Li-Fi: Navegação Assistida por LEDs

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Rodrigues, João Pedro Pessegueiro
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/14569
Resumo: Trabalho Final de Mestrado para Obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações na Área de Especialização em Telecomunicações
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spelling Li-Fi: Navegação Assistida por LEDsLi-FiVLCLED-RGBVFotodetetorPosicionamentoNavegaçãoPhotodetectorPositioningNavigationTrabalho Final de Mestrado para Obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações na Área de Especialização em TelecomunicaçõesA integração de dispositivos de Internet of Things (IoT) e Light Fidelity (Li-Fi) revela-se um campo promissor na evolução tecnológica, associada à tendência atual de incorporação de serviços de localização, em equipamentos inteligentes. Apesar do Sistema de Posicionamento Global (GPS) funcionar bem em ambientes exteriores, o mesmo não acontece em ambientes fechados, como edifícios ou locais subterrâneos, em que o sinal é atenuado ou refletido pelos materiais que os constituem, levando à falha de serviço ou imprecisão no posicionamento. Atualmente existem diferentes tecnologias de navegação, para uso em ambientes interiores. Grande parte é baseada em sinais de Radiofrequência (RF), como é o caso do Wireless Fidelity (Wi-Fi), que tem uma precisão baixa para posicionamento, quando é mais acessível. No entanto o espectro RF está cada vez mais limitado, devido ao aumento de tráfego. Nem mesmo com a eficiência espectral e reutilização de frequência, se consegue resolver esta questão. Por outro lado, o espectro do visível, no qual o Li-Fi se baseia, encontra-se totalmente livre. A grande vantagem de usar Li-Fi em vez de Wi-Fi, para localização em ambientes interiores, é a obtenção de melhor desempenho a um preço menor. Isto porque, num edifício, existem dez vezes mais Díodos Emissores de Luz(LEDs), em comparação com os Pontos de Acesso (APs) Wi-Fi. Assim, os LEDs permitem uma triangulação mais rápida e precisa, do dispositivo móvel e a reutilização dos mesmos para comunicação torna-os na opção mais sustentável. Por estas razões, a tecnologia de Comunicação por Luz Visível (VLC), no qual o Li-Fi se baseia, estará na vanguarda dos futuros serviços baseados em localização indoor e constitui uma das tecnologias que a Sexta Geração (6G) das telecomunicações irá incluir. Nesta tese descreve-se a caracterização de um sistema de comunicação através de luz visível, em que os dados são transmitidos através de uma lâmpada tetracromática de LEDs (RGBV-LED). Os LEDs permitem comutar diferentes níveis de intensidade de luz, a uma taxa elevada e impercetível pelo olho humano. Esta funcionalidade pode ser usada para comunicação, onde os dados são codificados na luz emitida, permitindo que os LEDs possam ser utilizados para fornecer iluminação e também para comunicação. Assim, a lâmpada de iluminação, envia dados (incorporados no sinal ótico emitido), que são transmitidos e recebidos por um fotodetetor, baseado em ligas de Silício Amorfo Hidrogenado (a-SiC:H) com propriedades de filtragem e de desmultiplexagem. A caracterização do canal de comunicação por luz visível, estabelecido entre a infraestrutura de iluminação e comunicação e o utilizador móvel, em condições de linha de vista, é discutida neste trabalho. Recorreu-se ao modelo Lambertiano para caracterizar a distribuição de sinal ótico do LED. O ganho do canal foi calculado, assumindo uma configuração quadrangular dos LEDs tetracomáticos, em que os dados a transmitir, juntamente com os identificadores, atribuídos à localização física dos transmissores, foram enviados usando um esquema com modulação On-Off Keying (OOK). Foi determinada a cobertura do sinal e as respetivas regiões footprint, dentro de cada célula unitária, o que permitiu estimar o sinal multiplexado recebido pelo fotodetetor. Este modelo foi calibrado com os dados experimentais obtidos no protótipo laboratorial. A descodificação do sinal multiplexado ocorreu, numa primeira fase, a uma curva de calibração e, posteriormente, foi otimizada através da metodologia de bits de controlo de paridade, o que permitiu melhorar significativamente a Taxa de Erro de Bits (BER) do sistema. O sistema de navegação por Li-Fi foi analisado através da simulação de demonstrações de localização indoor de elevada resolução.The integration of Internet of Things (IoT) and Light Fidelity (Li-Fi) devices is a promising field in technological evolution, associated with the current trend of incorporating location services in smart devices. Although the Global Positioning System (GPS) works well outdoors, the same does not happen indoors, such as in buildings or underground locations, where the signal is attenuated or reflected by the materials that constitute them, leading to service failure or inaccuracy in positioning. Today there are different navigation technologies for indoor use. Most are based on Radio Frequency (RF) signals, such as Wireless Fidelity (Wi-Fi), which has a low accuracy for positioning when it is more accessible. However, the RF spectrum is increasingly limited due to increased traffic, and even with spectral efficiency and frequency reuse, this cannot be solved. On the other hand, the visible spectrum, on which Li-Fi is based, is completely free. The big advantage of using Li-Fi, instead of Wi-Fi, for indoor location is that you get better performance at a lower price. That´s because in a building there are ten times more Light Emitting Diodes (LEDs), compared to Wi-Fi Access Points (APs). So, LEDs enable faster and more accurate triangulation of the mobile device and reusing them for communication makes them the most sustainable option. For these reasons, Visible Light Communication (VLC) technology, on which Li-Fi is based, will be at the forefront of future indoor location-based services and is one of the technologies that the Sixth Generation (6G) of telecommunications will include. This thesis describes the characterization of a communication system using visible light, in which data is transmitted through a tetrachromatic LED lamp (RGBV-LED). LEDs allow switching different levels of light intensity at a high rate, that is imperceptible to the human eye. This functionality can be used for communication where data is encoded in the emitted light, allowing the LEDs to be used to provide illumination as well as for communication. Thus, the illumination lamp, sends data (embedded in the emitted optical signal), which is transmitted and received by a photodetector based on Hydrogenated Amorphous Silicon (a-SiC:H) alloys with filtering and demultiplexing properties. The characterization of the visible light communication channel, established between the lighting and communication infrastructure and the mobile user, under line-of-sight conditions, is discussed in this work. The Lambertian model was used to characterize the optical signal distribution of the LED. The channel gain was calculated assuming a quadrangular configuration of the tetrachromatic LEDs, where the data to be transmitted along with identifiers, assigned to the physical location of the transmitters, were sent using an On-Off Keying (OOK) modulated scheme. The signal coverage and the respective footprint regions within each unit cell were determined, which allowed estimation of the multiplexed signal, received by the photodetector. This model was calibrated with experimental data, obtained from the laboratory prototype. The decoding of the multiplexed signal first occurred to a calibration curve and was subsequently optimized using the parity control bit methodology, which allowed the Bit Error Rate (BER) of the system to be significantly improved. The Li-Fi navigation system was analyzed by simulating high-resolution indoor localization demonstrations.Instituto Superior de Engenharia de LisboaVieira, Maria Manuela Almeida CarvalhoLouro, Paula Maria GarciaRCIPLRodrigues, João Pedro Pessegueiro2022-04-19T09:48:14Z2022-032022-03-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/14569TID:202995763porRODRIGUES, João Pedro Pessegueiro – Li-Fi: Navegação Assistida por LEDs. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2022. Dissertação de Mestrado.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-08-03T10:10:54Zoai:repositorio.ipl.pt:10400.21/14569Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:22:21.119214Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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