Design and analysis of optical wireless communication systems under energy constraints | Kütüphane.osmanlica.com
Aramaya Dön

Design and analysis of optical wireless communication systems under energy constraints

İsim Design and analysis of optical wireless communication systems under energy constraints
Yazar Mahmoodi, Khadijeh Ali
Basım Tarihi: 2024
Konu Optical communications, Wireless communication systems, Energy conversion, Design and construction, Electrical engineering
Tür Belge
Dil İngilizce
Dijital Evet
Yazma Hayır
Kütüphane: Özyeğin Üniversitesi
Kayıt Numarası 865c43eb-16bd-4d12-8781-fdbc25f56704
Lokasyon Department of Electrical and Electronics Engineering
Tarih 2024
Örnek Metin Optical Wireless Communication (OWC) is a field in communication that employs light waves (i.e.,Light Emitting Diodes (LEDs), or Laser Diodes (LDs)) for wireless data trans- mission, and provides a Line of Sight (LOS) link with a capacity comparable to fiber optics and much higher than those that can be supported by Radio Frequency (RF) counterparts. In addition, since they operate in optical spectrum, they are immune to interference. Further- more, unlike RF links which require either area or link license for operation, no licensing fee is required in OWC communication systems. OWC encompassing sub-branches like Free Space Optical (FSO) and Underwater Op- tical Wireless Communication (UOWC). FSO uses laser transmitters operating at infrared wavelengths through free space. It specifically offers faster data rates, improved security, and cost-effective connectivity suitable for high-data-throughput applications and scenar- ios where physical cables or RF networks are impractical. UOWC addresses the limitations of RF and acoustic signals in water, facilitating reliable and high-speed communication for marine applications. In OWC systems, particularly in underwater and outdoor environments, energy effi- ciency becomes a critical design criterion due to reliance on batteries with limited capacity, requiring regular and costly recharging or replacement. This dissertation focuses on the significance of energy efficiency in OWC, specifically targeting airborne and underwater networks facing energy resource limitations. In underwater environments, Underwater Sensor Networks (USNs) are deployed for collaborative tasks such as pollution monitoring, ocean currents analysis, equipment con- trol, and mineral exploration. Sensor nodes are scattered throughout the marine environ- ment, and data is collected at a gateway node, typically a buoy or support vessel. Data transmission can occur through single-hop or multi-hop routes, with multi-hop transmis- sions posing the risk of disruptions from individual node failures. In the case of multi-hop data transmission, sensor nodes consume power for data relaying and routing. To address this, the dissertation proposes the utilization of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for data collection, eliminating the need for data relaying and reducing energy consump- tion. The proximity of AUV to each sensor node also decreases the power required for their own data transmission. However, AUVs face challenges like latency in data delivery and high-power consumption. The dissertation explores the implementation of efficient trajectories in AUV-assisted data collection within USNs. Furthermore, the dissertation introduces solar-powered AUVs to further enhance en- ergy efficiency in underwater environments. By incorporating solar panels, AUVs achieve longer endurance, cost-effective operations, and environmentally friendly solutions. We model the energy harvesting from the Sun considering different geographical locations, different days of a year, different times in a day at different depths and types of water in- cluding pure see, clear water, coastal water, harbor water to asses the energy harvesting made possible from the Sun in underwater environments. The research addresses the chal- lenge of charging batteries during the day and conducting surveys at night, presenting an optimal Three-Dimensional (3D) trajectory that maximizes energy harvesting and survey efficiency. In outdoor environments, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) present versatile and cost- effective solutions for communication networks. This study explores both fixed-wing UAVs and rotary-wing UAVs for backhaul connectivity, with a particular emphasis on energy- efficient approaches utilizing solar-powered UAVs. Specifically, solar-powered rotary-wing UAVs are investigated for their potential to enable efficient backhauling in cellular net- works, leveraging FSO technology. The dissertation introduces an altitude optimization problem aimed at striking a balance between energy harvesting and consumption. Addi- tionally, the research includes an assessment of High Altitude Platforms (HAPs) which is a specific type of fixed-wing UAVs operating at high altitudes in the stratosphere layer (17km-20km). The evaluation focuses on analyzing the energy harvesting and consumption aspects of these platforms. Additionally, to enhance the energy efficiency of airborne networks, laser power beam- ing is proposed to charge the UAVs/HAPs wirelessly. This technology is gaining attention due to its high efficiency and ability to transfer power over long distances. It involves using powerful laser beams to transfer energy to a receiver equipped with a photovoltaic cell that converts the laser energy into electricity. In addition to that, to further enhance the efficiency of OWC systems, Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer (SLIPT) is investigated. SLIPT utilizes light intensity to transfer both power and data at the same time. By combining power and data transfer in the same OWC link, SLIPT has the potential to enhance the performance and lifespan of the backhaul link., OWC, iletis¸im alanında, kablosuz veri iletimi ic¸in ıs¸ık dalgalarını kullanır (yani, LEDs veya LDs) ve fiber optiklere kıyasla kapasitesi c¸ok daha yuksek ve ¨ RF rakipleri tarafından desteklenemeyen bir LOS baglantısı sunar. Optik spektrumda c¸alıs¸tıkları m ˘ udahaleye kars¸ı ¨ bagıs¸ıktırlar. Ayrıca, is¸letim ic¸in alan veya ba ˘ glantı lisansı gerektiren ˘ RF baglantılarına ˘ kıyasla OWC iletis¸im sistemlerinde lisans ucreti gerekmemektedir. ¨ OWC, FSO ve UOWC gibi alt dalları ic¸erir. FSO, serbest uzayda kızılotesi dalga ¨ boylarında c¸alıs¸an lazer vericilerini kullanır. Ozellikle daha hızlı veri hızları, gelis¸mis¸ ¨ guvenlik ve fiziksel kablolar veya ¨ RF agları uygun olmayan y ˘ uksek veri gec¸is¸i uygula- ¨ maları ve senaryoları ic¸in maliyet etkili baglantı sunar. ˘ UOWC, suda RF ve akustik sinyal lerin sınırlamalarını ele alarak, deniz uygulamaları ic¸in guvenilir ve y ¨ uksek hızlı iletis¸imi ¨ kolaylas¸tırır. OWC sistemlerinde, ozellikle sualtı ve ac¸ık hava ortamlarında, enerji verimlili ¨ gi, sınırlı ˘ kapasiteli pillere dayanma gerekliligi nedeniyle kritik bir tasarım kriteri haline gelir ve ˘ duzenli s¸arj veya de ¨ gis¸tirme gerektirir. Bu tez, ˘ OWC ic¸inde enerji verimliliginin ˘ onemine ¨ odaklanır ve ozellikle enerji kaynakları sınırlamalarıyla kars¸ılas¸an hava ve sualtı a ¨ glarını ˘ hedefler. Sualtı ortamlarda, USNs, kirlilik izleme, deniz akıntıları analizi, ekipman kontrolu¨ is¸birligi gerektiren g ˘ orevler ic¸in da ¨ gıtılır. Sens ˘ or d ¨ u¨g˘umleri deniz c¸evresine yayılmıs¸tır ve ¨ veri genellikle bir kapı du¨g˘um¨ unde toplanır, genellikle bir batık veya destek gemisidir. Veri ¨ iletimi tek atlamalı veya c¸oklu atlamalı rotalar aracılıgıyla gerc¸ekles¸ebilir ve c¸oklu atlamalı ˘ iletimler, bireysel du¨g˘um arızalarından kaynaklanan kesinti riskini tas¸ır. C¸ oklu atlamalı ¨ veri iletimi durumunda, sensor d ¨ u¨g˘umleri veri aktarma ve y ¨ onlendirme ic¸in enerji t ¨ uketir. ¨ Bu sorunu ele almak ic¸in tez, veri iletimi gereksinimini ortadan kaldıran AUVs kullanımını onerir ve enerji t ¨ uketimini azaltır. ¨ AUV’lerin her bir sensor d ¨ u¨g˘um¨ une yakınlı ¨ gı ayrıca ˘ kendi veri iletimleri ic¸in gereken enerjiyi azaltır. Ancak, AUVs, veri iletiminde gecikme ve yuksek enerji t ¨ uketimi gibi zorluklarla kars¸ılas¸ır. Tez, ¨ USNs ic¸inde AUV destekli veri toplama ic¸in verimli rotaların uygulanmasını aras¸tırır. Ayrıca, sualtı ortamlarında enerji verimliligini daha da artırmak ic¸in g ˘ unes¸ enerjisiyle ¨ c¸alıs¸an AUVs tanıtır. Gunes¸ panellerini entegre ederek, ¨ AUVs, daha uzun dayanıklılık, maliyet etkili is¸letmeler ve c¸evre dostu c¸oz¨ umler elde eder. G ¨ unes¸ten enerji toplamanın ¨ mumk ¨ un oldu ¨ gu farklı co ˘ grafi konumlar, yılın farklı g ˘ unleri, g ¨ unde farklı saatlerde ve saf ¨ deniz, temiz su, sahil suyu, liman suyu gibi farklı su turlerinde modellenir. Aras¸tırma, ¨ gund ¨ uzleri pilları s¸arj etme ve geceleri anket yapma zorlu ¨ gunu ele alır ve enerji toplama ve ˘ anket verimini en fazla artıran en uygun 3D rotayı sunar. Ac¸ık hava ortamlarında, UAVs, iletis¸im agları ic¸in c¸ok y ˘ onl ¨ u ve maliyet etkili c¸ ¨ oz¨ umler ¨ sunar. Geri baglantı ba ˘ glantısı ic¸in sabit kanatlı ˘ UAVs ve doner kanatlı ¨ UAVs’lerin her ikisini de aras¸tırır ve ozellikle g ¨ unes¸ enerjisiyle c¸alıs¸an ¨ UAVs’ler kullanarak enerji ver imliligi sa ˘ glayan yaklas¸ımlara vurgu yapar. ˘ Ozellikle, g ¨ unes¸ enerjisiyle c¸alıs¸an d ¨ oner ¨ kanatlı UAVs’ler, hucresel a ¨ glarda verimli geri ba ˘ glantı sa ˘ glama potansiyelini aras¸tırır ˘ ve FSO teknolojisini kullanır. Tez, enerji toplama ve tuketimi arasında denge sa ¨ glamayı ˘ amac¸layan bir yukseklik optimizasyon sorununu tanıtır. Ayrıca, bu platformların enerji ¨ toplama ve tuketim y ¨ onlerini analiz eden bir de ¨ gerlendirmeyi ic¸erir. ˘ Ayrıca, havadaki agların enerji verimlili ˘ gini artırmak ic¸in, ˘ UAVs/ HAPs kablosuz olarak s¸arj etmek ic¸in lazer enerjisi iletimi onerilir. Bu teknoloji, y ¨ uksek verimlili ¨ gi ve uzun ˘ mesafelere enerji iletim yetenegini kullanması nedeniyle dikkat c¸ekmektedir. Bu, g ˘ uc¸l ¨ u¨ lazer ıs¸ınlarını, lazer enerjisini elektrige d ˘ on¨ us¸t ¨ uren bir fotovoltaik h ¨ ucre ile donatılmıs¸ bir ¨ alıcıya kablosuz olarak iletmek anlamına gelir. OWC baglantılarının enerji verimlili ˘ gini artırmak ic¸in ˘ SLIPT kullanılabilir. SLIPT, hem guc¸ hem de veri transferini aynı anda kablosuz olarak iletmek ic¸in ıs¸ık yo ¨ gunlu ˘ gunu ˘ kullanır. Guc¸ ve veri transferini aynı ¨ OWC baglantısında birles¸tirerek, ˘ SLIPT, geri baglantı baglantısının performansını ve ˘ omr ¨ un¨ u artırma potansiyeline sahiptir. ¨
Kaynağa git Özyeğin Üniversitesi Özyeğin Üniversitesi
Aramaya Dön
Özyeğin Üniversitesi Özyeğin Üniversitesi
Kaynağa git

Design and analysis of optical wireless communication systems under energy constraints

Yazar Mahmoodi, Khadijeh Ali
Basım Tarihi 2024
Konu Optical communications, Wireless communication systems, Energy conversion, Design and construction, Electrical engineering
Tür Belge
Dil İngilizce
Dijital Evet
Yazma Hayır
Kütüphane Özyeğin Üniversitesi
Kayıt Numarası 865c43eb-16bd-4d12-8781-fdbc25f56704
Lokasyon Department of Electrical and Electronics Engineering
Tarih 2024
Örnek Metin Optical Wireless Communication (OWC) is a field in communication that employs light waves (i.e.,Light Emitting Diodes (LEDs), or Laser Diodes (LDs)) for wireless data trans- mission, and provides a Line of Sight (LOS) link with a capacity comparable to fiber optics and much higher than those that can be supported by Radio Frequency (RF) counterparts. In addition, since they operate in optical spectrum, they are immune to interference. Further- more, unlike RF links which require either area or link license for operation, no licensing fee is required in OWC communication systems. OWC encompassing sub-branches like Free Space Optical (FSO) and Underwater Op- tical Wireless Communication (UOWC). FSO uses laser transmitters operating at infrared wavelengths through free space. It specifically offers faster data rates, improved security, and cost-effective connectivity suitable for high-data-throughput applications and scenar- ios where physical cables or RF networks are impractical. UOWC addresses the limitations of RF and acoustic signals in water, facilitating reliable and high-speed communication for marine applications. In OWC systems, particularly in underwater and outdoor environments, energy effi- ciency becomes a critical design criterion due to reliance on batteries with limited capacity, requiring regular and costly recharging or replacement. This dissertation focuses on the significance of energy efficiency in OWC, specifically targeting airborne and underwater networks facing energy resource limitations. In underwater environments, Underwater Sensor Networks (USNs) are deployed for collaborative tasks such as pollution monitoring, ocean currents analysis, equipment con- trol, and mineral exploration. Sensor nodes are scattered throughout the marine environ- ment, and data is collected at a gateway node, typically a buoy or support vessel. Data transmission can occur through single-hop or multi-hop routes, with multi-hop transmis- sions posing the risk of disruptions from individual node failures. In the case of multi-hop data transmission, sensor nodes consume power for data relaying and routing. To address this, the dissertation proposes the utilization of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) for data collection, eliminating the need for data relaying and reducing energy consump- tion. The proximity of AUV to each sensor node also decreases the power required for their own data transmission. However, AUVs face challenges like latency in data delivery and high-power consumption. The dissertation explores the implementation of efficient trajectories in AUV-assisted data collection within USNs. Furthermore, the dissertation introduces solar-powered AUVs to further enhance en- ergy efficiency in underwater environments. By incorporating solar panels, AUVs achieve longer endurance, cost-effective operations, and environmentally friendly solutions. We model the energy harvesting from the Sun considering different geographical locations, different days of a year, different times in a day at different depths and types of water in- cluding pure see, clear water, coastal water, harbor water to asses the energy harvesting made possible from the Sun in underwater environments. The research addresses the chal- lenge of charging batteries during the day and conducting surveys at night, presenting an optimal Three-Dimensional (3D) trajectory that maximizes energy harvesting and survey efficiency. In outdoor environments, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) present versatile and cost- effective solutions for communication networks. This study explores both fixed-wing UAVs and rotary-wing UAVs for backhaul connectivity, with a particular emphasis on energy- efficient approaches utilizing solar-powered UAVs. Specifically, solar-powered rotary-wing UAVs are investigated for their potential to enable efficient backhauling in cellular net- works, leveraging FSO technology. The dissertation introduces an altitude optimization problem aimed at striking a balance between energy harvesting and consumption. Addi- tionally, the research includes an assessment of High Altitude Platforms (HAPs) which is a specific type of fixed-wing UAVs operating at high altitudes in the stratosphere layer (17km-20km). The evaluation focuses on analyzing the energy harvesting and consumption aspects of these platforms. Additionally, to enhance the energy efficiency of airborne networks, laser power beam- ing is proposed to charge the UAVs/HAPs wirelessly. This technology is gaining attention due to its high efficiency and ability to transfer power over long distances. It involves using powerful laser beams to transfer energy to a receiver equipped with a photovoltaic cell that converts the laser energy into electricity. In addition to that, to further enhance the efficiency of OWC systems, Simultaneous Lightwave Information and Power Transfer (SLIPT) is investigated. SLIPT utilizes light intensity to transfer both power and data at the same time. By combining power and data transfer in the same OWC link, SLIPT has the potential to enhance the performance and lifespan of the backhaul link., OWC, iletis¸im alanında, kablosuz veri iletimi ic¸in ıs¸ık dalgalarını kullanır (yani, LEDs veya LDs) ve fiber optiklere kıyasla kapasitesi c¸ok daha yuksek ve ¨ RF rakipleri tarafından desteklenemeyen bir LOS baglantısı sunar. Optik spektrumda c¸alıs¸tıkları m ˘ udahaleye kars¸ı ¨ bagıs¸ıktırlar. Ayrıca, is¸letim ic¸in alan veya ba ˘ glantı lisansı gerektiren ˘ RF baglantılarına ˘ kıyasla OWC iletis¸im sistemlerinde lisans ucreti gerekmemektedir. ¨ OWC, FSO ve UOWC gibi alt dalları ic¸erir. FSO, serbest uzayda kızılotesi dalga ¨ boylarında c¸alıs¸an lazer vericilerini kullanır. Ozellikle daha hızlı veri hızları, gelis¸mis¸ ¨ guvenlik ve fiziksel kablolar veya ¨ RF agları uygun olmayan y ˘ uksek veri gec¸is¸i uygula- ¨ maları ve senaryoları ic¸in maliyet etkili baglantı sunar. ˘ UOWC, suda RF ve akustik sinyal lerin sınırlamalarını ele alarak, deniz uygulamaları ic¸in guvenilir ve y ¨ uksek hızlı iletis¸imi ¨ kolaylas¸tırır. OWC sistemlerinde, ozellikle sualtı ve ac¸ık hava ortamlarında, enerji verimlili ¨ gi, sınırlı ˘ kapasiteli pillere dayanma gerekliligi nedeniyle kritik bir tasarım kriteri haline gelir ve ˘ duzenli s¸arj veya de ¨ gis¸tirme gerektirir. Bu tez, ˘ OWC ic¸inde enerji verimliliginin ˘ onemine ¨ odaklanır ve ozellikle enerji kaynakları sınırlamalarıyla kars¸ılas¸an hava ve sualtı a ¨ glarını ˘ hedefler. Sualtı ortamlarda, USNs, kirlilik izleme, deniz akıntıları analizi, ekipman kontrolu¨ is¸birligi gerektiren g ˘ orevler ic¸in da ¨ gıtılır. Sens ˘ or d ¨ u¨g˘umleri deniz c¸evresine yayılmıs¸tır ve ¨ veri genellikle bir kapı du¨g˘um¨ unde toplanır, genellikle bir batık veya destek gemisidir. Veri ¨ iletimi tek atlamalı veya c¸oklu atlamalı rotalar aracılıgıyla gerc¸ekles¸ebilir ve c¸oklu atlamalı ˘ iletimler, bireysel du¨g˘um arızalarından kaynaklanan kesinti riskini tas¸ır. C¸ oklu atlamalı ¨ veri iletimi durumunda, sensor d ¨ u¨g˘umleri veri aktarma ve y ¨ onlendirme ic¸in enerji t ¨ uketir. ¨ Bu sorunu ele almak ic¸in tez, veri iletimi gereksinimini ortadan kaldıran AUVs kullanımını onerir ve enerji t ¨ uketimini azaltır. ¨ AUV’lerin her bir sensor d ¨ u¨g˘um¨ une yakınlı ¨ gı ayrıca ˘ kendi veri iletimleri ic¸in gereken enerjiyi azaltır. Ancak, AUVs, veri iletiminde gecikme ve yuksek enerji t ¨ uketimi gibi zorluklarla kars¸ılas¸ır. Tez, ¨ USNs ic¸inde AUV destekli veri toplama ic¸in verimli rotaların uygulanmasını aras¸tırır. Ayrıca, sualtı ortamlarında enerji verimliligini daha da artırmak ic¸in g ˘ unes¸ enerjisiyle ¨ c¸alıs¸an AUVs tanıtır. Gunes¸ panellerini entegre ederek, ¨ AUVs, daha uzun dayanıklılık, maliyet etkili is¸letmeler ve c¸evre dostu c¸oz¨ umler elde eder. G ¨ unes¸ten enerji toplamanın ¨ mumk ¨ un oldu ¨ gu farklı co ˘ grafi konumlar, yılın farklı g ˘ unleri, g ¨ unde farklı saatlerde ve saf ¨ deniz, temiz su, sahil suyu, liman suyu gibi farklı su turlerinde modellenir. Aras¸tırma, ¨ gund ¨ uzleri pilları s¸arj etme ve geceleri anket yapma zorlu ¨ gunu ele alır ve enerji toplama ve ˘ anket verimini en fazla artıran en uygun 3D rotayı sunar. Ac¸ık hava ortamlarında, UAVs, iletis¸im agları ic¸in c¸ok y ˘ onl ¨ u ve maliyet etkili c¸ ¨ oz¨ umler ¨ sunar. Geri baglantı ba ˘ glantısı ic¸in sabit kanatlı ˘ UAVs ve doner kanatlı ¨ UAVs’lerin her ikisini de aras¸tırır ve ozellikle g ¨ unes¸ enerjisiyle c¸alıs¸an ¨ UAVs’ler kullanarak enerji ver imliligi sa ˘ glayan yaklas¸ımlara vurgu yapar. ˘ Ozellikle, g ¨ unes¸ enerjisiyle c¸alıs¸an d ¨ oner ¨ kanatlı UAVs’ler, hucresel a ¨ glarda verimli geri ba ˘ glantı sa ˘ glama potansiyelini aras¸tırır ˘ ve FSO teknolojisini kullanır. Tez, enerji toplama ve tuketimi arasında denge sa ¨ glamayı ˘ amac¸layan bir yukseklik optimizasyon sorununu tanıtır. Ayrıca, bu platformların enerji ¨ toplama ve tuketim y ¨ onlerini analiz eden bir de ¨ gerlendirmeyi ic¸erir. ˘ Ayrıca, havadaki agların enerji verimlili ˘ gini artırmak ic¸in, ˘ UAVs/ HAPs kablosuz olarak s¸arj etmek ic¸in lazer enerjisi iletimi onerilir. Bu teknoloji, y ¨ uksek verimlili ¨ gi ve uzun ˘ mesafelere enerji iletim yetenegini kullanması nedeniyle dikkat c¸ekmektedir. Bu, g ˘ uc¸l ¨ u¨ lazer ıs¸ınlarını, lazer enerjisini elektrige d ˘ on¨ us¸t ¨ uren bir fotovoltaik h ¨ ucre ile donatılmıs¸ bir ¨ alıcıya kablosuz olarak iletmek anlamına gelir. OWC baglantılarının enerji verimlili ˘ gini artırmak ic¸in ˘ SLIPT kullanılabilir. SLIPT, hem guc¸ hem de veri transferini aynı anda kablosuz olarak iletmek ic¸in ıs¸ık yo ¨ gunlu ˘ gunu ˘ kullanır. Guc¸ ve veri transferini aynı ¨ OWC baglantısında birles¸tirerek, ˘ SLIPT, geri baglantı baglantısının performansını ve ˘ omr ¨ un¨ u artırma potansiyeline sahiptir. ¨
Özyeğin Üniversitesi
Özyeğin Üniversitesi yönlendiriliyorsunuz...

Lütfen bekleyiniz.