title: Integrated optical wireless communication and positioning by using distributed multiple-input multiple-output topology
Creators: name: Mohammadi Kouhini, Sepideh
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::537 Elektrizität, Elektronik
subject: optical wireless communication
subject: MIMO
subject: positioning
subject: LiFi
subject: fronthaul

description: A vast number of research works demonstrated the high potential of optical wireless technology for both, communication and positioning. Optical wireless technology can use the light spectrum as a new medium for mobile networking. The demand for wireless communication and positioning for the indoor environment will increase dramatically due to the emerging Internet of Things applications. However, the wireless spectrum at radio frequencies is congested and it needs to be reused more frequently in the spatial domain. However, the traditional approach to densify the network will not be enough because of interference which becomes hardly manageable. One way to overcome this problem is to use optical wireless technology. It can provide high data rates through line-of-sight links, and confine the propagation in space, e.g. by the walls in an indoor environment. Thus, interference is managed more easily compared to radio. Moreover, the light has unique features. It is robust against and does not create electromagnetic interference and has limited multi-path as well. Both are unique features that make light interesting for communication and positioning. However, optical wireless links are vulnerable to blockage. Although camera-based techniques show that light can be used for positioning, end users requested tight integration with wireless communications rather than deploying two technologies, one for each purpose. It was an open issue of what precision could be achieved in this way. The objective of this thesis is to enhance the reliability and robustness of optical wireless communications by using a distributed multiple-input multiple-output topology and demonstrate that the same system can also be used to realize precise positioning. It is known that multiple links combat the blocking problem. Plastic optical fiber is used to distribute the optical wireless signals from a central unit to the distributed optical wireless frontends. This convergent, all-optical approach is robust against electromagnetic interference. The performance of different diversity and spatial multiplexing modes were compared for efficient communication with single and multiple users the gains over classical time-division multiple access were quantified. The thesis includes new results on selection combining, angular diversity, and multi-user multiplexing. The system was tested in several environments. Results show that adaptive switching of the spatial mode is the best candidate to support mobility and realize high performance. For integrating positioning with communication, the time-of-flight method is selected. As an example, positioning is implemented using the ITU-T G.9991 standard for optical wireless communications. The propagation time is extracted using coarse and fine time synchronization which are already available at the physical layer in modern wireless communication protocols. At the mobile device, the distance to multiple transmitters is measured and the 3D position is calculated by means of trilateration. Simulations indicate an accuracy of less than 1 cm. The system was tested in the lab, in a conference room, and in a manufacturing scenario demonstrating 3D position accuracy in the centimeter range. Finally, online tracking of a mobile object was demonstrated in an industrial environment.
description: Zahlreiche Forschungsarbeiten haben das große Potenzial der optische Drahtlostechnologie sowohl für die Kommunikation als auch für die Ortung aufgezeigt. Die optische Drahtlostechnologie benutzt das Licht als neues Medium für die mobile Vernetzung. Der Bedarf an drahtloser Kommunikation und Ortung in Innenräumen wird aufgrund der aufkommenden Anwendungen des Internets der Dinge drastisch steigen. Das Funkspektrum ist jedoch überlastet, es kann nur begrenzt im Raum wiederverwendet werden. Der herkömmliche Ansatz zur Verdichtung des Netzes reicht nicht aus, da Interferenzen auftreten, die aufgrund der Ausbreitungseigenschaften von Funkwellen innerhalb von Gebäuden nicht mehr effizient kontrolliert werden können. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden, ist der Einsatz der optischen Drahtlostechnologie. Sie kann hohe Datenraten über Sichtverbindungen bereitstellen, wobei die Ausbreitung zum Beispiel durch die Wände räumlich besser abgegrenzt ist. So lassen sich Interferenzen im Vergleich zum Funk leichter bewältigen. Außerdem hat das Licht einzigartige Eigenschaften. Es ist unempfindlich gegen, und erzeugt selbst keine elektromagnetische Störungen und die Mehrwegeausbreitung ist vernachlässigbar. Beides ist für die Kommunikation und Ortung interessant. Allerdings sind optische drahtlose Verbindungen anfällig dafür, dass die Sichtverbindung unterbrochen ist. Kamerabasierte Techniken zeigen, dass Licht für die Ortung genutzt werden kann. Jedoch fordern die Nutzer eine enge Integration der Ortung mit der drahtlosen Kommunikation, anstatt zwei Technologien einzusetzen. Es war ein offenes Thema, welche Präzision für die Ortung mit den heutigen Kommunikationsprotokollen erreicht werden kann. Ziel dieser Arbeit ist es, die Zuverlässigkeit und Robustheit der optischen drahtlosen Kommunikation durch den Einsatz einer verteilten Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO)-Topologie zu verbessern und zu demonstrieren, dass dasselbe System auch für eine präzise Positionierung verwendet werden kann. Mit verteiltem MIMO kann man das Blockierungsproblem lösen und durch redundante Pfade zuverlässige, robuste optische Drahtlosverbindungen realisieren. Für die Verteilung der optischen Signale von der Zentraleinheit zu den verteilten optischen Frontends wird eine optische Plastikfaser verwendet. Das ermöglicht eine rein optische Übertragung über die Plastikfaser und dann über den drahtlosen optische Kanal, was besonders robust gegen elektromagnetische Störungen ist. Die Leistungsfähigkeit verschiedener Diversitäts- und Raummultiplextechniken wurde für die Kommunikation mit einem und mit mehreren Benutzern verglichen und die Ergebnisse zeigen die Vorteile gegenüber dem klassischem Zeitmultiplex auf. Die Arbeit enthält neue Ergebnisse zur selektiven Kombination der Empfangssignale, zur Winkeldiversität und zum Mehrnutzermultiplex. Das System wurde in verschiedenen Szenarien getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein adaptives Umschalten des räumlichen Übertragungsverfahrens der beste Lösungsansatz ist, um Mobilität zu unterstützen und gleichzeitig eine hohe Leistung zu erzielen. Für die Integration von Positionierung und Kommunikation wird die Time-of-Flight- Methode gewählt. Als Beispiel wird die Positionierung unter Verwendung des ITU-T G.9991-Standards für optische drahtlose Kommunikation implementiert. Die Laufzeit wird mit Hilfe der groben und feinen Zeitsynchronisation extrahiert, die bereits in der physikalischen Schicht verfügbar sind. Am mobilen Gerät wird die Entfernung zu mehreren Sendern gemessen und die 3D-Position mittels Trilateration berechnet. Simulationen zeigen eine Genauigkeit kleiner 1 cm. Das System wurde im Labor, in einem Konferenzraum und in einem Fertigungsszenario getestet und zeigt eine 3DPositionsgenauigkeit im Zentimeterbereich. Schließlich wurde auch die Online-Verfolgung eines mobilen Objekts in einem Industrieszenario demonstriert.