Channel modeling and characterization for visible light communications: indoor, vehicular and underwater channels

Abstract

Despite the increasing attention on visible light communications (VLC) systems, there is a lack of proper visible light (VL) channel models. This is a serious concern since channel modeling is the very first step for efficient, reliable, and robust VLC system design. This dissertation focuses on channel modeling and characterization study for indoor, vehicular and underwater VLC. Our study is based on Zemax®; a commercial optical and illumination design software. Although the main purpose of such software is optical system design, we take advantage of the ray tracing features of this software which allows an accurate description of the interaction of rays emitted from the lighting source within a specified confined space. The simulation environment is created in Zemax® and enables us to specify the geometry of the environment, the objects within as well as the specifications of the sources (i.e., LEDs) and receivers (i.e., photodiodes). For a given number of rays and the number of reflections, the non-sequential ray tracing tool calculates the detected power and path lengths from source to detector for each ray. These are then imported to Matlab® and processed to yield the channel impulse response (CIR). In contrary to existing works which are mainly limited to ideal Lambertian sources and purely diffuse reflections, our approach is capable to obtain CIRs for any non-ideal sources as well as specular and mixed specular-diffuse reflections. Furthermore, we can precisely reflect the presence of objects and wavelength-dependent reflection characteristics of surface materials in channel study. In the first part of this thesis, we propose a realistic indoor channel modeling approach and carry out a detailed channel characterization study. We also investigate the effect of user mobility and receiver orientation on CIRs. In the second part of this thesis, we present VLC channel models for vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) taking into account the asymmetrical pattern of headlamp and street lights, reflections from road surfaces and weather conditions. We further develop a closed-form path loss expression for V2V VLC channel for different weather conditions. In the last part of this thesis, we carry out a detailed underwater optical channel modeling and characterization study taking into account the reflection characteristics of the sea surface and sea bottom as well as the water characteristics, i.e., extinction coefficient, and scattering phase function of particles. We develop a closed-form path loss expression as an explicit function of water type, beam divergence angle and receiver aperture diameter and validate the accuracy of the proposed expression through Monte Carlo simulation results.

Görünür ışık haberleşmesi (visible light communication-VLC) sistemlerine olan artan ilgiye ragmen, uygun görününür ışık (visible light-VL) kanal modelleri eksikliği mevcuttur. Verimli, güvenilir ve dirençli VLC sistem tasarımı için ilk adım kanal modelleme olduğundan, bu eksiklik ciddi bir sorundur. Bu tezin odağı, içmekan, taşıtlara ilişkin, ve sualtı VLC için kanal modelleme ve nitelendirme çalışmalarıdır. Çalışmamız, ticari bir optik ve aydınlatma tasarımı yazılımı olan Zemax® tabanlıdır. Bu yazılımın ana amacı optik sistem tasarımı olmasına ragmen, biz bu yazılımın, belirli bir kapalı alanda, bir aydınlatma kaynağından yayılmış olan ışınların etkileşimlerini hassas bir şekilde tarif eden, ışın takibi özelliklerinden faydalanıyoruz. Zemax®’te oluşturulan simülasyon ortamı, ortamın geometrisini, ortamda bulunan nesneleri, ve ayrıca kaynakların (yani LEDler) ve alıcıların (yani fotodiyotlar) teknik özelliklerini nitelendirmemize imkan tanımaktadır. Belirli bir sayıda ışın ve yansıma sayısı için, ardışık olmayan ışın takibi aracı, her ışın için saptanan gücü ve kaynaktan detektöre olan yol uzunluğunu hesaplar. Bu veriler daha sonra Matlab®’e aktarılır ve kanal dürtü yanıtlarını (channel impulse response-CIR) elde etmek üzere işlenir. Genel olarak ideal Lambertian kaynaklar ve sadece dağınık yansımalar ile sınırlı olan mevcut çalışmaların aksine, bizim yaklaşımımız, herhangi bir ideal olmayan kaynak, ve ayrıca dik açılı ve dik açılı-dağınık karışık yansımalar için de kanal dürtü yanıtlarını elde edebilmektedir. Dahası, ortamda nesnelerin mevcudiyetini ve dalgaboyuna bağımlı yansıma karakteristiklerini de kanal çalışmasına yansıtabilmekteyiz. Bu tezin ilk kısmında, gerçekçi bir içmekan kanal modelleme yaklaşımı sunuyor ve detaylı bir kanal niteleme çalışması yürütüyoruz. Aynı zamanda kullanıcı hareketliliği ve alıcının baktığı yönün CIRlar üzerindeki etkisini de araştırıyoruz. Tezin ikinci kısımda, farların ve sokak lambalarının asimetrik modellerini, yol yüzeyinden yansımaları ve hava koşullarını da dikkate alarak araçtan araca (vehicle-to-vehicle–V2V) ve araçtan altyapıya (vehicle-to-infrastructure–V2I) VLC kanal modellerini sunuyoruz. Ayrıca, farklı hava koşullarında V2V VLC kanalı için kapalı yapıda bir yol kaybı ifadesi ortaya koyuyoruz. Bu tezin son kısmında, deniz yüzeyinin ve tabanının yansıtma karakteristiklerini, ve ayrıca suyun karakteristiklerini (yani, sönüm katsayısı, ve parçacıkların saçılım faz fonksiyonu) de hesaba katarak, detaylı bir sualtı optik kanal modelleme ve nitelendirme çalışması yürütüyoruz. Yol kaybının, su tipine, ışın demeti sapma açısına, ve alıcı açıklığı çapına bağlı bir fonksiyon olan kapalı yapıda bir ifadesini geliştiriyor ve ortaya konan bu ifadenin doğrulunu Monte Carlo simülasyon sonuçları ile onaylıyoruz.