Lighting design considerations and channel modeling for visible light communications

Abstract

There has been an extensive work on visible light communication (VLC) mainly due to scarcity in radio frequency (RF) spectrum and urgent need for a new wireless communication system in the near future. VLC considers the dual use of LED luminaires as the light sources for illumination as well as signal sources for wireless communication applications. However, to the best of our knowledge, the existing works mainly overlook lighting design considerations which might have significant effects on the performance of VLC systems. In addition, there is a lack of proper VLC channel models which take into account wiring and cabling topologies. In the first part of this thesis, we discuss some main indoor lighting design considerations and their implications for VLC applications. In particular, we consider some practical cabling topologies of LED luminaires and wiring topologies of LED chips within the luminaires. Based on non-sequential ray tracing, we obtain channel impulse responses (CIRs) and quantify the impact of cabling and wiring delays. In the second part of thesis, we consider outdoor applications of VLC. We first discuss outdoor lighting design considerations and their possible implications on VLC system design. Based on ray-tracing approach, we obtain CIRs for an infrastructure-to-pedestrian (I2P) outdoor VLC scenario. Using these CIRs, we calculate channel DC gain, path loss, root mean square (RMS) delay spread and mean excess delay values.Radyo frekansı (RF) spektrumundaki kıtlık ve yakın gelecekte yeni bir kablosuz haberleşme sistemine acil ihtiyaç nedeniyle görünür ışık haberleşmesi (visible light communication – VLC) üzerine kapsamlı bir çalışma yapılmıştır. VLC, LED aydınlatma armatürlerinin hem aydınlatma için ışık kaynağı hem de kablosuz haberleşme uygulamaları için sinyal kaynağı olarak kullanımını ele alır. Bununla birlikte, bildiğimiz kadarıyla, mevcut işler çoğunlukla VLC sistemlerinin performansı üzerinde önemli etkileri olabilecek aydınlatma tasarımına dikkat etmemektedir. Ek olarak, hem LED armatürlerinin hem de armatürlerdeki LED’lerin kablolama topolojilerini dikkate alan uygun VLC kanal modelleri eksikliği vardır. Bu tezin ilk bölümünde bazı ana iç mekan aydınlatma tasarımı hususlarını ve bunların VLC uygulamaları üzerindeki etkilerini tartışıyoruz. Özellikle, LED armatürlerde bazı pratik kablolama topolojilerini ve armatürlerdeki LED yongalarının kablolama topolojilerini dikkate alıyoruz. Sıralı olmayan ışın izlemeye dayanarak, kanal dürtü yanıtlarını (channel impulse responses – CIR'lar) elde edip LED ve armatür kablolama gecikmelerinin etkisini ölçüyoruz. Tezin ikinci bölümünde, VLC'nin dış mekan uygulamalarını ele alıyoruz. Öncelikle dış mekan aydınlatma tasarımını ve bunların VLC sistem tasarımı üzerindeki olası sonuçlarını tartışıyoruz. Işın izleme yaklaşımına dayanarak, altyapıdan yayaya (infrustructure-to-pedestrian – I2P) dış mekan VLC senaryosu için CIR'ları elde ediyoruz. Bu CIR'ları kullanarak, kanal DC kazancı, yol kaybı, kök ortalama kare (RMS) gecikme yayılımını ve ortalama aşırı gecikme değerlerini hesaplıyoruz.