Hybrid Visible Light Communication Indoor Networks

Abstract

[ES] Esta tesis propone nuevos sistemas híbridos de comunicación de luz visible (VLC) en interiores para diversas aplicaciones que abordan los retos de las redes de comunicaciones inalámbricas de próxima generación. Se desarrollan y demuestran experimentalmente nuevas arquitecturas de enlaces híbridos de fibra óptica de polímero (POF) y VLC con interfaces inalámbricas pasivas que muestran ventajas significativas relacionadas con la ausencia de necesidad de conversiones optoelectrónicas adicionales. Se demuestra un enlace híbrido fibra/inalámbrico basado en un único LED central para interiores que utiliza señales de datos con diferentes anchos de banda y formatos de modulación (QPSK, 16-QAM y 64-QAM) sobre 1.5 m de cable de POF y hasta 2.8 m de enlace inalámbrico, alcanzando velocidades de hasta 294 Mbps con 64-QAM. Además, se emplean diodos láser (LD) en una configuración similar a la anterior, pero en enlaces punto a punto que permiten la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para transmitir señales QPSK y M-QAM en un escenario de Industria 4.0. También se demuestra el potencial del acceso multiusuario a velocidades hasta 3.5 Gbps por usuario y velocidades agregadas hasta 6 Gbps. Este trabajo aborda también un sistema de seguimiento en tiempo real basado en un único espejo de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que redirige el haz de luz de la interfaz óptica pasiva y mantiene la conectividad. El montaje experimental incluye un sistema de detección de movimiento basado en una cámara para determinar la posición del receptor y los resultados demuestran velocidades de transmisión de señales de hasta 10 Mbps utilizando el formato de modulación on-off sin retorno a cero (NRZ-OOK). Las comunicaciones ópticas por cámara (OCC) también se han integrado en el sistema híbrido POF/VLC mediante la interfaz óptica pasiva basada en un único LED centralizado. De este modo, se pueden transmitir señales de alta y baja velocidad utilizando un fotodiodo (PD) y un sensor de imagen (IS), respectivamente. Es decir, se han recuperado con éxito dos flujos de datos de 88 Mbps y 4 kbps a través de un POF de 20 m y enlaces ópticos inalámbricos de hasta 3 m. Además, se han desarrollado esquemas de transmisión full dúplex en este tipo de enlaces híbridos POF/VLC/OCC. Se han demostrado velocidades de transmisión de datos de hasta 160 Mbps en el enlace ascendente y una transmisión en el enlace descendente de hasta 500 bps con una SoR del 98,6%. Este trabajo también aborda otras aplicaciones de los sistemas VLC en sistemas inalámbricos de posicionamiento y comunicación. Se propone y demuestra un sistema de posicionamiento por luz visible (VLP) de alta precisión en interiores en 2D/3D que utiliza redes neuronales artificiales (ANN) y alcanza una precisión de posicionamiento de 1.8 cm en 2D y 2.7 cm en 3D. Por último, se propone e implementa un enlace fronthaul óptico convergente para el acceso inalámbrico heterogéneo por ondas milimétricas (mmW) y VLC en redes de próxima generación. Basado en un láser modulado directamente y una modulación externa con portadora suprimida para la generación fotónica de la señal en la banda de las milimétricas, el enlace de fibra de 10 km suministra simultáneamente señal de datos en la banda base para modular el LED en el enlace VLC y datos en la banda de mmW. Se han realizado pruebas experimentales para el acceso simultáneo VLC y mmW a distancias v de hasta 2.5 y 4 m, respectivamente, con rendimientos máximos de aproximadamente 55 y 400 Mbps para anchos de banda de señales con multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDM) de 30 y 100 MHz, respectivamente. Las arquitecturas propuestas y las demostraciones experimentales presentadas contribuyen a la evolución de los sistemas VLC con mayor capacidad, flexibilidad y posibilidades de posicionamiento para satisfacer las crecientes demandas de las comunicaciones inalámbricas de interior de próxima generación.

[CA] Esta tesis proposa nous sistemes híbrids de comunicació de llum visible (VLC) en interiors per a diverses aplicacions que aborden els reptes de les xarxes de comunicacions sense fils de pròxima generació. Es desenvolupen i es demostren experimentalment noves arquitectures d'enllaços híbrids de fibra òptica polimèrica (POF) i VLC amb interfícies sense fils passives que mostren avanços significatius relacionats amb l'absència de conversions optoelectròniques addicionals. Es demostra un enllaç híbrid fibra/sense fils basat en un únic LED central per a interiors que utilitza senyals de dades amb diferents amplàries de banda i formats de modulació (QPSK, 16-QAM i 64-QAM) sobre 1.5 m de cable de fibra òptica polimèrica (POF) i fins a 2.8 m d'enllaç sense fils, assolint velocitats de fins a 294 Mbps amb 64-QAM i 1.5 m d'enllaç sense fils. A més, s'empren diodes làser (LD) en una configuració similar a la dels enllaços punt a punt multiplexats per divisió de longitud d'ona (WDM) per transmetre senyals QPSK i M-QAM en un escenari d'Indústria 4.0. També es demostra el potencial de l'accés multiusuari a velocitats de fins a 3.5 Gbps per usuari i velocitats combinades de fins a 6 Gbps. Aquest treball aborda també un sistema de seguiment en temps real basat en un únic mirall de sistemes microelectromecànics (MEMS) que redirigeix el feix de llum de la interfície òptica passiva i manté la connectivitat. El muntatge experimental inclou un sistema de detecció de moviment basat en una càmera per determinar la posició del receptor i els resultats demostren velocitats de transmissió de senyals de fins a 10 Mbps utilitzant el format de modulació on-off sense retorn a zero (NRZ-OOK). Les comunicacions òptiques per càmera (OCC) també s'han integrat en el sistema híbrid POF/VLC mitjançant la interfície òptica passiva basada en un únic LED central. D'aquesta manera, es poden transmetre senyals d'alta i baixa velocitat utilitzant un fotodiodi (PD) i un sensor d'imatge (IS), respectivament. És a dir, s'han recuperat amb èxit dos fluxos de dades d'88 Mbps i 4 kbps a través d'un POF de 20 m i enllaços òptics sense fils de fins a 3 m. A més, s'han desenvolupat esquemes de transmissió full dúplex en aquest tipus d'enllaços híbrids POF/VLC/OCC. En aquest cas, s'han demostrat velocitats de transmissió de dades de fins a 160 Mbps en l'enllaç ascendent i una transmissió de baixa velocitat de dades de fins a 500 bps amb una SoR del 98.6 % l¿enllaç descendent. Aquest treball també aborda altres aplicacions dels sistemes VLC en sistemes sense fils de posicionament i comunicació. Concretament, es proposa i es demostra un sistema de posicionament per llum visible (VLP) d'alta precisió en interiors en 2D/3D que utilitza xarxes neuronals artificials (ANN) i aconsegueix una precisió de posicionament de 1.8 cm en 2D i 2.7 cm en 3D. Per últim, es proposa i implementa un enllaç frontal òptic convergent per a l'accés sense fils heterogeni per ones mil·límetres (mmW) i VLC en xarxes de pròxima generació. Basat en un làser modulat directament i una modulació externa amb portadora suprimida per a la generació fotònica a la banda dels mmW, l'enllaç de fibra de 10 km subministra simultàniament senyal de dades en la banda base per modular el LED en l'enllaç VLC i dades en la banda dels mmW per ser radiades en un enllaç d'antena. S'han realitzat proves experimentals per a l'accés simultani VLC i mmW a distàncies d'ús màxims d'aproximadament 55 i 400 Mbps per amplàries de banda de senyals amb multiplexació per divisió de freqüències ortogonals (OFDM) de 30 i vii 100 MHz, respectivament. Les arquitectures proposades i les demostracions experimentals permeten avançar cap a implementacions pràctiques del VLC amb major capacitat, flexibilitat i possibilitats de posicionament per satisfer les creixents demandes de les comunicacions sense fils interiors de pròxima generació.

[EN] This thesis proposes new hybrid indoor visible light communication (VLC) systems for various applications addressing the challenges of next-generation wireless communications networks. Novel hybrid polymer optical fibre (POF) and VLC link architectures with passive wireless interfaces are developed and experimentally demonstrated, showing significant advantages related to the lack of need for additional optoelectronic conversions. A hybrid fibre/wireless link based on a single central LED is demonstrated for indoor purposes using data signals with different bandwidths and modulation formats (QPSK, 16-QAM and 64-QAM) over 1.5 m of POF and up to 2.8 m of wireless link, reaching speeds of up to 294 Mbps with 64-QAM and 1.5 m of wireless link. Moreover, laser diodes (LD) are employed in a similar setup where wavelength division multiplexed (WDM) point-to-point links are implemented to transmit QPSK and M-QAM signals in an Industry 4.0 scenario. The potential of multi-user access at rates up to 3.5 Gbps per user and combined rates up to 6 Gbps using QPSK modulation is also demonstrated. As one of the main disadvantages of the VLC links is the requirement for line-of-sight between the transmitter and receiver, this work also addresses a real-time tracking system based on a single micro-electro-mechanical systems (MEMS) mirror that redirects the light beam from the passive optical interface and maintains the connectivity. The experimental setup includes a camera-based motion detection system to determine the receiver's position. The results demonstrate signal transmission rates of up to 10 Mbps using a non-return-to-zero on-off modulation (NRZ-OOK) format. Optical camera communications (OCC) have also been integrated into the hybrid POF/VLC system using the passive optical interface based on a single central LED. Thus, high-speed and low-speed signals can be transmitted and then received using a photodiode (PD) and image sensor (IS), respectively, i.e. two data streams of 88 Mbps and 4 kbps are successfully recovered over a 20 m POF and up to 3 m wireless optical links. Full characterisation of the system performance has been done in terms of the error vector magnitude (EVM) in the PD link, while the IS-based system is characterised in terms of successful reception (SoR). Moreover, full-duplex transmission schemes have been developed for hybrid POF/VLC/OCC links. In this case, data rates of up to 160 Mbps have been demonstrated using a 16-QAM modulation scheme in the uplink and low data rate transmission of up to 500 bps with 98.6% SoR using NRZ-OOK modulation. This work also develops further applications of VLC systems in wireless positioning and communication systems. Concretely, a high-accuracy 2D/3D indoor visible light positioning (VLP) system using artificial neural networks (ANN) is proposed and demonstrated, achieving a positioning accuracy of 2 mm in 2D and 9.3 mm in 3D scenarios. Finally, a converged optical fronthaul link is proposed and implemented for heterogeneous millimetre wave (mmW) and VLC wireless access in next-generation networks. Based on a directly modulated laser and external carrier suppressed modulation for photonic upconversion to the mmW band, the 10 km fibre link simultaneously delivers baseband data signal to modulate the LED in the VLC link and data at the mmW band to be radiated in an antenna link. Experimental tests have been carried out for simultaneous VLC and mmW access at distances of up to 2.5 and 4 m, respectively, with maximum throughputs of approximately 55 and 400 Mbps for orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal bandwidths of 30 and 100 MHz, respectively. The proposed architectures and experimental demonstrations pave the way for the practical implementation of VLC with increased capacity, flexibility, and positioning capabilities to meet the growing demands of next-generation indoor wireless communications.