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Título: | Contribution to the application of Optical Camera Communications to Wearable Sensor Networks | Autores/as: | Niarchou, Eleni | Director/a : | Pérez Jiménez, Rafael Matus Icaza, Vicente |
Clasificación UNESCO: | 33 Ciencias tecnológicas | Fecha de publicación: | 2025 | Resumen: | Modern society is heavily dependent on a radio-based wireless communications
infrastructure, which is almost congested as the demand for high-capacity and
low-latency wireless connections grows with the increasing number of devices.
Optical wireless communication (OWC), which operates in the optical spectrum,
emerges as a promising complementary technology, capable of addressing the
capacity challenges of future networks. Within OWC, visible light communication
(VLC), is a technology that repurposes existing lighting systems, such as solidstate
lighting (SSL) systems in offices, homes, hospitals, and airports, to transmit
data using optical spectrum wavelengths through light-emitting diodes (LEDs)
used for illumination, with photodiodes (PDs) serving as receivers. Despite the
providing advantages of VLC in terms of enhanced security, spectrum availability,
and interference immunity, the complexity of integrating this hardware in end-user
devices serving as receivers, has made VLC challenging to be adopted in the
marketplace.
On the contrary, the plethora of off-the-shelf cameras in end-user devices, such
as smartphones and public infrastructure surveillance cameras, eliminates the need
for additional hardware at the reception stage and has led to the emergence of
a new branch of VLC, known as optical camera communication (OCC). OCC is
standardized by the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) and
the International Telecommunications Union (ITU) through the IEEE 802.15.7a
standard and ITU-T G.9992, respectively. By employing cameras as receivers, OCC
enables the operation of cameras both as imaging devices and as communication
tools, in a variety of applications, particularly in dynamic and resource-constrained
environments such as wireless sensor networks (WSNs) and Internet of Things
(IoT) systems. For the first time, OCC allows the development of commercial, lowxi
cost wireless optical communication systems by leveraging ubiquitously available
technology, paving the way for innovative and accessible solutions across numerous
industries.
WSNs are composed of spatially distributed sensor nodes that collaborate to
monitor and collect data about their environment. They are designed to observe
one or more physical parameters, such as temperature, humidity, motion, or light,
and transmit wireless data to a central system. WSNs have found widespread applications
in industrial automation, environmental monitoring, healthcare, agriculture,
and smart cities. The WSNs nodes are typically small-sized, battery-powered
devices with sensors, processing units, and wireless communication modules (e.g.
LEDs). Therefore, wearable devices can act as mobile or semi-mobile nodes in
WSNs.
Smartwatches, fitness bands, smart clothing, and medical patches, are examples
of wearable devices that can be seamlessly integrated into daily life. These devices
are equipped with sensors and processors enabling them to collect, process, and
transmit data about their users and their surroundings. Typically, the commercially
available devices use RF technologies such as Bluetooth or near-field communication
(NFC), for data transmission, which face limitations in link distance,
safety, electromagnetic interference, and spectrum usage. For this reason, the
replacement of these modules with LEDs could overcome these limitations.
This thesis experimentally evaluated the feasibility of deploying LED transmitters
in the form of wearable devices, in OCC systems and WSNs. The first objective
(O1) of the research is to establish efficient indoor and outdoor OCC links by
including hybrid solutions that combine image processing and wireless optical
communication. Additionally, (O2) to analyze how the channel conditions related
to the position and configuration of sensor nodes affect data rate performance.
Finally, (O3) proposes the use of an artificial intelligence (AI) algorithm for node
recognition and tracking, in networks with multiple camera receivers.
The core of this thesis is based on several contributions published in high-impact
journals, following the progression of the research. During the exercise of this
xii
thesis, contributions have been achieved in: (i) making the system available for
widespread use, as in most experimental OCC setups in this research, commercial
devices employed as transmitters (i.e., LED array, LED strip, LED-coupled sideemitting
optical fiber) and receivers (i.e., smartphones, Raspberry Pi cameras), (ii)
developing an image processing algorithm for accurately detecting transmitted bits
within frames, despite the user’s movement, (iii) detecting the user’s position within
the frame, offering valuable insights into the user’s exercise intensity, and could
potentially identify chronic conditions or detect early signs of injuries, (iv) analyzing
critical aspects for the transmitter placement in relationship with the camera
receiver position, (v) making the system applicable in high-risk environments,
where real-time monitoring of users’ physical conditions is critical, with the
integration of deep learning into OCC systems, enabling indoor communication
and monitoring, even under challenging conditions such as low visibility, user
movement and multiple users. La comunicación óptica inalámbrica (OWC), que opera en el espectro óptico, es una tecnología complementaria prometedora para coexistir con las tecnologías actualmente más utilizadas, capaz de abordar los desafíos de capacidad de las redes futuras a un coste aceptable y con dispositivos ya disponibles comercialmente. Dentro de este campo, la comunicación por luz visible (VLC) es una tecnología que reutiliza los sistemas de iluminación existentes, como los sistemas de iluminación de estado solido (SSL) en oficinas, hogares, hospitales y aeropuertos, para transmitir datos utilizando longitudes de onda del espectro óptico a través de diodos emisores de luz (LED) utilizados para la iluminación, con fotodiodos (PD) que actúan como receptores. Sin embargo, a pesar de las ventajas que ofrece esta tecnología en términos de su inherente seguridad de los datos, disponibilidad de espectro e inmunidad a interferencias, la complejidad de integrar este hardware en dispositivos de usuario final que actúan como receptores ha dificultado su adopción en el mercado. Esto ha llevado a buscar alternativas en el tipo de receptores a emplear para captar y procesar información transmitida por medios ópticos como son las cámaras. Estas, al contrario que los fotodiodos, están disponibles comercialmente de forma ubicua, en dispositivos de consumo como teléfonos, tablets, monitores de televisión o sistemas de vigilancia. Su uso, si bien limitado a velocidades y distancias bajas, elimina la necesidad de hardware adicional en la etapa de recepción y ha propiciado el surgimiento de una nueva rama de la comunicación óptica por cámara, conocida como comunicación óptica mediante cámaras (OCC) y que ha sido estandarizada por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) a través de las normas IEEE 802.15.7a e ITU-T G.9992, respectivamente. Al emplear cámaras como receptores, estos se convierten en dispositivos duales que simultanean su funcionamiento como dispositivos de imagen y herramientas de comunicación en diversas aplicaciones, especialmente en entornos dinámicos y con recursos limitados, como las redes de sensores inalámbricos (WSN) y los sistemas del Internet de las Cosas (IoT). OCC ha permitido que, por primera vez, se estén desarrollando sistemas comerciales de comunicación óptica inalámbrica de bajo costo aprovechando tecnología ampliamente disponible, allanando el camino para soluciones innovadoras y accesibles en numerosos sectores. En concreto, en el campo de las WSN, estas mallas de sensores distribuidos espacialmente están diseñadas para observar uno o más parámetros físicos (como temperatura, humedad, movimiento etc.) transmitiendo datos inalámbricos a un sistema central. En este caso concreto, se estudian aplicaciones basadas en el control de la salud o la actividad física, y dentro de estos, destacan por su interés los dispositivos vestibles o wearables, según su denominación más extendida. Vienen caracterizadas por la baja velocidad de transmisión requerida, su pequeño tamaño y baja complejidad en cuanto a unidades de procesamiento, estar alimentados por batería y requerir una alta seguridad y baja latencia. Estos sensores pueden actuar como nodos móviles o semimóviles en las WSN. Los relojes inteligentes, las pulseras de actividad física, la ropa inteligente o los parches médicos, pueden ser en sí mismos ejemplos de dispositivos wearables que se integran a la perfección en la vida diaria, o bien dispositivos que interactúan con otros sensores o actuadores que les permiten recopilar, procesar y transmitir datos sobre sus usuarios y su entorno. Si bien habitualmente estas interacciones se basan en tecnologías de radiofrecuencia como Bluetooth de bajo consumo (LPB) o comunicación de campo cercano (NFC) para la transmisión de datos, estas tecnologías presentan limitaciones en cuanto a la distancia de enlace, la seguridad, la interferencia electromagnética y el uso del espectro, que aconsejan valorar alternativas como los módulos por LED para tratar de superar estas limitaciones. Esta tesis evalúa experimentalmente la viabilidad de implementar transmisores LED en dispositivos portátiles para sistemas OCC en redes inalambricas de sensores (WSN). El primer objetivo ha sido establecer enlaces OCC eficientes en interiores y exteriores mediante la inclusión de soluciones híbridas que combinan el procesamiento de imágenes y la comunicación óptica inalámbrica. Además, se analiza cómo las condiciones del canal, relacionadas con la posición y configuración de los nodos sensores, afectan el rendimiento de la velocidad de datos. Finalmente, se propone el uso de un algoritmo de inteligencia artificial (IA) para el reconocimiento y seguimiento de nodos en redes con múltiples receptores de cámara. El núcleo de esta tesis se basa en varias contribuciones publicadas en revistas de alto impacto, siguiendo el progreso de la investigación. Durante el desarrollo de esta tesis doctoral, se han logrado contribuciones en el uso de sistemas OCC basados en dispositivos comerciales empleados como transmisores (p. ej., matrices o tiras LED o fibras óptica de emisión lateral acoplada a LED) y receptores (como teléfonos inteligentes o cámaras Raspberry Pi); También se ha abordado el desarrollo un algoritmo de procesamiento de imágenes para detectar con precisión los bits transmitidos dentro de los fotogramas, independientemente del movimiento del usuario, y se han analizado aspectos críticos para la colocación del transmisor en relación con la posición del receptor de la cámara, con el fin de mejorar la detección de la posición del usuario dentro del fotograma, lo que ofrece información valiosa sobre la intensidad del ejercicio del usuario y podría potencialmente identificar enfermedades crónicas o detectar signos tempranos de lesiones o ser usado en entornos de alto riesgo donde las emisiones radioeléctricas convencionales pueden estar contraindicadas. |
Descripción: | Programa de Doctorado en Empresa, Internet y Tecnologías de las Comunicaciones por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria | URI: | https://accedacris.ulpgc.es/jspui/handle/10553/150304 |
Colección: | Tesis doctoral |
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