Non-Orthogonal Multiple Access for Hybrid VLC-RF Networks with Imperfect Channel State Information

The present contribution proposes a general framework for the energy efficiency analysis of a hybrid visible light communication (VLC) and Radio Frequency (RF) wireless system, in which both VLC and RF subsystems utilize nonorthogonal multiple access (NOMA) technology. The proposed framework is based on realistic communication scenarios as it takes into account the mobility of users, and assumes imperfect channel-state information (CSI). In this context, tractable closed-form expressions are derived for the corresponding average sum rate of NOMA-VLC and its orthogonal frequency division multiple access (OFDMA)-VLC counterparts. It is shown extensively that incurred CSI errors have a considerable impact on the average energy efficiency of both NOMA-VLC and OFDMAVLC systems and hence, they should not be neglected in practical designs and deployments. Interestingly, we further demonstrate that the average energy efficiency of the hybrid NOMA-VLCRF system outperforms NOMA-VLC system under imperfect CSI. Respective computer simulations corroborate the derived analytic results and interesting theoretical and practical insights are provided, which will be useful in the effective design and deployment of conventional VLC and hybrid VLC-RF systems

Υβριδικά συστήματα επικοινωνίας ορατού φωτός και ραδιοσυχνοτήτων (VLC – RF). Προκλήσεις και ζητήματα όπως προκύπτουν από τη διερεύνηση της διεθνούς βιβλιογραφίας.

Οι ασύρματες επικοινωνίες γίνονται με μεταδόσεις δεδομένων σε μη καθοδηγούμενα μέσα διάδοσης μέσω της χρήσης ασύρματων φορέων όπως τα κύματα ραδιοσυχνοτήτων και του ορατού φωτός. Η αυξανόμενη ζήτηση για υψηλούς ρυθμούς δεδομένων, αυξημένη χωρητικότητα, ασφάλεια δεδομένων, ειδικά σε σενάρια εσωτερικού χώρου, δίνει μεγαλύτερη βαρύτητα στις συμβατικές τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων. Για αυτό το λόγο, τεχνολογίες όπως οι mmWave και οι γνωστικές ραδιοεπαφές έχουν υιοθετηθεί ως πιθανές λύσεις για τη λύση στο πρόβλημα έλλειψης φάσματος και άλλων περιορισμών των συμβατικών συστημάτων ραδιοσυχνοτήτων. Παράλληλα, ως εναλλακτική λύση έχει προταθεί η επικοινωνία ορατού φωτός (VLC), όπου χρησιμοποιείται η πηγή φωτός τόσο για φωτισμό όσο και για μετάδοση δεδομένων. Σε σύγκριση με τις ζεύξεις RF, οι ζεύξεις VLC παρουσιάζουν πολύ υψηλό εύρος ζώνης που επιτρέπει πολύ υψηλότερους ρυθμούς δεδομένων. Το VLC δεν επηρεάζεται από παρεμβολές από ηλεκτρομαγνητικές πηγές, έχει μη αδειοδοτημένα κανάλια επικοινωνίας, είναι σύστημα πολύ χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και δεν έχει κανέναν κίνδυνο για την υγεία. Το VLC αποτελεί πόλο έλξης για μελέτη, καθώς έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των αξιόπιστων επικοινωνιών με χαμηλές καθυστερήσεις, όπως η επικοινωνία στην ασφάλεια του οχήματος. Παρά τα σημαντικά πλεονεκτήματα της τεχνολογίας VLC και την ποικιλία των εφαρμογών της, η χρήση της έχει εμπόδια λόγω των μειονεκτημάτων της, όπως η εξάρτησή της από την οπτική επαφή της σύνδεσης. Πρόσφατα, προτάθηκαν τα υβριδικά συστήματα τεχνολογίας RF / VLC για να επωφεληθούν από την υψηλή χωρητικότητα των ζεύξεων VLC και την καλύτερη συνδεσιμότητα των ζεύξεων RF. Έτσι, τα υβριδικά συστήματα τεχνολογίας RF / VLC αποτελούν βασικό εργαλείο για τη βελτίωση των ρυθμών και της κινητικότητας των χρηστών αφενός και για τη βελτιστοποίηση της χωρητικότητας, των παρεμβολών και της κατανάλωσης ενέργειας του συνολικού δικτύου, αφετέρου. Αυτή η εργασία επιδιώκει να παρέχει μια λεπτομερή επισκόπηση των υβριδικών συστημάτων τεχνολογίας RF / VLC. Μελετώνται βασικά χαρακτηριστικά και τοπολογίες, εφαρμογές και επιδόσεις τέτοιων δικτύων, αλλά και οι περιορισμοί που αντιμετωπίζουν, με βάση τη διεθνή βιβλιογραφία.Wireless communications are implemented by transmitting data to unguided propagation media through the use of wireless carriers such as radio frequency waves and visible light. The growing demand for high data rates, increased capacity, data security, especially in indoor scenarios, attaches more importance to conventional radio frequency technologies. For this reason, technologies such as mmWave and cognitive radio communications have been adopted as possible solutions to the problem of lack of spectrum and other limitations of conventional radio frequency systems. At the same time, visible light communication (VLC) has been proposed as an alternative, where the light source is used for both lighting and data transmission. Compared to RF links, VLC links have a very high bandwidth that allows much higher data rates. VLC is not affected by interference from electromagnetic sources, has unlicensed communication channels, is a very low power system and doesn’t affect human’s health. VLC is an attraction for study, as it has a wide range of applications, including reliable communications with low latency, such as vehicle safety communication. Despite the significant advantages of VLC technology and the variety of its applications, its use has drawbacks due to its disadvantages, such as its dependence on line of sight of the connection. Recently, hybrid RF / VLC technology systems have been proposed to take advantage of high VLC link capacity and better RF link connectivity. Thus, hybrid RF / VLC technology systems are a key tool for improving the rate and mobility of users on the one hand and for optimizing the capacity, interference and power consumption of the overall network on the other. This work seeks to provide a detailed overview of hybrid RF / VLC technology systems. Key features and topologies, applications and performance of such networks are studied, as well as the limitations they face, based on the international literature