Visible light communications with advanced physical layer features and integration with existing wireless communication technologies

Abstract

Optical wireless communication systems that operate in the visible light frequency band (390-700 nm) are called as visible light communication (VLC). VLC systems are based on the principle of modulating light emitting diodes (LEDs) at very high speeds without any adverse effects on the human eye and illumination levels. LEDs, utilized as VLC access points (APs), are increasingly used both indoors (e.g., home and office lighting, etc.) and outdoors (e.g., street lights, traffic lights, vehicle front/rear lights, etc.). The dual use of LEDs for both lighting and communications purposes is a revolutionary solution and has the potential to open a new era in wireless communications. In this context, VLC has attracted industrial attention and related international standardization works have already begun. In this dissertation, high-speed VLC systems with high link reliability are developed. Under the consideration of dual functionality to support both illumination and communication, advanced physical layer (PHY) techniques including adaptive transmission, orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), multiple-input multiple-output (MIMO), and massive MIMO with beamforming are explored in order to meet the targeted high data speeds and link reliability. To utilize the multiple LEDs available within an indoor room environment for MIMO transmissions, a coordinated and joint signal processing mechanism has to be deployed. For this purpose, a centralized platform where baseband units (BBUs) are separated from the VLC APs and shifted to a centralized unit (CU) in which all signal processing units work is first proposed. Then, two different advanced PHY techniques are designed and run over the proposed platform. Firstly, adaptive bit and power loading for OFDM based VLC system with MIMO mode switching between repetition coding and spatial multiplexing is designed. The adaptive algorithm design as an optimization problem where the aim is to maximize data rate through the proper selection of modulation order, power level, and MIMO mode, while satisfying a targeted bit error rate, is formulated and resolved. As a second advanced PHY technique, massive MIMO transmission is explored. In order to obtain the full benefits of massive MIMO, channel state information must be available in transmitter side. Estimation of downlink (DL) channel through DL pilot signals leads huge pilot overhead in both DL and uplink (UL) and makes the implementation of massive MIMO system infeasible if not properly designed. Therefore, the analysis is done under the consideration of limited number of DL pilot signals. Different pilot arrangements (PAs) in spatial, frequency, and time domains where interpolation is performed to obtain global channel matrix taking advantage of the indoor environment geometry and layout of luminaries are proposed. An adaptive selection of PAs to balance DL and UL data rates regarding to varying network conditions is further designed. Centralized platform benefits to integrate VLC with existing wireless communication technologies (such as millimeter wave (MMW) transmission) in a heterogeneous network architecture as well. In the centralized platform, similar to VLC network, BBU is separated from MMW AP and located inside the same CU. Through the benefiting from global view of overall network architecture, an adaptive vertical (between MMW and VLC APs) and horizontal (between VLC APs) handover protocol is further designed to increase the overall network performance. The protocol includes technology specific offset parameters whose values are adjusted on-the fly based on already available network performance metrics (e.g., data rates, number of connected user equipment).

Görünür ışık frekans bandında (390-700 nm) çalışan optik kablosuz iletişim sistemleri, görünür ışıkla haberleşme (visible light communication, VLC) olarak adlandırılır. VLC sistemleri, insan gözü ve aydınlatma seviyeleri üzerinde herhangi bir olumsuz etki yaratmadan, ışık yayan diyotların (light emitting diode, LED) çok yüksek hızlarda modüle edilmesi prensibine dayanmaktadır. VLC erişim noktası (access point, AP) olarak kullanılan LEDlerin hem iç mekanlarda (örn. ev ve ofis aydınlatması vb.) hem de dış mekanlarda (örn. sokak lambaları, trafik ışıkları, aracın ön/arka ışıkları vb.) kullanımı giderek artmaktadır. LEDlerin hem aydınlatma hem de haberleşme amaçları için ikili kullanımı, devrim niteliğinde bir çözümdür ve kablosuz iletişimde yeni bir dönem açma potansiyeline sahiptir. Bu bağlamda, VLC endüstriyel ilgiyi çekmiş ve ilgili uluslararası standardizasyon çalışmaları çoktan başlamıştır. Bu tezde, yüksek bağlantı güvenilirliğine sahip, yüksek veri hızlı VLC sistemleri geliştirilmiştir. Hem aydınlatmayı hem de iletişimi destekleyen ikili işlevsellik göz önünde bulundurularak, hedeflenen yüksek veri hızlarını ve bağlantı güvenilirliğini karşılamak için; adaptif iletim, dikey frekans bölmeli çoklama (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM), çok girişli çok çıkışlı (multiple-input multiple-output, MIMO) ve hüzmeleme (beamforming) ile yoğun (massive) MIMO iletim dahil olmak üzere gelişmiş fiziksel katman teknikleri araştırılmıştır. MIMO iletim amacıyla birden fazla sayıda LEDleri kullanmak için, koordineli ve ortak bir sinyal işleme mekanizması kurulmalıdır. Bu amaçla ilk olarak, merkezi (centralized) bir platform önerilmiştir. Bu platformda, temel bant birimleri (baseband unit, BBU) LEDlerden ayrılıp; tüm sinyal işleme birimlerinin birlikte çalıştığı, merkezi birime (centralized unit, CU) kaydırılmıştır. Ardından, iki farklı gelişmiş PHY tekniği tasarlanmış ve önerilen platform üzerinde çalıştırılmıştır. İlk olarak, bit ve güç yükleme (bit and power loading) özelliğine sahip, tekrarlı kodlama (repetition coding) ve uzamsal çoklama (spatial multiplexing) arasında MIMO mod geçişi yapabilen OFDM tabanlı VLC sistemi tasarlanmıştır. Hedeflenen bit hata oranını karşılarken, veri hızını en üst düzeye çıkarmayı amaçlayan adaptif algoritma; modülasyon tipine, güç seviyesine ve MIMO moduna bağlı olan bir optimizasyon problemi olarak formüle edilmiş ve çözülmüştür. İkinci ileri PHY tekniği olarak, yoğun MIMO iletimi araştırılmıştır. Yoğun MIMOnun tüm avantajlardan yararlanmak için; kanal durumu bilgisi, verici tarafında mevcut olmalıdır. Aşağı (downlink, DL) kanal referans sinyalleri yoluyla DL kanalın tahmini, hem DL hem de yukarı (uplink, UL) kanalda büyük bir sinyalleşme yüküne neden olur ve düzgün tasarlanmadığı takdirde yoğun MIMO sisteminin uygulanmasını mümkün kılmaz. Bundan dolayı analiz, sınırlı sayıda referans sinyalini dikkate alarak yapılmıştır. Küresel kanal matrisini elde etmek için, iç ortam geometrisinden ve LEDlerin düzeninden yararlanarak enterpolasyonun yapıldığı, uzamsal, frekans ve zaman alanlarında farklı referans sinyal düzenlemeleri önerilmiştir. Bunların değişen ağ koşullarına göre adaptif bir seçimi, DL ve UL veri hızları arasında denge sağlamak amacıyla, ayrıca tasarlanmıştır. Merkezi platform, heterojen ağlarda VLCyi var olan kablosuz haberleşme teknolojilerle (örn. milimetre dalga (milimeter wave, MMW) iletimi) entegre etme sürecine de birçok fayda sağlar. Merkezi platform yapısında, VLC ağında olduğu gibi; BBU, MMW APden ayırılıp ve aynı CU içine yerleştirilir. Bu sayede, tüm network farkında ağ mimarisinden yararlanarak, adaptif dikey (MMW ve VLC APler arasında) ve yatay (VLC APler arasında) geçiş (handover) mekanizması, ağ performansını artırmak için tasarlanmıştır. Geçiş mekanizmaları teknolojiye özgü ofset parametreleri içerir ve bu parametreler, CUda halihazırda bulunan ölçülere göre (örn. veri hızları, bağlı kullanıcı ekipmanı sayısı) anında ayarlanmıştır.