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.

Tesis por compendio / [ES] En los últimos años, la demanda de conectividad inalámbrica ha aumentado exponencialmente, lo que ha puesto una mayor presión sobre las redes inalámbricas basadas en radiofrecuencia (RF). Como alternativa a las redes RF, la VLC (comunicación por luz visible) ha surgido como una posible solución para abordar la congestión de las redes inalámbricas. Con el objetivo de diseñar, implementar y evaluar el enlace descendente de una red óptica híbrida cableada e inalámbrica utilizando POF (fibra óptica plástica) y VLC, se ha desarrollado un banco de pruebas para experimentos de transmisión y se ha caracterizado el enlace POF a VLC. En el desarrollo de la tesis se ha diseñado un modelo de sistema lineal para LEDs de alto flujo luminoso con recubrimiento de fósforo, donde se distingue el efecto eléctrico generado por el LED azul (incluyendo los elementos parásitos que surgen al conectar el LED en un entorno real de iluminación) del efecto óptico causado por el fósforo. A partir de este modelo, se ha propuesto también un modelo no lineal, basado en el comportamiento físico intrínseco del LED, que mejora la caracterización del comportamiento de los LEDs en un rango más amplio de potencias de transmisión. A partir del modelo lineal del LED, se ha creado un modelo de simulación para un enlace VLC. Este modelo de simulación no solo incluye la respuesta en frecuencia (obtenida con el modelo lineal del LED), sino también los niveles de ruido generados por la fuente de iluminación y la electrónica de adquisición, así como la atenuación causada por el canal de propagación y la desalineación angular entre la fuente de luz y el fotorreceptor. Además, se ha desarrollado un método para caracterizar la configuración VLC empleada: LED utilizado, distancia y ángulo entre emisor y receptor. Tanto los modelos de los LEDs (lineal y no lineal) como el modelo de simulación, han sido validados experimentalmente utilizando LEDs de iluminación de alto flujo luminoso montados en una configuración serie e implementados con tecnología COB (Chip On Board), consiguiendo caracterizar tanto la respuesta en frecuencia como la velocidad de trasnmisión transmitiendo señales moduladas con OFDM (multiplexación por división de frecuencia ortogonal) y CAP (modulación de amplitud y fase sin portadora). Además, se ha caracterizado el enlace VLC atendiendo al consumo de potencia y se ha diseñado un controlador LED de bajo consumo energético, que desempeña un papel crucial en la optimización del rendimiento del sistema VLC. Por último, la viabilidad de POF-VLC para transmisión de datos se ha demostrado con la implementación del enlace descendente de una red híbrida POF-VLC y su caracterización. Se ha obtenido tanto su respuesta en frecuencia como la velocidad de transmisión con OFDM y se ha demostrado que el enlace POF no afecta de manera considerable a la respuesta en frecuencia ni a la velocidad de transmisión del enlace VLC. La combinación de todas estas contribuciones allana el camino para futuras investigaciones destinadas a mejorar la eficiencia de las redes ópticas híbridas y expandir su aplicación en varios entornos interiores. / [CA] En els últims anys, la demanda de connectivitat sense fils ha augmentat exponencialment, la qual cosa ha posat una major pressió sobre les xarxes sense fils basades en radiofreqüència (RF). Com a alternativa a les xarxes RF, la VLC (comunicació per llum visible) ha sorgit com una possible solució per a abordar la congestió de les xarxes sense fils. Amb l'objectiu de dissenyar, implementar i avaluar l'enllaç descendent d'una xarxa òptica híbrida cablejada i sense fils utilitzant POF (fibra òptica plàstica) i VLC, s'ha desenvolupat un banc de proves per a experiments de transmissió i s'ha caracteritzat l'enllaç POF a VLC. En el desenvolupament de la tesi s'ha dissenyat un model de sistema lineal per a LEDs d'alt flux lluminós amb recobriment de fòsfor, on es distingeix l'efecte elèctric generat pel LED blau (incloent-hi els elements paràsits que sorgeixen en connectar el LED en un entorn real d'il·luminació) de l'efecte òptic causat pel fòsfor. A partir d'aquest model, s'ha proposat també un model no lineal, basat en el comportament físic intrínsec del LED, que millora la caracterització del comportament dels LEDs en un rang més ampli de potències de transmissió. A partir del model lineal del LED, s'ha creat un model de simulació per a un enllaç VLC. Aquest model de simulació no només inclou la resposta en freqüència (obtinguda amb el model lineal del LED), sinó també els nivells de soroll generats per la font d'il·luminació i l'electrònica d'adquisició, així com l'atenuació causada pel canal de propagació i la desalineació angular entre la font de llum i el fotoreceptor. A més, s'ha desenvolupat un mètode per a caracteritzar la configuració VLC emprada: LED utilitzat, distància i angle entre emissor i receptor. Tant els models dels LEDs (lineal i no lineal) com el model de simulació han sigut validats experimentalment utilitzant LEDs d'il·luminació d'alt flux lluminós muntats en una configuració sèrie i implementats amb tecnologia COB (Chip On Board), aconseguint caracteritzar tant la resposta en freqüència com la velocitat de transmissió transmetent senyals modulats amb OFDM (multiplexació per divisió de freqüència ortogonal) i CAP (modulació d'amplitud i fase sense portadora). A més, s'ha caracteritzat l'enllaç VLC tenint en compte el consum de potència i s'ha dissenyat un controlador LED de baix consum energètic, que exerceix un paper crucial en l'optimització del rendiment del sistema VLC. Finalment, la viabilitat de POF-VLC per a transmissió de dades s'ha demostrat amb la implementació de l'enllaç descendent d'una xarxa híbrida POF-VLC i la seua caracterització. S'ha obtingut tant la seua resposta en freqüència com la velocitat de transmissió amb OFDM i s'ha demostrat que l'enllaç POF no afecta de manera considerable la resposta en freqüència ni la velocitat de transmissió de l'enllaç VLC. La combinació de totes aquestes contribucions obri el camí per a futures investigacions destinades a millorar l'eficiència de les xarxes òptiques híbrides i expandir la seua aplicació en diversos entorns interiors. / [EN] In recent years, the demand for wireless connectivity \textcolor{\colorRevision}{has} increased exponentially, putting greater pressure on Radio Frequency (RF)-based wireless networks. As an alternative to RF networks, Visible Light Communication (VLC) \textcolor{\colorRevision}{has} emerged as a potential solution to address \textcolor{\colorRevision}{the congestion of the} wireless network. With the aim of designing, implementing, and evaluating the downlink of a hybrid wired and wireless optical network using Plastic Optical Fiber (POF) and VLC, a testbed was developed for transmission experiments, and the POF to VLC link was characterized. In the thesis development, a linear system model was designed for high-luminous-flux LEDs with a phosphor coating, where the electrical effect generated by the blue LED (including the parasitic elements that arise when connecting the LED in a real lighting environment) is distinguished from the optical effect caused by the phosphor. From this model, a nonlinear model was proposed, based on the intrinsic physical behavior of the LED, which improves the characterization of the LED behavior over a wider range of transmission powers. Based on the linear LED model, a simulation model for a VLC link was created. This simulation model not only includes the frequency response (\textcolor{\colorRevision}{based on} with the linear LED model) but also the noise levels generated by the lighting source and the acquisition electronics, as well as the attenuation caused by the propagation channel and the angular misalignment between the light source and the photoreceptor. Additionally, a method was developed to characterize the employed VLC setup: the LED used, the distance, and the angle between the emitter and receiver. Both the linear and nonlinear LED models, as well as the simulation model, were experimentally validated using high-luminous-flux lighting LEDs mounted in a series configuration and implemented with COB (Chip On Board) technology, successfully characterizing both the frequency response and transmission speed by transmitting modulated signals with Ortogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and \textcolor{\colorRevision}{Carrierless} Amplitude Phase (CAP) modulation. Furthermore, the VLC link was characterized in terms of power consumption, and a low-energy consumption LED driver was designed, playing a crucial role in optimizing the VLC system's performance. Finally, the viability of POF-VLC for data transmission was demonstrated with the implementation of the downlink of a POF-VLC hybrid network and its characterization. Both its frequency response and transmission speed with OFDM were obtained, and it shown that the POF link does not significantly affect the frequency response or transmission speed of the VLC link. The combination of all these contributions paves the way for future research aimed at improving the efficiency of hybrid optical networks and expanding their application in various indoor environments. / Salvador Llàcer, P. (2025). Design of a hybrid POF-VLC network in indoor environments [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214749 / Compendio