Performance characterization of vehicular visible light communications

Abstract

In Intelligent Transportation Systems (ITSs), visible light communication (VLC) has emerged as a powerful candidate to enable wireless connectivity in vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) links. VLC has been proposed as an alternative or complementary technology to radio frequency vehicular communications. While VLC has been studied intensively in the context of indoor communications, its application to vehicular networking is relatively new. Light emitting diodes (LEDs) are increasingly used in automotive exterior lighting. The expected wide availability of LED-based front and back lights makes VLC a natural vehicular connectivity solution. A major challenge in vehicular VLC systems is their relatively poor performance in adverse weather conditions such as severe fog. In this thesis, we evaluate the performance limits of vehicular VLC systems. In the first part of this thesis, we determine the maximum achievable distance to ensure a given bit error rate (BER) assuming positive-intrinsic-negative (PIN) diode as a receiver. We further investigate the deployment of relay-assisted systems to extend transmission ranges. In the second part of this thesis, we propose the use of single-photon avalanche diode (SPAD) for vehicular VLC systems. With their higher sensitivity in comparison to conventional photodetectors, SPADs can be efficiently used to detect weak signals. Under the assumption of on-off keying (OOK), we present the error rate performance of vehicular VLC systems. Since the SPAD output is modelled by Poisson statistics, BER takes the form of a semi-infinite summation. Based on Anscombe transformation, we approximate Poisson noise as Gaussian and derive a closed-form BER expression. Using this expression, we obtain a closed-form expression for maximum achievable link distance to ensure a targeted BER. We further investigate the deployment of relay-assisted systems to extend transmission ranges. In the third part of this thesis, we propose the use of SPAD array receiver for vehicular VLC systems. We obtain the closed-form expression for maximum achievable distance to ensure targeted BER. We present an extensive numerical study to validate our derivations and demonstrate the performance of vehicular VLC systems under different weather conditions.

Akıllı Ulaşım Sistemlerinde (Intelligent Transportation Systems-ITS), görünür ışık haberleşmesi (visible light communication-VLC), araçtan araca (vehicle-to-vehicle—V2V) ve araçtan altyapıya (vehicle-to-infrastructure—V2I) bağlantılarda kablosuz bağlantı sağlamak için güçlü bir aday olarak ortaya çıkmıştır. VLC, radyo frekansı araç iletişimine alternatif veya tamamlayıcı bir teknoloji olarak önerilmiştir. VLC, iç iletişim bağlamında yoğun bir şekilde çalışılsa da, araç ağlarına uygulanması nispeten yenidir. Işık yayan diyotlar (Light emitting diodes-LEDs), otomobil dış aydınlatmasında giderek daha fazla kullanılmaktadır. LED tabanlı ön ve arka ışıklardan beklenen geniş kullanılabilirlik, VLC doğal bir araç bağlantı çözümü yapar. Araç VLC sistemlerindeki en büyük zorluk, şiddetli sis gibi olumsuz hava koşullarında nispeten düşük performans göstermeleridir. Bu tezde araç VLC sistemlerinin performans sınırlarını değerlendirdik. Bu tezin ilk kısmında, alıcı olarak PIN diyotu varsayarak verilen bit hata oranını (bit error rate-BER) sağlamak için ulaşılabilecek maksimum mesafeyi belirliyoruz. İletim aralıklarını genişletmek için röle destekli sistemlerin dağıtımını daha da araştırıyoruz. Bu tezin ikinci kısmında, araç VLC sistemleri için tek foton çığ diyotu (single-photon avalanche diode-SPAD) kullanılmasını öneriyoruz. Geleneksel fotodedektörlere kıyasla daha yüksek hassasiyetleri ile SPAD'ler zayıf sinyalleri tespit etmek için verimli bir şekilde kullanılabilir. Açma-kapama anahtarlama varsayımı altında, araç VLC sistemlerinin hata oranı performansını sunuyoruz. SPAD çıktısı Poisson istatistiklerine göre modellendiğinden, BER yarı sonsuz bir toplamı oluşturur. Anscombe dönüşümüne dayanarak, Poisson gürültüsünü Gauss kadar yaklaştırarak kapalı bir BER ifadesi elde ediyoruz. Bu ifadeyi kullanarak, hedeflenen bir BER'i sağlamak için ulaşılabilir maksimum bağlantı mesafesi için kapalı formlu bir ifade elde ediyoruz. İletim aralıklarını genişletmek için röle destekli sistemlerin dağıtımını daha da araştırıyoruz. Bu tezin üçüncü kısmında, araç VLC sistemleri için SPAD dizi alıcının kullanılmasını öneriyoruz. Hedeflenmiş BER'i sağlamak için kapalı form ifadesini ulaşılabilecek maksimum mesafe için elde ederiz. Türevlerimizi doğrulamak ve farklı hava koşullarında araç VLC sisteminin performansını göstermek için kapsamlı bir sayısal çalışma sunuyoruz.