptable receiver aperture diameter, and maximum acceptable water turbidity. Using these expressions, we investigate each system parameter’s performance in the simulation environment in the pure sea, clear ocean, and coastal water to meet the desired BER performance with the use of desired system performance of a M-ary Unipolar Pulse-Amplitude Modulation (PAM) (M-UPAM) UVLC systems. After confirming the aggregate path loss channel coefficient for Line of Sight (LOS) links, we observe that the scattered rays would support the channel gain with a reflector by reflecting them to the photodetector. In the literature, the reflector-aided transmission technique is only explored after receiving both direct and scattered rays for higher received signal strength. Therefore, we propose a closed-form expression for the underwater path loss assuming Non-Line-of-Sight (NLOS) transmission through the water surface and manmade reflector (e.g., mirror) in addition to the LOS link. First, utilizing the derived expression, we quantify the achievable NLOS gain defined as the ratio between the maximum achievable channel coefficient from reflection and the overall channel coefficient. Then, we validate our findings experimentally by utilizing the water surface and the mirror as the reflecting surfaces in an aquarium. Our results reveal that achievable gains up to around 3 dB can be observed due to reflections. In the last part of this dissertation, we examine the impact of solar energy on the performance of vertical UVLC links in an underwater communication deployment scenario, which we analyze analytically and experimentally. In our study, we show that solar energy has a destructive impact on communication quality according to its position during the time of the day, day of the year, and location on the earth based on the visible light spectrum. Furthermore, to optimize the operation of this UVLC system, we propose optimization algorithms to achieve maximum Signal-to-Noise Ratio (SNR) to optimize the system parameters.Bilimsel veri toplama, çevreyi izleme, açık deniz petrol sahalarını keşfetme, arkeoloji, liman güvenliği ve gözetleme gibi insan faaliyetleri arttıkça, su altı iletişim sistemlerine olan talep de artmıştır. Su altındaki kablolu sistemler, çeşitli şekillerde gerçek zamanlı iletişim sağlayabilir. Bununla birlikte, kablolu sistemler, fiziksel olarak sabit yapıları, yüksek maliyetleri ve gerçek hayattaki çoğu durumda su altında kullanılmaya yönelik operasyonel dezavantajları ile sınırlıdır. Bu nedenle, su altı kablosuz iletişimi, araştırmacıların kaçınılmaz bir şekilde ilgisini çekmiştir. Su altı kablosuz veri iletimi, onlarca kilometreye kadar olan mesafeleri destekleme kapasitesi nedeniyle tipik olarak akustik sinyal kullanılarak gerçekleştirilir. Ancak, düşük veri hızı nedeniyle (onlarca Kilobit/Saniye (Kb/s) olarak), görüntü veya gerçek zamanlı video iletimi gibi yüksek bant genişliğine sahip su altı uygulamaları için uygun değildir. Bu nedenle, optik iletişim, düşük kapasiteli akustik iletişime yüksek kapasiteli bir alternatif sunar. Suyun mavi ve yeşil ışığa karşı şeffaflığı sayesinde (450 nm - 550 nm), Lazer Diyotlar (LD) veya Işık Yayan Diyotlar (LED), potansiyel olarak onlarca Gigabit/Saniye (Gb/s) veri hızına sahip su altı kablosuz vericileri olarak hizmet verebilir. Teorik çalışmaların doğrulanması için herhangi bir teknolojinin deneysel doğrulama ve araştırmadan geçmesi gerekir. Bununla birlikte, Sualtı Görünür Işık İletimi (UVLC) sistemleri için daha fazla deneysel doğrulamaya ihtiyaç vardır. Spesifik olarak, su altı ortamlarında büyük zayıflama nedeniyle bir kaçınılmaz olan yol kaybının ele alınması gerekir. Yarı koşutlanmış optik sinyallerin sualtı yayılımı bu nedenle deneysel olarak doğrulanmalıdır. Deneysel olarak doğrulanmış zayıflatma modeline dayalı olarak, UVLC'nin performans kısıtlamalarını elde etmek için yarı paralelleştirilmiş kaynağa sahip bir UVLC sistemi daha fazla araştırılmalıdır. Dahası, su altında doğrusal yoldan alınan bir optik sinyalin, bir reflektör yoluyla da aynı anda alındığında, toplamda alınmış optik sinyalin nasıl daha fazla geliştirileceğinin incelenmesinin gerektiği gibi, güneş enerjisinin sebep olduğu ısıl gürültünün, UVLC sistem performansını nasıl etkilediği ve bundan ötürü geliştirilebilecek iyileştirme çalışmalarına ihtiyaç vardır. Bunlardan motive olarak, paralelleştirilmiş ve yarı paralelleştirilmiş bir UVLC zayıflama modelini deneysel olarak doğrulamayı hedefliyoruz. Bu nedenle, suyun sönümleme katsayısını ölçtükten sonra, paralel ölçümlerin doğruluğunu deneysel olarak doğrulayacağız. Ardından, çeşitli optik lensler kullanarak yarı koşutlanmış bir Gauss ışını oluşturduktan sonra, ışın sapma açısını ölçeceğiz. Daha sonra OKATEM Araştırma merkezindeki bir kapalı akvaryumdaki farklı su türlerini ve Gauss ışını şekillerine sahip paralelleştirilmiş ve yarı paralelleştirilmiş lazer kaynaklarını göz önünde bulundurarak UVLC yol kaybı kanal katsayısını belirlemek için ölçümler yapacağız. Son olarak, hem zayıflamayı hem de geometrik kaybı içeren teorik olarak önerilen kanal modelini deneysel olarak doğrulayacağız. Ardından, halihazırda deneysel olarak doğruladığımız geleneksel UVLC yarı paralelleştirilmiş kanallara yeterince güvenerek, türbülans ve işaretleme hataları gözardı edilerek, UVLC sisteminin performans kısıtlamalarını araştıracağız. Hedeflenen bir Bit Hata Oranı (BER) performansı için, elde edilebilecek maksimum bağlantı mesafesi, kabul edilebilir maksimum ışın sapma açısı, kabul edilebilir minimum alıcı açıklık çapı ve kabul edilebilir maksimum su bulanıklığı için kapalı biçimli ifadeler türeteceğiz. Bu ifadeleri kullanarak, istenen BER performansını karşılamak için her sistem parametresinin saf deniz, berrak okyanus ve kıyı suyundaki simülasyon ortamındaki performansını M-li Tek Kutuplu Darbe Genlik Modülasyonu (M-UPAM) UVLC sistemleri için araştıracağız. Görüş Hattı (LOS) bağlantıları için toplam yol kaybı kanal katsayısını doğruladıktan sonra, saçılan ışınların bir reflektörle kanal kazancını fotodetektöre yansıtarak destekleyeceğini gözlemleyeceğiz. Literatürde, reflektör destekli iletim tekniği, yalnızca daha yüksek alınan sinyal gücü için hem doğrudan hem de dağınık ışınlar alındıktan sonra elde edilir. Bu nedenle, LOS bağlantısına ek olarak su yüzeyinden ve insan yapımı reflektörden, yansımadan elde edilebilir maksimum kanal katsayısı ile genel kanal katsayısı arasındaki oran olarak tanımlanan ulaşılabilir Görüş Hattı Dışı (NLOS) kazancını inceleyeceğiz. Ardından, bir akvaryumda yansıtıcı yüzeyler olarak su yüzeyini ve aynayı kullanarak bulgularımızı deneysel olarak doğrulayacağız. Sonuçlarımız, yansımalar nedeniyle yaklaşık 3 dB'ye kadar elde edilebilir kazançların gözlemlenebileceğini ortaya koymaktadır. Bu tezin son bölümünde, analitik ve deneysel olarak analiz ettiğimiz bir su altı iletişim konuşlandırma senaryosunda güneş enerjisinin, dikey UVLC bağlantılarının performansı üzerindeki etkisini inceleyeceğiz. Çalışmamızda, güneş enerjisinin günün saatindeki konumuna, yılın gününe ve görünür ışık spektrumuna dayalı olarak dünyadaki konumuna göre iletişim kalitesi üzerinde yıkıcı bir etkisi olduğunu göstereceğiz. Ayrıca, bu UVLC sisteminin çalışmasını optimize etmek için, sistem parametrelerini optimize etmek amacıyla maksimum Sinyal Gürültü Oranı (SNR) elde etmek için optimizasyon algoritmaları önereceğiz.