Kapal� Alanlarda Serbest Uzay Optik �letim Sistemlerinin Simülasyon Destekli Tasar�m�

Indoor Free-Space Optical Communication Systems Design with Simulation

Arif Dolma1, Sinem Köseo�lu2, Erman Ate�3

1. Elektronik ve Haberle�me Mühendisli�i Bölümü Kocaeli Üniversitesi

adolma@kocaeli.edu.tr

2. Optical Network Department Alcatel-Lucent

sinem.ksgl@gmail.com

3. Gayrettepe Telekom Müdürlü�ü Türk Telekom A.�.

ermanates@gmail.com

Özetçe

Kablosuz optik haberle�me, atmosfer ortam�nda, optik vericiler ile optik al�c�lar aras�nda nanometre mertebelerindeki dalga boylar�nda veri ileten bir haberle�me türüdür. Son y�llarda bilim insanlar�n�n ve üreticilerin ilgisini çeken bu haberle�me türü, uydu-uydu haberle�mesi, askeri uygulamalar gibi çe�itli alanlarda pratik olarak kendini göstermeye ba�lam�� ve ileti�im dünyas�na yeni bir ara�t�rma sunmu�tur. Bu çal��mada, kablosuz optik haberle�menin temel konular� ele al�nm�� ve bir kablosuz optik sistem ba�ar�m� için gerekli olan yaz�l�m ve donan�mlar incelenmi�tir. Kapal� alan kablosuz optik sistemi anlat�larak bu sistemde kullan�labilecek örnek bir algoritma ile MATLAB kodu geli�tirilmi�tir.

Abstract

Optical wireless communication is a kind of telecommunication which transmits information through air with wavelengths in nanometers between optical transmitters and optical receivers. This kind of communication which has attracted scientists and producers lately, has been showing itself in several fields like satellite-to-satellite communications and military applications and introduced a new research to the communication world. In this study, the basic subjects related to wireless optical communication has been taken in hand and the hardware and the software which is essential for any wireless optical system achievement has been examined. Indoor free-space optical system has been described and an example algorithm and MATLAB code that would be used in this system has been improved.

1. Giri�

Bir haberle�me sisteminin yap�s�, genel olarak a�a��daki gibi anlat�labilir. Örneksel i�aretler, verici k�sm�nda örnekleme, kuantalama, ikili bitlerle gösterim, hat kodlama ve modülasyon a�amalar�ndan geçtikten sonra, iletim ortam�nda al�c�ya ula��r ve burada tersi i�lemler gerçekle�tirilerek ayn� örneksel i�aret en h�zl�, en do�ru ve en verimli �ekilde elde edilmeye çal���l�r. (�ekil 1.).

�ekil 1: Temel haberle�me sistemi yap�s�

2. Kablosuz Optik Haberle�me

Kablosuz optik haberle�menin temelini olu�turan dört temel konu vard�r[2]:

1) Optik kaynaklar: LED veya LD 2) Optik alg�lay�c�lar: p-i-n foto diyotlar veya � foto

diyotlar 3) Haberle�me kanal�: LOS, wide-LOS, reflected vb. 4) Modülasyon teknikleri: �kili seviyeli

modülasyon(OOK, PPM), çoklu seviyeli modülasyon(PAM, QAM)

978-1-4244-4436-6/09/$25.00 ©2009 IEEE 776

Optik kaynaklar, belli bir dalga boyu aral���nda, optik iletimin yap�laca�� i�areti üreten malzemelerdir. Üretim malzemeleri ve elektriksel özellikleri, baz� yönlerden LD ve LED’in birbirinden ayr�lmas�na neden olur. LD’ler daha çok optik nokta ürünleri iken, LED’ler daha geni� bir alana ���k yayarlar. Tablo 1’de aralar�ndaki baz� farklar özetlenmi�tir.[4]

Tablo 1: LED ile LD aras�ndaki farklar

Karakteristik LED LD

Optik Tayfsal

Geni�lik

25-100nm 0.1-5nm

Modülasyon

bant geni�li�i

Onlarca kHz’den

yüzlerce MHz’e

Onlarca kHz’den

onlarca GHz’e

Özel Devre

Gereksinimi

Yok E�ik ve S�cakl�k

Uygunla�t�rma

Devresi

Göz Güvenli�i Dü�ünülmü�tür Sa�lanmas�

gereklidir

Güvenilirlik Yüksek Orta

Maliyet Dü�ük Orta-Yüksek

Optik alg�lay�c�lar, ���yan ����� elektrik ak�m�na çeviren malzemelerdir. Optik kaynaklar�n tersi i�lemini gerçekle�tirirler. Optik kaynaklara benzer �ekilde, bu tip malzemelerde, çal��ma �eklinin do�rusall��� çok önemlidir. S�cakl�kla veya de�i�en ortam ko�ullar�yla de�i�en malzemeler güvenilirlik aç�s�ndan daha az tercih edilir. Bu malzemelerin seçiminde, kurulacak optik sistemin yap�s�; haberle�me kanal�, optik gürültü, maliyet vb. unsurlar rol oynamaktad�r. Tablo 2’de, iki çe�it optik alg�lay�c�n�n farklar� ele al�nm��t�r.[4]

Tablo 2: APD ile p-i-n foto diyot aras�ndaki farklar

Karakteristik p-i-n foto diyot Avalanche foto

diyot

Modülasyon bant

geni�li�i

(ignoring circuit)

Onlarca

MHz’den

Onlarca GHz’e

Yüzlerce

MHz’den

Onlarca GHz’e

Fotoak�m kazanc� 1 102 – 104

Özel devre

gereksinimi

Yok Yüksek ön

gerilim voltaj� ve

s�cakl�k

dengeleme devre

yap�s�

Do�rusall�k Yüksek Dü�ük

Bir kablosuz optik haberle�me sisteminde en önemli konulardan biri de iletim ortam�; yani haberle�me kanal�d�r. Bilgi ta��yan i�aretler, al�c�ya ula�ana kadar çe�itli yollardan, çe�itli etkilere maruz kalarak geçer. Haberle�me kanal�nda ortaya ç�kan en önemli iki durum; optik gürültü ve çok yolluluk bozulmas�d�r. Bir kablosuz optik haberle�me kanal� �ekil 2’deki gibi ifade edilebilir.

�ekil 2: Haberle�me kanal�

Giri� i�areti X(t); yay�c�n�n anl�k optik gücünü, ç�k�� i�areti Y(t); foto alg�lay�c� taraf�ndan da��t�lan anl�k ak�m�, N(t); toplamsal beyaz gürültüyü, r; al�c�n�n hassasiyetini ve h(t); darbe cevab�n� ifade eder.

Çok yolluluk bozulmas�, ayn� bilgiyi ileten ���k ���nlar�n�n; al�c�ya ayn� anda ula�mamas�ndan kaynaklan�r. ��areti zay�flatmakla birlikte, i�aretin tamamen yok olmas�na neden olabilir. Bu durum, iletim kanal�n�n yap�s�na, kullan�lacak modülasyon tekniklerini etkileyebilir.[3]

Sistem linkleri, sistemden beklenen özelliklere göre farkl� �ekillerde olu�turulabilir. Özellikle çok yolluluk bozulmas�n�n ve gürültünün istenmedi�i durumlarda line-of-sight(görü� hatt�) linkleri kurulabilir. Bu link, al�c� ile vericinin hizalanmas�n� ve arlar�na engel girmemesini gerektirir. Bu linklerin tipik örne�i Infrared Data Association (IrDa) standard�n� kullanan h�zl� IR 4Mbps linkidir. Bu linkler 1 m’ye kadar aç�kl�k sa�layabilirler ve yer de�i�tirebilir cihazlar�n veri al��veri�inde kullan�l�r. Bu pahal� olmayan sistemlerde ula��labilir bant geni�li�i 10-12 Mhz civar�ndad�r ve ���k �iddeti optik fiber sistemlerdekinden neredeyse 3 kat daha dü�üktür.

3. Kapal� Alanlarda Serbest Uzay Optik �letim Sistemi Tasar�m�

Bir görü� hatt�n�n (G.H.) temin edilebildi�i optik hatlar, yay�l�m kayb�n� en aza indirmekte ve sistemin yap�s�n� basitle�tirmektedir. Bununla birlikte verici ile al�c� aras�na saydam olmayan fiziksel bir engel girdi�inde al�c� gölgeleme etkisine maruz kalmaktad�r.

Gölgeleme sorununu gidermek üzere bu bölümde bir kontrol istasyonu (K.�.), bir temel istasyon (T.�.) ve temel istasyonun görü� alan� haricinde kalan bölgeleri de kapsayacak �ekilde hizmet alan�n� geni�leten çoklu pasif d��bükey aynalardan ibaret sanal temel istasyonlar (S.T.�.) içeren Sanal Temel �stasyonlar Yöntemi (S.T.Y.) önerilmektedir.

Bu sistemde gezici istasyonlar�n (G.�.) talep etti�i radyo sinyalleri üretilir ve bu sinyaller bir lazer diyotunu �iddet modülasyonu ile modüle eder ve G.�.’deki radyo sinyalleri içeren optik i�aret üretilir. Ard�ndan bu optik i�aret, T.�.’ye aktar�l�r ve T.�.’de bulunan yar�-aynalar taraf�ndan S.T.�. say�s�nca bölünür. Bu bölünmü� dar optik sinyal, S.T.�.’lere hava ara yüzüyle iletilir. Daha sonra, S.T.�.’ler, T.�.’den gelen dar ���n� tam yans�ma ile yans�t�r ve geni�leterek optik sinyali tüm hizmet alan�na yayar. Her bir G.�., T.�.’den gelen

978-1-4244-4436-6/09/$25.00 ©2009 IEEE 777

optik sinyali iki veya daha çok S.T.�. Üzerinden al�r. Al�nan optik sinyal, optik-elektrik (O/E) dönü�türücü ile elektriksel sinyale dönü�türülmek suretiyle talep edilen i�aret elde edilir. Bu sistemde, hareketli istasyon ile aynalar aras�nda bir veya daha çok hat G.H. konumunda bulundukça ileti�im kurmak mümkün olmaktad�r (�ekil 3).

S.T.�.Y’nin özellikleri �öyle s�ralanabilir:

•Çok-yolluluk bozulmas�na sebep olmayacak �ekilde hizmet alan� kapal� alan�n tamam�na ç�kar�labilmektedir.

• Merkezî, tekil ve geni� aç�l� bir verici içeren klasik sisteme nazaran optik �iddet yo�unluklar�n�n hizmet alan� boyunca da��l�mlar� daha düzenli seyretmektedir.

•Gölgeleme etkisine kar�� 45 kata kadar daha iyi bir dayan�kl�l�k gösterebilmektedir.

• Güç verimli ve geni� bantl� optik haberle�meye olanak sa�lamaktad�r.

�ekil 3: Sanal Temel �stasyon Yap�s� [5]

Geni� görü� hatt� ve yans�t�lm�� linkler, hem görü� hatt� yay�l�ma, hem de yüzey yans�malar�na izin vererek geni� bir kapsama alan� sa�lar. En önemli avantajlar�ndan biri gölgeleme etkisinin olmamas�d�r. Verici ile al�c� aras�na girebilecek engeller i�aret iletimini bozmaz. Hareketlili�e izin verir; ancak çok yolluluk bozulmas� olu�ur. Bu türden link yap�lar� daha çok kapal� alan sistemlerde tercih edilir. �ekil 4 de bir görü� hatt� sistem ile geni� görü� hatt� sistemin konfigürasyonu verilmi�tir.[2]

�ekil 4: a)normal görü� hat link, b)Geni� görü� hat link

Link ba�ar�m�nda, vericilerin say�s� ve yeri önemlidir. Gölgeleme etkisinin giderilmesi ve veri oran�n�n art�r�lmas� verici say�s�yla art�r�labilir.

S.T.�.Y’nin bu üstünlü�ü gösterebilmesi büyük oranda vericinin iletim aç�s�n�n en uygun �ekilde seçilmesine ba�l�d�r

Burada, iletim aç�s�n� belirlemek üzere iki boyutlu bir analiz yap�lmaktad�r. Bu analizi gerçekle�tirmek üzere (5m-5m-3m), (10m-10m-3m) ve (20m-20m-3m) boyutlar�nda odalar olmak üzere üç adet kapal� alan tasavvurunda bulunulmaktad�r. Odalarda dört tavan kö�esine S.T.�’ler, tavan�n ortas�na ise T.� yerle�tirilip G.�’lerin (örn. Laptop, uzaktan kumanda, cep telefonu, ..) odalarda yerden ortalama 1m yükseklikte seyrettikleri farz edilmektedir. Bu durumda hizmet alan� yerden 1m yükseklikteki düzlemsel alan�n tamam�n� kapsamak durumundad�r. Analizi yapmak için her bir odada yaln�z bir S.T.�’ye dü�en hizmet alan�n�n (¼ oda) incelenmesi yeterli olacakt�r. Di�er S.T.�’lerin analizi de ayn� sonuçlar� verecektir.

�lk olarak ¼ odaya tepeden bak�ld���nda (�ekil 5) T.�’den S.T.�’ye seyreden dar ���n demetinin S.T.�’nin pürüzsüz küresel yüzeyinde (d��bükey ayna özelli�i) tam yans�ma yaparak geni� bir ���n demeti �eklinde odaya yay�ld��� görülür. Geni�letilmi� ���n demetinin oda içerisinde kapsad��� alan hizmet alan� olarak ortaya ç�kar. Bu ���n demeti ¼ odan�n yan duvarlar�na temas etmeyecek derecede yüksek seçilen bir iletim aç�s�yla T.�’den gönderilirse çok-yolluluk bozulmas�na sebep olmayan en yüksek hizmet alan�na eri�ilebilmektedir.

�ekil 5: �letim aç�s�n�n belirlenmesi–1 (¼ odan�n tepeden görünü�ü)

�kinci olarak, ¼ odan�n T.�-S.T.� aras�ndaki dü�ey kesitine bak�ld���nda (�ekil 6) T.�’den S.T.�’ye seyreden dar ���n demetinin S.T.�’nin pürüzsüz küresel yüzeyinde tam yans�ma yaparak geni� bir ���n demeti �eklinde odaya yay�ld��� görülür. Geni�letilmi� ���n demetinin oda içerisinde kapsad��� alan hizmet alan� olarak ortaya ç�kar. Bu ���n demeti ¼ odan�n yan duvarlar�na temas etmeyecek derecede yüksek seçilen bir iletim aç�s�yla T.�’den gönderilirse çok-yolluluk bozulmas�na sebep olmayan en yüksek hizmet alan�na eri�ilebilmektedir.[6].

978-1-4244-4436-6/09/$25.00 ©2009 IEEE 778

�ekil 6: �letim aç�s�n�n belirlenmesi–2 (¼ odan�n T.�-S.T.� aras�ndaki dü�ey kesitinin görünü�ü)

Hizmet alan�nda bulunan insanlar�n say�s�na göre G.� ile ileti�imin kurulamamas� durumunu klasik sistem ve farkl� say�da S.T.� içeren S.T.�.Y uygulamalar� için kar��la�t�rmaktad�r. Burada görülür ki S.T.�.Y, gölgeleme etkisini bast�rmakta ve hizmet alan�nda on insan bulundu�u s�rada dahi gölgeleme sebebiyle hizmet d��� kalan alan % 0.2’yi geçmemektedir. Bununla birlikte klasik sistemde bu oran % 9’a yükselmektedir.

Gölgeleme etkisinin analizi oda boyutlar� küçük oldu�unda önemi artmaktad�r. S.T.�.Y, �ekil 7’de görüldü�ü üzere küçük boyutlu kapal� alanlarda (5m-5m-3m) dahi tatmin edici bir netice sunabilmektedir.

�ekil 7: Klasik sistem ve farkl� say�da S.T.� içeren S.T.�.Y sistemleri için gölgeleme etkisi sonucu hizmet d��� alan�n engel modeli say�s�na göre yüzdesi

4. Sonuç

�ekil 8’de simülasyon sonuçlar� verilmi�tir. Optik i�aretin yaln�zca bir T.� taraf�ndan iletilmesinde durumunda i�aret kalitesinin kötü oldu�u ve optik zay�flamadan ötürü i�aretin oda kö�elerinde oldukça zay�flad��� görülür.[6]. Oda boyutlar� artt�kça bu dü�ü� yükseldi�inden optik �iddetin da��l�m� önemli derecede yüksek farklara ula��r. Klasik sisteme nazaran S.T.�.Y uyguland���nda i�aret da��l�m�n�n her üç oda için daha düzenli bir da��l�m seyretti�i görülmektedir. Bununla beraber oda boyutlar� artt�kça i�aret oda merkezinde kö�elere nazaran yüksek bir zay�flama göstermektedir.

�ekil 8: (a) 5m-5m-3m, (c) 10m-10m-3m, (e) 20m-20m-3m oda boyutlar� için klasik sistemle elde edilen optik �iddet da��l�m�. (b) 5m-5m-3m, (d) 10m-10m-3m, (f) 20m-20m-3m oda boyutlar� için S.T.�.Y ile elde edilen optik ���k �iddet da��l�m�

5. Kaynaklar

[1] Harry J. R. Dutton (International Technical Support Organization)Understanding Optical Communications, IBM Corporation, September 1998 [2] Olivier Bouchet, Hervé Sizun, Christian Boisrobert, Frédérique de Fornel, Pierre-Noël Favennec, Free-Space Optics; Propagation and Communication, ISTE Ltd, 2006,ISBN 13: 978-1-905209-02-6 [3] Design and Analysis of an All-optical Free-space Communication Link, Fredrik Levander och Per Sakari, Department of Science and Technology Linköping University, SE-601 74 Norrköping, Sweden, 2002 [4] PAUL F. LIAO, Bell Communications Research, Inc. Red Bank, New Jersey, PAUL L. KELLEY, Lincoln Laboratory Massachusetts Institute of Technology, Lexington, Massachusetts, IVAN KAMINOW, AT&T Bell Laboratories Holmdel, New Jersey, Optical Sources, Detectors and Systems; Fundamentals and Applications, 1995, Academic Press [5] Erman Ate� Arif Dolma Sanal Temel �stasyonlar Yöntemi’nde Veri Oran� Ba�ar�m� IV. URSI- Türkiye Bilimsel Kongresi, IV. URSI- Türkiye Bilimsel Kongresi Antalya 20-22 Ekim 2008 [6]. Ate� A., Serbest Uzay Optik Haberle�mesinde Sanal Temel �stasyonlar Yöntemi, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2008.

978-1-4244-4436-6/09/$25.00 ©2009 IEEE 779