Adaptive multiple-input multiple-output (MIMO) techniques for visible light communications

Abstract

Visible Light Communication (VLC) technology is a promising solution of wireless communication systems in beyond 5G communication networks, which provides low implementation cost, high energy efficiency, and high-speed data transmission. The VLC systems can be considered as a complementary or alternative for the existing Radio Frequency (RF) based wireless communication systems to satisfy the demands of increasing high capacity. In the VLC systems, Light-Emitting Diodes (LEDs) are used as transmitters, and Photodetectors (PDs) are used as receivers. Multiple LEDs are installed to offer sufficient illumination for indoor environments. This feature can be utilized to implement Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communications systems in order to achieve high data rates by improving spectral efficiency. However, LEDs can only convey unipolar signals. Furthermore, the nature of the VLC channel is frequency-selective, which causes significant degradation in the performance of the VLC system due to critical Inter-Symbol Interference (ISI). Several schemes based on pulse modulation and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) have been proposed to overcome the ISI of the VLC system. A new Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (O-OFDM), referred to as a Unipolar Orthogonal Frequency Division Multiplexing (U-OFDM), appears as an attractive solution for emerging VLC systems. In the future of 5G and beyond 5G communication networks, the spectral efficiency needs further improvement through MIMO with adaptive transmission technique. Motivated by these, we focus on improving the spectral efficiency and Bit Error Rate (BER) performance for the MIMO VLC systems in both the single-carrier and multi-carrier. Firstly, we propose a novel Adaptive Spatial Modulation (ASM) scheme, referred to as Flexible Generalized Spatial Modulation (FGSM), for single-carrier MIMO VLC systems to achieve better average Symbol Error Rate (SER) and higher spectral efficiency with a fixed overall number of LEDs compared to existing ASM and Generalized Spatial Modulation (GSM) schemes. The proposed system varies the modulation sizes over the available LEDs as well as the number of active LEDs. The selection of the modulation sizes is based on an optimization problem for the average SER under a predefined value of the spectral efficiency. We derive a closed-form expression of approximate average SER for the proposed system and evaluate its decoding complexity. We show that the FGSM scheme can be a potential candidate for future MIMO-VLC systems. Secondly, we firstly propose adaptive transmission technique for the MIMO VLC system in conjunction with U-OFDM to exploit the U-OFDM benefits. The proposed adaptive MIMO U-OFDM VLC system is implemented to support three different MIMO modes that enable a set of different modulation sizes. The considered MIMO modes are Repetition Coding (RC), Spatial Multiplexing (SMUX) and Spatial Modulation (SM). In the RC, the same signal is transmitted simultaneously from all LEDs, while independent signals are transmitted simultaneously from all LEDs in the SMUX. In the SM technique, a single LED is activated and the index of the activated LED carries information in addition to modulated signals. Depending on the received Signal-to-Noise Ratio (SNR) and target BER, the proposed adaptive transmission system switches between the available MIMO modes and adjusts its modulation size to achieve higher spectral efficiency. The proposed U-OFDM system is applied over different VLC MIMO setups with realistic channel models for 8×8, 4×4 and 2×2 MIMO systems. Recently, Generalized LED Index Modulation (GLIM) appears as an attractive MIMO OFDM scheme for emerging VLC systems. Therefore, in the last part of this thesis, we propose a Magnitude and Wrap-Phase OFDM (MW-OFDM) scheme for the MIMO VLC systems. The proposed MW-OFDM scheme relies on the conversion of complex signals into polar form with the magnitudes and wrap-phases to decrease the restriction on the number of LEDs compared to the conventional GLIM-OFDM. Moreover, the Maximum Likelihood (ML) estimator for the proposed scheme is derived. The proposed MW-OFDM scheme improves the average bit error rate and provides a significant reduction in the decoding complexity, compared to the conventional GLIM-OFDM. Moreover, a half number of LEDs are required for the proposed scheme to deliver the same spectral efficiency in a comparison with the conventional GLIM-OFDM.Görünür Işık Haberleşme (VLC) teknolojisi; 5G'nin ötesindeki ağlarda kablosuz iletişim sistemlerinin umut verici bir çözümüdür. Düşük uygulama maliyeti, yüksek enerji verimliliği ve yüksek hızla veri iletimi sağlar. VLC sistemleri, yüksek kapasitenin artırılması taleplerini karşılamak için mevcut Radyo Frekansı (RF) tabanlı kablosuz iletişim sistemleri için tamamlayıcı veya alternatif olarak düşünülebilir. VLC sistemlerinde, ışık yayan Diyotlar (LED'ler) geri-verici olarak ve Fotodetektörler (PD'ler) alıcı olarak kullanılır. İç mekan ortamları için yeterli aydınlatma sağlamak üzere birden fazla LED monte edilmiştir. Bu özellik, spektral verimliliği artırarak yüksek veri hızlarına ulaşmak için Çok Girişli Çok Çıkışlı (MIMO) iletişim sistemlerini uygulamak için kullanılabilir. Ancak, LED'ler yalnızca tek kutuplu sinyalleri iletebilir. Ayrıca, VLC kanalının doğası frekans seçicidir, bu da kritik Semboller Arası Girişim (ISI) nedeniyle VLC sisteminin performansında önemli ölçüde bozulmaya neden olur. VLC sisteminin ISI'sinin üstesinden gelmek için darbe modülasyonu ve Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullamaya (OFDM) dayanan birkaç şema önerilmiştir. Yeni Optik Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullama (O-OFDM), Tek Kutuplu Ortogonal Frekans Bölmeli Çoğullama (U-OFDM) olarak adlandırılan, ortaya çıkan VLC sistemleri için çekici bir çözüm olarak görülmektedir. 5G'nin geleceğinde ve 5G iletişim ağlarının ötesinde, spektral verimliliğin adaptif iletim tekniği ile MIMO aracılığıyla daha da geliştirilmesi gerekmektedir. Bunları motive ederek, öncelikle MIMO VLC sistemlerinin daha iyi ortalama Symbol Error rate (SER) ve daha yüksek spektral verimlilik elde etmek için sabit bir toplam sayıda Mevcut ASM ve Generalized Spatial Modulation (GSM) şemalarıyla karşılaştırıldığında LED'ler. Önerilen sistem, mevcut LED'lerin yanı sıra aktif LED'lerin sayısına göre modül-asyon boyutlarını değiştirir. Modülasyon boyutlarının seçimi, spektral verimliliğin önceden tanı-mlanmış bir değeri altında ortalama SER için bir optimizasyon problemine dayanmaktadır. Önerilen sistem için yaklaşık ortalama SER'nin kapalı formda bir ifadesini türetiriz ve kod çözme karmaşıklığını değerlendiririz. FGSM şemasının gelecekteki MIMO-VLC sistemleri için potansiyel bir aday olabileceğini gösteriyoruz. İkinci olarak, U-OFDM avantajlarından yararlanmak için MIMO VLC sistemi için U-OFDM ile birlikte uyarlamalı iletim tekniği öneriyoruz. Önerilen uyarlanabilir MIMO U-OFDM VLC sistemi, bir dizi farklı modülasyon boyutu sağlayan üç farklı MIMO modunu desteklemek için uygulanır. Dikkate alınan MIMO modları Tekrar Kodlama (RC), Mekansal Çoklama (SMUX) ve Mekansal Modülasyon (SM) 'dir. RC'de, aynı sinyal tüm LED'lerden eşzamanlı olarak iletilirken, bağımsız sinyaller SMUX'daki tüm LED'lerden aynı anda iletilir. SM tekniğinde, tek bir LED etkinleştirilir ve etkinleştir-ilen LED'in dizini modüle edilmiş sinyallerin yanı sıra bilgi taşır. Alınan Sinyal-Gürültü Oranına (SNR) ve hedef Bit Hata Oranına (BER) bağlı olarak, önerilen uyarlamalı iletim sistemi mevcut MIMO modları arasında geçiş yapar ve daha yüksek spektral verimlilik elde etmek için modülasyon boyutunu ayarlar. Önerilen U-OFDM sistemi, 8x8, 4x4 ve 2x2 MIMO sistemleri için gerçekçi kanal modellerine sahip farklı VLC MIMO kurulumlarına uygulanır. Son zamanlarda, Generalized LED Index Modulation (GLIM), ortaya çıkan VLC sistemleri için çekici bir MIMO OFDM şeması olarak ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle, bu tezin son bölümünde, MIMO VLC sistemleri için bir Magnitude and Wrap-Phase OFDM (MW-OFDM) şeması öneriyoruz. Önerilen MW-OFDM sistemi, geleneksel GLIM-OFDM'e kıyasla LED sayısındaki kısıtlamayı azaltmak için karmaşık sinyalin büyüklüğe ve sargı fazına dönüştürülmsini kullanır. Ayrıca, önerilen şema için bir ML Tahmincisi (MLE) türetilir. Geleneksel GLIM ile karşılaştırıldığında, önerilen MW-OFDM aynı spektral verimliliği sağlamak ve aynı zamanda ortalama BER'i geliştirmek için yarım sayıda LED gerektirir. Ayrıca, önerilen MW-OFDM'in kod çözme karmaşıklığı geleneksel GLIM-OFDM ile kıyaslandığında önemli ölçüde azalır.