Contribution to the Experimental Channel Evaluation of Optical Camera Communication for Wireless Sensor Networks

Abstract

Las infraestructuras de telecomunicaciones han cobrado relevancia para todos los servicios que se ofrecen actualmente en nuestra sociedad: automatización, mensajería, streaming, acceso a datos, seguridad, transporte, entre otros. Los sistemas inalámbricos son la alternativa más popular para establecer enlaces de comunicación de datos en una amplia variedad de entornos gracias a su funcionamiento transparente, movilidad e interoperabilidad. Sin embargo, estas infraestructuras están experimentando el agotamiento de su capacidad a causa de la congestión de los espectros de radiofrecuencia (RF) y microondas, lo que ha motivado la exploración de nuevas alternativas que utilicen frecuencias más altas del espectro electromagnético, como las ondas milimétricas y la luz visible, que proporcionan una mayor reutilización y densidad celular, ya que se enfrentan a grandes pérdidas de propagación y tienden a cubrir sólo cortas distancias. Además de la demanda cada vez mayor de infraestructuras de comunicaciones inalámbricas fiables y ubicuas, estimulada por los dispositivos móviles de uso personal, han surgido en el mercado las nuevas máquinas del Internet de las cosas (IoT, Internet of Things), que en la mayoría de los casos, requieren una comunicación inalámbrica de máquina a máquina (M2M) de baja velocidad, que últimamente se están convirtiendo en una parte considerable de las conexiones, lo que aumenta, aún más, la congestión de los espectros de RF y microondas. Los dispositivos IoT suelen consistir en aparatos domésticos, de oficina o industriales que mediante la comunicación M2M pueden proporcionar funcionalidades ampliadas y automatización, mejorando potencialmente la eficiencia de los procesos y la comodidad de los usuarios. En contextos industriales, a menudo se xiii demanda el despliegue de sensores y actuadores en una amplia variedad de condiciones. El uso de redes de sensores inalámbricos (WSN, Wireless Sensor Networks) es relevante en entornos que requieren máquinas móviles o semimóviles que integren el sensado con las comunicaciones, o incluso en casos que los nodos aún en estático prefieren conectividad inalámbrica pues el uso de redes cableadas no es práctico. La búsqueda de nuevas alternativas de comunicación inalámbrica ha aumentado el interés en desarrollar las comunicaciones por luz visible (VLC, Visible Light Communications) y la comunicación óptica basada en cámaras (OCC, Optical Camera Communications), un subconjunto de tecnologías de comunicación óptica inalámbrica (OWC, Optical Wireless Communications) que utilizan dispositivos fotosensibles, como las cámaras digitales o fotodiodos, para la demodulación de datos transmitidos por luces de intensidad modulada basadas en diodos emisores de luz (LED, Light-emitting Diodes) y monitores. Las OCC y VLC se han desarrollado ampliamente en los últimos años para aplicaciones de interior y pueden ser una alternativa complementaria a los sistemas de comunicación inalámbricos en hogares y oficinas, con tecnologías conocidas como Light Fidelity (LiFi), que ya están incluidas en la estandarización del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) a través de la norma IEEE 802.15.7 y la recomendación ITU G.9991. Aunque el desarrollo de las aplicaciones OCC y VLC para interiores está considerablemente avanzado, su funcionamiento en exteriores es todavía limitado. Como en todos los sistemas OWC, las condiciones atmosféricas tienen un efecto considerable en la degradación del canal óptico inalámbrico debido a fenómenos meteorológicos, que son incontrolables y poco predecibles, tales como la presencia de aerosoles o partículas en suspensión y la turbulencia inducida por diferencias de temperatura, entre otros. La evaluación de la influencia de estos eventos sobre el canal óptico inalámbrico es actualmente xiv un reto a abordar en el campo de la investigación de OCC, que podría abrir una amplia variedad de aplicaciones en las Smart Cities. Dichas aplicaciones tienen la ventaja de poder aprovechar ciertas infraestructuras existentes. Algunos ejemplos son la comunicación de coche a coche mediante faros y cámaras dashcam, enlaces desde otras luminarias a cámaras de vigilancia, transmisión desde pantallas publicitarias a móviles, entre otras. En esta tesis se ha evaluado experimentalmente la viabilidad de desplegar enlaces OCC de baja velocidad en exteriores en condiciones atmosféricas adversas, tanto emuladas en laboratorio como en escenarios reales, utilizando cámaras y componentes LED disponibles en el mercado. En la mayoría de las configuraciones experimentales en el campo de investigación de OCC, los únicos parámetros fotográficos que se tienen en cuenta son el tiempo de exposición y la tasa de fotogramas. En este trabajo se estudió el impacto de la variación de la ganancia analógica, lo que condujo a una nueva metodología para optimizar la calidad de la comunicación en términos de la relación señal-ruido (SNR, Signal-to-Noise Ratio) mediante la reducción del ruido de conversión analógico-digital. Por último, en esta tesis se propone una nueva topología de OCC denominada sub-píxel, que tiene el potencial de proporcionar comunicación reutilizando el hardware de cámaras mediante el uso de pequeños dispositivos ópticos en transmisores y receptores, asegurando un uso mínimo del campo de visión de la cámara para las comunicaciones, dejando los fotogramas libres para uso fotográfico general.

The importance of reliable communication infrastructure has become relevant for all of the services offered in our contemporary society: automation, messaging, streaming, data access, security, transportation, among others. For establishing data communication links in a wide variety of environments, wireless systems are the most popular alternative due to their seamless operation, mobility support, and interoperability. However, these infrastructures are nearing an outage of capacity because of the congestion of the radio-frequency (RF) and microwave spectra, which has motivated the exploration of new alternatives using higher frequencies of the electromagnetic spectrum, such as millimeter waves and visible light, which provide more reusability and cell density since they face significant propagation losses and tend to cover only short ranges. In addition to the constantly increasing demand for reliable and ubiquitous wireless communication infrastructures stimulated by user-end devices like smartphones, the new Internet of things (IoT) machines have emerged in the mass market. In most cases, IoT requires low data rate wireless machine-to-machine communication, which is recently becoming a considerable portion of the connections, raising, even more, the congestion of the RF and microwave spectra. The IoT devices usually consist of home, office, or industrial appliances that can connect to the Internet and provide extended functionalities and automation, potentially improving the efficiency of the processes and comfort of the users. In industrial contexts, there is often the requirement for sensors and actuators to be deployed in a wide variety of fields. The use of wireless sensor networks (WSNs) is relevant in environments that require mobile or semi-mobile machines that integrate ix sensing with communications, or even in cases where deploying wired networks for static nodes is impractical. The research for new wireless communication alternatives has increased the interest in visible light communications (VLC) and optical camera communication (OCC), a subset of optical wireless communication (OWC) technologies that utilize photosensitive devices such as digital cameras to detect wireless data streams generated by intensity-modulated lights based on light-emitting diodes (LEDs). OCC and VLC have been extensively developed in recent years for indoor applications and can be a complementary alternative to wireless communication systems in homes and offices, with technologies known as light fidelity (LiFi), which are already included in standardization by the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) and the International Telecommunications Union (ITU) through the standard IEEE 802.15.7 and the recommendation ITU G.9991. Although the development of OCC and VLC applications for indoors is considerably advanced, their operation outdoors is still limited. As in all OWC systems, the atmospheric conditions play a significant role in the degradation of the wireless optical channel due to the effects of aerosols, turbulence, and other meteorologic phenomena, which are uncontrollable and vaguely predictable. Evaluating these events’ influence over the wireless optical channel is currently a challenge to be addressed in the research field of OCC, which may open a wide variety of applications in Smart Cities that can take advantage of existing infrastructures, such as car lamp-todash camera vehicular communication, advertising display-to-phone, and mobile or static node-to-surveillance camera links, among others. This thesis experimentally evaluated the feasibility of deploying outdoor low data rate OCC links in harsh atmospheric conditions both emulated in a laboratory chamber and in real scenarios, using commercially available cameras and LED components. In most experimental OCC setups in research, the only photographic parameters considered are the exposure x time and the frame rate, whereas, in this work, the impact of varying the analog gain was studied. This led to a novel methodology for optimizing the communication quality in terms of the signal-to-noise ratio (SNR) by reducing the analog-to-digital conversion noise. Finally, in this thesis, an innovative topology of sub-pixel OCC is proposed, which has the potential to effectively provide communication re-utilizing camera hardware by using small optical front-ends of transmitters and receivers, ensuring minimal use of the field of view of the camera for communications, leaving the video frame free for general image purposes. Among the highlighted results obtained from the experimentation in harsh atmospheric conditions, it was seen that the scattering caused by aerosols deviates energy from non-line of sight rays to the image sensor of the camera, making the transmitters appear bigger than expected and allowing to obtain more information in every frame, increasing the achievable data rate compared to in clear conditions. Although OCC systems can take advantage of the apparent widening of the transmitters in the presence of aerosols, the intensity of the light signal is still attenuated, reducing the SNR and increasing the bit error rate consequently. It was seen that using the analog amplifier built in the image sensor of the camera receiver could help to overcome the effect of fog and dust in the experiments in low visibilities. The vast majority of the experimental OCC setups in recent research have taken advantage of the rolling shutter acquisition that most commercially available cameras perform. However, this technique requires the use of large portions of the camera’s field of view to be assigned for communications. In this sense, OCC cannot re-utilize available hardware if it needs it to be fully dedicated for communications. In order to address this issue, the sub-pixel OCC experiment as mentioned above was carried out. Two transmitters employing a single 5 mm LED component were deployed at about 100 m of the camera, achieving around 20 dB of SNR. Although the data rate per node was relatively low (8 bps), the sub-pixel topology allows xi increasing the number of transmitters to several hundreds of them. If some of the applications of WSN are considered, such as in precision farming, where relatively stable variables need to be measured, the potential application of sub-pixel OCC shows adequate capabilities and has the potential to become a new alternative for WSN and IoT applications