Software-Defined Low-Complex Visible Light Communication

252 Pages·2016·12.64 MB·English

by  Stefan Matthias Schmid

ETH Library
Software-Defined Low-Complex
Visible Light Communication
Networks
Doctoral Thesis
Author(s):
Schmid, Stefan M.
Publication date:
2016
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010811920
Rights / license:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
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Software-Defined Low-Complex
Visible Light Communication Networks
Stefan Matthias Schmid
Diss. ET H No. 23779

Diss.ETHNo.23779
Software-Defined Low-Complex
Visible Light Communication Networks
Athesissubmittedtoattainthedegreeof
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr.sc.ETHZurich)
presentedby
Stefan Matthias Schmid
MasterofScienceETHinComputerScience
bornon20December1983
citizenof
SchaffhausenSHandRorschacherbergSG
Switzerland
acceptedontherecommendationof
Prof.Dr.ThomasR.Gross,examiner
Dr.StefanMangold,co-examiner
Prof.Dr.KoenG.Langendoen,co-examiner
Prof.Dr.EdwardW.Knightly,co-examiner
2016
Software-DefinedLow-ComplexVisibleLightCommunicationNetworks
©2016StefanMatthiasSchmid
ABSTRACT
Today,everythingisconnected.TheInternettransportsamassive
amountofdataeverysecond,andthetrafficcreatedbysocialme-
dia, instant messaging, and video streaming is growing day by
day. The last step to end user devices, such as mobile phones
or laptops, is usually bridged via a wireless connection. Data
is transmitted wirelessly using electromagnetic waves with car-
rierfrequencieswithintheradiospectrum,whichisstrictlyregu-
latedbygovernmentorganizations.Thewirelesscommunication
industry tries to keep up with the data growth and regularly re-
leases new standards based on technological improvements to
increase the achievable data rates. The communication channel
capacity, and thus the maximum possible data rate, depends on
theavailablebandwidth.Asonlylimitedspectrumslicesarefree
for commercial and private use, a certain data rate cap will be
reached at some point. Fortunately, there is a large piece of the
electromagnetic spectrum at hand, also known as Visible Light,
thatisnotregulatedandcanbeexploitedforwirelesscommuni-
cation.
Visible light as communication medium has many promising
characteristics. Since the medium can be seen, communication
becomes directable and provides visible feedback. Light cannot
pass (most) solid objects and can therefore be simply contained
within a room, providing a secure communication channel. Fur-
thermore, light sources are available everywhere, enabling the
reuseofexistinginfrastructuretocombineilluminationandcom-
munication.
In contrast to other works in the field of Visible Light Com-
munication(VLC),addressingnewmodulationschemesanddata
rate improvements, this thesis focuses on a low-complex and
software-definedapproachandpresentsinexpensiveVLCsystems
for different scenarios. Basic microcontrollers, off-the-shelf Light
EmittingDiodes(LEDs)usedassenderandreceiver,andsoftware-
based communication protocols provide a solid basis for VLC
iii
networking. The communication protocols presented in this the-
sis simultaneously provide illumination (without flickering) and
communicationandcanbeappliedtovariousconsumerdevices,
such as toys, mobile phones and lighting infrastructure, while
reusing hardware already in place. The capabilities of the intro-
duced communication protocols are further demonstrated with
a system based on modified LED light bulbs, called EnLighting,
that can be used for illumination and at the same time provides
a room area network. It allows communication with visible light
andalsorepresentsapromisingplatformforindoorlocalization.
As this thesis aims for low-cost, low-complex, and software-
centric system designs, a diversity of devices can be intercon-
nected with a single set of protocols at moderate data rates, en-
ablingnewinteractiontechniquesandapplications.Moreover,an
unintrusiveandubiquitoussystemlikeEnLightingcanprovidea
communication fabric for the many devices of the envisioned In-
ternetofThingswithoutrelyingonthecrowdedradiospectrum.
iv
ZUSAMMENFASSUNG
Heutzutage ist alles vernetzt. Jeden Tag werden riesige Daten-
mengen durch das Internet transportiert. Der Datenverkehr, er-
zeugt durch die sozialen Medien, Sofortnachrichten und Video-
Streaming, nimmt mit jedem Tag zu. Der letzte Abschnitt des
Übertragungsweges zu einem Endbenutzergerät, wie beispiels-
weiseeinemMobiltelefonoderLaptop,erfolgtmeistensdrahtlos.
Daten können drahtlos mit Hilfe von elektromagnetischen Wel-
len übermittelt werden. Für die Trägerwellen werden Radiofre-
quenzen verwendet, die durch Regierungsorganisationen streng
reguliertwerden.DieTelekommunikationsindustrieversuchtmit
dem Datenwachstum Schritt zu halten und veröffentlicht regel-
mässigneueKommunikationsstandards,dieauftechnischenVer-
besserungen beruhen und höhere Datenraten ermöglichen. Die
Kapazität eines Kommunikationskanals definiert die maximale
Datenrate und ist abhängig von der verfügbaren Bandbreite. Da
nur kleine Teile des Radiospektrums für private und kommerzi-
elleZweckefreigegebensind,wirdirgendwanneineObergrenze
der möglichen Datenübertragungsrate erreicht werden. Erfreuli-
cherweise steht aber noch ein anderer grosser Teil des elektro-
magnetischenSpektrums,auchbesserbekanntalssichtbaresLicht,
zur Verfügung. Dieser Teil des Spektrums ist nicht reguliert und
kannauchfürdrahtloseKommunikationgenutztwerden.
Ein Kommunikationsmedium basierend auf sichtbarem Licht
hat vielversprechende Eigenschaften. Da das Medium sichtbar
ist, kann die Kommunikation einfach in bestimmte Richtungen
gelenkt werden. Es ist auch möglich Licht auf einfache Weise
nur auf einen Raum zu begrenzen. Dadurch kann ein sicherer
Kommunikationskanal entstehen, der von ausserhalb des Raum-
esnichtabgehörtwerdenkann.AusserdemsindLichtquellenan
vielen Orten bereits vorhanden. Diese bereits existierende Infra-
struktur kann verwendet werden, um Beleuchtung mit Kommu-
nikationzukombinieren.
v
Andere Arbeiten im Bereich der Kommunikation mit sichtba-
rem Licht behandeln und verbessern Modulationsarten mit dem
Ziel, die Datenrate zu erhöhen. Im Gegensatz dazu befasst sich
diese Arbeit mit möglichst einfachen und softwarebasierten An-
sätzenfürkostengünstigeundlichtbasierteKommunikationssys-
teme, die in verschiedenen Szenarien eingesetzt werden können.
Simple Mikrokontroller, handelsübliche Leuchtdioden, die zum
Senden und Empfangen benutzt werden können, und software-
basierte Protokolle bilden eine stabile Grundlage für lichtbasier-
te Kommunikationsnetzwerke. Diese Arbeit stellt Kommunika-
tionsprotokolle vor, die Beleuchtung und Kommunikation mit-
einander kombinieren (ohne sichtbares Flackern) und von ver-
schiedenEndkundengeräten,wiezumBeispielSpielzeug,Mobil-
telefone oder Leuchten, verwendet werden können, indem mög-
lichstHardware,diebereitsvorhandenist,ausgenutztwird.Das
EnLighting System, bestehend aus modifizierten Leuchten, zeigt
die Möglichkeiten der vorgestellten Protokolle auf: Die Lampen
können zur Beleuchtung eingesetzt werden, zeitgleich wird aber
auch ein Netzwerk innerhalb des Raumes aufgebaut, das Kom-
munikationmitsichtbaremLichtermöglicht.Weiterbeweistsich
das System auch als eine vielversprechende Plattform zur Loka-
lisierunginnerhalbvonGebäuden.
DasZieldieserArbeitistes,einfache,kostengünstigeundsoft-
warebasierte Systemkonzepte zu definieren, die es ermöglichen,
eine Vielzahl von Geräten mit denselben Protokollen zu vernet-
zen. Die erreichten Datenraten fördern neue Anwendungsberei-
cheundInteraktionstechniken.Ausserdembieteteinunaufdring-
lichesundallgegenwärtigesSystemwieEnLightingeineKommu-
nikationsstruktur, die für das Internet der Dinge genutzt werden
könnte,ohnedasdichtbelegteRadiospektrumzubelasten.
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PUBLICATIONS
Thefollowingpublicationsareincludedinpartorinanextended
versioninthisthesis:
• S.Schmidetal.“AnLED-to-LEDVisibleLightCommunica-
tionSystemwithSoftware-basedSynchronization.”In:Proc.
IEEEGlobecomWorkshops.Dec.2012,pp.1264–1268
• S.Schmidetal.“LED-to-LEDVisibleLightCommunication
Networks.” In: Proceedings of the Fourteenth ACM Interna-
tional Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Comput-
ing.MobiHoc’13.Bangalore,India:ACM,2013,pp.1–10
• S. Schmid et al. “(In)Visible Light Communication: Com-
bining Illumination and Communication.” In: ACM SIG-
GRAPH 2014 Emerging Technologies. SIGGRAPH ’14. Van-
couver,Canada:ACM,2014,13:1–13:1
• S.Schmidetal.“UsingConsumerLEDLightBulbsforLow-
costVisibleLightCommunicationSystems.”In:Proceedings
ofthe1stACMMobiComWorkshoponVisibleLightCommuni-
cation Systems. VLCS ’14. Maui, Hawaii, USA: ACM, 2014,
pp.9–14
• S. Schmid et al. “Continuous Synchronization for LED-to-
LEDVisibleLightCommunicationNetworks.”In:Proc.3rd
Int Optical Wireless Communications (IWOW) Workshop in.
Sept.2014,pp.45–49
• S. Schmid et al. “From Sound to Sight: Using Audio Pro-
cessing to Enable Visible Light Communication.” In: Proc.
IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps). Dec. 2014, pp. 518–
523
• S. Schmid et al. “Linux Light Bulbs: Enabling Internet Pro-
tocolConnectivityforLightBulbNetworks.”In:Proceedings
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