مقاله طراحی و ساخت فرستنده و گیرنده بیسیم نوری MIMO

بخشی از مقاله

*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***

طراحی و ساخت فرستنده و گیرنده بیسیم نوری MIMO
خلاصه
سیستم بی سیم نوری به عنوان یک تکنولوژی مکمل برای تکنولوژی هایRF موجود، مورد توجه قرار گرفته است. از سوی دیگر، یک الگویکاملاً جدید در تکنولوژی های بی سیم از لحاظ سرعت ارتباط، انعطاف پذیری و قابلیت استفاده را ارائه می دهد. تکنولوژی های بی سیم نوری، در صورتی که در طول موج های مریی باشند ارتباطات نور مرئی (1VLC) نامیده می شوند، که سیستم Li-Fi نیز جز این دسته می باشد. یکی از تکنولوی های دیگر مطرح در زمینه مخابرات بی سیم، سیستمهای چند-ورودی چند-خروجی (MIMO) می باشند. MIMO سبب افزایش نرخ ارسال اطلاعات بر روی کانال بی سیم در فرکانس های RF و یا افزایش اطمینان و بهبود عملکرد خطای سیستم در سیستم های بی سیم RF و نوری می شود. در این مقاله عملکرد سیستم بی سیم نوری به صورت عملی مورد ارزیابی قرار گرفته است. پس از طراحی و ساخت فرستنده-گیرنده، ارسال اطلاعات با نرخ بالا و با استفاده از گیرنده های MIMO برررسی شده است.

کلمات کلیدی: مخابرات نوری بی سیم، MIMO، VLC

.1 مقدمه
درتکنولوژی های جدید ارتباطات بیسیم، از تابش نور نیز استفاده می شود. در ارتباط بی سیم نوری، داده ها روی امواج نور قرار میگیرند و با امواج نورانی منتقل میشوند. سرعت انتقال داده در شبکه نوری بسیار بالا بوده و مقدار مصرف انرژی در آن بسیار پایین می باشد، همچنین این شبکه از امنیت بالایی برخوردار است و امکان تداخل الکترومغناطیسی در آن وجود ندارد.
منظور از ارتباطات نور مرئی، ارتباطات بی سیم نوری کوتاه برد با استفاده از طیف نور مرئی 380-780 نانومتر می باشد که توسط پیشرفت های اخیر در تکنولوژی 2LED میسر شده است. استاندارد IEEE802.15.7 بیان کننده نحوه ارتباط داده با نرخ بالا توسط نور مرئی تا 96 مگابیت بر ثانیه می باشد. در کارگروه IEEE 802. 15. 17 زیر گروه TG7 تشکیل شده است که وظیفه ی آن نوشتن استاندارد MAC و 3PHY برای VLC می باشد.
یک نمونه منبع نور بکار رفته در ارتباط بیسیم نوری لامپهای Light Emitting Diodes (LED) میباشد. در LED ها بجای رشته ها و گازهای داغ که در لامپهای ساده موجود می باشد، از دیودهای پخش کننده نور استفاده میشود.

طبق بررسیهای بعمل آمده با استفاده ارسال نور بیسیم در مقایسه با ارسال بیسیم در فرکانسهای رادیویی، 30 تا 80 در صد در مصرف انرژی صرفه جویی میشود. در این تکنولوژی منابع نور بیسیم نوری همزمان جهت روشنایی محیط و ارسال داده مورد استفاده قرار می گیرند.
به دلیل رشد روز افزون ارتباطات چند رسانه ای شامل صوت، تصویر ، داده و اینترنت، تقاضا برای استفاده از سرویسهای با نرخ ارسال بالا افزایش یافته است. لذا سیستم های مخابرات نوری باید بتوانند با وجود محدودیتهای انتشار محیطی که سبب افت قدرت سیگنال به نویز در گیرنده می شوند، نرخ دادهی بالایی را ارسال نمایند . زیرا ظرفیت یک کانال مخابراتی با لگاریتم قدرت سیگنال به قدرت نویز در سمت گیرنده متناسب است. یکی از راه حل های غلبه بر این مشکل استفاده از 4MIMO می باشد . در این روش با بکار گیری چندین آنتن فرستنده وگیرنده همانند شکل (2 ) می توان ظرفیت کانال مخابراتی را افزایش داد. مقایسه میزان بهبود ظرفیت کانال مخابراتی شبکه MIMO در مقایسه با روش فرستنده و گیرنده های معمولی در نمودار شکل (3) آورده شده است .[2]

تکنیک های MIMO همچنین مزیت قابل توجهی در سراسر طیف نوری از خود نشان دادهاند. در مخابرات بی سیم نوری داخل ساختمان، چندین فرستنده و گیرنده سبب کاهش احتمال خطا در کانال دید مستقیم (5LOS) میشود. تکنیک های MIMO همچنین درسیستم های نوری فضای آزاد اعمال شده اند. طرح های کدینگ MIMO متعارف (مرسوم) نمی توانند بدون تغییر در سیستمهای بیسیم نوری اعمال شوند، زیرا سیگنال ارسالی نوری سیگنالی غیر منفی می باشد.
تقاضای روزافزون برای نرخ های داده بالاتر در سیستم های بی سیم، طیف فرکانسی رادیویی (RF) را یک وسیله گرانبها می سازد. در واقع، پهنای باند موجود به منزله یک عامل محدود کننده برای دستیابی به نرخ های انتقال بالاتر می باشد.
اخیراً تکنولوژی ارتباطات نور مرئی (VLC) که از LED سفید استفاده می کند توجه دانشگاه ها و صنایع را به خود جلب کرده که ماحصل پیشرفت در تکنولوژی LED سفید (WLED) برای نورپردازی یکنواخت و توان بالقوه استفاده همزمان از این LED ها برای انتقال دیتا بی سیم است.[3]

یکی از راهکارهای افزایش قابلیت اطمینان لینک های بی سیم نوری استفاده از سیستم های چند-ورودی چند-خروجی (MIMO) می باشد.

.2 مدل سیستمی

رابطه ی ورودی و خروجی کانال نوری به شکل زیر بیان می شود:

که در آن  نماد Convolution را مشخص می کند و R(A/W) ضریب پاسخ دهی آشکارساز است. به این دلیل که ورودی کانال توان نوری لحظه ای ارسالی است، مقداری غیر منفی است:

در ابتدا مدل های متفاوت کانال های بی سیم نوری ارایه می شوند.

.1.2 مدل کانال

مدل کانال نوری IM/DD به دو زیر مجموعه زیر تقسیم می شود :

- مدل کانال SISO (تک ورودی – تک خروجی)
- مدل کانال MIMO

مدل کانال در حالت SISO به صورت زیر است :

حال یک سیسم انتقال MIMO بی سیم نوری را با استفاده از مدولاسیون شدت (IM) و تشخیص مستقیم (DD) حامل نوری با استفاده از منابع نوری نامنسجم به عنوان مثال LED در نظر می گیریم. سیستم با N t فرستنده و N r تا photo-detector در سمت گیرنده مجهز شده است. بردار سیگنال دریافتی عبارت است از :

که در آن نسبت سیگنال به نویز الکتریکی (SNR) در یونیت گیرنده است. r پاسخ واکنش PD است. Pr متوسط توان نوری دریافتی است. H(t) ماتریس کانال MIMO نوری Nr×Nt است و n مجموع نویز shot light محیط و نویز حرارتی است. n مستقل از سیگنال های ارسالی و نویز اصلی به طور رایج در OWC فرض شده است. در نتیجه، n مقدار واقعی نویز گوسی سفید افزودنی (AWGN) با متوسط صفر و واریانس که می باشد. واریانس نویز واریانس نویز حرارتی می باشد. بنابراین، توان نویز توسط بیان می شود که در آن N 0 شدت طیف توان نویز و B پهنای باند می باشد.
بردار سیگنال ارسالی توسط مشخص می شود. در حالیکه عملگرترانهاده می باشد. عناصر نشان می دهد که سیگنال توسط هر فرستنده نوری منتشر می شود. به عنوان مثال Snt سیگنال منتشر شده توسط فرستنده n t را مشخص می کند.
H ماتریس کانال به صورت زیر بیان می شود:

که در آن عامل انتقال در لینک بی سیم بین فرستنده n t و گیرنده nr را نشان می دهد. همان طور که LED ها در مجاورت یکدیگر هستند،آنها می توانند به طور مشترک توسط سخت افزار باند پایه یکسان و راه انداز الکترونیکی راه اندازی شوند.
بنابراین،فرض می کنیم این انتقال کاملاً هماهنگ شده است. علاوه بر این، تنها یک مسیر متفاوت بسیار کوچک بین لینک های متعدد فرستنده- گیرنده در حد چند cm وجود دارد. در نتیجه، تأخیر زمانی ناچیز بین لینک های متعدد وجود دارد و مدل سیستم بیان شده را بدون پراکندگی زمان در نظرمی گیریم.
در اینجا، لینک های بی سیم نوری با ویژگی LOS فرض شده است. شکل زیر یک لینک LOS مستقیم را نشان می دهد.

همان طور که نشان داده شده است،  زاویه حتمی با توجه به محور فرستنده (Tx) است و زاویه برخورد با توجه به محور گیرنده (Rx) است. علاوه بر این، d فاصله بین فرستنده و گیرنده را نشان می دهد. با استفاده از این زمینه هندسی، گین کانال در لینک انتشار نوری می تواند به صورت زیر محاسبه شود.
البته از آنجا که، مسیرها LOS فرض می شوند، که در آن Hij به شرح زیر تعریف می شود:

که در آن A سطح ناحیه آشکار ساز گیرنده است و در اینجا فرض می کنیم A=1 cm2 است. واضح است که ضریب کانال h به موقعیت خاص فرستنده و گیرنده nr وابسته است. اگر یک گیرنده و یک فرستنده، در میدان دید (FOV) یکدیگر نباشند آنگاه است. فاصله بین فرستنده و گیرنده، زاویه با توجه به فرستنده، زاویه با توجه به گیرنده است ، فیلتر انتقال، گین متمرکز کننده است، میدان دید متمرکز کننده (FOV)است که معمولاً شدت تابش فرستنده است که به صورت زیر بیان می شود:

و m تعداد حالت لوپ تابش نیز به صورت زیر بیان می شود: