Návrh a implementace komunikačních systémů založených na optických kamerách pro aplikace Internetu věcí

Abstract

Systémy optické bezdrátové komunikace (OWC) nabízejí řadu výhod, jako je větší šířka pásma, neregulované spektrum, odolnost proti elektromagnetickému rušení a vysokou opakovatelnost použití, a mohou být vhodnou doplňující technologií k systémům v radiofrekvenčních pásmech. V rámci OWC pak technologie komunikace optickými kamerami (OCC) využívající přijímač (Rx) založený na kameře představuje rozšíření komunikace ve viditelném světle (VLC) založené na klasickém fotodetektoru. Zde navíc u většiny chytrých zařízení nedochází ke zvýšeným nákladům na hardware Rx. Širokou dostupnost kamer v chytrých zařízeních, jako jsou smartphony, dopravní sítě, bezpečnostní dohled, vozidla atd., lze efektivně využít jako optický Rx, což umožňuje jednoduchou implementaci VLC-OCC spoje. Proto se tato disertační práce zaměřuje na návrh a implementaci technologií založených na VLC-OCC a jejich aplikace v rámci vnitřního a venkovního Internetu věcí (IoT). Aplikace založené na IoT s nízkou datovou rychlostí zahrnují komunikace mezi zařízeními, mobilní attocelly, spoje typu vehicle-to-everything, infrastructure-to-vehicle or vehicle-to-infrastructure, vehicle-to-vehicle, inteligentní prostředí (domácnosti, kanceláře, nemocnice) atd. Hlavní výzvou při implementaci těchto systémů je však požadavek na přenos bez blikání vysílače při nižších rychlostech dat (tj. ve většině případů v aplikacích IoT). Proto v této práci bylo navrženo vícekanálové multiple-input multiple-output OCC schéma na bázi rolovací závěrky (RS) využívající osvětlovací optické vlákno jako vysílač pro vnitřní OCC. Kromě toho byla navržena a experimentálně odvozena nová technika k rozšíření systému OCC pro venkovní IoT aplikace založená na RS se snížením prostorové šířky pásma kamery v oblastech mimo zaostření. Pro podporu paralelního přenosu vysoké datové rychlosti pro aplikace, jako je surfování na internetu, stahování velkých dat atd., a zároveň stálou podporu nízkých datových rychlostí OCC byl navržen a analyzován nový hybridní optický VLC-OCC systém.

Optical wireless communications (OWC) systems offering advantages such as higher bandwidth, an unregulated spectrum, resistance to electromagnetic interference and a high order of reusability, have emerged as a complementary technology to radio frequency. Within OWC, the optical camera communication (OCC) technology utilizing camera-based receiver (Rx) represents an extension of photodetector Rx based visible light communications (VLC) with the advantage of no extended hardware cost of the Rx. The availability of cameras in smart devices such as smartphones, traffic networks, security surveillance, vehicles, etc., can be effectively exploited as an optical Rx, thus enabling the implementation of VLC-OCC links. Therefore, the thesis focuses on the design and implementation of VLC-OCC based technologies and their applications within indoor and outdoor Internet of Things (IoT). Low data rates IoT-based applications including device-to-device communications, mobile attocells, vehicle-to-everything, infrastructure-to-vehicle or vehicle-to-infrastructure, vehicle-to-vehicle, smart environments (homes, offices, hospitals), etc. need to be considered. However, the major challenge in implementing such systems is the requirement for flicker-free transmission at lower data rates (i.e., most cases in IoT applications). Therefore, in this thesis, a low data rate rolling-shutter (RS)-based multi-channel multiple-input multiple-output OCC scheme and a novel wireless communications link using an illuminating optical fiber as a transmitter for indoor OCC based IoT environments, which is flicker-free is proposed and analyzed. Moreover, a novel technique to extend the RS-based OCC system for long range outdoor IoT-based applications by reducing the spatial bandwidth of the camera in the out-of-focus regions is experimentally derived. On the other hand, in order to support user based high data rates for applications such as internet surfing, downloading big data, etc., along with above mentioned low data rate IoT-based links within smart environments, a hybrid optical IoT based VLC-OCC system is proposed and analyzed.