De nos jours, le nombre d'appareils connectés nécessitant un accès aux données mobiles est en augmentation constante. L'arrivée d'encore plus d'ojects multimédias connectés et la demande croissante d'informations par appareil ont mis en évidence les limites de la quatrième génération de réseaux cellulaires (4G). Cela a poussé au développement de nouvelles méthodes, dont la 5G. L'objectif est d'être en mesure de prendre en charge la croissance des systèmes portables, des capteurs ou des sysèmes associés à l'internet des objets (IoT). La vision derrière la 5G est de permettre une société entièrement mobile et connectée avec une expérience consistente.Les petites cellules sont la base des normes de communication avancées telles que 4G et maintenant 5G. Ils résultent de l’utilisation de bandes de fréquences plus élevées pour l’accès radiofréquences (RF) afin de supporter de nouvelles normes et exigences croissantes en bande passante. La 5G utilise des ondes millimétriques et nécessite un déploiement dans un environnement urbain intérieur et urbain dense, ce qui peut s'avérer être un défi. C’est là que la 5G devra inclure des solutions de réseau hybrides et pouvoir coexister avec d’autres technologies d’accès sans fil. La communication par lumière visible (VLC) s’inscrit dans ce moule puisque la lumière visible correspond à la bande comprise entre 400 et 800 THz. Le spectre disponible est des milliers de fois plus large que le spectre RF et il n’interfère pas avec celui-ci. Le principe se base sur la combinaison de l'éclairage avec un lien de communication pouvant atteindre des dizaines de gigabits par seconde. Le potentiel est d’offrir un complément à la 5G dans un réseau hybride, offrant une vitesse élevée, aucune interférence et une sécurité accrue au prix d’une couverture limitée et d’une faible maturité technologique.L’objectif de cette thèse est donc de proposer et d’évaluer une implémentation expérimentale d’un système VLC en intérieur et multi-utilisateurs afin de répondre aux objectifs de la configuration light-fidelity (Li-Fi) dans le contexte d’une petite cellule. La première étape de cette étude est un état de l'art détaillé sur le principe de VLC dans la communication sans fil en intérieur et de l’accès multi-utilisateur. Cela permet de mieux expliquer le concept de notre désign et de comparer notre approche aux travaux existants. La deuxième étape consiste en une analyse des principes et des hypothèses pour le système VLC multi-utilisateurs en intérieur portant à la fois sur la technique de modulation et sur les schémas d’accès multi-utilisateurs. Les conclusions tirées des analyses théoriques et numériques servent de base pour la suite du travail. La troisième étape consiste en plusieurs analyses expérimentales sur l'optimisation des performances de diffusion pour un utilisateur unique, puis sur les performances multi-utilisateurs du système à l'aide de divers schémas d'accès. Le débit total avec une LED blanche commerciale atteint 163 Mb/s avec un taux d'erreur réduit d'un facteur de 3,55 grâce au processus d'optimisation des performances. Cette technique a l'avantage d'augmenter la flexibilité pour un scénario avec plusieurs utilisateurs sans augmenter la complexité car seuls les paramètres des filtres de modulation sont altérés. La taille de la cellule obtenue est de 4.56 m² à une distance de 2,15 mètres du transmetteur. Le capacité peut atteindre jusqu'à 40 utilisateurs, ou 40.62 Mb/s dans un scénario à 4 utilisateurs. Il est donc démontré que le système proposé pourrait fonctionner comme une cellule à une distance réaliste, avec un débit de données élevé et la capacité de répondre aux besoins d’un grand nombre d’utilisateurs tout en limitant les coûts de mise en œuvre. / Nowadays, the number of connected devices requiring access to mobile data is considerably increasing. The arrival of even more connected multimedia objects and the growing demand for more information per device highlighted the limits of the fourth generation of broadband cellular networks (4G). This pushed for the development of new methods, one of which is 5G. The goal is to be able to support the growth of wearable, sensors, or related internet-of-object (IoT) systems. The vision behind 5G is to enable a fully mobile and connected society with a consistent experience. In consequence, there is a fundamental need to achieve a seamless and consistent user experience across time and space.Small cells are the basis of advanced communications standards such as 4G and now, 5G. They exist as a result of using higher frequency bands for RF access in order to support new standards and the increasing demands in bandwidth. 5G use millimeter waves and requires a deployment across indoor and dense urban environment which may prove to be a challenge. This is where 5G will need to include hybrid networking solutions and be able to coexist with other wireless access technologies. Visible light communication (VLC) fits into that mold since visible light corresponds to the band between 400 and 800 THz. The available spectrum is multiple thousand times the size of the RF spectrum and it does not interfere with it. The technique combines illumination with communication at possibly tens of gigabits per second. It has the potential to offer a synergistic pairing with 5G in a hybrid network, offering high speed, no interferences, and more security at the cost of limited coverage and low technological maturity.The goal of this thesis is thus to propose and evaluate an experimental implementation of an indoor multi-user VLC system in order to answer the objectives of Li-Fi setup in the context of a small cell. The first step of this study is a detailed state-of-the-art on VLC in indoor wireless communication and multi-user access. It allows the design of our work to be better explained and to compare our approach with existing works. The second step is an analysis of the principles and hypothesis supporting the indoor multi-user VLC system in the study both on the modulation technique and the multi-user access schemes. The conclusions drawn from theoretical and numerical analysis are used as a basis for the rest of the work. The third step is the experimental setup investigations on the single-user broadcast performances optimization and then on the multi-user performances of the system using various schemes. The total throughput using an off-the-shelf white LED reaches 163 Mb/s with a bit-error rate decreased by a factor of 3.55 thanks to the performance optimization process. This technique has the advantage of increasing the flexibility for a multi-access scenario while not augmenting the complexity as it only optimizes the modulation filter parameters. The multi-user access is obtained for a cell size of 4.56 m² at a distance of 2.15 meter away from the transmitter. The user capacity can reach up to 40 users, or 40.62 Mb/s in a 4-user scenario. It is thus demonstrated that the proposed system could function as a cell at a realistic range, with high data rate and the ability to provide for a large amount of users while limiting the cost of implementation.

People around the globe are immensely trying to connect using light as carrier due to its low power consumption and high data transfer rates. Sound and microwaves are examples of other carriers that can be used, although they aren't nearly as efficient as light. A method of communicating is using light beneath the surface of the water. As the depth of the water increases, the temperature, pressure, and salinity of the water are changed. The refractive index of water is determined by the combination of all of these variable parameters. The goal of this thesis is to establish a relationship between changes in water temperature, salinity, and pressure resulting in changes of the refractive Index of the sea water. This thesis will demonstrate an empirical model of travelling the ultraviolet wave under sea water. We are acknowledging all of the properties that are change as the depth of the water is increasing. MATLAB was used to create a simulation of this scenario. Based on previous model of light traveling which covers the wavelengths between 400-700 nm, we have extended the model to ultraviolet range of light (200-400 nm).We design an experimental set up according to sea water parameters and then the experimental results are compared to the simulation results. The comparison shows the validity of our extension model.

Dans cette thèse, nous avons développé de nouveaux cadres d'analyse pour analyser et optimiser les futurs réseaux cellulaires à l'aide de la géométrie stochastique et des processus ponctuels. Cette thèse fournit quatre contributions techniques principales.Nous analysons d’abord les réseaux émergents capables de communiquer en utilisant la lumière plutôt que les ondes radio. Dans ce contexte, nous proposons un cadre analytique innovant qui nous permet d’estimer la probabilité de couverture et le débit moyen des réseaux distribués dans l’espace, qui sont utilisés pour mieux comprendre l’optimisation du système.Deuxièmement, nous proposons une méthodologie innovante pour modéliser des réseaux cellulaires spatialement corrélés en utilisant des processus ponctuels non homogènes. L'approche proposée est testée par rapport au déploiement pratique de réseaux cellulaires et s'est révélée pratique et précise. Il est appliqué à l'analyse des réseaux de communication à lumière visible et l'impact de la corrélation spatiale est étudié.Troisièmement, nous abordons le problème ouvert de la modélisation de réseaux cellulaires MIMO massifs. Nous étudions les réseaux cellulaires montants et descendants et proposons de nouvelles limites supérieures et inférieures pour l'efficacité spectrale moyenne, ce qui nous permet d'identifier le nombre optimal d'utilisateurs à desservir dans chaque cellule du réseau et l'impact de plusieurs paramètres clés du système.Quatrièmement, nous présentons et analysons les performances d'un nouvel algorithme de planification prenant en compte les interférences pour une application sur la liaison montante des réseaux cellulaires. L’approche proposée consiste à assourdir certains utilisateurs afin de réduire le niveau d’interférence. La performance réalisable et l'équité utilisateur de l'approche proposée sont discutées et quantifiées analytiquement. / In this thesis, we have developed new analytical frameworks for analyzing and optimizing future cellular networks with the aid of stochastic geometry and point processes. This thesis provides four main technical contributions.First, we analyze emerging networks that can communicate by using light instead of radio waves. In this context, we propose an innovative analytical framework that allows us to estimate the coverage probability and the average rate of spatially distributed networks, which are used to gain insight for system optimization.Second, we propose an innovative methodology for modeling spatially correlated cellular networks by using inhomogeneous point processes. The proposed approach is tested against practical deployment of cellular networks and found to be tractable and accurate. It is applied to the analysis of visible light communication networks, and the impact of spatial correlation is studied.Third, we tackle the open problem of modeling Massive MIMO cellular networks. We study uplink and downlink cellular networks and propose new upper and lower bounds for the average spectral efficiency, which allow us to identify the optimal number of user to serve in each cell of the network and the impact of several key system parameters.Fourth, we introduce and analyze the performance of a new interference-aware scheduling algorithm for application to the uplink of cellular networks. The proposed approach is based on muting some users in order to reduce the level of interference. The achievable performance and the user-fairness of the proposed approach are discussed and quantified analytically.

Visible light communication (VLC) is a novel complement to Radio Frequency Communication (RFC) and has many applications in wireless communication, indoor positioning and where RFC is not applicable. The problem is that the technology is black-boxed and therefore hard to apply in today’s design process. For designers to be able to use VLC in their creative process, this study uses the Inspirational Bits approach to expose the materiality of VLC by asking the question: How can we design artefacts that allow designers to engage in a conversation with Visible Light Communication as a material? Through Constructive Design Research, the technology was studied in iterations by building prototypes and reflecting on them. The prototypes are evaluated in two design workshops through observation and gathered feedback from 11 participants. As a result, seven artefacts were constructed to expose seven potential material properties of VLC. The observations and collected feedback show also that the artefacts help designers to gain tacit knowledge about VLC. The artefacts use the Arduino platform and standard electrical components. A by-product of this study is the "lumoino" toolkit for tinkering and prototyping with VLC. Eventually, strengths and weaknesses are discussed, and future work sections show the potential extensions of the artefacts and expansions of the toolkit. / ”Kommunikation med synligt ljus” (VLC) som ett design material är ett komplement till ”radio frekvens kommunikation” och har många applikationer inom trådlös kommunikation, Inomhuspositionering, och situationer där RFC inte är applicerbart. Problematiken med teknologi är att den ofta inte är synlig, och därför är svår att inkludera i dagens design processer. För att designers ska kunna använda sig av VLC i deras kreativa process, utgår denna studie från ”Inspirational Bits” förhållningsätt till design, och ämnar utforska följande frågeställning: Hur kan vi designa artefakter som tillåter designers att engagera sig i en konversation med ”kommunikation med synligt ljus” (VLC) som ett design material? Genom ”konstruktiv designforskning”, studerades prototyper av teknologin följt av analys. Processen upprepades med ett flertal modeller. Prototyperna utvärderades i två design-workshops, genom observation av och respons från 11 deltagare. Som resultat, byggdes sju stycken artefakter för att belysa sju stycken potentiella materiella egenskaper av VLC. Observationerna och den samlade responsen visade också att artefakterna hjälpte designers att få taktil kunskap om VLC. Artefakterna baserades på ”the Arduino Platform” och elektriska standard komponenter. En biprodukt av denna studie är ”the lumoino toolkit for tinkering and prototyping with VLC”. Eventuella styrkor och svagheter diskuteras och stycket framtida arbete visar potentiella utvecklingar och expantioner av ”the lumoino toolkit”.

L'objectif de cette thèse CIFRE est de contribuer à la communication véhiculaire autonome et au développement de la mobilité urbaine. Les travaux sont basés sur les limitations et défis de la communication par radio pour les applications de sécurité et envisagent de déployer le système d'éclairage des véhicules en tant que solution de communication de soutien pour le platooning d'IVC-activées par VC Véhicules autonomes. L'objectif principale de cette recherche doctorale consiste à intégrer le système VLC dans l'architecture existante de C-ITS en développant un prototype VLC, ainsi que des algorithmes de transfert suffisants permettant VLC, RF et des solutions basées sur la perception afin d'assurer les exigences de sécurité maximales et l'échange continu d'informations entre les véhicules. La faisabilité et l'efficacité de la mise en oeuvre du système et des algorithmes de transfert ont fait l'objet de recherches approfondies sur six chapitres, destinés à faciliter une progression logique des matériaux et permettre un accès relativement facile. En plus de l'amélioration de la capacité routière en utilisant les systèmes de conduite autonome à la base de convoi. Les simulations réalisées ainsi que les résultats expérimentaux ont montré que l'intégration de VLC avec les solutions existantes RF a un avantage certain dans la qualité du canal de communication et les exigences de sécurité d'un système de platooning quand un algorithme approprié est utilisé. / This thesis effort contributes to the autonomous vehicular communication and urban mobility improvements. The work addresses the main radio-based V2V communication limitations and challenges for ITS hard-safety applications and intends to deploy the vehicular lighting system as a supportive communication solution for platooning of IVC-enabled autonomous vehicles. The ultimate objectives of this Ph.D research are to integrate the VLC system within the existing C-ITS architecture by developing a VLC prototype, together with sufficient, hand-over algorithms enabling VLC, RF, and perception-based solutions in order to ensure the maximum safety requirements and the continuous information exchange between vehicles. The feasibility and efficiency of the VLC-RF system implementation and hand-over algorithms were subjects to deep investigations over six self-contained chapters meant to facilitate a logical progression of materials and to enable a relatively easy access. In addition to the improvement in road capacity by utilizing the convoy-based autonomous driving systems. The carried out simulations followed-up by experimental results proved that the integration of VLC with the existed RF solutions lead to a definite benefit in the communication channel quality and safety requirements of a platooning system when a proper hand-over algorithm is utilized.

O uso crescente de dispositivos móveis e o advento da Internet das Coisas têm demandado esforços para prover alternativas de comunicação sem fio. A utilização de sistemas óticos para a transmissão de dados apresenta-se como uma tecnologia promissora e complementar à comunicação por radiofrequência, especialmente devido aos desenvolvimentos consideráveis na tecnologia de iluminação por estado sólido e sua adoção em vários domínios. Os diodos de emissão de luz podem ser utilizados na promoção de comunicação por luz visível em ambientes internos e externos. Nos ambientes externos há inúmeras oportunidades a serem exploradas no que concerne aos Sistemas Inteligentes de Transporte, visto que os diodos de emissão de luz têm sido utilizados em luminárias públicas, semáforos e veículos. Esta pesquisa propôs o desenvolvimento e a avaliação de um sistema de comunicação por luz visível entre elementos da infraestrutura urbana e veículos, mais especificamente, luminárias públicas baseadas em diodos de emissão de luz e o modal de transporte público representado pelos ônibus que circulam em faixas exclusivas. A metodologia foi composta por simulação computacional e pela construção de um protótipo para auxiliar na validação das soluções propostas. O sistema complementar de comunicação sem fio por meio da luz proposto fornece pode fornecer subsídios à determinação do posicionamento preciso dos ônibus, suprindo as deficiências do sistema GPS em locais menos favoráveis à recepção de seus sinais em uma cidade. Essas informações auxiliam os usuários e os gestores do transporte público, atendendo alguns domínios de serviço em Sistemas Inteligentes de Transporte, de acordo com a norma ISO 14813. Os resultados obtidos nos testes com o protótipo, bem como, aqueles observados na simulação, comprovaram a viabilidade do sistema proposto, com o estabelecimento da comunicação entre luminária e ônibus, inclusive quando trafegando a 60 km/h. / The increasing use of mobile devices and the advent of the Internet of Things have called for efforts to provide alternatives for wireless communication. The use of optical systems for data transmission is a promising and complementary technology to radiofrequency communication, especially due to the considerable developments in solidstate lighting technology and its adoption in various domains. Light-emitting diodes can be used to promote visible light communication in indoor and outdoor environments. In outdoor environments there are numerous opportunities to be explored with regard to Intelligent Transport Systems, since light-emitting diodes have been used in public luminaires, traffic lights and vehicles. This research proposed the development and evaluation of a visible light communication system between elements of the urban infrastructure and vehicles, more specifically, public luminaires based on light-emitting diodes and the mode of public transport represented by buses that circulate in exclusive lanes. The methodology was composed by computational simulation and the construction of a prototype, to assist in the validation of the proposed solutions. The proposed complementary wireless communication system through light provides subsidies to determine the precise positioning of buses, supplying deficiencies of the GPS system in places less favorable to the reception of their signals in a city. This information helps the users and the managers of the public transport, attending some service domains in Intelligent Transport Systems, according to the ISO 14813 standard. The results obtained in the tests with the prototype, as well as those observed in the simulation, proved the feasibility of the proposed system, with the establishment of communication between luminaire and bus, even when traveling at 60 km/h.

O uso crescente de dispositivos móveis e o advento da Internet das Coisas têm demandado esforços para prover alternativas de comunicação sem fio. A utilização de sistemas óticos para a transmissão de dados apresenta-se como uma tecnologia promissora e complementar à comunicação por radiofrequência, especialmente devido aos desenvolvimentos consideráveis na tecnologia de iluminação por estado sólido e sua adoção em vários domínios. Os diodos de emissão de luz podem ser utilizados na promoção de comunicação por luz visível em ambientes internos e externos. Nos ambientes externos há inúmeras oportunidades a serem exploradas no que concerne aos Sistemas Inteligentes de Transporte, visto que os diodos de emissão de luz têm sido utilizados em luminárias públicas, semáforos e veículos. Esta pesquisa propôs o desenvolvimento e a avaliação de um sistema de comunicação por luz visível entre elementos da infraestrutura urbana e veículos, mais especificamente, luminárias públicas baseadas em diodos de emissão de luz e o modal de transporte público representado pelos ônibus que circulam em faixas exclusivas. A metodologia foi composta por simulação computacional e pela construção de um protótipo para auxiliar na validação das soluções propostas. O sistema complementar de comunicação sem fio por meio da luz proposto fornece pode fornecer subsídios à determinação do posicionamento preciso dos ônibus, suprindo as deficiências do sistema GPS em locais menos favoráveis à recepção de seus sinais em uma cidade. Essas informações auxiliam os usuários e os gestores do transporte público, atendendo alguns domínios de serviço em Sistemas Inteligentes de Transporte, de acordo com a norma ISO 14813. Os resultados obtidos nos testes com o protótipo, bem como, aqueles observados na simulação, comprovaram a viabilidade do sistema proposto, com o estabelecimento da comunicação entre luminária e ônibus, inclusive quando trafegando a 60 km/h. / The increasing use of mobile devices and the advent of the Internet of Things have called for efforts to provide alternatives for wireless communication. The use of optical systems for data transmission is a promising and complementary technology to radiofrequency communication, especially due to the considerable developments in solidstate lighting technology and its adoption in various domains. Light-emitting diodes can be used to promote visible light communication in indoor and outdoor environments. In outdoor environments there are numerous opportunities to be explored with regard to Intelligent Transport Systems, since light-emitting diodes have been used in public luminaires, traffic lights and vehicles. This research proposed the development and evaluation of a visible light communication system between elements of the urban infrastructure and vehicles, more specifically, public luminaires based on light-emitting diodes and the mode of public transport represented by buses that circulate in exclusive lanes. The methodology was composed by computational simulation and the construction of a prototype, to assist in the validation of the proposed solutions. The proposed complementary wireless communication system through light provides subsidies to determine the precise positioning of buses, supplying deficiencies of the GPS system in places less favorable to the reception of their signals in a city. This information helps the users and the managers of the public transport, attending some service domains in Intelligent Transport Systems, according to the ISO 14813 standard. The results obtained in the tests with the prototype, as well as those observed in the simulation, proved the feasibility of the proposed system, with the establishment of communication between luminaire and bus, even when traveling at 60 km/h.

科学研究費補助金 研究種目:基盤研究(C)(2) 課題番号:16560330 研究代表者:山里 敬也 研究期間:2004-2005年度

[ES] Las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) constituyen una tecnología muy prometedora para el desarrollo de futuras comunicaciones inalámbricas. De hecho, ha despertado un interés creciente entre los investigadores y varias empresas de todo el mundo trabajan actualmente en el desarrollo de redes inalámbricas de muy alta velocidad. Las comunidades científica e industrial consideran la OWC como una tecnología complementaria en sus diversas formas: comunicaciones ópticas en el espacio libre (FSO), comunicaciones de luz visible (VLC) o fidelidad de la luz (Li-Fi). El espectro óptico ha sido considerado durante muchos años como una gran oportunidad para las comunicaciones inalámbricas, especialmente debido a la saturación del espectro de radiofrecuencia (RF). Esta disertación trata del uso de fuentes de banda ancha en sistemas de transmisión de luz visible (VLC), así como en sistemas de transmisión en el espectro infrarrojo por fibra óptica. En el trabajo de investigación realizado se pueden distinguir tres partes: En la primera parte, se considera el estudio y la simulación de componentes de Diodos Emisores de Luz (LED) con el software WIEN2k centrándose en las propiedades ópticas y eléctricas de los elementos II-VI. La segunda parte trata del diseño, la implementación y las pruebas de diferentes prototipos de comunicación VLC para la transmisión analógica y digital en modo simplex y semidúplex. Hemos demostrado un sistema OWC empleando una fuente de banda ancha (LED) para la transmisión no sólo de datos, sino también para la transmisión inalámbrica de energía. Además, se aborda el problema de la sincronización y la detección del nivel "1" o "0" de un bit en los sistemas de comunicación inalámbrica óptica implementados que surge como consecuencia de la atenuación de la luz a lo largo de la distancia y al problema de la pérdida de línea de visión (NLOS) entre el emisor y el receptor. Para hacer frente a este problema, se ha proporcionado un protocolo de comunicación que garantiza la transmisión fiable de datos digitales con un algoritmo de detección de nivel de bits adaptativo y se ha demostrado su eficacia mediante la transmisión de textos e imágenes. Además, esta tesis aporta una solución para la implementación de transmisores multiplexados en redes con división de longitud de onda (WDM) para formatos de modulación con multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) basados en el uso de fuentes de banda ancha en el espectro infrarrojo para redes de fibra bidireccionales centralizadas. A pesar de las limitaciones impuestas por la dispersión cromática en el uso de este tipo de fuentes ópticas, la inclusión de ciertas estructuras antes de la detección permite la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. En este trabajo se ha demostrado experimentalmente la reutilización de portadoras, la asignación dinámica de ancho de banda y la transmisión de señales OFDM multibanda mediante el uso de fuentes ópticas de banda ancha en redes WDM. Los principales resultados obtenidos en cada parte de esta tesis doctoral muestran los procedimientos de estudio, la eficacia de las soluciones propuestas y las limitaciones encontradas. / [CA] Les comunicacions òptiques sense fils (OWC) constitueixen una tecnologia molt prometedora per al desenvolupament de futures comunicacions sense fils. De fet, ha despertat un interés creixent entre els investigadors i diverses empreses de tot el món treballen actualment en el desenvolupament de xarxes sense fils de molt alta velocitat. Les comunitats científica i industrial consideren la OWC com una tecnologia complementària en les seues diverses formes: comunicacions òptiques en l'espai lliure (FSO), comunicacions de llum visible (VLC) o fidelitat de la llum (Li-Fi). L'espectre òptic ha sigut considerat durant molts anys com una gran oportunitat per a les comunicacions sense fils, especialment a causa de la saturació de l'espectre de radiofreqüència (RF). Aquesta dissertació tracta de l'ús de fonts de banda ampla en sistemes de transmissió de llum visible (VLC), així com en sistemes de transmissió en l'espectre infraroig per fibra òptica. En el treball de recerca realitzat es poden distingir tres parts: ¿ En la primera part, es considera l'estudi i la simulació de components de Díodes Emissors de Llum (LED) amb el software WIEN2k centrant-se en les propietats òptiques i elèctriques dels elements II-VI. ¿ La segona part tracta del disseny, la implementació i les proves de diferents prototips de comunicació VLC per a la transmissió analògica i digital de manera simplex i semidúplex. Hem demostrat un sistema OWC emprant una font de banda ampla (LED) per a la transmissió no sols de dades, sinó també per a la transmissió sense fil d'energia. A més, s'aborda el problema de la sincronització i la detecció del nivell "1" o "0" d'un bit en els sistemes de comunicació sense fil òptica implementats, que sorgeix a conseqüència de l'atenuació de la llum al llarg de la distància i al problema de la pèrdua de línia de visió (NLOS) entre l'emissor i el receptor. Per a fer front a aquest problema, s'ha proporcionat un protocol de comunicació que garanteix la transmissió fiable de dades digitals amb un algorisme de detecció de nivell de bits adaptatiu i s'ha demostrat la seua eficàcia mitjançant la transmissió de textos i imatges. ¿ A més, aquesta tesi aporta una solució per a la implementació de transmissors multiplexats en xarxes amb divisió de longitud d'ona (WDM) per a formats de modulació amb multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) basats en l'ús de fonts de banda ampla en l'espectre infraroig per a xarxes de fibra bidireccionals centralitzades. Malgrat les limitacions imposades per la dispersió cromàtica en l'ús d'aquest tipus de fonts òptiques, la inclusió d'unes certes estructures abans de la detecció permet la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. En aquest treball s'ha demostrat experimentalment la reutilització de portadores, l'assignació dinàmica d'amplada de banda i la transmissió de senyals OFDM multibanda mitjançant l'ús de fonts òptiques de banda ampla en xarxes WDM. Els principals resultats obtinguts en cada part d'aquesta tesi doctoral mostren els procediments d'estudi, l'eficàcia de les solucions proposades i les limitacions trobades. / [EN] Optical wireless communication (OWC) is a very promising technology for future wireless communications developments. It has attracted increasing interest from researchers and several companies around the world are currently working on the development of very high-speed wireless networks. The scientific and industrial communities believe that OWC will be a complementary technology in its various forms: Free Space Optical communications (FSO), Visible Light Communications (VLC), Light Fidelity (Li-Fi). In fact, the optical spectrum has been considered for many years as a great opportunity for wireless communications especially due to the saturation of the radio frequency (RF) spectrum. This dissertation deals with the use of broadband sources in visible light transmission systems (VLC) as well as fiber optic systems. To carry out the research, three parts can be distinguished: In the first part, we consider the study and simulation of Light Emitting Diode (LED) components with the WIEN2k software by focusing on the optical and electrical properties of elements II-VI. The second part deals with the design, implementation and testing of different VLC communication prototypes for analog and digital transmission in simplex and half-duplex mode. We have demonstrated that an OWC system using a broadband source (i.e. an LED) can be used not only for data transmission, but also for wireless power transmission. Moreover, the synchronization problem and the detection of level "1" or "0" of a bit often arise in the optical wireless communication systems. This is a result of the attenuation nature of the light over the distance and the problem of Non Line-Of-Sight (NLOS) between the emitter and the receiver. To deal with this problem, a communication protocol ensuring reliable digital data transmission with an adaptive bit level detection algorithm has been provided and its effectiveness has been demonstrated by the transmission of texts and images. In addition, this thesis provides a solution for the implementation of wavelength division multiplexed - orthogonal frequency division multiplexed (WDM-OFDM) transmitters based on the use of broadband sources in the infrared spectrum for centralized bidirectional fiber networks. Despite the chromatic dispersion that avoids the use of this type of optical sources, the inclusion of certain structures before detection allows the transmission of OFDM signals in optical links. Carrier reuse, dynamic bandwidth allocation and multiband OFDM signals transmission will be experimentally demonstrated by using optical broadband sources in WDM networks. The main results obtained during this thesis work demonstrate the study procedures, for each part, the effectiveness of the proposed solutions as well as the constraints encountered. / Sekkiou, I. (2021). Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172542

Les communications optiques dans le spectre visible (VLC pour Visible-Light Communications) ont attiré une attention particulière depuis quelques années en tant qu'une solution prometteuse pour les réseaux sans fil à très haut-débit dans les milieux intra-bâtiment. Ainsi, cette technique exploite l'infrastructure d’éclairage basée sur les diodes électroluminescentes (LED) pour la transmission de l'information. Pour cette raison, elle offre de nombreux avantages, comparée aux techniques « classiques » basées sur les transmissions radiofréquences (RF), tels que l'existence d'une grande largeur de bande non réglementée, une sécurité de transmission intrinsèque et une immunité aux interférences électromagnétiques.Les principales contraintes liées à l'établissement d'une transmission VLC à très haut-débit dans ce contexte sont la propagation en trajets multiples et les caractéristiques non-idéales des LEDs commerciales, dites « blanches ». L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact réel de ces contraintes sur la transmission des données et de proposer des solutions efficaces de traitement du signal pour atténuer leurs effets. Nous commençons par étudier la réponse impulsionnelle du canal VLC grâce à l'élaboration d'un outil de simulation efficace. Nous évaluons ensuite la sélectivité en fréquence du canal de propagation en considérant différents critères, tels que la réponse fréquentielle, l'étalement temporelle du canal et le rapport signal à interférences. Dans un deuxième temps, compte tenu de la possibilité de la sélectivité en fréquence du canal et aussi la limitation de la bande passante des LEDs, nous étudions la pertinence de l'emploi de différentes techniques de transmission de signaux, notamment celle de l'OFDM optique (pour Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) afin de garantir des débits de transmission compétitifs avec la RF. Etant donné le facteur de crête ou PAPR (pour Peak-to-Average Power Ratio) élevé des signaux modulés en OFDM et la dynamique limitée des LEDs, nous proposons ensuite un nouveau schéma de transmission basé sur la modulation CAP (pour Carrier-less Amplitude and Phase) en plus de l'égalisation dans le domaine fréquentiel (FDE pour Frequency-Domain Equalization) au niveau du récepteur. Nous analysons les performances des liaisons VLC utilisant cette technique et les comparons à l'OFDM optique, en prenant particulièrement en compte la non-linéarité des LEDs. Enfin, nous démontrons l'intérêt de l'utilisation du schéma de transmission CAP-FDE à travers des résultats expérimentaux. / Visible Light Communications (VLC) have attracted particular attention in the research community since a few years as a promising solution for high-speed indoor wireless networks. By exploiting the existing solid-state light-emitting diode (LED) lighting infrastructure, VLC offer numerous advantages such as a large unlicensed bandwidth, transmission security, and immunity to electro-magnetic interference compared to their radiofrequency counterparts. Within the context of indoor VLC, the multipath propagation channel and the non-ideal characteristics of the commercial white LEDs cause the main limitations for achieving high data-rate transmission. The objective of this thesis is to investigate the true impact of these limitations on the data transmission and to propose efficient signal processing solutions to mitigate their adverse effects. We start by the study of the indoor VLC channel impulse response by developing an efficient simulation tool. We then consider evaluating the channel frequency selectivity through different metrics. Next, given the potentially frequency-selective channel and the limited modulation bandwidth of the LEDs, we investigate the suitability of employing different signal transmission techniques including optical orthogonal frequency-division multiplexing (O-OFDM) in order to achieve high data-rate transmission. Given the high peak-to-average power ratio (PAPR) of O-OFDM signals and the limited dynamic range of the LEDs, we then propose a novel transmission scheme, which consists of using carrier-less amplitude and phase (CAP) modulation together with frequency domain equalization (FDE) at the receiver. We analyze the performance of the VLC link using this technique and compare it with the O-OFDM schemes, especially by taking the non-linear characteristics of the LED into account. Lastly, we demonstrate the merits of using the CAP-FDE transmission scheme via some experimental results.