SpotVLC voor veilige en lage latency dense draadloze communicatie

Draadloze netwerken zijn dominant aanwezig in ons dagelijks leven. In 2023 zal 70% van de wereldwijde bevolking een mobiele internetverbinding hebben en zal elke persoon gemiddeld over 3.6 apparaten met netwerkcapaciteiten beschikken. Om tegemoet te komen aan deze toenemende netwerkdensiteit, is er verdere vooruitgang in communicatie vereist. Ondanks de voortdurende inspanningen om technologieën gebaseerd op radiofrequenties (RF) te verbeteren, ontstaat er een tekort aan RF spectrum om aan deze steeds groter wordende vraag te voldoen. Hiertoe wordt er recent veel aandacht geschonken aan communicatie via zichtbaar licht (VLC), om RF netwerken aan te vullen en zo robuuste communicatie te realiseren in scenario's met een zeer hoge densiteit aan gebruikers. In VLC worden gegevens verzonden door de lichtintensiteit van LEDs snel te moduleren, waarbij ontvangers de informatie kunnen decoderen met datasnelheden tot Gbit/s. VLC brengt echter ook extra uitdagingen met zich mee, aangezien de overdracht overwegend via het directe pad verloopt en het kanaal sterk onderhevig is aan de geometrische eigenschappen van de omgeving. Daarnaast beperkt het lokale karakter van licht de mobiliteit van gebruikers en vereisen overlappende lichtbronnen nauwe coördinatie van interferentie.

Het doel van dit proefschrift is om dieper inzicht te verwerven in het aanpakken van deze uitdagingen en om VLC netwerken robuust te maken in alle omstandigheden. Om dit te bereiken, vertrekt het proefschrift vanuit een dense zenderinfrastructuur, met als doel om verschillende representatieve en belangrijke prestatiemetingen te optimaliseren. De uitkomst van dit proefschrift kan worden samengevat in vijf belangrijke bijdragen.

Als eerste bijdrage heb ik een realistisch VLC testbed ontworpen en gebouwd dat bestaat uit 36 dense zenders en 4 mobiele ontvangers. De dynamisch aanpasbare oriëntatie van de zender (beter bekend als bundelsturing) en van de ontvanger, maakt het mogelijk om het VLC kanaal nauwkeurig te karakteriseren in een breed scala aan experimenten. Dit testbed fungeert als een fundamentele bouwsteen in deze thesis om voorgestelde systemen en algoritmes te valideren.

Voortgaand op dit testbed, ontwerp ik als tweede bijdrage een celvrij VLC netwerk dat ondersteuning biedt voor meerdere gebruikers. In tegenstelling tot traditionele cellulaire netwerken is er geen indeling in cellen en worden alle gebruikers gelijktijdig bediend door de zenders in het gezichtsveld van de ontvangers. Ik optimaliseer de energie-efficiëntie van het netwerk en concludeer uit de evaluatieresultaten dat een dens celvrij netwerk een geschikte kandidaat is voor VLC.

Aangezien de directe link gemakkelijk kan worden geblokkeerd door de omgeving, onderzoekt de derde bijdrage de impact van een blokkade op de prestaties. Ik stel twee technieken voor om blokkades te voorkomen: 1) het verhogen van de zenderdichtheid, en 2) het bepalen van de optimale oriëntatie van de gebruikers die de ontvangers vasthouden met behulp van een ‘user-in-the-loop’ systeem.

Omdat het VLC kanaal erg gevoelig is voor de geometrie van de zenders en ontvangers, kan een onjuiste uitlijning leiden tot ernstige connectiestoornissen. Om dit te vermijden optimaliseer ik als vierde bijdrage hun oriëntatie met lage complexiteit. Door de ontvangers nauwgezet te roteren, kunnen de zwakste signaalsterktes aanzienlijk worden verbeterd en zodus ook de robuustheid van het systeem. Aan de zendkant maakt bundelsturing het mogelijk om heldere lichtpunten te genereren op de ontvangers, dewelke het traject van de ontvangers nauwkeurig kunnen volgen. Ik toon aan dat een gemengde architectuur, bestaande uit een mix van vaste en stuurbare lichtbronnen, de datasnelheid verhoogt alsook de mobiliteit van gebruikers beter ondersteunt.

Ten slotte presenteer ik als vijfde bijdrage een eenvoudige doch performante techniek om interferentie te coördineren voor VLC. Hiertoe ontwikkel ik een wiskundig framework dat schadelijke interferentie kan identificeren. Dit gebruik ik om een protocol te ontwerpen dat is gebaseerd is op tijdverdeling en zodoende transmissieconflicten vermijdt. Het protocol is semi-gedistribueerd: het voert de globale interferentiecontrole centraal uit en distribueert de fijnmazige controle over de zenders. Met deze verdeel-en-heers-tactiek, kan ik de complexiteit aanzienlijk verlagen in vergelijking met de huidige technologie, zonder in te boeten aan performantie.

Ondanks de geboekte vooruitgang in VLC, ben ik ervan overtuigd dat toekomstige netwerken niet op een enkele technologie zullen kunnen steunen. Het realiseren van ultra-robuuste draadloze communicatie vergt immers naadloze integratie van meerdere technologieën, waaronder RF. Desalniettemin betekent dit werk een grote stap voorwaarts in het analyseren en verbeteren van de robuustheid van VLC netwerken, om zo ultra-robuuste draadloze communicatie met zichtbaar licht te kunnen realiseren.