Vehicle-to-Vehicle Visible Light Range-Finding and Communication Using the Automotive LED Lighting

En réponse aux problèmes croissants liés aux transports routiers - accidents, pollutions,congestions - les véhicules à faibles émissions, équipés de systèmes de transports intelligents (ITS)sont progressivement développés. Si la finalité de cette démarche est le véhicule entièrementautonome, on peut néanmoins s'attendre à voir d'abord sur nos routes des véhicules automatisés surdes phases de conduite spécifiques. C'est le cas du convoi automatisé, qui permet à plusieursvéhicules de rouler en convois de manière automatique et donc d'augmenter la capacité des voies decirculation tout en réduisant la consommation de carburant. La fiabilité de cet ITS repose surplusieurs briques technologiques, et en particulier sur la mesure de distance et la transmission dedonnées véhicule-véhicule (V2V).De nombreux systèmes permettent de réaliser ces deux fonctions vitales comme, par exemple, lesradars ou lidars pour la mesure de distance et la technologie IEEE 802.11p pour la communicationvéhiculaire. Si ces différents dispositifs présentent de très bonnes performances, ils sont néanmoinsparticulièrement sensibles aux interférences, qui ne cessent de se multiplier à mesure que le nombrede véhicules équipés augmente et que le trafic est dense. Pour pallier les dégradations deperformances induites par de telles situations, des technologies complémentaires pourraient donc êtreutiles. Le récent développement des diodes électroluminescentes (LED) blanches, en particulier pourl'éclairage automobile, a permis l'émergence des communications optiques visibles sans fil (VLC).Les phares à LED sont alors utilisés pour transmettre des données entre véhicules et avec lesinfrastructures. Malgré la puissance limitée de ces éclairages, plusieurs études ont montré qu'unetransmission de qualité est possible sur quelques dizaines de mètres, faisant de la VLC uncomplément particulièrement intéressant à l'IEEE 802.11p, en particulier pour les convoisautomatisés. Par analogie, on peut alors se demander si les phares ne pourraient pas être aussi utiliséspour mesurer la distance V2V.Le but de cette thèse est donc de proposer et évaluer un système dédié aux situations de convoisautomatisés qui, à partir des phares avant et arrière des véhicules, transmet des données et mesuresimultanément la distance V2V. Dans un premier temps, une étude détaillée de l'état de l'art de laVLC pour la communication V2V est effectuée afin de déterminer l'architecture de base de notresystème. La fonction de mesure de distance est ensuite ajoutée, après une revue des différentestechniques usuelles. Une fois l'architecture générale du système établie, elle est dans un premiertemps validée par des simulations avec le logiciel Simulink. En particulier, les différents paramètressont étudiés afin de déterminer leur impact sur la résolution de mesure de distance et les performancesen transmission de données, puis afin de les optimiser. Si ces simulations fournissent des indicateursimportants pour la compréhension du système, elles ne peuvent cependant remplacer les tests d'unprototype réel. L'implémentation de ce prototype est alors détaillée ainsi que les tests réalisés dansdifférentes configurations. Ces différents tests démontrent l'intérêt des solutions proposées pour lamesure de distance et la communication V2V en convois automatisés.In response to the growing issues induced by road traffic - accidents, pollution, congestion- low-carbon vehicles equipped with intelligent transportation systems (ITS) are being developed.Although the final goal is full autonomy, the vehicles of the near future will most probably be selfdrivingin certain phases only, as in platooning. Platooning allows several vehicles to moveautomatically in platoons and thus to increase road capacity while reducing fuel consumption. Thereliability of this ITS is based on several core technologies and in particular on vehicle-to-vehicle(V2V) distance measurement and data transmission.These two vital functions can be implemented with several kinds of systems as, for instance, radars orlidars for range-finding and IEEE 802.11p-based devices for vehicular communication. Althoughthese systems provide good performances, they are very sensitive to interferences, which may be agrowing issue as the number of vehicles equipped will increase, especially in dense traffic scenario.In order to mitigate the performance degradation occurring in such situations, complementarysolutions may be useful. The recent developments of white light-emitting diodes (LED), especiallyfor the automotive lighting, has allowed the emergence of visible light communication (VLC). WithVLC, the vehicle headlamps and taillights are used to transmit data to other vehicles orinfrastructures. Despite the limited optical power available, several studies have shown thatcommunication over tens of meters are possible with a low bit error rate (BER). VLC could thus bean interesting complement to IEEE 802.11p, especially in platooning applications. By analogy, onecould wonder if the automotive lighting can also be used for V2V range-finding.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate a system dedicated to platooning configurationsthat can perform simultaneously the V2V distance measurement and data transmission functionsusing the headlamps and taillights of the vehicles. The first step of this study is thus a detailed stateof-the art on VLC for V2V communication that will lead to a first basic architecture of our system.Then, the range-finding function is added, after a careful review of the classical techniques. Once thegeneral architecture of the system is drawn, it is validated through simulations in the Simulinkenvironment. The different degrees of freedom in the system design are especially studied, in orderfirst to evaluate their impact on the measurement resolution and the communication performances,and then to be optimized. Although these simulations provide crucial keys to understand the system,they cannot replace real prototype testing. The implementation of the prototype is thus fullydescribed, along with the results of the different experiments carried out. It is finally demonstratedthat the proposed solution has a clear interest for V2V range-finding and communication inplatooning applications

Mesure de distance et transmission de données inter-véhicules par phares à LED

In response to the growing issues induced by road traffic - accidents, pollution, congestion- low-carbon vehicles equipped with intelligent transportation systems (ITS) are being developed.Although the final goal is full autonomy, the vehicles of the near future will most probably be selfdrivingin certain phases only, as in platooning. Platooning allows several vehicles to moveautomatically in platoons and thus to increase road capacity while reducing fuel consumption. Thereliability of this ITS is based on several core technologies and in particular on vehicle-to-vehicle(V2V) distance measurement and data transmission.These two vital functions can be implemented with several kinds of systems as, for instance, radars orlidars for range-finding and IEEE 802.11p-based devices for vehicular communication. Althoughthese systems provide good performances, they are very sensitive to interferences, which may be agrowing issue as the number of vehicles equipped will increase, especially in dense traffic scenario.In order to mitigate the performance degradation occurring in such situations, complementarysolutions may be useful. The recent developments of white light-emitting diodes (LED), especiallyfor the automotive lighting, has allowed the emergence of visible light communication (VLC). WithVLC, the vehicle headlamps and taillights are used to transmit data to other vehicles orinfrastructures. Despite the limited optical power available, several studies have shown thatcommunication over tens of meters are possible with a low bit error rate (BER). VLC could thus bean interesting complement to IEEE 802.11p, especially in platooning applications. By analogy, onecould wonder if the automotive lighting can also be used for V2V range-finding.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate a system dedicated to platooning configurationsthat can perform simultaneously the V2V distance measurement and data transmission functionsusing the headlamps and taillights of the vehicles. The first step of this study is thus a detailed stateof-the art on VLC for V2V communication that will lead to a first basic architecture of our system.Then, the range-finding function is added, after a careful review of the classical techniques. Once thegeneral architecture of the system is drawn, it is validated through simulations in the Simulinkenvironment. The different degrees of freedom in the system design are especially studied, in orderfirst to evaluate their impact on the measurement resolution and the communication performances,and then to be optimized. Although these simulations provide crucial keys to understand the system,they cannot replace real prototype testing. The implementation of the prototype is thus fullydescribed, along with the results of the different experiments carried out. It is finally demonstratedthat the proposed solution has a clear interest for V2V range-finding and communication inplatooning applications.En réponse aux problèmes croissants liés aux transports routiers - accidents, pollutions,congestions - les véhicules à faibles émissions, équipés de systèmes de transports intelligents (ITS)sont progressivement développés. Si la finalité de cette démarche est le véhicule entièrementautonome, on peut néanmoins s'attendre à voir d'abord sur nos routes des véhicules automatisés surdes phases de conduite spécifiques. C'est le cas du convoi automatisé, qui permet à plusieursvéhicules de rouler en convois de manière automatique et donc d'augmenter la capacité des voies decirculation tout en réduisant la consommation de carburant. La fiabilité de cet ITS repose surplusieurs briques technologiques, et en particulier sur la mesure de distance et la transmission dedonnées véhicule-véhicule (V2V).De nombreux systèmes permettent de réaliser ces deux fonctions vitales comme, par exemple, lesradars ou lidars pour la mesure de distance et la technologie IEEE 802.11p pour la communicationvéhiculaire. Si ces différents dispositifs présentent de très bonnes performances, ils sont néanmoinsparticulièrement sensibles aux interférences, qui ne cessent de se multiplier à mesure que le nombrede véhicules équipés augmente et que le trafic est dense. Pour pallier les dégradations deperformances induites par de telles situations, des technologies complémentaires pourraient donc êtreutiles. Le récent développement des diodes électroluminescentes (LED) blanches, en particulier pourl'éclairage automobile, a permis l'émergence des communications optiques visibles sans fil (VLC).Les phares à LED sont alors utilisés pour transmettre des données entre véhicules et avec lesinfrastructures. Malgré la puissance limitée de ces éclairages, plusieurs études ont montré qu'unetransmission de qualité est possible sur quelques dizaines de mètres, faisant de la VLC uncomplément particulièrement intéressant à l'IEEE 802.11p, en particulier pour les convoisautomatisés. Par analogie, on peut alors se demander si les phares ne pourraient pas être aussi utiliséspour mesurer la distance V2V.Le but de cette thèse est donc de proposer et évaluer un système dédié aux situations de convoisautomatisés qui, à partir des phares avant et arrière des véhicules, transmet des données et mesuresimultanément la distance V2V. Dans un premier temps, une étude détaillée de l'état de l'art de laVLC pour la communication V2V est effectuée afin de déterminer l'architecture de base de notresystème. La fonction de mesure de distance est ensuite ajoutée, après une revue des différentestechniques usuelles. Une fois l'architecture générale du système établie, elle est dans un premiertemps validée par des simulations avec le logiciel Simulink. En particulier, les différents paramètressont étudiés afin de déterminer leur impact sur la résolution de mesure de distance et les performancesen transmission de données, puis afin de les optimiser. Si ces simulations fournissent des indicateursimportants pour la compréhension du système, elles ne peuvent cependant remplacer les tests d'unprototype réel. L'implémentation de ce prototype est alors détaillée ainsi que les tests réalisés dansdifférentes configurations. Ces différents tests démontrent l'intérêt des solutions proposées pour lamesure de distance et la communication V2V en convois automatisés

An Energy-Efficient Optical Wireless OFDMA Scheme for Medical Body-Area Networks

International audienceThe transfer of health monitoring data from multiple patients using wireless body-area networks requires the use of robust, and energy and bandwidth efficient multipleaccess schemes. This paper considers the frequency-division multiple access for the wireless uplink to a fixed access point when using infrared signals to collect medical data from several patients inside an emergency waiting room. The conventional optical orthogonal scheme applies Hermitian symmetry to obtain real-valued signals, which implies increased computational complexity. We consider a new approach transmitting only the real part of a complex-valued signal, where no such constraint is imposed. Based on the proposed scheme, and taking into account the limited dynamic range of an infrared light-emitting diode, we study the performance of direct current biased and asymmetrically clipped schemes, and show their advantage in terms of energy efficiency and computational complexity, as compared with the conventional schemes. For instance, we show that by using asymmetric clipping, around 35 mW less transmit power is needed to achieve a bit error rate of 10 −3 in the considered scenario. We also demonstrate the robustness of the proposed scheme against multiple access interference

An Energy-Efficient Optical Wireless OFDMA Scheme for Medical Body-Area Networks

International audienceThe transfer of health monitoring data from multiple patients using wireless body-area networks requires the use of robust, and energy and bandwidth efficient multipleaccess schemes. This paper considers the frequency-division multiple access for the wireless uplink to a fixed access point when using infrared signals to collect medical data from several patients inside an emergency waiting room. The conventional optical orthogonal scheme applies Hermitian symmetry to obtain real-valued signals, which implies increased computational complexity. We consider a new approach transmitting only the real part of a complex-valued signal, where no such constraint is imposed. Based on the proposed scheme, and taking into account the limited dynamic range of an infrared light-emitting diode, we study the performance of direct current biased and asymmetrically clipped schemes, and show their advantage in terms of energy efficiency and computational complexity, as compared with the conventional schemes. For instance, we show that by using asymmetric clipping, around 35 mW less transmit power is needed to achieve a bit error rate of 10 −3 in the considered scenario. We also demonstrate the robustness of the proposed scheme against multiple access interference

Terabit Indoor Laser-Based Wireless Communications: Lifi 2.0 For 6G

International audienceThis article introduces the general concepts of light fidelity (LiFi) 2.0 for sixth generation (6G) of wireless networks that will be based on indoor laser-based wireless networks capable of achieving aggregate data-rates of terabits per second as widely accepted as a 6G key performance indicator. The main focus of this article is on the technologies supporting the near infrared region of the optical spectrum. The main challenges in the design of the transmitter and receiver systems and communication/networking schemes are identified and new insights are provided. This article also covers the previous and recent standards as well as industrial applications for optical wireless communications (OWC) and LiFi