Performance analysis of vertical underwater visible light communication link

Abstract

Demand for high-bandwidth underwater applications such as image and real-time video transmission, has been increasing parallel to the increase in maritime activities such as environment monitoring, navigation, ocean-pollution control, tactical surveillance, oil and gas field exploration, and coastal security. To satisfy this demand, underwater visible light communication (UVLC) has emerged as a high-capacity alternative to acoustic and RF signaling. One of the major impairments in UVLC systems is turbulence-induced fading as a result of temporal variations in temperature and salinity. Furthermore, unlike the horizontal links modeled with fixed turbulence strength, vertical links experience varying turbulence strength based on the depth-dependent temperature and salinity profiles. In this thesis, we consider a multiple-input multiple-output (MIMO) UVLC link over a vertical turbulence channel, which is modeled as the concatenation of multiple layers. Under the assumption of cascaded log-normal channel model, we derive the outage probability of vertical MIMO UVLC links and provide a quantitative analysis for the diversity gain in terms of the number of transmitter/receivers.

İzleme, navigasyon, okyanus kirliliği kontrolü, taktiksel izleme, petrol ve gaz yatağı keşfi, ve kıyı güvenliği gibi deniz aktivitelerinin artmasına paralel olarak, gerçek zamanlı imge ve görüntü iletimi gibi yüksek bantgenişliği gerektiren sualtı uygulamalara olan talep de artmaktadır. Bu talebi karşılama konusunda, sualtı görüntülü ışık haberleşmesi (underwater visible light communication, UVLC), akustik ve RF haberleşmeye yüksek kapasiteli bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. UVLC sistemlerindeki en önemli sorunlardan biri, sıcaklık ve tuzluluktaki anlık değişimlerden kaynaklanan türbülans kaynaklı sönümlenmedir. Dahası, sabit türbülans gücü ile modellenen yatay bağların aksine, dikey bağlar derinliğe bağlı olan sıcaklık ve tuzluluk profillerine dayalı olarak değişken türbülansa maruz kalır. Bu tezde, birden fazla ardışık katman olarak modellenen dikey bir türbülans kanalı üzerinde çoklu-giriş çoklu-çıkış (multiple-input multiple-output, MIMO) bir UVLC sistemi ele aldık. Basamaklanmış log-normal kanal modeli varsayımı ile dikey MIMO UVLC bağlarının kesinti olasılıklarını çıkardık ve alıcı/verici sayısı cinsinden çeşitlilik kazancının nicel bir analizini sunduk.