Light-Fidelity as Next Generation Network Technology: A Bibliometric Survey and Analysis

This paper delivers a systematic review and a bibliometric survey analysis of Light-Fidelity (Li-Fi) indoor implementation in Next Generation Network (NGN). The main objective of this study is to design a communication network based on NGN-Li-Fi for the indoor implementation which aims to increase user Quality of Service (QoS). The main merits and contributions of this study are the thorough and detailed analysis of the review, both in literature surveys and bibliometric analysis, as well as the discussion of the implementation model challenges of Li-Fi in both indoor and outdoor environments. The issue articulated in an indoor communication network is the possibility of intermittent connectivity due to barriers caused by line-of-sight (LOS) between the LED transmitter and receiver, handover due to channel overlap, and other network reliability issues. To realize the full potential and significant benefits of the Next Generation Network, challenges in indoor communication such as load-balancing and anticipating network congestion (traffic congestion) must be addressed. The main benefit of this study is the in-depth investigation of surveys in both selected critical literatures and bibliometric approach. This study seeks to comprehend the implications of Next Generation networks for indoor communication networks, particularly for visible light communication channels

Design and implementation of a bi-directional visible light communication testbed

Abstract. This work defines a bi-directional visible light communication (VLC) testbed design and implementation process using Universal Software Radio Peripheral (USRP) software defined radios (SDR) and open-source software. The visible light communication design uses LED light sources for wireless communications purposes. The testbed combines light, infrared and radio frequencies as wireless media to be utilized in a hybrid wireless communication system. Bi-directional communication at 12.5 Mbps bit rate was successfully achieved and only limited by a sample rate of the USRP system. The achieved communication distance was in the range of 0.5 to 7 meters depending on the used optics. A TCP-IP communication and access to the Internet was also established by using light and infrared communication links. The Internet connection was also established by using power line communication for providing data to the lighting through the existing power line cables. The results in the work were obtained by using a GMSK modulation. Also, GFSK, QPSK, 8-PSK, 16-QAM and OFDM modulation were initially tested for future study.Kaksisuuntaisen näkyvän valon tiedonsiirtotestialustan suunnittelu ja toteutus. Tiivistelmä. Työssä suunnitellaan ja rakennetaan kaksisuuntainen kokeiluympäristö valon käyttöön langattomassa tiedonsiirrossa käyttäen ohjelmistoradioita ja avoimen lähdekoodin ohjelmistoja. Kokeiluympäristössä voidaan tutkia ja käyttää valon, Infrapunan ja radioaaltojen taajuusalueita tiedonsiirtoon. Valon tiedonsiirrossa käytetään valaistuskäyttöön suunniteltuja LED valaisimia sekä valaistukseen että tiedonsiirtoon. Työssä saavuttiin laitteiston näytteistystaajuuden rajoittama kaksisuuntainen 12,5 Mb/s tiedonsiirtonopeus ja käytetyn optiikan ominaisuuksista sekä tiedonsiirtonopeudesta riippuvainen tiedonsiirtoetäisyys 0,5–7 metriä. Järjestelmään ohjelmoitiin valo- ja infrapunalinkin avulla toimiva TCP-IP yhteys Internetiin. Internet yhteys valaisimelle onnistuttiin siirtämään myös käyttäen sähköverkon valmiita kaapelointeja. Työn tulokset saavuttiin käyttäen GMSK moduloitua signaalia. Myös GFSK, QPSK, 8-PSK, 16-QAM ja OFDM modulaatioiden toimivuus testattiin tutkimuksen jatkoa varten

Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links

[ES] Las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) constituyen una tecnología muy prometedora para el desarrollo de futuras comunicaciones inalámbricas. De hecho, ha despertado un interés creciente entre los investigadores y varias empresas de todo el mundo trabajan actualmente en el desarrollo de redes inalámbricas de muy alta velocidad. Las comunidades científica e industrial consideran la OWC como una tecnología complementaria en sus diversas formas: comunicaciones ópticas en el espacio libre (FSO), comunicaciones de luz visible (VLC) o fidelidad de la luz (Li-Fi). El espectro óptico ha sido considerado durante muchos años como una gran oportunidad para las comunicaciones inalámbricas, especialmente debido a la saturación del espectro de radiofrecuencia (RF). Esta disertación trata del uso de fuentes de banda ancha en sistemas de transmisión de luz visible (VLC), así como en sistemas de transmisión en el espectro infrarrojo por fibra óptica. En el trabajo de investigación realizado se pueden distinguir tres partes: En la primera parte, se considera el estudio y la simulación de componentes de Diodos Emisores de Luz (LED) con el software WIEN2k centrándose en las propiedades ópticas y eléctricas de los elementos II-VI. La segunda parte trata del diseño, la implementación y las pruebas de diferentes prototipos de comunicación VLC para la transmisión analógica y digital en modo simplex y semidúplex. Hemos demostrado un sistema OWC empleando una fuente de banda ancha (LED) para la transmisión no sólo de datos, sino también para la transmisión inalámbrica de energía. Además, se aborda el problema de la sincronización y la detección del nivel "1" o "0" de un bit en los sistemas de comunicación inalámbrica óptica implementados que surge como consecuencia de la atenuación de la luz a lo largo de la distancia y al problema de la pérdida de línea de visión (NLOS) entre el emisor y el receptor. Para hacer frente a este problema, se ha proporcionado un protocolo de comunicación que garantiza la transmisión fiable de datos digitales con un algoritmo de detección de nivel de bits adaptativo y se ha demostrado su eficacia mediante la transmisión de textos e imágenes. Además, esta tesis aporta una solución para la implementación de transmisores multiplexados en redes con división de longitud de onda (WDM) para formatos de modulación con multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) basados en el uso de fuentes de banda ancha en el espectro infrarrojo para redes de fibra bidireccionales centralizadas. A pesar de las limitaciones impuestas por la dispersión cromática en el uso de este tipo de fuentes ópticas, la inclusión de ciertas estructuras antes de la detección permite la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. En este trabajo se ha demostrado experimentalmente la reutilización de portadoras, la asignación dinámica de ancho de banda y la transmisión de señales OFDM multibanda mediante el uso de fuentes ópticas de banda ancha en redes WDM. Los principales resultados obtenidos en cada parte de esta tesis doctoral muestran los procedimientos de estudio, la eficacia de las soluciones propuestas y las limitaciones encontradas.[CA] Les comunicacions òptiques sense fils (OWC) constitueixen una tecnologia molt prometedora per al desenvolupament de futures comunicacions sense fils. De fet, ha despertat un interés creixent entre els investigadors i diverses empreses de tot el món treballen actualment en el desenvolupament de xarxes sense fils de molt alta velocitat. Les comunitats científica i industrial consideren la OWC com una tecnologia complementària en les seues diverses formes: comunicacions òptiques en l'espai lliure (FSO), comunicacions de llum visible (VLC) o fidelitat de la llum (Li-Fi). L'espectre òptic ha sigut considerat durant molts anys com una gran oportunitat per a les comunicacions sense fils, especialment a causa de la saturació de l'espectre de radiofreqüència (RF). Aquesta dissertació tracta de l'ús de fonts de banda ampla en sistemes de transmissió de llum visible (VLC), així com en sistemes de transmissió en l'espectre infraroig per fibra òptica. En el treball de recerca realitzat es poden distingir tres parts: ¿ En la primera part, es considera l'estudi i la simulació de components de Díodes Emissors de Llum (LED) amb el software WIEN2k centrant-se en les propietats òptiques i elèctriques dels elements II-VI. ¿ La segona part tracta del disseny, la implementació i les proves de diferents prototips de comunicació VLC per a la transmissió analògica i digital de manera simplex i semidúplex. Hem demostrat un sistema OWC emprant una font de banda ampla (LED) per a la transmissió no sols de dades, sinó també per a la transmissió sense fil d'energia. A més, s'aborda el problema de la sincronització i la detecció del nivell "1" o "0" d'un bit en els sistemes de comunicació sense fil òptica implementats, que sorgeix a conseqüència de l'atenuació de la llum al llarg de la distància i al problema de la pèrdua de línia de visió (NLOS) entre l'emissor i el receptor. Per a fer front a aquest problema, s'ha proporcionat un protocol de comunicació que garanteix la transmissió fiable de dades digitals amb un algorisme de detecció de nivell de bits adaptatiu i s'ha demostrat la seua eficàcia mitjançant la transmissió de textos i imatges. ¿ A més, aquesta tesi aporta una solució per a la implementació de transmissors multiplexats en xarxes amb divisió de longitud d'ona (WDM) per a formats de modulació amb multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) basats en l'ús de fonts de banda ampla en l'espectre infraroig per a xarxes de fibra bidireccionals centralitzades. Malgrat les limitacions imposades per la dispersió cromàtica en l'ús d'aquest tipus de fonts òptiques, la inclusió d'unes certes estructures abans de la detecció permet la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. En aquest treball s'ha demostrat experimentalment la reutilització de portadores, l'assignació dinàmica d'amplada de banda i la transmissió de senyals OFDM multibanda mitjançant l'ús de fonts òptiques de banda ampla en xarxes WDM. Els principals resultats obtinguts en cada part d'aquesta tesi doctoral mostren els procediments d'estudi, l'eficàcia de les solucions proposades i les limitacions trobades.[EN] Optical wireless communication (OWC) is a very promising technology for future wireless communications developments. It has attracted increasing interest from researchers and several companies around the world are currently working on the development of very high-speed wireless networks. The scientific and industrial communities believe that OWC will be a complementary technology in its various forms: Free Space Optical communications (FSO), Visible Light Communications (VLC), Light Fidelity (Li-Fi). In fact, the optical spectrum has been considered for many years as a great opportunity for wireless communications especially due to the saturation of the radio frequency (RF) spectrum. This dissertation deals with the use of broadband sources in visible light transmission systems (VLC) as well as fiber optic systems. To carry out the research, three parts can be distinguished: In the first part, we consider the study and simulation of Light Emitting Diode (LED) components with the WIEN2k software by focusing on the optical and electrical properties of elements II-VI. The second part deals with the design, implementation and testing of different VLC communication prototypes for analog and digital transmission in simplex and half-duplex mode. We have demonstrated that an OWC system using a broadband source (i.e. an LED) can be used not only for data transmission, but also for wireless power transmission. Moreover, the synchronization problem and the detection of level "1" or "0" of a bit often arise in the optical wireless communication systems. This is a result of the attenuation nature of the light over the distance and the problem of Non Line-Of-Sight (NLOS) between the emitter and the receiver. To deal with this problem, a communication protocol ensuring reliable digital data transmission with an adaptive bit level detection algorithm has been provided and its effectiveness has been demonstrated by the transmission of texts and images. In addition, this thesis provides a solution for the implementation of wavelength division multiplexed - orthogonal frequency division multiplexed (WDM-OFDM) transmitters based on the use of broadband sources in the infrared spectrum for centralized bidirectional fiber networks. Despite the chromatic dispersion that avoids the use of this type of optical sources, the inclusion of certain structures before detection allows the transmission of OFDM signals in optical links. Carrier reuse, dynamic bandwidth allocation and multiband OFDM signals transmission will be experimentally demonstrated by using optical broadband sources in WDM networks. The main results obtained during this thesis work demonstrate the study procedures, for each part, the effectiveness of the proposed solutions as well as the constraints encountered.Sekkiou, I. (2021). Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172542TESI

Key Signal Processing Technologies for High-speed Passive Optical Networks

With emerging technologies such as high-definition video, virtual reality, and cloud computing, bandwidth demand in the access networks is ever-increasing. Passive optical network (PON) has become a promising architecture thanks to its low cost and easy management. IEEE and ITU-T standard organizations have been standardizing the next-generation PON, targeting on increasing the single-channel capacity from 10 Gb/s to 25, 50, and 100 Gb/s as the solution to address the dramatic increase of bandwidth demand. However, since the access network is extremely cost-sensitive, many research problems imposed in the physical layer of PON need to be addressed in a cost-efficient way, which is the primary focus of this thesis. Utilizing the low-cost 10G optics to build up high-speed PON systems is a promising approach, where signal processing techniques are key of importance. Two categories of signal processing techniques have been extensively investigated, namely optical signal processing (OSP) and digital signal processing (DSP). Dispersion-supported equalization (DSE) as a novel OSP scheme is proposed to achieve bit-rate enhancement from 10 Gb/s to 25 Gb/s based on 10G class of optics. Thanks to the bandwidth improved by DSE, the non-return-zero on-off keying which is the simplest modulation format is able to be adopted in the PON system without complex modulation or DSP. Meanwhile, OSP is also proposed to work together with DSP enabling 50G PON while simplifying the DSP complexity. Using both DSE and simple feed-forward equalizer is able to support 50 Gb/s PAM-4 transmission with 10G optics. For C-band 50 Gb/s transmission, injection locking techniques as another OSP approach is proposed to compress the directly modulated laser chirp and increase system bandwidth in the optical domain where a doubled capacity from 25 Gb/s to 50 Gb/s over 20 km fiber can be built on top of 10G optics. For DSP, we investigated the advantages of neural network (NN) on the mitigation of the time-varying nonlinear semiconductor optical amplifier pattern effect. In order to reduce the expense caused by the high computation complexity of NN, a pre- equalizer is introduced at the central office that allows cost sharing for all connected access users. In order to push the PON system line rate to 100 Gb/s, a joint nonlinear Tomlinson- Harashima precoding-Volterra algorithm is proposed to compensate for both linear and nonlinear distortions where 100 Gb/s PAM-4 transmission over 20 km fiber with 15 GHz system bandwidth can be achieved