Multi-User MIMO for visible light communications

Abstract

The lighting is going through revolution. The use of Light Emitting Diodes (LEDs) has greatly increased during the last few years, meanwhile incandescent and fluorescent lamps have become obsolete. The LEDs, apart from being extremely high energy efficient, are able to switch to different light intensities at very high speed. This fact, along with the looming crisis of Radio Frequency (RF) spectrum, has given rise to an attractive communication technology known as Visible Light Communication (VLC) that uses the huge license- free spectrum of approximately 400 THz, which is more than 1,000 larger than the RF spectrum. This technology offers a novel alternative to RF, enabling the development of wireless communications that make use of existing lighting infrastructure. This thesis studies multi-user multiple-input single-output (MU-MISO) visible light communications tech- niques for indoor broadcast systems. Particularly, we have proposed a railway wagon as scenario. Transmitters, configured as multiple LED arrays, and multiple users equipped with one single photodetector (PD) are consid- ered. We tackle two relevant challenges in such broadcast systems: how to deal with the multi-user interference (MUI) and how to design the whole system in order to meet the requirement of having a real-valued and positive Visible Light (VL) signal feeding the LED. Unlike RF counterpart, the VL signal is modulated on light intensity and, consequently, is always positive. This critical constraint imposed by intensity-modulated/direct-detection (IM/DD) systems limits the direct application of the extended theory developed for conventional wireless com- munications. Apart from the non-negativity constraint, we examine the design with individual per-LED optical power constraints. This work presents four coordinated multipoint transmission techniques for MISO transmissions in VLC. Linear precoding schemes such as zero-forcing (ZF) have attracted a lot of interest in RF. Firstly, we consider the design of the ZF precoder giving special attention to a specific generalized inverse known as pseudo-inverse. Alternatively, a Time Division Multiple Access (TDMA) system is also studied. As neither of the two mentioned precoders are optimal in terms of sum-rate, we proceed with the design of ZF precoders through an optimization problem that maximizes the weighted sum-rate considering both the positivity constraint and the maximum optical power constraint per-LED. We present two approaches for solving this problem. In the first approach, we find a closed-form solution to the problem that despite being suboptimal achieves a good trade-off between low- complexity and performance. In the second approach, we rewrite the problem as a standard convex problem and we find numerically the solution. Finally, we demonstrate the improved performance offered by our approaches.

La iluminación está en revolución. El uso de los LEDs, acrónimo inglés de Light Emitting Diodes, ha aumentado considerablemente durante estos últimos años, mientras que las bombillas incandescentes y fluorescentes han quedado obsoletas. Los LEDs, a parte de ser extremadamente eficientes energéticamente, son capaces de cambiar la intensidad de la luz a alta velocidad. Este hecho, juntamente con la crisis inminente del espectro de radio frecuencia (RF), ha dado lugar a una atractiva tecnología conocida como Visible Light Communications (VLC) o, en castellano, comunicación con luz visible. Esta tecnología utiliza el extenso espectro de luz visible no licenciado de aproximadamente 400 THz, que es más de 1.000 veces más ancho que el espectro de radio frecuencia. VLC es una innovadora alternativa a la RF ya que permite desarrollar comunicaciones inalámbricas que reutilizan las infraestructuras de iluminación ya existentes. Esta tesis estudia técnicas multi-user multiple-input single-output (MU-MISO) para comunicaciones con luz visible en escenarios interiores como un vagón de tren. Se consideran transmisores, configurados como múltiples LEDs, y múltiples usuarios equipados con un único fotodetector. En este tipo de sistemas, nos enfrentamos a dos retos relevantes: cómo tratar la interferencia multi-usuario y cómo diseñar el sistema para cumplir el requisito de tener una señal real y positiva. Al contrario que en radio frecuencia, la señal de luz visible se modula en intensi- dad y, por tanto, es siempre positiva. Este requisito impuesto por sistemas intensity-modulated/direct-detection (IM/DD) es crítico y limita la aplicación directa de la teoría desarrollada para sistemas convencionales de comunicación inalámbricas. Además de esta restricción de no-negatividad, examinamos el diseño con restricciones individuales de potencia óptica por LED. Este trabajo presenta cuatro técnicas de transmisión multipunto coordinada para transmisiones MISO en VLC. Los esquemas de precodificación lineal, como por ejemplo el forzador de ceros (ZF), han sido muy populares en RF. Primero, consideramos el diseño del precodificador ZF mediante un tipo específico de inversa generalizada conocida como pseudoinversa. Como alternativa, se estudia un sistema Time Division Multiple Access (TDMA). Dado que ninguno de los dos precodificadores son óptimos a nivel de sum-rate, procedemos con el diseño de precodificadores ZF mediante un problema de optimización que pretende maximizar el sum-rate ponderado considerando tanto la restricción de positividad como la potencia óptica máxima por LED. Presentamos dos planteamientos para solucionar el problema. En el primero, encontramos una solución cerrada que, a pesar de ser subóptima, consigue un buen compromiso entre complejidad y rendimiento. En el segundo, reescribimos el problema inicial como un problema convexo estándar y encontramos la solución numéricamente. Finalmente, demostramos la mejora en el rendimiento proporcionada por nuestros precodificadores.

La il·luminació està en revolució. L’ús dels LEDs, acrònim anglès de Light Emitting Diodes, ha augmentat considerablement durant aquests últims anys, mentre que les bombetes incandescents i fluorescents han quedat obsoletes. Els LEDs, a més de ser extremadament eficients energèticament, són capaços de canviar la intensitat de la llum a alta velocitat. Aquest fet, juntament amb la crisi imminent de l’espectre de Radio Freqüència (RF), ha donat lloc a una atractiva tecnologia coneguda com a Visible Light Communications (VLC) o, en català, comunicació amb llum visible. Aquesta tecnologia utilitza l’extens espectre de llum visible no llicenciat d’aproximadament 400 THz, que és més de 1.000 vegades més ampli que l’espectre de RF. VLC és una innovadora alternativa a la RF, ja que permet desenvolupar comunicacions sense fils que reutilitzen les infraestructures d’il·luminació ja existents. Aquesta tesi estudia tècniques de multi-user multiple-input single-output (MU-MISO) per comunicacions amb llum visible en escenaris interiors com pot ser un vagó de tren. Es consideren transmissors configurats com múltiples LEDs i múltiples usuaris equipats amb un únic fotodetector. En aquest tipus de sistemes ens enfrontem a dos reptes rellevants: com tractar la interferència multi-usuari i com dissenyar el sistema per tal de complir el requeriment de tenir una senyal real i positiva. Al contrari que en RF, el senyal en llum visible es modula en intensitat i, per tant, és sempre positiu. Aquest requeriment crític imposat per sistemes intensity-modulated/direct-detection (IM/DD) limita l’aplicació directa de la teoria desenvolupada per sistemes convencionals de comunicació sense fils. A més d’aquesta restricció de no-negativitat, examinem el disseny amb restriccions individuals de potència òptica per LED. Aquest treball presenta quatre tècniques de transmissió multipunt coordinada per transmissions MISO en VLC. Els esquemes de precodificació lineals, com per exemple el forçador de zeros (ZF), han sigut molt populars en RF. Primer, considerem el disseny d’un precodificador ZF mitjançant un tipus específic d’inversa generalitzada coneguda com a pseudoinversa. Com a alternativa, s’estudia un sistema Time Division Multiple Access (TDMA). Donat que cap dels dos precodificadors són òptims pel que fa al sum-rate, continuem el nostre estudi amb el disseny de precodificadors ZF mitjançant un problema d’optimització que pretén maximitzar el sum-rate ponderat considerant tant la restricció de positivitat com la de potència òptica màxima per LED. Presentem dos plantejaments per solucionar el problema. En el primer, trobem una solució tancada del problema que, tot i ser subòptima, aconsegueix un bon compromís entre complexitat i rendiment. En el segon, reescrivim el problema inicial com un problema convex estàndard i trobem la solució numèricament. Finalment, demostrem la millora en el rendiment que ens proporcionen els nostres precodificadors.