Towards energy neutral wireless communications : photovoltaic cells to connect remote areas

In this work, we have designed, developed and deployed the world's first optical wireless communication (OWC) system using off-the-shelf lasers and solar photovoltaics. Four bidirectional OWC prototypes have been installed on the Orkney Islands of Scotland at a 30 m link distance for the provision of high-speed internet access to two residential properties. The silicon-made solar panels can harvest power up to 5 W from sunlight and they offer data rates as high as 8 Mb/s. Using additional analogue processing, data rates higher than the existing landline broadband connection are achieved. This breakthrough opens the development path to low cost, self-powered and plug-and-play free-space optical (FSO) systems

GaN-Based Micro-LED Visible Light Communication: Line-of-Sight VLC with Active Tracking and None-Line-of-Sight VLC Demonstration

abstract: Visible light communication (VLC) is the promise of a high data rate wireless network for both indoor and outdoor uses. It competes with 5G radio frequency (RF) system as well. Even though the breakthrough of Gallium Nitride (GaN) based micro-light-emitting-diodes (micro-LEDs) enhances the -3dB modulation bandwidth dramatically from tens of MHz to hundreds of MHz, the optical power onto a fast photo receiver drops exponentially. It determines the signal to noise ratio (SNR) of VLC. For full implementation of the useful high data-rate VLC link enabled by a GaN-based micro-LED, it needs focusing optics and a tracking system. In this dissertation, we demonstrate a novel active on-chip monitoring system for VLC using a GaN-based micro-LED and none-return-to-zero on-off keying (NRZ-OOK) modulation scheme. By this innovative technique without manual focusing, the field of view (FOV) was enlarged to 120° and data rates up to 600 Mbps at a bit error rate (BER) of 2.1×10⁻⁴ were achieved. This work demonstrates the establishment of a VLC physical link. It shows improved communication quality by orders, making it optimized for real communications. This dissertation also gives an experimental demonstration of non-line-of-sight (NLOS) visible light communication (VLC) using a single 80 μm gallium nitride (GaN) based micro-light-emitting diode (micro-LED). IEEE 802.11ac modulation scheme with 80 MHz bandwidth, as an entry level of the fifth generation of Wi-Fi, was employed to use the micro-LED bandwidth efficiently. These practical techniques were successfully utilized to achieve a demonstration of line-of-sight (LOS) VLC at a speed of 433 Mbps, and a bit error rate (BER) of 10⁻⁵ with a free space transmit distance 3.6 m. Besides this, we demonstrated directed NLOS VLC links based on mirror reflections with a data rate of 433 Mbps and a BER of 10⁻⁴. For non-directed NLOS VLC using a print paper as the reflective material, 195 Mbps data rate and a BER of 10⁻⁵ was achieved.Dissertation/ThesisDoctoral Dissertation Electrical Engineering 201

Design and implementation of a light-based IoT (LIoT) node using printed electronics

Abstract. The recent exponential growth of new radio frequency (RF) based applications such as internet of things (IoT) technology is creating a huge bandwidth demand in the already congested RF spectrum. Meanwhile, visible light communication (VLC) is emerging as a technology which can be used as an alternative wireless communications solution which makes no use of the radio spectrum. In addition, continuously powering up the massively deployed IoT nodes is becoming a challenge when it comes to maintenance costs. Development of energy autonomous IoT nodes would certainly assist to solve the energy challenge. Previous work shows that renewable energy sources can be utilized to address the energy requirement of IoT nodes. Under this context, we have developed a light-based energy autonomous IoT (LIoT) prototype. This thesis presents a feasibility study and proof of concept of LIoT, including design, implementation and validation of LIoT nodes and a transmitter unit. Furthermore, the ability of multiuser communication using VLC as well as indoor light-based energy harvesting were demonstrated and tested in this thesis. To make the concept of LIoT more attractive from an implementation standpoint, and to create a future-looking solution, printed electronics (PE) technology was used as a part of the implementation. Two key components of the prototype were based on PE technology, photovoltaic cells used to harvest energy, and displays used to exhibit information transmitted to the LIoT node. In the future, when PE technology becomes more mature, very low-cost, small form-factor and environmentally friendly LIoT nodes could be implemented on thin substrates. A wide array of possible applications can be created combining the concept of light-based IoT with printed electronics. The proposed LIoT concept shows great promise as an enabling technology for 6G

Low-Power Pıc-Based Sensor Node Devıce Desıgn And Theoretıcal Analysıs Of Energy Consumptıon In Wıreless Sensor Networks

Teknolojinin ilerlemesi, daha enerji verimli ve daha ucuz elektronik bileşenlerinin daha küçük üretilmesini sağlamıştır. Bu nedenle, daha önce mevcut birçok bilgisayar ve elektronik bilim-mühendislik fikirleri uygulanabilir hale gelmiştir. Bunlardan birisi de kablosuz sensör ağları teknolojisidir. Kablosuz algılayıcı ağlar, düşük enerji tüketimi ve gerekli teknik gereksinimlerin gerçekleşmesi ile uygulanabilir hale gelmiştir. Ayrıca, Kablosuz algılayıcı ağlarının tasarımında iletişim algoritmaları, enerji tasarruf protokolleri ve yenilenebilir enerji teknolojileri gibi diğer bilimsel çalışmalar zorunlu hale gelmiştir. Bu tez, mikroelektronik sistemler, kablosuz iletişim ve dijital elektronik teknolojisinin ilerlemesiyle uygulanabilir hale gelmiş sensör ağları teknolojisini kapsamaktadır. Birincisi, algılama görevleri ve potansiyel algılayıcı ağ uygulamaları araştırılmış ve algılayıcı ağlarının tasarımını etkileyen faktörlerin gözden geçirilmesi sağlanmıştır. Ardından sensör ağları için iletişim mimarisi ana hatlarıyla belirtilmiştir. Ayrıca, tek bir düğümün WLAN ile iletişim kurabilmesi için yeni donanım mimarisi tasarlanmış ve düğümlerde yenilenebilir enerji kaynakları kullanılmıştır. Bu tezde WSN, analitik bilim ve uygulamalı bilim açısından incelenmiştir. Düşük enerji tüketimi ve iletişim protokolleri arasındaki ilişki değerlendirilmiş ve bilimsel sonuçlara varılmıştır. Teorik analizler bilimsel uygulamalarla desteklenmiştir. Çalışmalar, düşük enerji ve maksimum verimlilik prensibinin gerçekleştirilmesine dayalı kablosuz sensör ağları üzerinde gerçekleştirilmiştir. Kablosuz sensör ağlari sistemi tasarlandıktan sonra; sensör düğümlerinin enerji tüketimi ve kablosuz ağdaki davranışları test ve analiz edilmiştir. Düşük enerji tüketimi ile sensör düğümleri arasındaki ilişki detaylı olarak değerlendirilmiştir. PIC Tabanlı mikro denetleyiciler sensör düğümlerinin tasarımında kullanılmış ve çok düşük maliyetli tasarım için ultra düşük güçte, nanoWatt teknolojisi ile desteklenen sensör düğümleri tasarlanmıştır. İşleme birimi, bellek birimi ve kablosuz iletişim birimi sensör viii düğümlerine entegre edilmiştir. Tasarlanan sensör düğümünün işletim sistemi PIC C dili ile yazılmıştır ve PIC işletim sistemi nem, sıcaklık, ışığa duyarlılık ve duman sensörü gibi farklı özelliklerin ölçülmesine izin vermiştir. Sensörlerden gelen verilerin merkezi bir konumdan kaydedilmesi ve izlenebilmesi için, C# programlama dili ile bilgisayar yazılımı geliştirilmiştir. Gelişmiş algılayıcı düğümler tarafından alınan kararların uygulanması için yazılım algoritması ve donanım modüllerini içeren karar verme sistemi tasarlanmıştır. Gelişmiş PIC Tabanlı sensör düğümleri, enerji üretimi ve enerji tasarrufu için, güneş enerjisi paneli, şarj edilebilir pil ve süper kapasitör gibi yenilenebilir enerji kaynakları ile benzersiz bir PIC Kontrollü voltaj birimi ile desteklenmiştir. Geliştirilmiş kablosuz sensör ağları sistemi, endüstri uygulamaları, akıllı fabrikalar ve akıllı evler gibi günlük hayat uygulamaları için de kullanılabilecektir. Kablosuz algılayıcı ağlar geniş bir aralıkta kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Tezin sonuçları, özellikle yenilenebilir enerji kaynakları ile WSN'nin geliştirilmesine yardımcı olmayı amaçlamaktadır