University of Oulu

Data download on the move in visible light communications : design and analysis

Saved in:
Author: Chowdhury, Helal
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Communications Engineering
Format: ebook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526213620
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-11-22
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 2 December 2016, at 12 noon
Tutor: Professor Marcos Katz
Reviewer: Professor Dominic O’Brien
Professor Thomas D.C. Little
Description:

Abstract

In visible light communication (VLC), light emitting diodes (LEDs) are used as transmitters; the air is the transmission medium and the photodiodes are used for receivers. This is often referred to as light fidelity (Li-Fi). In this thesis, we provide the methodology to evaluate the performance of VLC hotspot networks in the context of data downloading on the move scenarios by using throughput-distance relationship models. In this context, first we study the different properties of optical transceiver elements, noise sources, characterization and modelling of artificial light interference, different link topologies and then we introduce the throughput-distance relationship model.

Secondly, the analytically based throughput-distance relationship has been developed for evaluating the performance of VLC hotspot networks in indoor environment in both day and night conditions. Simulation results reveal that background noise has a significant impact on the performance of VLC hotspots. As expected, in both indoor and outdoor environments the VLC hotspot performs better at night than during day. The performance of VLC hotspot networks is also quantified in terms of received file size at different bit error rate requirements and velocities of the mobile user.

Thirdly, we study the performance of hybrid (Radio-Optical) WLAN-VLC hotspot and compare its performance with stand-alone VLC-only or WLAN-only hotspot cases. In this case, we also consider the data download on the move scenarios in an indoor environment for a single-user as well as for multi-user cases. In this hybrid WLAN-VLC hotspot, both the WLAN and the VLC are characterized by their throughput and communication range. Simulations have been performed to evaluate the performance of such network for data downloading on the move scenario by taking into account performance metrics such as filesize, average connectivity and system throughput. Simulation results reveal that the considered hybrid WLAN-VLC performs always better than stand-alone VLC-only or WLAN-only hotspot both for a single and multi-user cases.

Finally, this thesis analyses the feasibility and potential benefits of using hybrid radio-optical wireless systems. In this respect, cooperative communication using optical relays are also introduced in order to increase the coverage and energy efficiency of the battery operated device. Potential benefits are identified as service connectivity and energy efficiency of battery operated device in an indoor environment. Simulation results reveal that user connectivity and energy efficiency depend on user density, coverage range ratio between single-hop and multi-hop, relay probabilities and mobility of the user.


Tiivistelmä

Näkyvään valoon pohjautuvassa tiedonsiirrossa (VLC) valodiodeja (LED) käytetään lähettiminä, ilma on siirtokanava ja valoilmaisimia käytetään vastaanottimina. Tätä kutsutaan usein nimellä light fidelity (Li-Fi). Tässä työssä tarjoamme menetelmiä VLC ”hotspot” verkkojen suorituskyvyn arviointiin tiedonsiirtonopeus-etäisyysmalleilla skenaarioissa, jossa tietoa ladataan liikkeessä. Tässä kontekstissa tutkimme ensin optisen lähettimen komponenttien eri ominaisuuksia, kohinan lähteitä, keinovalon häiriömalleja ja tiedonsiirtolinkkien topologioita, jonka jälkeen esittelemme tiedonsiirtonopeuden ja etäisyyden välisen mallin.

Toiseksi kehitetyn analyyttisen tiedonsiirto-etäisyys mallia käytetään arvioitaessa VLC hotspot verkkojen suorituskykyä sisäympäristössä sekä päivä että yö olosuhteissa. Simulointien tulokset osoittavat, että taustakohinalla on suuri vaikutus VLC verkkojen suorituskykyyn. Kuten odotettua, sisä- ja ulkotiloissa VLC hotspot toimii paremmin yöllä kuin päivällä. VLC hotspot verkkojen suorituskyky arvioidaan myös vastaanotetun tiedoston koon, eri bittivirhesuhteen vaatimuksilla ja liikkuvan käyttäjän nopeuden suhteen.

Kolmanneksi tutkimme hybridi WLAN-VLC hotspot verkon suorituskykyä ja vertaamme sen suorituskykyä pelkän VLC- tai WLAN hotspot tapauksessa. Käsittelemme myös skenaarioita jossa tiedoston lataus tapahtuu liikkeessä sisätilassa yhden käyttäjän sekä monen käyttäjän tapauksissa. Tässä hybridi WLAN-VLC hotspot, sekä erilliset WLAN- ja VLC verkot ovat määritelty niiden tiedonsiirtonopeuden ja kantaman perusteella. Näiden verkkojen suorituskykyä arvioitaessa on tehty joukko tietokonesimulointeja verkossa tapahtuvasta tietojen lataamisesta liikkeessä ottamalla huomioon suorituskyvyn mittarit kuten tiedoston koko, keskimääräinen yhteyden kesto ja saavutettu läpäisy. Simuloinnin tulokset paljastavat, että hybridi WLAN-VLC toimii aina paremmin kuin pelkkä VLC tai WLAN hotspot sekä yhden että monen käyttäjän tapauksessa.

Lopuksi työssä analysoidaan ehdotetun järjestelmän toteutettavuus ja mahdolliset edut käytettäessä hybridejä radio-optisia langattomia järjestelmiä. Tältä osin esitellään myös kooperatiiviseen viestintään perustuvat optiset releet parantamaan verkon kattavuutta ja energiatehokkuutta akkukäyttöisissä laitteissa. Mahdolliset hyödyt tunnistetaan palvelun konnektiivisuudessa ja energiatehokkuudessa akkukäyttöisissä laitteissa sisätiloissa. Simulointien tulokset osoittavat, että käyttäjien konnektiivisuus ja energiatehokkuus riippuvat käyttäjätiheydestä, kantaman ja etäisyyden välisestä suhteesta yhden hypyn ja monen hypyn välillä, releointi todennäköisyydestä ja käyttäjien mobiliteetista.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1362-0
ISBN Print: 978-952-62-1361-3
Issue: 585
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.