Integrated Optical Wireless
Communication and Positioning
by using Distributed
Multiple-Input Multiple-Output
Topology
vorgelegt von
M. Sc.
Sepideh Mohammadi Kouhini
an der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktorin der Ingenieurwissenschaften
-Dr.-Ing.-
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Falko Dressler
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Ronald Freund, MBA
Gutachter: Prof. Dr. rer.nat. habil. Volker Jungnickel
Gutachter: Prof. Ali Khalighi, Ph.D.
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 24. Mai 2023
Berlin 2024
Zusammenfassung
Zahlreiche Forschungsarbeiten haben das große Potenzial der optische Drahtlostechno-
logie sowohl für die Kommunikation als auch für die Ortung aufgezeigt. Die optische
Drahtlostechnologie benutzt das Licht als neues Medium für die mobile Vernetzung. Der
Bedarf an drahtloser Kommunikation und Ortung in Innenräumen wird aufgrund
der aufkommenden Anwendungen des Internets der Dinge drastisch steigen. Das
Funkspektrum ist jedoch überlastet, es kann nur begrenzt im Raum wiederverwendet
werden. Der herkömmliche Ansatz zur Verdichtung des Netzes reicht nicht aus, da
Interferenzen auftreten, die aufgrund der Ausbreitungseigenschaften von Funkwellen
innerhalb von Gebäuden nicht mehr effizient kontrolliert werden können.
Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden, ist der Einsatz der optischen
Drahtlostechnologie. Sie kann hohe Datenraten über Sichtverbindungen bereitstellen,
wobei die Ausbreitung zum Beispiel durch die Wände räumlich besser abgegrenzt ist. So
lassen sich Interferenzen im Vergleich zum Funk leichter bewältigen. Außerdem hat das
Licht einzigartige Eigenschaften. Es ist unempfindlich gegen, und erzeugt selbst keine
elektromagnetische Störungen und die Mehrwegeausbreitung ist vernachlässigbar. Beides
ist für die Kommunikation und Ortung interessant. Allerdings sind optische drahtlose
Verbindungen anfällig dafür, dass die Sichtverbindung unterbrochen ist. Kamerabasierte
Techniken zeigen, dass Licht für die Ortung genutzt werden kann. Jedoch fordern die
Nutzer eine enge Integration der Ortung mit der drahtlosen Kommunikation, anstatt
zwei Technologien einzusetzen. Es war ein offenes Thema, welche Präzision für die
Ortung mit den heutigen Kommunikationsprotokollen erreicht werden kann.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Zuverlässigkeit und Robustheit der optischen drahtlosen
Kommunikation durch den Einsatz einer verteilten Multiple-Input-Multiple-Output
(MIMO)-Topologie zu verbessern und zu demonstrieren, dass dasselbe System auch für
eine präzise Positionierung verwendet werden kann.
Mit verteiltem MIMO kann man das Blockierungsproblem lösen und durch
redundante Pfade zuverlässige, robuste optische Drahtlosverbindungen realisieren.
Für die Verteilung der optischen Signale von der Zentraleinheit zu den verteilten
optischen Frontends wird eine optische Plastikfaser verwendet. Das ermöglicht eine
rein optische Übertragung über die Plastikfaser und dann über den drahtlosen
optische Kanal, was besonders robust gegen elektromagnetische Störungen ist. Die
Leistungsfähigkeit verschiedener Diversitäts- und Raummultiplextechniken wurde für
die Kommunikation mit einem und mit mehreren Benutzern verglichen und die
Ergebnisse zeigen die Vorteile gegenüber dem klassischem Zeitmultiplex auf. Die
Arbeit enthält neue Ergebnisse zur selektiven Kombination der Empfangssignale, zur
Winkeldiversität und zum Mehrnutzermultiplex. Das System wurde in verschiedenen
Szenarien getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass ein adaptives Umschalten des räumlichen
Übertragungsverfahrens der beste Lösungsansatz ist, um Mobilität zu unterstützen und
gleichzeitig eine hohe Leistung zu erzielen.
Für die Integration von Positionierung und Kommunikation wird die Time-of-Flight-
Methode gewählt. Als Beispiel wird die Positionierung unter Verwendung des ITU-T
G.9991-Standards für optische drahtlose Kommunikation implementiert. Die Laufzeit
wird mit Hilfe der groben und feinen Zeitsynchronisation extrahiert, die bereits in
der physikalischen Schicht verfügbar sind. Am mobilen Gerät wird die Entfernung
zu mehreren Sendern gemessen und die 3D-Position mittels Trilateration berechnet.
Simulationen zeigen eine Genauigkeit kleiner 1 cm. Das System wurde im Labor, in
einem Konferenzraum und in einem Fertigungsszenario getestet und zeigt eine 3D-
Positionsgenauigkeit im Zentimeterbereich. Schließlich wurde auch die Online-Verfolgung
eines mobilen Objekts in einem Industrieszenario demonstriert.
iv
Abstract
A vast number of research works demonstrated the high potential of optical wireless
technology for both, communication and positioning. Optical wireless technology can
use the light spectrum as a new medium for mobile networking. The demand for wireless
communication and positioning for the indoor environment will increase dramatically
due to the emerging Internet of Things applications. However, the wireless spectrum at
radio frequencies is congested and it needs to be reused more frequently in the spatial
domain. However, the traditional approach to densify the network will not be enough
because of interference which becomes hardly manageable.
One way to overcome this problem is to use optical wireless technology. It can
provide high data rates through line-of-sight links, and confine the propagation in space,
e.g. by the walls in an indoor environment. Thus, interference is managed more easily
compared to radio. Moreover, the light has unique features. It is robust against and
does not create electromagnetic interference and has limited multi-path as well. Both
are unique features that make light interesting for communication and positioning.
However, optical wireless links are vulnerable to blockage. Although camera-based
techniques show that light can be used for positioning, end users requested tight
integration with wireless communications rather than deploying two technologies, one
for each purpose. It was an open issue of what precision could be achieved in this way.
The objective of this thesis is to enhance the reliability and robustness of optical
wireless communications by using a distributed multiple-input multiple-output topology
and demonstrate that the same system can also be used to realize precise positioning.
It is known that multiple links combat the blocking problem. Plastic optical fiber is
used to distribute the optical wireless signals from a central unit to the distributed
optical wireless frontends. This convergent, all-optical approach is robust against
electromagnetic interference. The performance of different diversity and spatial
multiplexing modes were compared for efficient communication with single and multiple
users the gains over classical time-division multiple access were quantified. The
thesis includes new results on selection combining, angular diversity, and multi-user
multiplexing. The system was tested in several environments. Results show that
adaptive switching of the spatial mode is the best candidate to support mobility and
realize high performance.
For integrating positioning with communication, the time-of-flight method is selected.
As an example, positioning is implemented using the ITU-T G.9991 standard for optical
wireless communications. The propagation time is extracted using coarse and fine time
synchronization which are already available at the physical layer in modern wireless
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