Channel modeling for vehicular visible light communication

Abstract

The demand for vehicular communication systems has increased since they are considered the key enabling technology for Intelligent Transportation Systems (ITSs). Vehicular communications allow information sharing between the vehicles and the infrastructures, which have great potential in improving road safety, traffic flow, and passenger comfort along the road. The resulting vehicular connectivity forms are Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Infrastructure (V2I), Infrastructure-to-Vehicle (I2V), and Vehicle-to-Pedestrian (V2P), commonly referred to as Vehicle-to-Everything (V2X) communication. Most of the research efforts and standardization activities on V2X communication have focused on Radio Frequency (RF) technologies. However, limited RF bands allocated for V2X networks can suffer high interference levels in heavy traffic, and channel congestion might be particularly problematic for delay-sensitive safety functionalities. To address such issues, Visible Light Communication (VLC) has been proposed as an alternative or complementary vehicular access solution to RF-based V2X communications. VLC is based on the principle of modulating the intensity of the Light-Emitting-Diode (LED) and enables the dual use of LED for both illumination and communication purposes. The ubiquitous availability of LED-based streetlights, traffic lights, and automotive exterior lighting positions VLC as a potential wireless connectivity solution for vehicular networks. Vehicular VLC has received increasing attention recently in several aspects such as physical layer design, upper layer network protocols, and integration with RF-based solutions for hybrid systems. As in any other communication system, channel modeling plays a critical role in VLC system design and optimization. Earlier results in the literature have focused on indoor channel modeling. Those results do not apply to vehicular VLC systems since they exhibit inherently different characteristics to indoor counterparts. For example, the ideal Lambertian model, used for indoor LED luminaries, fails to match the illumination characteristics of automotive Headlights (HLs), Taillights (TLs), traffic lights, and streetlights. In addition, the effects of road reflectance, road type, weather conditions, the orientation of the user/vehicle equipment and infrastructures, receiver aperture size, and the sunlight might strongly affect the link performance of vehicular VLC systems. Despite the increasing attention on indoor VLC channel models, there is a lack of realistic vehicular VLC channel models. Motivated by these, we provide in this dissertation a comprehensive channel modeling study for different vehicular VLC links. In the first part of this dissertation, we explain our channel modeling approach, which builds upon advanced non-sequential ray tracing features of OpticStudio software. This approach allows the integration of any realistic light source radiation pattern. It can handle a large number of reflections for better accuracy. Since this is a simulation-based channel modeling methodology, it must be validated, at least once, against the measurements in a real scenario. Therefore, we carry out measurements and simulations for the same cases to validate our channel modeling approach considering both the Line of Sight (LoS) and the Non-Line of Sight (NLoS) cases. Such a realistic channel modeling approach is then adopted to model the V2V VLC channel when two vehicles travel in the same lane and by utilizing the Headlights (HLs) of the source vehicle as wireless transmitters. The most recent proposed channel path loss model was a linear function of transmission distance applicable only for ranges less than 20 meters. Therefore, we propose a new path loss expression that takes the form of a negative exponential function and provides an excellent match to simulation results for large transmission ranges and under different weather conditions. This expression is then utilized to derive the achievable transmission distance for a targeted data rate while satisfying a given value of Bit Error Rate (BER). We then consider V2V based Taillights (TLs) and derive a new path loss model that works for measured TL radiation patterns of different commercial car models. Utilizing the derived path loss model, we further derive a closed-form expression for the maximum transmission distance under the target BER value. Furthermore, the Root-Mean-Square (RMS) delay spread is investigated by considering different V2V density scenarios. In the above points, the effect of both the lateral shift between the two vehicles, the exact geometry of the vehicle's HLs, and the receiver aperture on the path loss model of the V2V system is excluded. Therefore, to address such shortcoming, we develop a closed-form path loss expression for the V2V VLC system as a function of link distance, lateral shift between the two vehicles, weather type, transmitter beam divergence angle, and receiver aperture diameter. While several vehicular VLC efforts investigated the V2V link channels while only a few attentions were paid to V2I/I2V channels, and by considering very idealistic assumptions. Motivated by this, we consider the I2V VLC links where the traffic lights and streetlights are deployed as wireless transmitters. First, we model the I2V based on a commercial traffic light and derive a closed-form expression of the path loss model as a function of both longitudinal and lateral shift distances. Then, we model the I2V system with street light transmitters and derive a closed-form expression for channel path loss as a function of pole spacing, the height of both the lighting pole and the vehicle, the longitudinal and lateral distance between the vehicle and the pole, and the aperture size of the Photodetector (PD). The effect of these transceivers and infrastructure parameters on the system average error rate performance is also investigated considering the mobility of vehicular communication, which makes the path loss no longer deterministic. We further model the reverse channel link, i.e., the V2I system, where the vehicle communicates with an infrastructure pole deploying its HLs as transmitters, and three PDs located within the traffic pole to act as receivers. Based on the Channel Impulse Responses (CIRs), obtained from the ray tracing, we introduce an expression for the achievable capacity considering the effect of propagation environment and the LED non-linear characteristics. In most V2V and I2V VLC works, the most common underlying assumption is using one or two PDs. That might be sufficient for establishing a connection between two vehicles cruising in the same straight lane or between the vehicles and infrastructure with clear LoS. To position VLC as a strong candidate for vehicular connectivity, it is essential to realize multi-directional reception in various deployment scenarios supporting V2V and I2V links. To address this of practical relevance, we investigate the channel modeling of multi-directional coverage for vehicular VLC systems in different road types and traffic scenarios. We quantify the capability of receiving signals in several cases including the V2V connectivity (with HLs and TLs) and the I2V connectivity (with traffic and streetlights). We further quantify the contribution of individual PDs to elaborate on the usage cases of each PD. In the last part of this dissertation, we explore the vehicular VLC as a wireless connectivity solution to enable outdoor broadcasting for public safety systems. We utilize the ubiquitous streetlights as wireless transmitters taking into account the fundamental differences imposed by the outdoor medium and lightning infrastructure. These include the effect of the asymmetrical pattern of streetlights, the orientation of the user equipment, the weather condition, and the solar irradiance. We consider two broadcasting scenarios; VLC broadcasting in the roadway and VLC broadcasting in the sidewalk path, and obtain the received Signal-to-Noise Ratios (SNRs) for all links under the mobility condition.Akıllı ulaşım sistemleri (ITS'ler) için anahtar etkinleştirici teknoloji olarak kabul edildiklerinden, araç iletişim sistemlerine olan talep artmıştır. Araç iletişimi, araçlar ve yol boyunca altyapılar arasında bilgi paylaşımını sağlar. Böyle gelişmiş bir bağlantı çözümü, geleceğin AUS'lerinin ana hedefleri olan yol güvenliğini, trafik akışını ve yolcu konforunu iyileştirmede büyük potansiyele sahiptir. Ortaya çıkan araç bağlantı biçimleri, araçtan araca (V2V), araçtan altyapıya (V2I), araçtan yayaya (V2P), genellikle araçtan her şeye (V2X) iletişim olarak adlandırılır. AUS'lerin pratik uygulamaları son derece sağlam, ölçeklenebilir ve güvenilir V2X çözümleri gerektirdiğinden, araç iletişimine yönelik araştırma çalışmaları ve standardizasyon faaliyetleri sürekli artmaktadır. Bu çabaların çoğu şimdiye kadar radyo frekansı (RF) teknolojileri etrafında toplanmıştır. Bununla birlikte, V2X ağları için ayrılan sınırlı RF bantları, yoğun trafikte yüksek düzeyde parazite maruz kalabilir ve kanal tıkanıklığı, gecikmeye duyarlı güvenlik işlevleri için özellikle sorunlu olabilir. Bu tür sorunları ele almak için, RF tabanlı V2X iletişimine alternatif veya tamamlayıcı bir araç erişim çözümü olarak görünür ışık iletişimi (VLC) önerilmiştir. VLC, ışık yayan diyotun (LED) yoğunluğunu modüle etme ilkesine dayanır ve hem aydınlatma hem de iletişim amaçları için LED'in ikili kullanımını sağlar. LED tabanlı sokak lambaları, trafik ışıkları ve otomotiv dış aydınlatmasının her yerde bulunması, VLC'yi araç ağları için potansiyel bir kablosuz bağlantı çözümü olarak konumlandırıyor. Araç VLC, fiziksel katman tasarımı, üst katman ağ protokolleri ve hibrit sistemler için RF tabanlı çözümlerle entegrasyon gibi çeşitli yönlerden son zamanlarda artan bir ilgi görmüştür. Diğer iletişim sistemlerinde olduğu gibi, kanal modelleme VLC sistem tasarımı ve optimizasyonunda kritik bir rol oynar. Literatürdeki daha önceki sonuçlar, iç mekan kanal modellemesine odaklanmıştır. Bu sonuçlar, iç mekan benzerlerinden doğal olarak farklı özellikler sergiledikleri için araç VLC sistemleri için geçerli değildir. Örneğin, iç mekan LED armatürleri için kullanılan ideal Lambertian modeli, otomotiv HL, TL, trafik ışıkları ve sokak ışıklarının aydınlatma özellikleriyle uyuşmamaktadır. Ek olarak, yol yansıması, yol tipi, hava koşulları, kullanıcı/araç ekipmanı ve altyapılarının oryantasyonu, alıcı açıklığı boyutu ve güneş ışığının etkileri, araç VLC sistemlerinin bağlantı performansını güçlü bir şekilde etkileyebilir. İç mekan VLC kanal modellerine artan ilgiye rağmen, gerçekçi araç VLC kanal modellerinde eksiklik var. Bunlardan motive olarak, bu tezde, iyi kurulmuş bir kanal modelleme yaklaşımı kullanan farklı araç VLC bağlantıları için kapsamlı bir kanal modelleme çalışması sunuyoruz. Bu tezin ilk bölümünde, OpticStudio yazılımının gelişmiş sıralı olmayan ışın izleme özelliklerine dayanan böyle bir kanal modelleme yaklaşımını açıklıyoruz. Bu yaklaşım, herhangi bir gerçekçi ışık kaynağı radyasyon modelinin entegrasyonuna izin verir. Daha iyi doğruluk için çok sayıda yansımayı işleyebilir. Bu simülasyon tabanlı bir kanal modelleme metodolojisi olduğundan, gerçek bir senaryodaki ölçümlere karşı en az bir kez doğrulanmalıdır. Bu nedenle, hem Görüş Hattı (LOS) hem de Görüş Dışı (NLoS) durumları göz önünde bulundurarak kanal modelleme yaklaşımımızı doğrulamak için aynı durumlar için ölçümler ve simülasyonlar gerçekleştiriyoruz. İki araç aynı şeritte seyahat ettiğinde ve kablosuz vericiler olarak kaynak aracın HL'lerini kullanarak V2V VLC kanalını modellemek için böyle iyi kurulmuş gerçekçi bir kanal modelleme yaklaşımı benimsenmiştir. En son önerilen kanal yolu kaybı modeli, yalnızca 20 metreden daha kısa mesafeler için geçerli olan iletim mesafesinin doğrusal bir fonksiyonuydu. Bu nedenle, geniş iletim aralıkları için V2V kanal modellemesini araştırıyoruz ve negatif üstel fonksiyon şeklini alan ve geniş iletim aralıkları ve farklı hava koşulları altında simülasyon sonuçlarıyla mükemmel bir eşleşme sağlayan yeni bir yol kaybı ifadesi öneriyoruz. Bu ifade daha sonra, belirli bir bit-hata oranı (BER) değerini karşılarken, hedeflenen bir veri hızı için ulaşılabilir iletim mesafesini türetmek için kullanılır. Araç VLC'sinde hem HL'ler hem de TL'ler optik vericiler olarak kullanılabilir, ancak araç VLC'sinde bildirilen çoğu çalışma HL'lere dayalı vericilere odaklanmıştır. Bu nedenle, V2V tabanlı TL'leri dikkate alıyoruz ve farklı ticari araba modellerinin ölçülen TL radyasyon modelleri için çalışan yeni bir yol kaybı modeli türetiyoruz. Türetilmiş yol kaybı modelini kullanarak, ayrıca, hedef BER değeri altındaki maksimum iletim mesafesi için kapalı biçimli bir ifade türetiyoruz. Ayrıca, farklı V2V yoğunluk senaryoları dikkate alınarak RMS gecikme yayılımı incelenmiştir. Yukarıdaki noktalarda, hem iki araç arasındaki yanal kaymanın, aracın HL'lerinin tam geometrisinin hem de alıcı açıklığının V2V sisteminin yol kaybı modeli üzerindeki etkisi hariç tutulmuştur. Bu nedenle, bu tür eksiklikleri gidermek için, V2V VLC sistemi için bağlantı mesafesinin, iki araç arasındaki yanal kaymanın, hava tipinin, verici ışın sapma açısının ve alıcı açıklık çapının bir fonksiyonu olarak kapalı biçimli bir yol kaybı ifadesi geliştirdik. Önerilen model daha sonra sistem performansını analiz etmek için kullanılır. Birkaç araç VLC çalışması, V2V bağlantı kanallarını araştırırken, V2I/I2V kanallarına sadece birkaç çalışmada yer verildi ve çok idealist varsayımlar dikkate alındı. Bundan yola çıkarak, HL'lere/TL'lere ek olarak trafik ışıklarının ve sokak ışıklarının kablosuz vericiler olarak yerleştirildiği I2V VLC bağlantılarını düşünüyoruz. İlk olarak, ticari bir trafik ışığına dayalı olarak I2V'yi modelliyoruz ve hem uzunlamasına hem de yanal kaydırma mesafelerinin bir fonksiyonu olarak yol kaybı modelinin kapalı biçimli bir ifadesini türetiyoruz. Önerilen model daha sonra hibrit I2V-V2V sistemi için optimum güç tahsisini elde etmek için kullanılmaktadır. Daha sonra, I2V sistemini sokak ışık vericileri ile modelliyoruz ve alıcı-verici ve altyapı parametrelerinin bir fonksiyonu olarak kanal yolu kaybı için kapalı formda bir ifade elde ediyoruz. Bunlar, direk aralığını, hem aydınlatma direğinin hem de aracın yüksekliğini, araç ile direk arasındaki uzunlamasına ve yanal mesafeyi ve PD'nin açıklık boyutunu içerir. Bu alıcı-verici ve altyapı parametrelerinin sistem ortalama hata oranı performansı üzerindeki etkisi, yol kaybını artık deterministik olmaktan çıkaran araç iletişiminin hareketliliği de dikkate alınarak araştırılmıştır. Aracın HL'lerini verici olarak dağıtan bir altyapı direği ile iletişim kurduğu ters kanal bağlantısını, yani V2I sistemini ve hareket etmesi için trafik direği içinde, sarı, kırmızı ve yeşil LED armatürlerinin bitişiğinde bulunan üç PD'yi modelliyoruz. Kablosuz alıcılar olarak Işın izlemeden elde edilen CIR'lere dayanarak, yayılma ortamının etkisi ve LED'in doğrusal olmayan özellikleri dikkate alınarak ulaşılabilir kapasite için bir ifade sunuyoruz. Çoğu V2V ve I2V VLC çalışmasında, en yaygın temel varsayım bir veya iki PD kullanmaktır. Bu, aynı düz şeritte seyreden iki araç arasında veya araçlar ile altyapı arasında net LOS ile bağlantı kurmak için yeterli olabilir. VLC'yi araç bağlantısı için güçlü bir aday olarak konumlandırmak için, V2V ve I2V bağlantılarını destekleyen çeşitli dağıtım senaryolarında çok yönlü alımı gerçekleştirmek esastır. Bunu başarmak için yeterli sayıda gerekli PD'nin ne olduğu açık bir soru olarak kalmaktadır. Bu tür pratik uygunluk sorusunu ele almak için, farklı yol tiplerinde (yani, çok şeritli, kavisli yollar), kavşaklarda (yani, T-şekilli, Y-şekilli kavşaklar) araç VLC sistemleri için çok yönlü kapsamın kanal modellemesini araştırıyoruz. , ve trafik senaryoları (yani, aynı veya farklı şeritlerde seyir, şerit değişikliği vb.). V2V bağlantısı (ön ve arka yönlerde) ve I2V bağlantısı (trafik ve sokak lambaları ile) dahil olmak üzere çeşitli durumlarda sinyal alma kapasitesini ölçmek için bir kanal modelleme çalışması yürütüyoruz. Her bir PD'nin kullanım durumlarını detaylandırmak için bireysel PD'lerin katkısını daha da nicelleştiriyoruz. Bu tezin son bölümünde, kamu güvenliği sistemleri için dış mekan yayınını mümkün kılmak için bir kablosuz bağlantı çözümü olarak keşfederek araç VLC'sinin pratik bir uygulamasını ele alıyoruz. Dış ortam ve aydınlatma altyapısının dayattığı temel farklılıkları dikkate alarak her yerde bulunan sokak ışıklarını kablosuz vericiler olarak kullanıyoruz. Bunlar, sokak lambalarının asimetrik düzeninin etkisini, kullanıcı ekipmanının yönünü, hava durumunu ve güneş ışınımını içerir. İki yayın senaryosu ele alıyoruz; Karayolunda VLC yayını ve kaldırım yolunda VLC yayını ve hareketlilik koşulu altındaki tüm bağlantılar için alınan SNR'yi alın.