Améliorations des transmissions VLC (Visible Light Communication) sous contrainte d'éclairage : études théoriques et expérimentations

Abstract : Indoor visible light communication (VLC) networks based on light-emitting diodes (LEDs) currently enjoy growing interest thanks in part to their robustness against interference, wide license-free available bandwidth, low cost, good energy efficiency and compatibility with existing lighting infrastructure. In this thesis, we investigate spectral-efficient modulation techniques for the physical layer of VLC to increase throughput while considering the quality of illumination as well as implementation costs. Numerical and experimental studies are performed employing pulse amplitude modulation (PAM) and carrierless amplitude and phase (CAP) modulation under illumination constraints and for high modulation orders. Furthermore, the impact of LED nonlinearity is investigated and a postdistortion technique is evaluated to compensate these nonlinear effects. Within this framework, transmission rates in the order of a few hundred Mb/s are achieved using a test bench made of low-cost components. In addition, an imaging multiple input multiple-output (MIMO) system is developed and the impact on performance of imaging lens misalignment is theoretically and numerically assessed. Finally, a polynomial matrix decomposition technique based on the classical LU factorization method is studied and applied for the first time to MIMO VLC systems in large space indoor environments.Les réseaux de communication en lumière visible (VLC) s’appuyant sur l’utilisation de diodes électroluminescentes (LED) bénéficient actuellement d’un intérêt grandissant, en partie grâce à leur robustesse face aux interférences électromagnétiques, leur large bande disponible non-régulée, leur faible coût, leur bonne efficacité énergétique, ainsi que leur compatibilité avec les infrastructures d’éclairage déjà existantes. Dans cette thèse, nous étudions des techniques de modulation à haute efficacité spectrale pour la couche physique des VLC pour augmenter les débits tout en considérant la qualité de l’éclairage ainsi que les coûts d’implémentation. Des études numériques et expérimentales sont réalisées sur la modulation d’impulsion d’amplitude (PAM) et sur la modulation d’amplitude et de phase sans porteuse (CAP) sous des contraintes d’éclairage et pour des grands ordres de modulation. De plus, l’impact des non-linéarités de la LED est étudié et une technique de post-distorsion est évaluée pour corriger ces effets non-linéaires. Dans ce cadre, des débits de plusieurs centaines de Mb/s sont atteints en utilisant un banc de test réalisé à partir de composants à bas coûts. Par ailleurs, un système multi-entrées multi-sorties (MIMO) imageant est également développé et l’impact du désaxage de l’imageur sur les performances est étudié. Finalement, une technique de décomposition polynomiale basée sur la méthode de factorisation classique LU est étudiée et appliquée aux systèmes MIMO VLC dans des grands espaces intérieurs

MOCZ for Blind Short-Packet Communication: Practical Aspects

We investigate practical aspects of a recently introduced blind (noncoherent) communication scheme, called modulation on conjugate-reciprocal zeros (MOCZ). MOCZ is suitable for a reliable transmission of sporadic and short-packets at ultra-low latency and high spectral efficiency via unknown multipath channels, which are assumed to be static over the receive duration of one packet. The information is modulated on the zeros of the transmitted discrete-time baseband signal’s z− transform. Because of ubiquitous impairments between the transmitter and receiver clocks, a carrier frequency offset occurs after down-conversion to the baseband. This results in a common rotation of the zeros. To identify fractional rotations of the base angle in the zero-pattern, we propose an oversampled direct zero-testing decoder to identify the most likely one. Integer rotations correspond to cyclic shifts of the binary message, which we determine by cyclically permutable codes (CPC). Additionally, the embedding of CPCs into cyclic codes, enables additive error-correction which reduces the bit-error-rate tremendously. Furthermore, we exploit the trident structure in the signal’s autocorrelation for an energy based detector to estimate timing offsets and the effective channel delay spread. We finally demonstrate how this joint data and channel estimation can be largely improved by receive antenna diversity at low SNR