Design and optimization of optical wireless communication systems

Abstract

During the 20th century, radio was established as the primary means when wireless communications were mentioned. To its credit, in the last century, but especially in the last 20-30 years, radio-frequency (RF) wireless communications developed from a military or niche, at best, application, to a mature and crucial technology in daily life. The integration of myriad of devices with a different set of requirements drove the research of RF to new heights. On the other hand, optical communications were established as the primary driver for tethered communications. Now, to achieve the goals of the next generations of wireless access and to avoid a potential “spectrum crunch”, where there is no bandwidth availability to serve new devices in the network, optical wireless communications (OWC) emerged as complementary technology to RF. In general, OWC refers to the optical transmission of data in unguided media, most commonly through the atmosphere. While OWC has been examined in many forms over the centuries, advancements in photonics and digital signal processing have made them a particularly attractive technology not only to increase the performance of current networks but also to increase their energy efficiency, leading to greener networking. In this thesis, the design and optimization of OWC systems is presented and the possible integration ways with existing RF networks or future advanced technologies. Depending on the application, OWC can be divided into three major categories, free space optics (FSO), visible light communications (VLC), and optical camera communications (OCC), which are presented in the first chapter. Following that, in the second chapter, the resource allocation in a hybrid VLC/RF under practical constraints, such as a common backhaul link and imperfect channel state information (CSI) at the transmitter, is examined to ensure user fairness. This is of paramount importance because in such heterogeneous networks, a standard rate maximization approach yields a severely degraded performance for the users with weak channel conditions. In order to provide a tractable solution to the formulated problem, which is non-convex, it is transformed into an equivalent convex one. Moreover, a simplified power allocation problem is solved, which provides comparable results with substantially lower complexity. Finally, extensive simulations illustrate the validity and effectiveness of the proposed analysis, and provide valuable insights on the impact of the imperfect CSI on the overall network performance. In the third chapter, a novel general closed-form expression is derived for the outage probability of non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink in cellular networks with randomly deployed users, which can be used for any fading distribution and can reveal useful insights for the system design. Then, this is utilized to provide a closed-form analysis for the important case of Nakagami-$m$ fading. Following that and based on NOMA, a set of multiple access protocols are proposed, called hierarchical multiple access (HiMA), optimized for the hierarchical network scenario, and can be efficiently utilized in various network configurations with an hierarchical form, such as relay networks, cloud-radio access networks (C-RANs), and fog-radio access networks (F-RANs). Furthermore, the resource allocation problem is formulated for each protocol with respect to the timeslot duration and power to maximize max-min rate fairness and proportional fairness. Finally, numerical results reveal the effectiveness of the joint design in the hierarchical network and an interesting trade-off is identified between fairness and achievable rate. Interestingly, despite NOMA being a very promising alternative to conventional multiple access schemes, the protocol that is solely based on NOMA does not always outperform the rest. After establishing the usefulness of NOMA, in the fourth chapter, it is utilized in a hybrid VLC/RF network. However, the optimal user grouping in NOMA is a combinatorial NP-complete problem, which calls for low complexity techniques, in order to be solved efficiently. To this end, coalitional game theory is considered, where the users served by the same access point (VLC or RF) form a single coalition, while the users can switch through coalitions based on their payoff. A novel utility function is proposed that takes into account the peculiarities of the NOMA hybrid VLC/RF network. Finally, a coalition formation algorithm is presented as well as an efficient power allocation policy. Computer simulations validate the presented analysis and reveal the effectiveness of the proposed user grouping scheme compared to an opportunistic approach. Chapter 5 investigates the use of simultaneous lightwave information and power transfer (SLIPT). First, the impact of the channel statistics on the average harvested energy when directive lightwave power transfer (DLPT) is used for both indoor and outdoor environments. For both scenarios, closed-form expressions are extracted for the average harvested power, validated via Monte Carlo simulations. Following that, the application of SLIPT for the fronthaul link of an aerial base station (ABS) is studied. In general, large receiver areas can be utilized by a SLIPT system to enhance both its data rate and the harvested power, as they balance out the geometric spreading of the beam. However, a larger solar cell area naturally leads to a heavier load for the ABS increasing its power consumption and, in turn, lowering its expected lifetime. Therefore, it is crucial to study the ensuing trade-off between the size of the solar cell and the performance of the ABS. Moreover, SLIPT performance is heavily influenced by the transmission parameters such as direct current (DC) bias. To that end, a joint optimization problem is designed to maximize the energy efficiency on an ABS based on the transmission parameters and the size of the solar cell. Simulation results validate the proposed analysis as they illustrate a great performance gain over benchmark schemes. Finally, the sixth chapter summarizes the main conclusions of the thesis and presents possible future extension the proposed research.

Τον 20ο αιώνα τα ραδιοκύματα καθιερώθηκαν ως ο κυρίαρχος τρόπος ασύρματης επικοινωνίας. Χάρη σε αυτά, κατά τη διάρκεια του τελευταίου αιώνα, αλλά ιδιαίτερα τα τελευταία 20-30 χρόνια, οι ασύρματες επικοινωνίες ραδιοκυμάτων εξελίχθηκαν από μία στρατιωτική και με μικρή απήχηση εφαρμογή σε μία ώριμη τεχνολογία, ζωτικής σημασίας για την καθημερινότητα. Η ενσωμάτωση τεράστιου αριθμού συσκευών με διαφορετικές απαιτήσεις οδήγησε την έρευνα στα ραδιοκύματα σε νέες διαστάσεις. Από την άλλη μεριά, οι οπτικές επικοινωνίες καθιερώθηκαν ως ο κυρίαρχος τρόπος ενσύρματης επικοινωνίας. Οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες αναδύθηκαν ως μία συμπληρωματική τεχνολογία στα ραδιοκύματα, για να επιτευχθούν οι στόχοι των νέων γενεών ασύρματης πρόσβασης και για να αποφευχθεί μία “κατάρρευση” του φάσματος, κατά την οποία δε θα υπάρχει διαθέσιμο εύρος ζώνης ώστε να συνδεθούν νέες συσκευές στο δίκτυο. Εν γένει, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες αναφέρονται στην οπτική διάδοση μέσω μη οδηγούμενων μέσων, συνηθέστερα μέσω της ατμόσφαιρας. Ενώ οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες έχουν γίνει αντικείμενο εξέτασης σε διάφορες μορφές μέσα στα χρόνια, η πρόοδος στη φωτονική και στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος τις καθιστά μία ιδιαίτερα ελκυστική τεχνολογία, καθώς θα αυξήσουν όχι μόνο την επίδοση των σημερινών δικτύων, αλλά και την ενεργειακή αποδοτικότητα των τελευταίων, οδηγώντας, έτσι, σε μία πιο “πράσινη” δικτύωση. Στην παρούσα διατριβή, παρουσιάζεται η σχεδίαση και η βελτιστοποίηση των οπτικών ασύρματων επικοινωνιακών συστημάτων και οι τρόποι ενσωμάτωσής τους στα υπαρκτά δίκτυα ραδιοσυχνοτήτων ή ο συνδυασμός τους με νέες τεχνολογίες δικτύωσης. Ανάλογα με την εφαρμογή, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες: την οπτική ελευθέρου χώρου (FSO), τις επικοινωνίες ορατού φωτός (VLC), και τις οπτικές επικοινωνίες κάμερας (OCC), οι οποίες παρουσιάζονται στο πρώτο κεφάλαιο. Στο δεύτερο κεφάλαιο, μελετάται ο διαμοιρασμός πόρων σε ένα υβριδικό σύστημα επικοινωνιών ορατού φωτός/ραδιοσυχνοτήτων υπό πρακτικούς περιορισμούς, όπως η κοινή σύνδεση backhaul και η ατελής πληροφορία καναλιού (CSI), ώστε να υπάρχει δικαιοσύνη ανάμεσα στους χρήστες. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι σε τέτοια ετερογενή δίκτυα οι καθιερωμένες μέθοδοι για τη μεγιστοποίηση του ρυθμού δεδομένων θα οδηγούσαν σε χαμηλή επίδοση για τους χρήστες με κακές συνθήκες καναλιού. Για την εύρεση μίας λύσης αυτού του μη-κυρτού προβλήματος σε πολυωνυμικό χρόνο, το αρχικό πρόβλημα μετασχηματίζεται σε ένα ισοδύναμο κυρτό. Επιπλέον, ένα απλοποιημένο πρόβλημα διαμοιρασμού της ισχύος επιλύεται επιφέροντας παρόμοια απόδοση με χαμηλότερη πολυπλοκότητα. Τέλος, η εγκυρότητα και η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης ανάλυσης επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων, ενώ παράλληλα αντλούνται πολύτιμα συμπεράσματα για την επίδραση της ατελούς πληροφορίας καναλιού στις επιδόσεις του δικτύου. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η τεχνική μη ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης (non-orthogonal multiple access - NOMA) και υπολογίζεται μία νέα σχέση κλειστής μορφής για την πιθανότητα διακοπής επικοινωνίας κάτω ζεύξης σε κυψελωτά συστήματα με τυχαία τοποθετημένους χρήστες. Η σχέση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με κάθε κατανομή διαλείψεων που μπορεί να εμφανίζονται στο σύστημα και προσφέρει σημαντικές πληροφορίες για τον τρόπο σχεδίασης του δικτύου. Η έκφραση αυτή χρησιμοποιείται προκειμένου να αναλυθεί η σημαντική περίπτωση των διαλείψεων Nakagami-$m$. Έπειτα, προτείνεται ένα σετ πρωτοκόλλων πολλαπλής πρόσβασης που βασίζονται στο ΝΟΜΑ, με τίτλο ιεραρχική πολλαπλή πρόσβαση (hierarchical multiple access - HiMA). Τα πρωτόκολλα αυτά είναι σχεδιασμένα για χρήση σε δίκτυα με ιεραρχική δομή όπως τα δίκτυα με αναμεταδότες, cloud-radio δίκτυα πρόσβασης και fog-radio δίκτυα πρόσβασης. Επιπλέον, το πρόβλημα του διαμοιρασμού πόρων στο δίκτυο διαμορφώνεται για κάθε πρωτόκολλο σε σχέση με τη διάρκεια των χρονοθυρίδων και της ισχύος προκειμένου να μεγιστοποιηθούν οι μετρικές του max-min ρυθμού δεδομένων και του proportional fairness. Τελικά, τα αριθμητικά αποτελέσματα αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της προσέγγισης της από κοινού σχεδίασης του ιεραρχικού δικτύου και φανερώνουν ένα ενδιαφέρον trade-off μεταξύ της δικαιοσύνης και του ρυθμού μετάδοσης. Παραδόξως, ενώ το ΝΟΜΑ γενικά θεωρείται μία πολύ ελκυστική μορφή πολλαπλής πρόσβασης, το πρωτόκολλο του HiMA που βασίζεται μόνο στο ΝΟΜΑ δεν ξεπερνά πάντα σε επίδοση τα υπόλοιπα πρωτόκολλα. Εφόσον αποδείχθηκε η αξία του ΝΟΜΑ, στο τέταρτο κεφάλαιο, αυτό εφαρμόζεται σε ένα υβριδικό δίκτυο επικοινωνιών ορατού φωτός/ραδιοσυχνοτήτων. Όμως, ο βέλτιστος τρόπος ομαδοποίησης των χρηστών στο ΝΟΜΑ είναι ένα NP-complete πρόβλημα συνδυαστικής που χρειάζεται νέες μεθόδους χαμηλής πολυπλοκότητας για να λυθεί αποδοτικά. Για αυτόν τον σκοπό αξιοποιείται η συνεργατική θεωρία παιγνίων, σύμφωνα με την οποία οι χρήστες που εξυπηρετούνται από το ίδιο σημείο πρόσβασης θεωρείται ότι σχηματίζουν ένα συνασπισμό (coalition) και μπορούν να εναλλάσσονται μέσα στους συνασπισμούς με βάση το κέρδος τους. Προτείνεται μία νέα συνάρτηση κέρδους που συνυπολογίζει τις ιδιαιτερότητες του υβριδικού δικτύου με ΝΟΜΑ. Τέλος, προτείνεται ένας αλγόριθμος σχηματισμού συνασπισμών που εμπεριέχει και την πολιτική διαμοιρασμού της ισχύος στο δίκτυο. Η αξία των αποτελεσμάτων του αλγορίθμου για την ομαδοποίηση των χρηστών επιβεβαιώνεται μέσω προσομοιώσεων όταν η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με μία καιροσκοπική περίπτωση κατά την οποία κάθε χρήστης προσπαθεί να μεγιστοποιήσει το δικό του κέρδος. Το πέμπτο κεφάλαιο ερευνά την ταυτόχρονη μετάδοση πληροφορίας και ισχύος μέσω οπτικού σήματος (simultaneous lightwave information and power transfer - SLIPT). Πρώτα, μελετάται η επίδραση της στοχαστικότητας του καναλιού στη μέση ισχύ συγκομιδής σε κατευθυντικά συστήματα και σε εξωτερικούς και σε εσωτερικούς χώρους. Και στις δύο περιπτώσεις εξάγονται σχέσεις κλειστής μορφής για τη μέση ισχύ συγκομιδής που επιβεβαιώνονται με Monte Carlo προσομοιώσεις. Έπειτα, σχεδιάζεται μία εφαρμογή του SLIPT, συγκεκριμένα, η fronthaul ζεύξη ενός εναέριου σταθμού βάσης. Γενικά, αν χρησιμοποιηθεί ένας δέκτης με μεγάλη ενεργή επιφάνεια στο SLIPT σύστημα μπορεί να αυξηθεί η ενέργεια συγκομιδής και ο ρυθμός δεδομένων μιας και θα ελαχιστοποιούνται οι γεωμετρικές απώλειες του οπτικού σήματος στο επίπεδο του δέκτη. Ένα μεγάλο ηλιακό πάνελ-δέκτης όμως, θα αποτελούσε μεγαλύτερο φορτίο για τον εναέριο σταθμό βάσης και θα μείωνε το χρόνο πτήσης του. Έτσι, δημιουργείται ένα trade-off, όσον αφορά το μέγεθος του δέκτη. Επιπλέον, η επίδοση του συστήματος SLIPT επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους της κυματομορφής εκπομπής, όπως η DC πόλωση. Για αυτόν το σκοπό, σχεδιάζεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης, ώστε να μεγιστοποιηθεί η ενεργειακή αποδοτικότητα του εναέριου σταθμού βάσης σε σχέση με τις παραμέτρους εκπομπής και του μεγέθους του δέκτη. Αποτελέσματα προσομοιώσεων επιβεβαιώνουν την αξία της προτεινόμενης ανάλυσης, η οποία παρουσιάζει μεγάλη βελτίωση σε σχέση με benchmark σχήματα. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα της διατριβής και παρουσιάζονται μερικές πιθανές μελλοντικές επεκτάσεις της προτεινόμενης έρευνας.