Mobility management and resource allocation strategies for visible light communication networks

Abstract

There has been a growing interest in Visible Light Communications (VLC) in recent years. The existing works in the literature on point-to-point VLC systems are well established, and especially the studies on physical layer aspects demonstrate the po tential of VLC. However, to transform VLC into a multi-user, multi-cell, scalable, and fully networked wireless technology, significant further efforts for upper layer issues are needed. This dissertation focuses on mobility management and resource allocation techniques for indoor and vehicular VLC systems. In the first part of this thesis, we consider a centralized Direct Current biased Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (DCO-OFDM) based VLC network and formulate a subcarrier resource allocation problem to maximize the user satisfaction index. We have used the Particle Swarm Optimization (PSO) method for the solution to the resulting problem. The superiority of the proposed algorithm is demonstrated through an extensive simula tion study. In the second part of the thesis, we propose an energy-efficient dynamic resource management framework for indoor OFDM-based VLC networks. Specifi cally, we formulate and investigate a stochastic cross-layer optimization problem to optimize the network resources under the constraints of queue stability and power to maximize the average system throughput. In the last part of the thesis, we pro pose handover algorithms for indoor and outdoor VLC networks. First, we propose a handover algorithm for indoor VLC networks with Coordinated Multipoint (CoMP) transmission and evaluate its performance in physical channel settings based on ray tracing. Then, we present a novel dynamic handover algorithm for outdoor vehicular VLC networks. The proposed algorithm dynamically revises the handover parameters by considering the vehicle speed without requiring additional feedback information.

G¨or¨un¨ur ı¸sık haberle¸smesi (VLC) sistemlerine son yıllarda giderek artan bir ilgi mev cuttur. Literat¨urdeki noktadan noktaya VLC sistemlerini inceleyen ¸calı¸smalar yeterli olgunluk seviyesindedir ve ¨ozellikle fiziksel katman ile ilgili ¸calı¸smalar VLC’nin potan siyelini ortaya koymaktadır. Fakat, VLC sistemlerini ¸cok kullanıcılı, ¸cok h¨ucreli ve a˘g tabanlı bir kablosuz a˘g teknolojisine d¨on¨u¸st¨urmek i¸cin ¨ust katman konularını inceleyen ¨onemli yeni ¸calı¸smalara ihtiya¸c vardır. Bu tez i¸c mekan ve ta¸sıtlara ili¸skin VLC sistem lerinde kaynak ataması ve hareketlilik y¨onetimi tekniklerine odaklanır. Bu tezin ilk kısmında, do˘gru akım e¸sikli optik ortogonal frekans b¨olmeli ¸co˘gullama (DCO-OFDM) tekni˘gine dayalı merkezi bir VLC a˘gı i¸cin kullanıcı memnuniyet indeksini maksimize eden bir alt ta¸sıyıcı atama problemi form¨ule edilmi¸stir. Bu problemin ¸c¨oz¨um¨u i¸cin biyolojiden ilham alan par¸cacık s¨ur¨u optimizasyonu (PSO) kullanılmı¸stır. Onerilen ¨ algoritmanın ¨ust¨unl¨u˘g¨u kapsamlı bir sim¨ulasyon ¸calı¸smasıyla g¨osterilmi¸stir. Tezin ikinci kısmında, OFDM temelli i¸c mekan VLC a˘gları i¸cin enerji tasarruflu dinamik kaynak y¨onetimi yapısı ¨onerilmi¸stir. Spesifik olarak, kuyruk kararlılı˘gı ve g¨u¸c kısıtları altında ortalama sistem ¸cıktısını maksimize etmek i¸cin a˘g kaynaklarının kullanımını en iyileyen stokastik katmanlar arası optimizasyon problemi form¨ule edilmi¸s ve ince lenmi¸stir. Tezin son kısmında, i¸c ve dı¸s mekan VLC a˘gları i¸cin el de˘gi¸stirme y¨ontemleri ¨onerilmi¸stir. ˙Ilk olarak, i¸c mekan VLC a˘gları i¸cin koordineli ¸cok-noktalı (CoMP) ile timli bir el de˘gi¸stirme algoritması ¨onerilmi¸s ve ¨onerilen algoritmanın performansı ı¸sın takibine dayalı fiziksel kanal kullanılarak de˘gerlendirilmi¸stir. Sonrasında, ta¸sıtlara ili¸skin VLC a˘gları i¸cin hıza duyarlı dinamik bir el de˘gi¸stirme y¨ontemi g¨osterilmi¸stir. Onerilen algoritma, ek geri bildirim bilgisi gerektirmeden ara¸c hızını dikkate alarak ¨ el de˘gi¸stirme parametrelerini dinamik olarak revize eder.