The DarkLight Rises: Visible Light Communication in the Dark

Visible Light Communication (VLC) emerges as a new wireless communication technology with appealing benefits not present in radio communication. However, current VLC designs commonly require LED lights to emit shining light beams, which greatly limits the applicable scenarios of VLC (e.g., in a sunny day when indoor lighting is not needed). It also entails high energy overhead and unpleasant visual experiences for mobile devices to transmit data using VLC. We design and develop DarkLight, a new VLC primitive that allows light-based communication to be sustained even when LEDs emit extremely-low luminance. The key idea is to encode data into ultra-short, imperceptible light pulses. We tackle challenges in circuit designs, data encoding/decoding schemes, and DarkLight networking, to efficiently generate and reliably detect ultra-short light pulses using off-the-shelf, low-cost LEDs and photodiodes. Our DarkLight prototype supports 1.3-m distance with 1.6-Kbps data rate. By loosening up VLC\u27s reliance on visible light beams, DarkLight presents an unconventional direction of VLC design and fundamentally broadens VLC\u27s application scenarios

Comparison of direct and heterodyne detection optical intersatellite communication links

The performance of direct and heterodyne detection optical intersatellite communication links are evaluated and compared. It is shown that the performance of optical links is very sensitive to the pointing and tracking errors at the transmitter and receiver. In the presence of random pointing and tracking errors, optimal antenna gains exist that will minimize the required transmitter power. In addition to limiting the antenna gains, random pointing and tracking errors also impose a power penalty in the link budget. This power penalty is between 1.6 to 3 dB for a direct detection QPPM link, and 3 to 5 dB for a heterodyne QFSK system. For the heterodyne systems, the carrier phase noise presents another major factor of performance degradation that must be considered. In contrast, the loss due to synchronization error is small. The link budgets for direct and heterodyne detection systems are evaluated. It is shown that, for systems with large pointing and tracking errors, the link budget is dominated by the spatial tracking error, and the direct detection system shows a superior performance because it is less sensitive to the spatial tracking error. On the other hand, for systems with small pointing and tracking jitters, the antenna gains are in general limited by the launch cost, and suboptimal antenna gains are often used in practice. In which case, the heterodyne system has a slightly higher power margin because of higher receiver sensitivity

Optical energy-constrained slot-amplitude modulation for dimmable VLC: suboptimal detection and performance evaluation

Energy-constrained slot-amplitude modulation (ECSAM) enables light dimming, eliminates light flicker and constrains the peak optical power while providing robust communication links. However, the complexity of the maximum-likelihood (ML) based ECSAM receiver increases exponentially with required spectral efficiency. This paper provides a comprehensive performance evaluation of ECSAM for the indoor visible light communication (VLC) channel with multipath propagation under realistic illumination constraints and imperfect channel estimation. A sub-optimal receiver that employs a slot-by-slot detection algorithm followed by a slot-correction mechanism for reducing the receiver complexity is proposed. Additionally, the method for optimal selection of parameters when designing the signal waveform is presented. The analytical upper bound on the symbol error rate of ECSAM is derived using the union-bound technique. The results show that the error performance of the sub-optimal receiver are comparable to that of the optimal ML receiver. Compared with conventional power or bandwidth efficient VLC modulation techniques such as multiple pulse position modulation (MPPM) and pulse amplitude modulation (PAM), ECSAM provides complete flexibility in modifying the signal constellation for a desired dimming level to maximise the spectral efficiency and provide a robust bit error rate performance especially in the multipath propagation channel induced intersymbol interference

Implementation of Offset Pulse Position Modulation

Optical fibre systems have played a key role in making possible the extraordinary growth in world-wide communications that has occurred in the last 25 years, and are vital in enabling the proliferating use of the Internet. Its high bandwidth capabilities, low attenuation characteristics, low cost, and immunity from the many disturbances that can afflict electrical wires and wireless communication links make it ideal for gigabit transmission and a major building block in the telecommunication infrastructure. The main concern of this thesis is a full and detailed investigation and implementation of the Offset Pulse Position Modulation (Offset PPM) communication system. Novel work is carried out for applying Offset PPM over an optical communication channel theoretically and experimentally to examine the system performance. An Offset PPM encoder and decoder were implemented to code Pulse Code Modulation (PCM) format into Offset PPM format and to decode back the Offset PPM to PCM. The first paradigm of implementation was implemented using electronic components. A further investigation took place on the Offset PPM associated output. Computer programming and simulation using the VHSIC Hardware Description Language (VHDL) of this PPM code was considered and comparison with previous theoretical results presented. The received Offset PPM signal returned back to its original input PCM form without errors. Successful VHDL and Field Programmable Gate Array (FPGA) implementation using Altera Quartus II of Offset PPM encoder and decoder as a single system has been presented in the study. An FPGA embedded Bit Error Rate (BER) test device has also been implemented for sensitivity measurements purposes and all the designs have been tested successfully with back-to-back testing. Results show that Offset PPM is an advantageous PPM code for optic communication. Furthermore, the system has achieved a very high data rate of 50 Mb/s without an optical communication set. An optical communication system (transmitter/receiver) over POF was developed and the Offset PPM scheme was investigated through this optical channel. Results show that the Offset PPM sequence transferred through the optic system without being altered. In addition, this implementation is optimised PPM coding; the system is working perfectly with up to 10 Mb/s with 10-12 BER based on the limitations of the optical communication set. All the results and analyses indicate that Offset PPM is an ideal alternative to be considered for highly dispersive optical channels, and performance evaluation for higher bandwidths also favourably compares to existing coding schemes

Study of MIMO techniques for optical wireless communications

With its huge spectral resource, optical wireless communication (OWC) has emerged as a promising complementary technology to the radio frequency (RF) communication systems. OWC provides data communications for a variety of user applications and it can be deployed using simple, low-cost, low-power and energy-efficient component. In order to enhance capacity, reliability and/or coverage of OWC, multiple-input-multiple-output (MIMO) systems are employed to exploit additional degrees of freedom, such as the location and angular orientation of optical sources and detectors. However, the implementation of MIMO systems is faced with challenges such as the strong correlation and multipath propagation in indoor OWC channels, system synchronisation, as well as inter-channel interference (ICI) due to multiple parallel data transmission. This dissertation investigates MIMO OWC systems which utilises transmission techniques with reduced complexity. A detailed study and performance evaluation of the techniques in terms of capacity, spectral efficiency and error rates is conducted through theoretical analysis, simulation and experiments. The system performance is investigated under different constraints imposed by impairments such as interference, synchronization and channel correlation. Optical spatial modulation (OSM) is studied as a low complexity technique using multiple light sources to enhance system capacity. A generalised framework for implementing OSM with energy efficient pulse position modulation scheme is devised. This framework supports other variants of OSM, and it can be adapted to satisfy varying system requirement such as spectral and energy efficiencies. The performance of the OWC system is investigated in indoor line-of-sight (LOS) propagation. The error performance of the system is analysed theoretically and matched by simulation results. Also, the system performance is evaluated with experiments to demonstrate feasibility. Furthermore, the performance of OSM MIMO techniques in the realistic indoor scenario is considered by taking into account the multiple reflections of the transmitted signal from room surfaces. This is motivated by the recent drive towards high-speed Gigabits per second (Gbps) data communication, where the inter-symbol interference (ISI) caused by the multipath propagation may pose a major bottleneck. A model of the multipath-induced ISI is presented to account for signal spreading and then applied to formulate the error performance analysis. The impact of multipath-induced power penalty and delay spread on system performance is demonstrated using their spatial distributions across the coverage area. Additionally, the impact of timing synchronization problems on the error performance of different variants of the OSM MIMO techniques is investigated. While most works related to SM have assumed a perfect synchronization among the multiple transmitter and receiver elements, such assumption pose a challenge in practical deployment. Hence, the need to examine the impact of synchronisation error that can result from clock jitters and variations in propagation delay. Synchronisation error analyses of OSM schemes are presented, and the tolerance of each scheme to timing synchronization errors is demonstrated. To further enhance system capacity, this thesis also explores spatial multiplexing MIMO technique with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The central objective is to propose and apply techniques to address the correlation of the indoor optical wireless channel and the frequency selectivity due to the limited bandwidth of LEDs. To address these two effects, a joint coding of paired information symbols was applied in a technique termed pairwise coding (PWC). This technique is based on rotated symbol constellation and it offers significant performance improvement. The error performance of the proposed system is evaluated through simulation and experimental demonstration. PWC proved to be effective over varying degrees of bandwidth limitation and under different channel conditions

Contribution to the Rapid Acquisition of Signals for UWB Communication Systems

Ultra Wide-band is a promising technology for future short-range wireless communications with high data rate. In generally, one of the biggest difficult tasks for researchers today is the acquisition task of signals, where they are looking through different tools for getting a good quality of transmission; the phenomenon of multipath always stands up in the front as the first problem to be faced. When we talk about the Ultra Wide Band (UWB) signals, the problem becomes more complicated due to ultrashort impulses duration used by this kind of signals that causes the generation of paths by huge numbers. In this thesis, to address the task mentioned above, the study is subdivided into two aspects. The first one is the UWB channel estimation that we have done to have information about the amplitudes and the delays of the paths. For this purpose, a maximum likelihood method is used to find the amplitudes and the delays estimate using two estimation contexts: Data Aided (DA) and Non-Data-Aided (NDA). In the second aspect, various parameters affecting the acquisition of signals are evaluated. Furthermore, several contributions in the framework of a new strategy based on an Intelligent Controlling System (ICS) are done and detailed in this thesis for the first once. This system is characterised by its flexibility through two techniques, one that allows to users to communicate even with different M-ary PPM levels at the same time. Another technique that gives the flexibility for dealing with the phenomenon of multipath, where this latter is combated through manipulating the modulation’s levels via the ICS to achieve a rapid acquisition of UWB signals

Zur breitbandigen Infrarot-Indoorkommunikation

In der vorliegenden Arbeit wurden die wichtigsten physikalischen Aspekte der drahtlosen IR- Übertragung analysiert; wesentliche Ergebnisse flossen in den Entwurf und den Aufbau einer experimentellen IR-Schnittstelle ein, die bei 16-Mbit/s arbeitet. Der Experimentalaufbau zeigt: Unter der Prämisse sehr einfacher optischer Komponenten ist eine Bitrate von 16-Mbit/s realisierbar, wenn LOS-Verbindungen und vergleichsweise hohe Sendeleistungen akzeptiert werden. Der Aufbau bestätigt damit zuvor gewonnene theoretische Erkenntnisse. Der Entwurf der Schnittstelle wurde nachvollziehbar dargestellt, er verdeutlicht am praktischen Beispiel die wesentlichen Probleme der ungerichteten optischen Übertragung. Aus Sicht des Nutzers hat die flexible Plazierbarkeit eines Endgeräts eine hohe Bedeutung: Im Vergleich zu LOSKonfigurationen treten bei difusen Verbindungen aber neben erhöhten Einbußen durch Mehrwegedispersion auch deutlich höhere Ausbreitungsverluste auf. Dabei ist der Ausbreitungsverlust nicht die eigentliche Schwachstelle der optischen Übertragung, wenn als Referenz die Funkübertragung dient. Denn die difuse Reaktivität vieler Umgebungsmaterialien ist hoch, das haben die eigenen Messungen bestätigt. Das wesentliche Problem der IR- Übertragung ist die schlechte Empfängerempfindlichkeit; im Beispiel wies der optische Detektor einen im Vergleich zum Funkempfänger 46-56 dB niedrigeren Wert auf - letztlich muß dieser Parameter durch einen möglichst geringen Pfadverlust kompensiert werden. Da mit einer difusen Reflexion immer eine hohe Ausdünnung der Signalintensität korrespondiert, sind mit der heutigen Empfängertechnologie keine ökonomischen Lösungen für difuse oder quasidifuse Verbindungen möglich, wenn die Detektorfläche auf wenige cm2 begrenzt bleiben soll. Gerade bei zunehmend kleiner werdenden Endgeräten bzw. der wachsenden Verbreitung von Handhelds ist aber die Einbaugröße von hoher Bedeutung. "Nicht ökonomisch" bezieht sich dabei sowohl auf die notwendigen Herstellungskosten als auch auf die Sendeleistung. Einem leistungseffizienten Modulationsverfahren kommt in Anbetracht der limitierten Empfängerempfindlichkeit eine hohe Bedeutung zu. In diesem Zusammenhang wurde der theoretisch erreichbare Gewinn durch Binärcodierung dargestellt. Es wurde gezeigt, daß sich MPPM-Varianten mit großer Symbollänge dieser theoretischen Grenze immerhin bis auf etwa 3-4 dB nähern. Die tatsächliche Eignung eines Modulations- bzw. Codierverfahrens kann allerdings erst in Zusammenhang mit dessen Eigenschaften bei Übertragung in realen (dispersiven) Kanälen beurteilt werden: Für die experimentelle Schnittstelle zeigte "konventionelles" 4-PPM das ausgewogenste Verhalten. PPM höherer Ordnung verspricht bei ungerichteter Übertragung mit nicht-sektorisierten Komponenten aufgrund einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber Mehrwegedispersion keine Vorteile bzgl. der Signalleistung. Optischen Mehrträgerverfahren kommt im Zusammenhang mit der aktuellen Empfängertechnologie dagegen keine relevante praktische Bedeutung zu: Letztlich kann die optische Übertragung aufgrund der großen spektralen Breite der Detektoren nur in geringem Maße von der eigentlichen Größe des optischen Spektrums proftieren. Die Parameter der optischen bzw. optoelektronischen Empfängerkomponenten haben wesentlichen Einfluß auf Gütekriterien wie die mögliche Bitrate (in diesem Zusammenhang wurde gezeigt, wie der Delay-Spread durch den FOV beeinflußt wird) und die schon angesprochene Empfängerempfindlichkeit. Technologische Aspekte zum Empfänger wurden ausführlich diskutiert. Es wurde eine neue Realisierungsmöglichkeit für ein optisches Filter vorgestellt, das in seiner einfachsten Variante einen Leistungsvorteil von ca. 1.5 dB gegenüber einem Farbglasfilter verspricht - bei ähnlichen Kosten. Wird von einer Silizium-Photodiode abgesehen, sind Gewinne von 5-6.5 dB realistisch. Ausführlich wurde auch die Photodiode behandelt, aus deren (quadratischer) Wandlungscharakteristik die prinzipiellen Unterschiede zum Funk resultieren. Avalanche-Photodioden können bei angepaßtem Verstärkerdesign (auch dieser Aspekt wurde sowohl theoretisch als auch am praktischen Beispiel diskutiert) keine Vorteile gegenüber PIN-Photodioden erreichen, weil die Empfängerempüdlichkeit selbst bei Imaging-Receivern durch das Schrotrauschen des Photostroms bestimmt wird. Silizium-Alternativmaterialien für größere Betriebswellenlängen scheitern dagegen zumindest bei großflächigen Dioden an einer zu hohen Kapazität. Überhaupt sind die Parameter einer Photodiode, die für drahtlose Anwendungen eingesetzt werden soll, nicht unmittelbar mit denen einer Diode vergleichbar, die für den faseroptischen Einsatz konzipiert wurde: Durch die große Fläche der Diode muß die Kapazitätä durch eine vergleichsweise hohe Schichtdicke kompensiert werden, die wiederum die Ladungsträgerlaufzeiten negativ beeinflußt. Tatsächlich muß eine Photodiode dem konkreten Anwendungsfall angepaßt werden - das zeigte sich gerade beim Aufbau der Experimentalschnittstelle anhand der zu geringen Grenzfrequenz einer eingesetzten Photodiode. Viele internationale Aktivitäten gelten heute der Untersuchung sektorisierter Sender und Empfänger. Soll die Datenrate der vorliegenden IR-Schnittstelle deutlich erhöht werden, wären zumindest auf der Seite der Basisstation sektorisierte Komponenten angebracht, wenn der abzudeckende Raumbereich beibehalten werden soll. Dabei muß allerdings eine genaue Kosten-Nutzen-Abwägung durchgeführt werden: Nach Ansicht des Autors müssen IR-Produkte letztlich deutlich preiswerter als Funklösungen sein, weil der Nutzer auch einen erheblichen Kompromiß hinsichtlich der Plazierbarkeit und der Störanfälligkeit eingehen muß. An dieser Tatsache wird auch eine im Vergleich zum Funk höhere Datenrate nur wenig ändern. Nach Ansicht des Autors können Verbesserungen vornehmlich auf technologischem Gebiet erreicht werden. Gerade für hoch-sektorisierte Sender und Empfänger sind einfachere Lösungen gefragt. Bei LOS-Verbindungen erspricht vor allem die Sektorisierung der Sender hohe Gewinne bzgl. der Signalleistung | allerdings benotigt ein solcher Sender auch eine Information über die Richtung des anderen Endgeräts. Auch hier fehlen einfache Lösungen. Ein besonders kritischer Punkt ist das optische Filter; ob ein Gewinn von 5-6.5 dB allerdings die Anwendung direkter Mischhalbleiter als Photodiodenmaterial rechtfertigt, kann vom Autor als Nicht-Technologen derzeit nicht mit Klarheit beantwortet werden. Nach Ansicht des Autors wird IR im WLAN-Bereich eine Nischenlösung bleiben. Das Potential liegt vornehmlich in sehr preiswerten Schnittstellen, die dem Nutzer über geringe Entfernungen einen besonders schnellen Datenabgleich zwischen Endgeräten ermöglichen. Evtl. bieten auch Doppellösungen von Funk und IR in einem Gerät Vorteile: Funk garantiert eine hohe Flexibilität, IR eine hohe Datenrate. Dazu muß die IR-Komponente aber klein und preiswert ausfallen