Μελέτη,Σχεδίαση και Υλοποίηση Συστήματος Ασύρματων Οπτικών Επικοινωνιών Ορατού Φάσματος με Χρήση Χωρικής Διαμόρφωσης

H Χωρική διαμόρφωση (SM) είναι μια τεχνική μετάδοσης που εφαρμόζεται σε συστήματα πολλαπλών εισόδων - πολλαπλών εξόδων (MIMO), όπου όμως μόνο μια κεραία εκπομπής είναι ενεργή κάθε φορά, προσφέροντας μια αύξηση στη φασματική απόκριση ίση με τον λογάριθμο με βάση δύο του αριθμού των κεραιών εκπομπής. Η ενεργοποίηση μόνο μίας κεραίας σε κάθε χρονική στιγμή, μειώνει το μέσο Ρυθμό Σφαλμάτων Bit (Bit Error Rate (ABER)), οι παρεμβολές του καναλιού αποφεύγονται, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται η πολυπλοκότητα του υλικού και η κατανάλωση ενέργειας. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας, είναι να εξεταστεί η χωρική διαμόρφωση για ένα σύστημα επικοινωνιών ορατού φωτός. Αρχικά, παρουσιάζεται η βασική θεωρία πίσω από τις τεχνολογίες Επικοινωνιών Ορατού Φωτός (Visible Light Communications –VLC), ακολουθούν βασικές έννοιες της θεωρίας συστημάτων Πολλαπλών Εισόδων – Πολλαπλών Εξόδων (MIMO) και της Οπτικής Χωρικής Διαμόρφωσης (Optical SM). Σε πρακτικό επίπεδο, εξετάζεται η απλούστερη εφαρμογή της Χωρικής Διαμόρφωσης, Space Shift Keying (SSK), και μελετάται η απόδοση ενός τέτοιου συστήματος. Τέλος, παρουσιάζεται αναλυτικά μια πρόταση πρακτικής πειραματικής υλοποίησης ενός συστήματος στηριζόμενου στην τεχνική SSK, και παρατίθεται και η πρακτική υλοποίηση του πομπού του ανωτέρω συστήματος.Summary Spatial modulation (SM) is a transmission technique applicable in multiple–input multiple–output (MIMO) systems, where only one transmit antenna is active at a time, offering an increase in the spectral efficiency equal to the base two logarithm of the number of transmit antennas. The activation of only one antenna at each time instance reduces the average bit error ratio (ABER) as interchannel interference (ICI) is avoided, as well as hardware complexity, and power consumption. Thus, in this thesis, SM is considered for an optical MIMO system, where the signals are transmitted through light emitting diodes (LEDs) and the receivers are photodiodes (PDs). At first the basic theory behind VLC is presented, followed by the theory of Multiple Input – Multiple Output (MIMO) Systems and Optical SM. In practical level, the simplest implementation of SM is considered, namely Space Shift Keying (SSK), and the performance of such a system is investigated. Finally, a design proposal for practical implementation of an SSK system is presented, as well as the practical implementation of the transmitter of the aforementioned system

Μελέτη επίδρασης ανακλάσεων στην απόδοση των συστημάτων ασύρματων οπτικών επικοινωνιών ορατού φωτός εσωτερικού χώρου με χωρική διαμόρφωση.

Η παρούσα διπλωματική εργασία καλύπτει τη μελέτη των επιδράσεων των ανακλάσεων στην απόδοση τηλεπικοινωνιακών συστημάτων ορατού φωτός (VLC) με χωρική διαμόρφωση eSSK παρουσία τεσσάρων προβολέων LED, που φωτίζουν το εσωτερικό ενός ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου δωματίου δεδομένων διαστάσεων. Αρχικά, αναπτύσσεται ένα γεωμετρικό μοντέλο υπολογισμού όλων των δυνατών ανακλάσεων με επέκταση της θεωρίας του μοντέλου των δύο ακτίνων. Θεωρώντας εικονικές, ευθύγραμμες δέσμες, που εκτείνονται εκτός του μελετώμενου δωματίου και έχουν ίσο μήκος με τις πραγματικές, τεθλασμένες δέσμες ανάκλασης, υπολογίζονται τα μήκη και οι γωνίες διάδοσης για κάθε δυνατή περίπτωση ανάκλασης, καθεμιά από τις οποίες χαρακτηρίζεται μοναδικά με τρεις ακέραιους δείκτες l,m,n. Εξάγονται τύποι υπολογισμού του πληθαρίθμου των δυνατών ανακλάσεων συναρτήσει της τάξης της ανάκλασης, θεωρώντας ως μηδενική τάξη την περίπτωση, όπου η δέσμη από τον πομπό καταλήγει στο δέκτη χωρίς να παρεμβάλλεται ανάκλαση (απευθείας δέσμη). Επίσης, προσδιορίζονται τα ακριβή σημεία ανάκλασης στα τοιχώματα του δωματίου, καθώς και οι αντίστοιχες γωνίες πρόσπτωσης/ανάκλασης. Εν συνεχεία, εφαρμόζεται το μοντέλο Lambert, για τον υπολογισμό των ισχύων λήψης κάθε μελετώμενης, ανακλώμενης δέσμης και παράγονται ημιαναλυτικοί τύποι, που δίνουν επαγωγικά τα ζητούμενα αποτελέσματα, συνολικά. Αναφέρονται, επίσης, μερικές συνιστώσες θορύβου, που επιδεινώνουν περαιτέρω τις επιδόσεις του τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Ακόμη, παρουσιάζεται η δομή του αλγορίθμου υπολογισμού των ισχύων λήψης για κάθε σημείο ενός οριζόντιου επιπέδου του μελετώμενου χώρου σε ένα αντιπροσωπευτικό ύψος λήψης πάνω από το δάπεδο. Τέλος, αξιολογούνται οι επιδόσεις του υπό μελέτη τηλεπικοινωνιακού συστήματος, παρουσιάζοντας τριδιάστατα διαγράμματα, από τα οποία εξάγονται τα χρήσιμα συμπεράσματα.This master's thesis is about the study of the reflections effects on the performance of Visible Light Communication (VLC) systems with spatial modulation (eSSK) and four LED lamps illuminating the interior of a rectangular parallelepiped room with given dimensions. Firstly, a geometrical computation model is developed for any possible reflection case, expanding the two-ray ground reflection model. By assuming virtual, straight rays going off the room instead of the real, indoor, crooked reflection rays with equal lengths, propagation distances and angles are calculated for any possible reflection case, each of which is uniquely identified by three integer indices l,m,n. Possible reflection cases cardinality formulas as a function of the reflection order are produced, assuming line-of-sight (LOS) rays case as a zero-order reflection. Moreover, the reflection spots on the room wall are determined precisely as well as the corresponting incidence/reflection angles. Thereinafter, the Lambertian model is applied in order to compute the received power of any studied reflection ray and, after that, semi-analytic formulas are generated, in order to inductively compute the desired results. Some noise components, that further deteriorate the telecommunication system’s performance, are also referred. Furthermore, a received power computation algorithm structure is presented for any point of a horizontal plane of the studied room at a typical height above the floor. Finally, the studied telecommunication system’s performance is evaluated by presenting 3-D plots, from which useful conclusions are drawn