Разработка беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений с использованием светодиодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Гареев Эмиль Зуфарович

• Гареев Эмиль Зуфарович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Гареев Эмиль Зуфарович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Реферат

Synopsis

Введение

1 Аналитический обзор научно-технической литературы

1.1 Анализ развития современных методов беспроводной оптической передачи данных

1.2 Анализ и исследование компонентной базы для приема-передачи данных и ее основных параметров

1.3 Особенности построения системы односторонней передачи данных посредством светодиодов видимого излучения

2 Исследование влияния оптических характеристик на передачу данных на камеру смартфона

2.1 Особенности приема данных камерой смартфона

2.2 Влияние оптических характеристик на передачу данных 96 Выводы по главе

3 Оптическая схема для передачи данных в видимом диапазоне света

3.1 Компьютерное моделирование источника излучения

3.2 Проведение экспериментальных измерений

3.3 Сравнение результатов экспериментальных и расчетных данных 125 Выводы по главе

4 Изготовление опытного образца беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений

4.1 Проектирование опытного образца системы передачи данных

4.2 Изготовление опытного образца системы передачи данных

4.3 Метод передачи данных

4.4 Результаты измерений опытного образца

Выводы по главе

Основные публикации по теме диссертации

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение 1 Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений с использованием светодиодов»

Актуальность темы

С появлением мобильной связи беспроводная коммуникация стала фундаментальным товаром, таким как нефть или газ. И за последние два десятилетия развитие подобной технологии экспоненциально увеличило объем передаваемой информации. Такой резкий рост использования спектра радиочастот привел к ограничениям одновременного доступа к беспроводной среде, а также к огромному количеству помех, получаемых за счет наложения схожих сигналов. Несмотря на новые стандарты и большие технологические достижения в области мобильных данных, требования к данной технологии продолжают расти на фоне насыщения эффективности сети. Это неизбежно приводит к «кризису спектра радиочастот».

С начала XXI века значительные исследовательские ресурсы были направлены на изучение альтернативных частей электромагнитного спектра, которые могли бы потенциально разгрузить большую часть сетевого трафика. Были получены внушительные результаты как в области передачи данных, так и в области применения оптических технологий. Использование спектра видимого света открывает широкие перспективы в развитии и исследовании, поскольку освещение применяется в повседневной жизни. Начало отсчета для применения видимого излучения в области передачи данных связано с развитием светоизлучающих диодов, которые составляют основу современного энергосберегающего освещения. Таким образом можно говорить о концепции объединения функций освещения и функций передачи информационного сигнала, которая позволит достичь огромной экономии денежных средств, а также позволит сократить количество вредных выбросов в атмосферу Земли. Во-первых, развертывание точек доступа к информации посредством светодиодных источников облегчается, поскольку существующая инфраструктура освещения и

питания может быть повторно использована; существуют готовые технологии, такие как сетевая связь (PLC) и power over Ethernet (PoE). Во-вторых, отсутствует необходимость в дополнительном расходовании электроэнергии, так как искусственное освещение, как правило, присутствует внутри помещений непрерывно. Также стоит отметить, что между видимым излучением и излучением в радиочастотном спектре отсутствует интерференция, что не вносит негативного воздействия в работу чувствительного оборудования. Следовательно, видимый диапазон дли волн наилучшим образом подходит для создания области беспроводного покрытия вблизи подобного электрооборудования. К таким зонам можно отнести больницы, самолеты, нефтехимические и атомные электростанции и т. д. Помимо всего, благодаря физическим свойствам света, а именно невозможности распространения сквозь непрозрачные объекты, такой тип передачи информации может обеспечить высокий уровень безопасности в замкнутом периметре.

Датчики изображения или камеры, встроенные в мобильные телефоны, стали обычным явлением. Мобильные телефоны нового поколения, как правило, оснащены встроенными дополнительными камерами на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП, CMOS), которые позволяют пользователям легко фотографировать и снимать видео. Следовательно, оптическая связь с использованием светодиодов и мобильных телефонов является привлекательным решением и обеспечивает недорогую беспроводную коммуникацию. Фокус в основном приходится на увеличение скорости передачи данных, используя эффект рулонного затвора КМОП-датчика, а также на уменьшение процента потери информационного объема данных при передаче в беспроводной среде. Все эти факторы способствуют повышению интереса к технологии беспроводной передачи данных посредством светодиодов, что, в свою очередь, ведет к созданию различных систем и технологических решений для улучшения характеристик передачи информации.

Целью настоящей работы является исследование и проектирование беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи коротких информационных сообщений на камеру смартфона в видимом диапазоне света с использованием светодиодного излучателя.

Задачи, выполненные для достижения поставленной цели:

1. Проведен аналитический обзор современных методов беспроводной оптической передачи данных и особенностей построения систем передачи данных посредством светодиодов видимого излучения;

2. Проведены расчетные и экспериментальные исследования по оптимизации оптической схемы для передачи данных в видимом диапазоне света;

3. Проведены исследования влияния оптических характеристик на передачу данных на камеру смартфона, с целью определения оптимальных параметров для передатчика и приемника сигнала;

4. Изготовлен опытный образец беспроводной оптико-электронной системы передачи информационных сообщений на камеру смартфона со скоростью до 3.6 кбит/с.

Научная новизна диссертации состоит в том, что предложен новый принцип построения модулятора, позволяющий формировать пакеты данных и производить модуляцию светодиодов для передачи светового сигнала по беспроводному каналу (получен патент РФ на полезную модель № 188840). Разработан новый метод передачи данных с интенсивностью битовых ошибок (BER) не более 10-4 на основе амплитудной манипуляции с использованием Манчестерского кодирования от светодиодного излучателя на камеру смартфона, выступающую в качестве приемника оптического сигнала, использующую технологию построчного экспонирования (технологию рулонного затвора).

Научная и практическая значимость работы

В результате проведенных исследований создан опытный образец беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений с использованием светодиодного излучателя. Представлены результаты расчетов светотехнических параметров, подтвержденные экспериментальными исследованиями. Разработан новый метод передачи данных на основе амплитудной манипуляции с использованием Манчестерского кодирования. Продемонстрировано, что созданный модулятор может быть интегрирован в состав существующих светодиодных систем освещения для последующей беспроводной передачи данных.

Достоверность полученных результатов диссертации подтверждается методологической обоснованностью практических исследований и их сравнением с полученными теоретическими данными. Все полученные результаты диссертационного исследования представлены в публикациях и на международных и отечественных конференциях, а теоретические аспекты внедрены в учебный процесс университета.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Добавление новой усовершенствованной структуры модулятора, блок обработки которого выполнен в виде микроконтроллера с функцией передатчика, соединенного с двухканальным драйвером ключа нижнего уровня, в схему светильника с однородной матовой рассеивающей пластиной позволяет реализовать беспроводную передачу данных с частотой до 9 кГц в одностороннем режиме от светодиодного излучателя к камере стандартного смартфона, выступающей в качестве фотоприемника.

2. Реализация беспроводной оптико-электронной системы передачи данных с использованием камеры смартфона в качестве приемной части позволяет осуществлять одностороннюю передачу данных в видимом диапазоне излучения со скоростью приема до 3.6 кбит/с на расстоянии до 1 м.

3. Разработанная система передачи данных обеспечивает интенсивность битовых ошибок не более 10-4 на расстоянии до 1 м, за счет использования метода передачи данных на основе амплитудной манипуляции и оптической схемы, обеспечивающей равномерное распределение света светодиодного источника излучения.

Достоверность

Достоверность результатов диссертационного исследования подтверждена корректным теоретическим обоснованием, проведенных расчетов и моделирования, выполненных в программном комплексе для оптических систем "7етах". Экспериментальные данные, полученные в процессе сборки опытного образца беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений на фотометрическом стенде «Флакс», были сопоставлены с результатами компьютерного моделирования с использованием численного метода трассировки лучей Монте-Карло. Согласование теоретических и практических результатов можно наблюдать в тексте диссертации. Все полученные результаты исследования опубликованы в рецензируемых научных журналах и представлены на международных и отечественных конференциях, также было получено два патента на полезную модель Российской Федерации по теме исследования.

Внедрение результатов работы

Полученные результаты в ходе исследования получили патенты РФ на полезную модель: № 188840 «Устройство управления светом» (правообладатель -Университет ИТМО), № 197284 «Устройство управления потоком излучения» (правообладатель - Университет ИТМО). Теоретические аспекты диссертационного исследования нашли применение в образовательном процессе мегафакультета фотоники Университета ИТМО. Также основные полученные результаты исследования нашли свое применение в научно-исследовательской работе по теме: «Разработка комплекса беспроводной системы передачи данных по

технологии Li-Fi для интернета вещей и интеллектуальной световой среды в городском пространстве» в Университете ИТМО в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», соглашение № 14.581.21.0029 от 23 октября 2017 г., уникальный идентификатор RFMEFI58117X0029.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы анализа полученного результата. В ходе исследования отдельных характеристик оптико-электронной системы передачи данных посредством светодиодов использовались методы математического анализа, теории вероятности, методы теории погрешностей, численные методы, а также методы автоматизированной трассировки лучей с использованием программного комплекса "7етах".

Апробация работы

Результаты, описанные в диссертационном исследовании, были представлены на следующих международных и российских конференциях:

• Конференция с международным участием XLVI «Неделя науки СПбПУ» СПбПУ (2017)

• VII, VIII, IX Всероссийский конгресс молодых ученых (2018, 2019,

2020)

• 18th International Conference on Laser Optics ICLO (2018)

• Открытый конкурс VK Hackathon (2018)

• XLVII, XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (2018, 2019)

• Emerging Trends in Applied and Computational Physics (2019)

• 6th International School and Conference "Saint-Petersburg OPEN 2019" on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures (2019)

Международная конференция молодых ученых YETI-2019 (2019)

Личный вклад автора

Все изложенные в данной работе расчеты для светодиодного излучателя, а также моделирование, изготовление и экспериментальные исследования опытного образца выполнены лично соискателем либо при его непосредственном участии. Автор диссертационного исследования выражает благодарность всем соавторам, а также сотруднику лаборатории однофотонных детекторов и генераторов Университета ИТМО кандидату технических наук Липницкой С.Н. и сотруднику лаборатории атмосферных оптических квантовых каналов связи Университета ИТМО Полухину И.С., за помощь в проведении расчетных и экспериментальных исследований, проектировании и изготовлении опытного образца, а также последующих дискуссиях на тему полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 202 страницах, содержит 73 рисунка, 9 таблиц и список цитируемой литературы из 88 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации изложено обоснование актуальности темы исследования, охарактеризована степень ее научной проработанности, также осуществлен выбор объекта и предмета исследования и определены цель и основные задачи работы. Также описаны основные положения, выносимые на защиту и представлена научная новизна работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору и состоит из трех разделов. В первом разделе произведен обзор современных методов беспроводной оптической передачи данных на основе анализа литературных источников.

Системы VLC (англ. Visible Light Communication) позволяют передавать с помощью светодиодной лампы информацию на очень высоких скоростях. Рассмотрены особенности передачи данных для VLC. Для беспроводной оптической передачи данных могут использоваться светодиоды, жидкокристаллические (ЖК) или светодиодные экраны в качестве передатчиков, в то время как фотодиоды или оптические камеры могут использоваться в качестве приемников.

Во втором разделе приведен обзор компонентной базы систем оптической беспроводной передачи данных. Ввиду того, что основной упор в данном исследовании был сделан на взаимодействие светодиодов и камеры мобильного телефона (смартфона), в качестве источников излучения рассмотрены различные типы светодиодов, а в качестве приемника необходимо использовать камеры смартфонов, основанные на КМОП-структурах. В таких типах приемников каждый пиксель собирает входящие фотоны, благодаря микролинзам, установленным непосредственно над ним, то есть данные можно получать с каждого пикселя отдельно. Также можно сформировать общие положительные черты для датчика на основе КМОП-структуры:

• Высокая кадровая частота (до 500 кадров/с).

• Экономичное и простое производство.

• Низкое энергопотребление.

В третьем разделе описаны особенности построения систем беспроводной оптической передачи данных, а именно систем на основе технологии OCC (англ. Optical Camera Communication, связь на основе оптической камеры), которая относится к беспроводной связи между оптическими источниками и камерами (датчиками изображения). OCC относительно новая технология в существующих системах VLC. Сравнение OCC и VLC представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Сравнительный анализ технологий УЪС и ОСС

Характеристики ОСС VLC

Стоимость Низкая Высокая

Спектр длин волн УФ, ИК и видимый свет Видимый свет

Соотношение сигнал/шум Высокое Низкое

Приемник Оптическая камера Фотодетектор

Сложность декодирования Высокая Низкая

Скорость передачи данных До 10 кбит/с 11.67 кбит/с - 96 Мбит/с

Протокол данных IEEE.802.15.7m ffiEE.802.157

Реализация многопользовательского использования Легкая Сложная

Также для систем ОСС рассмотрены различные схемы модуляции. Стоит отметить, что приоритетно используется схема прямого обнаружения с модуляцией интенсивности, где информационный сигнал модулирует интенсивность света для передачи данных, что позволяет минимизировать потери символов в ходе передачи информационного сигнала.

Во второй главе описываются исследования влияния оптических характеристик на передачу данных на камеру смартфона в системах ОСС. В первом разделе описаны особенности приема данных на смартфон. Смартфон детектирует и декодирует принимаемые данные, усиливает их и отправляет для дальнейшей обработки в процессор. Схема реализации беспроводной оптической связи показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Рабочий сценарий передачи данных в ОСС

Один из способов использования датчика камеры мобильного устройства на основе КМОП-структур - преобразовывать изображение, захваченное камерой, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 - Формирование полос и состояние светодиода

Такая технология имеет название рулонного затвора. Существует два типа затвора: глобальный и рулонный. Суть работы первого изображена на рисунке

3(а).

Рисунок 3 - Механизмы затвора (а) глобальный (b) рулонный

С развитием технологий и появлением КМОП-структур появилась возможность осуществить работу технологии рулонного затвора (рисунок 3(b)). При работе рулонного затвора экспонирование пикселей матрицы камеры происходит построчно. Время экспонирования Te для рулонного затвора определяется как время, в течение которого каждая отдельная строка экспонируется перед отправкой на постобработку.

Второй раздел посвящен экспериментальным исследованиям влияния оптических характеристик на передачу данных. Для проведения исследований в качестве источника излучения был выбран квадратный светильник 60см х 60см. Световой поток источника излучения составил 1400 лм. В качестве приемного устройства выбран смартфон, производства фирмы Google - Google Pixel 2 на базе операционной системы Android Операционная система Android позволяет напрямую обращаться к матрице камеры и управлять ее светотехническими и механическими характеристиками, что необходимо для нашего исследования.

При передаче данных от светодиодного излучателя, необходимо добиться контрастной картинки между светлыми и темными полосами, как показано на рисунке 4, для однозначной декодировки принятого сигнала на смартфоне.

Рисунок 4 - Пример изображения на камере смартфона

На характер полос влияют следующие светотехнические параметры смартфона:

1) Функция, устанавливающая компенсацию рулонного затвора камеры. Данную функцию необходимо включить, что позволит получать данные с матрицы камеры построчно, как было описано выше.

2) Функция автоматического управления экспозицией, балансом белого и цифровым фокусом камеры. При значении ручного режима, камера перестает автоматически подбирать значения, что в свою очередь уменьшает засветку изображения и улучшает контрастность между черными и белыми полосами (рисунок 5).

а) б)

Рисунок 5 - а) режим выключенных автоматических настроек камеры, б) режим

включенных настроек

3) Функция, определяющая длительность экспонирования каждого пикселя или строки пикселей. Оптимальным значением времени экспозиции для декодирования сигнала является минимально возможное значение данной функции.

а) б)

в) г)

Рисунок 6 - Влияние времени экспозиции на характер изображения. Значения времени экспозиции: а) 0.1 нс, б) 0.1 мкс, в) 0.1 мс, г) 0.1 с

4) Функция, определяющая значение светочувствительности (ISO -International Organization for Standardization) камеры. Необходимо установить максимальное значение.

а)

б)

в) г)

Рисунок 7 - Влияние значений ISO камеры на характер полос:

а) 100, б) 800, в) 1600, г) 3200

5) Средняя частота кадровой развертки или средняя частота съемки камеры (FPS). Влияние FPS на характер и скорость передачи информации определялось в следующем эксперименте.

Средняя скорость съемки камеры эксперимента составляла 30 кадров в секунду, график числа принятых бит можно наблюдать на рисунке 8. Максимальная частота следования сигнала для камеры смартфона составляет 9 кГц.

Рисунок 8 - Зависимость количества принятых бит информации от частоты

модуляции, FPS = 30 кадров/с

В следующей серии экспериментов на камеру смартфона передавался текстовый символ «Н» латинского алфавита в 8-битной кодировке ASCII с применением Манчестерского кодирования. Принимаемый символ считался корректным, если в нем однозначно определялись все 16 составляющих бит. Зависимость потерянных бит информации от частоты модуляции для символа ASCII до Манчестерского преобразования и после него представлены на графиках на рисунках 9 и 10, соответственно.

Рисунок 9 - Зависимость потерянных данных при передаче символа ASCII от частоты модуляции до Манчестерского кодирования

Рисунок 10 - Зависимость потерянных данных при передаче символа ASCII от частоты модуляции после Манчестерского кодирования

Согласно полученным данным, оптимальная частота для передачи текстовой информации в кодировке ASCII составляет 4 кГц. На данной частоте наблюдаются минимальные потери данных при максимальной скорости передачи данных. С увеличением частоты резко увеличивается процент потерянных бит, ввиду того что ширина 1 полосы (1 бита информации) напрямую зависит от частоты модуляции. Чем выше частота, тем уже становятся светлые и темные полосы. Таким образом, с увеличением частоты модуляции выше 4 кГц, полосы на камере становятся слишком узкими для декодирования сигнала.

Третья глава посвящена оптической схеме излучателя для передачи данных в видимом диапазоне света. В качестве светоизлучающего модуля для оптической схемы передачи данных были выбраны линейки SMD светодиодов типоразмера 2835 Genesis Photonics Inc. Такие линейки используются в большинстве коммерческих светильников, что позволяет в данном исследовании придерживаться концепции существующей инфраструктуры освещения. Как упоминалось ранее, при передаче данных от светодиодного излучателя, необходимо добиться контрастной картинки между светлыми и темными полосами, для этого, необходимо создать равномерную засветку всей поверхности матрицы камеры. Полученные расчетные и экспериментальные данные демонстрируют равномерность засветки матрицы камеры в ближнем и дальнем полях.

1) Без рассеивающей пластины распределение освещенности для ближнего поля приведено на рисунке 11

2500

0 30 60 90

Угол, 0

Рисунок 11 - Распределение освещенности в ближнем поле на детекторах с радиусом 2 мм, в зависимости от расстояния

2) С рассеивающей пластиной (материал - полистирол) толщиной 1,5 мм, имеющей текстуру «микропризма» распределение освещенности на рисунке 12

1800 1600 1400 1200 с; й юоо о т X о 3" 800

-»-Я=50 см -•-(?=100 см -•—Я=150 см

ш в О 600 400 200

0

30 60 Угол, ° 90

Рисунок 12 - Распределение освещенности в ближнем поле на детекторах с радиусом 2 мм, в зависимости от расстояния

3) С матовой рассеивающей пластиной «Опал» (материал - полистирол) толщиной 1,5 мм - рисунок 13.

2000

1600 1200 л о 0 X 1 си 3" си

-•-1^=50 см -•—1^=100 см

3 800 о 400 -"-1?=150см

---*--

0 30 Угол,0 60 90

Рисунок 13 - Распределение освещенности в ближнем поле на детекторах с радиусом 2 мм, в зависимости от расстояния

Использование матовой рассеивающей пластины «Опал» для квадратного светильника позволяет создать равномерную засветку камеры смартфона в ближнем поле в пределах угла свечения источника света на расстоянии до 1,5 м, что демонстрируют графики распределения освещенности, изображенные выше. Также последний тип рассеивателя позволяет сосредоточить на центральной оси и увеличить интенсивность света, создаваемую излучающим модулем и регистрируемую в дальнем поле этого модуля, что говорит о возможности увеличивать дальность передачи данных в концепции оптической беспроводной связи.

В четвертой главе описано изготовление опытного образца беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений, его характеристики (таблица 2), количественные показатели.

Таблица 2 - Характеристики источника излучения для беспроводной оптико-электронной системы односторонней передачи информационных сообщений

Параметры Единицы измерения Значение

Суммарный световой поток лм 3200

Входное напряжение В 12

Потребляемая мощность Вт 48

Кол-во светодиодов шт 96

Размер светодиода мм X мм 2.8 х 3.5

Угол свечения о 150

Габаритные размеры мм X мм X мм 595 х 595 х 19

Максимальная интенсивность света кд 654

Цветовая температура К 6100

Для управления модуляцией источника излучения была разработана и изготовлена оригинальная схема модулятора на основе микроконтроллера семейства ATmega328, способная формировать пакеты данных и управлять внешним светодиодным источником, создавая модуляцию по принципу ООК, чтобы передать световой сигнал по беспроводному каналу на смартфон, в котором камера служит в качестве приемника. Электрическая принципиальная схема модулятора представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Электрическая принципиальная схема разработанного модулятора

Предложенная конструкция модулятора получила Патент на полезную модель № 188840 от 25 апреля 2019 г. «Устройство управления светом» (заявка № 2018145474 от 21 декабря 2018 г.).

Разрабатываемая система односторонней передачи информационных сообщений посредством светодиодов позволяет передавать данные со скоростью 3.6 кбит/с на расстоянии 1 м с BER = 10-4 и скоростью 1.8 кбит/с при BER = 3 10-4 с увеличением расстояния до 1.5 м, согласно рисунку 15 и данным в таблице 3.

Рисунок 15 - Зависимость интенсивности битовых ошибок от расстояния

Таблица 3 - Скорость передачи данных для разрабатываемой системы

Расстояние Тип источника излучения

Без рассеивателя С рассеивателем «Опал»

10 см 3.6 кбит/с 3.6 кбит/с

50 см 3.6 кбит/с 3.6 кбит/с

100 см 3.2 кбит/с 3.6 кбит/с

150 см 1.5 кбит/с 1.8 кбит/с

В заключении работы представлены основные выводы и полученные результаты диссертационного исследования:

• Разработан метод передачи данных на основе амплитудной манипуляции с использованием Манчестерского кодирования от светодиодного излучателя на камеру смартфона, выступающую в качестве приемника оптического сигнала, использующую технологию построчного экспонирования. Увеличение скорости передачи данных на камеру мобильного устройства возможно за счет использования механизма рулонного затвора матрицы камеры на основе КМОП-структуры.

• Разработана структура устройства управления источником видимого света, способное формировать пакеты данных, оптимальные для безошибочного приема камерой смартфона, и модулировать светодиодный излучатель по принципу on-off keying. Частота модуляции источника не должна превышать 4 кГц.

• Исследован вопрос выбора оптимальных светотехнических параметров источника и приемника излучения в оптической беспроводной системе передачи данных.

• Экспериментально и теоретически установлено, что использование матовой рассеивающей пластины типа «Опал» позволяет создать необходимое равномерное распределение света на поверхности матрицы камеры в ближнем поле светодиодного источника излучения для создания беспроводной связи с минимальными потерями данных (BER=10-4).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гареев Эмиль Зуфарович, 2020 год

Список литературы

1. Kleinman D.A. Bell system // Techn. J. 1956. Vol. 35. pp: 685-690.

2. Носов Ю.Р. Лосев О. В. Изобретатель кристадина и светодиода. Электросвязь. 2003. №5. - 63 с.

3. В.Г. Бондарев, В.В. Бондарев Оптико-электронная инфокоммуникационная система летательного аппарата // сб. тезисов докл. III Всероссийской научно-практической конференции «АВИАТОР», Воронеж, 11-12 февраля 2016 г., Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2016. - С. 14-16.

4. Visible Light Communications Consortium. Электронный ресурс: http://www.vlcc.net/ (19.09.2018).

5. Jungickel V., Vucic J., Langer K.-D. High-speed Optical Wireless Communications Technologies, Optical Fiber Conference (OFC). 2014. San Francisco. USA. Th1F.5 Электронный ресурс: ftp://ftp.hhi.fraunhofer.de/jungnickel/0FC2014/Jungnickel_0FC_March2014.pdf (03.05.2019).

6. Zeng L., Minh H., O'Brien D., Faulkner G., Lee K., Jung D., Oh Y. Equalization for High-speed Visible Light Communications Using White LEDs // Proc. 6th International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP 2008). 2008. pp: 170-173.

7. Виноградов В.С. Полупроводниковая лампа новый источник освещения / Инновационные технологии в науке, технике и образовании, Т. 2. М.: МГУПИ. 2008. С. 3-19.

8. Гридин В.Н. Полупроводниковая лампа источник освещения, альтернативный лампам накаливания и электролюминесцентным лампам / Компьютерная оптика. 2008. Т. 32. №4. С. 375-383.

9. Захарченко Д.А., Корецкая В.А., Старенька Т.Э. Светодиодные лампы - эффективный способ экономии энергетических ресурсов // Экономика строительства и городского хозяйства. 2009. Т. 5. № 3. С. 175-180.

10. Щербаков В.Н., Абрамов В.С., Рыжиков И.В. Основные проблемы создания источников освещения на базе инжекционной люминесценции, альтернативных лампам накаливании и люминесцентным лампам // Приборы. 2007. №5. С. 45-56.

11. Bertrand M., Bouchet O., Besnard P. Personal Optical Wireless Communications: LOS/WLOS/DIF Propagation Model and QOFI // Proc. 6th International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP 2008). 2008. pp: 179-182.

12. Fath T., Heller C., Haas H. Optical Wireless Transmitter Employing Discrete Power Level Stepping // Journal of Lightwave Technology. 2013. 31(11). pp: 1734-1743.

13. Ghimire B., Haas H. Resource Allocation in Optical Wireless Networks // Proc. of the 22nd Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC '11) IEEE. 2011. Электронный ресурс: http://www.see.ed.ac.uk/~hxh/pubs/pdf/gh1101.pdf (08.08.2019).

14. Paraskevopoulos A. Data are traveling, Электронный ресурс: https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2011/august/daten-unterwegs.html (16.02.2018).

15. Thomson I. Forget Wi-Fi, boffins get 150Mbps Li-Fi connection from a lightbulb: Many (Chinese) hands make light work. Электронный ресурс: http://www.theregister.co.uk/2013/10/18/forget_wifi_Chinese_boffins_get_150mbps_li fi_connection_from_a_lightbulb (16.01.2020).

16. Хаас Х. Wireless data from every light bulb. Электронный ресурс: http://www.ted.com/talks/harald_haas_wireless_data_from_every_light_bulb.htm (08.07.2017).

17. Mutthamma, M. A survey on Transmission of data through illumination -LiFi. // IJRCCT 2.12 (2013), pp: 1427-1430.

18. Khandal, D, Jain, S. Li-Fi (Light Fidelity): The Future Technology in Wireless Communication. International Journal of Information and Computation Technology, 4(16) (2014), pp: 192-193.

19. R. Ramadan, A. Youssef Light Fidelity (Li-Fi) Is it Possible to Replace Wi-Fi? // Conference: International Conference on Recent Advances in Computer Systems (RACS-2015), pp: 103-107.

20. LiFi-X - The fastest, smallest and most secure LiFi system. Электронный ресурс: http://purelifi.com/ (20.04.2020).

21. W. A. Cahyadi, Y.-h. Kim, Y.-h. Chung Dual camera-based split shutter for high-rate and long-distance optical camera communications, Opt. Eng. 55 (11) (2016) 110504.

22. N. Saeed, Sh. Guo, Ki-H. Park, T. Y. Al-Naffouri, M.-S. Alouini Optical Camera Communications: Survey, Use Cases, Challenges, and Future Trends // Preprint submitted to Physical Communication, October 17, 2019.

23. J. H. Bae, N. T. Le, J. T. Kim, Smartphone image receiver architecture for optical camera communication, Wireless Personal Commun. 93 (4) (2017), pp: 10431066.

24. R. Boubezari, H. Le Minh, Z. Ghassemlooy, A. Bouridane Smartphone camera based visible light communication // J. Lightw. Technol. 34 (17) (2016) pp: 41214127.

25. T. Nguyen, A. Islam, T. Yamazato, Y. M. Jang Technical issues on IEEE 802.15.7m image sensor communication standardization // IEEE Comm. Mag. 56 (2) (2018) pp: 213-218.

26. D. T. Nguyen, Y. Chae, Y. Park, Enhancement of data rate and packet size in image sensor communications by employing constant power 4-PAM, IEEE Access 6 (2018), pp: 8000-8010.

27. H. Chen, X. Z. Lai, P. Chen, Y. T. Liu, M. Y. Yu, Z. H. Liu, Z. J. Zhu, Quadrichromatic LED based mobile phone camera visible light communication, Opt. Express 26 (13) (2018), pp: 17132-17144.

28. A. Islam, M. T. Hossan, Y. M. Jang, Introduction of optical camera communication for internet of vehicles (IoV), in: 9th Int. Conf. on Ubiquitous and Future Networks, 2017, pp: 122-125.

29. N. Saha, M. S. Ifthekhar, N. T. Le, Y. M. Jang, Survey on optical camera communications: Challenges and opportunities, IET Optoelectronics 9 (5) (2015), pp: 172-183.

30. B. S. Leibowitz, B. E. Boser, K. S. Pister CMOS "smart pixel" for free-space optical communication // Sensors and Camera Systems for Scientific, Industrial, and Digital Photography Applications II, Vol. 4306, Int. Soc. for Optics and Photon., 2001, pp: 308-319.

31. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks. Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light (802.15.7-2011). Электронный ресурс: https://standards.ieee.org/findstds/standard/802.15.7-2011.html (27.02.2018).

32. IEEE Mentor 802.15.7m, Task Group docs. Электронный ресурс: https://mentor.ieee.org/802.15/documents?is_group=007a (20.02.2020).

33. H. Aoyama, M. Oshima, Visible light communication using a conventional image sensor, in: 12th Annual IEEE Consumer Commun. and Networking Conf., (CCNC), 2015, pp: 103-108.

34. K. Liang, C.-W. Chow, Y. Liu, C.-H. Yeh, Thresholding schemes for visible light communications with CMOS camera using entropy-based algorithms // Opt. Express 24 (22) (2016), pp: 25641-25646.

35. J. W. Lee, S. H. Yang, S. K. Han, Optical pulse width modulated multilevel trans- mission in CIS-based VLC // IEEE Photon. Technol. Lett. 29 (15) (2017), pp: 1257-1260

36. A. Ashok, M. Gruteser, N. Mandayam, J. Silva, M. Varga, K. Dana Challenge: Mobile optical networks through visual MIMO // Proc. of MobiCom/MobiHoc, ACM, 2010, pp: 105-112.

37. E. Wengrowski, W. Yuan, K. J. Dana, A. Ashok, M. Gruteser, N. Mandayam Optimal radiometric calibration for camera-display communication // IEEE Winter Conf. on App. of Computer Vision, 2016, pp: 1-10.

38. B. Xie, K. Chen, G. Tan, M. Lu, Y. Liu, J. Wu, T. He, LIPS: A light intensity-based positioning system for indoor environments // ACM Trans. Sen. Netw. 12 (4) (2016), pp: 1-27.

39. N. Saeed, H. Nam, T. Y. Al-Naffouri, M.-S. Alouini A state-of-the-art survey on multidimensional scaling-based localization techniques // IEEE Communications Surveys Tutorials (2019), 1-1.

40. N.-T. Le, Y. M. Jang MIMO architecture for optical camera communications // The J. of the Korean Institute of Commun. Sci. 42 (1) (2017), pp: 8-13.

41. N. U. Hassan, A. Naeem, M. A. Pasha, T. Jadoon, C. Yuen Indoor positioning using visible LED lights: A survey // ACM Comput. Surv. 48 (2) (2015), pp: 20-32.

42. T. Li, C. An, X. Xiao, A. T. Campbell, X. Zhou, Real-time screen-camera communication behind any scene // Proc. of MobiSys, 2015, pp: 197-211.

43. I. Takai, S. Ito, K. Yasutomi, K. Kagawa, M. Andoh, S. Kawahito, LED and CMOS image sensor based optical wireless communication system for automotive applications // IEEE P. J. 5 (5) (2013), pp: 6801418-6801418.

44. GSMA: The Mobile Economy 2020. Электронный ресурс: https://www.gsma.com/mobileeconomy/wp-content/uploads/2020/03/GSMA_MobileEc onomy2020_Global.pdf (24.05.2020).

45. R.N. Clarke Expanding mobile wireless capacity: The challenges presented by technology and economics // Telecommunications Policy Volume 38, Issues 8-9, September 2014, pp: 693-708.

46. CISCO, (2016). Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2014- 2019 White Paper.

47. A. Duque, R. Stanica, H. Rivano, A. Desportes, Unleashing the power of LED-to-camera communications for IoT devices // Proceedings of MobiCom 2016 VLCS Wkshps, ACM, New York, USA, 2016, pp: 55-60.

48. Вилисов А.А. Светоизлучающие диоды // Вестник Томского государственного университета. 2005. No 285. С. 148-154.

49. Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. М: Энергия, 1968. - 624 с.

50. Аваев Н.А., Наумов Ю.В., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники: Учебник для ВУЗов. M.: Радио и связь, 1991. - 288 с.

51. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. [Пер. с англ.] / М.: Физматлит, 2008. - 496 с.

52. В.И. Бирюлин, А.С. Чернышев, Д.В. Куделина Исследование работы светодиодных светильников // Auditorium. Электронный научный журнал Курского государственного университета. 2018. №3 (19). Электронный ресурс: https://api-mag.kursksu.ru/api/v1/get_pdf/971/ (16.04.2020).

53. В.Е. Бугров, К.А. Виноградова. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 174 с.

54. S. Pyshkin, J. Ballato Optoelectronics: Advanced Device Structures / BoD -Books on Demand, 2017, P. 372

55. Дудукало О.Е., Воробьев В.А. Синтез люминофора на основе алюмоиттриевого граната для источников белого света на основе СИД методом горения. Электронный ресурс: http://www.confcontact.com/20110531/hi_dudukalo.htm (11.03.2020).

56. Абдуллаев О.Р. Новая технология создания ограничительных кремниевых диодов с интегральным теплоотводом // Наукоемкие технологии. 2013. Т. 14. № 11. С. 19-21. ISSN 1999-8465.

57. Валенко В.С. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных устройств / под ред. А.А. Ровдо. М.: Издательский дом «Додэка XXI», 2001. - 368 с.

58. Кондратенко В.С. Полупроводниковые источники освещения революция в оптоэлектронике / Вестник МГУПИ. 2009. No17. С. 131-142.

59. Edison Opto Corporation PLCC 5630B HL Series Datasheet. 2014. Электронный ресурс: http://img.planar.spb.ru/ecpdf/160075.pdf (18.09.2019).

60. Edison Opto Corporation PLCC 2835 0.2W Series Datasheet. 2015. Электронный ресурс: http://img.planar.spb.ru/ecpdf/165018.pdf (18.09.2019).

61. Д.М. Кащеев, Д.А. Федулов, А.М. Смородин, Н.А. Булычев, Д.В. Дубовицкий Фоторезисторы и фотодиоды: сходства и различия // Сборник материалов Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проспект Свободный-2016», посвящённой Году образования в Содружестве Независимых Государств, Красноярск, Сибирский федеральный университет, 15-25 апреля 2016 г., С. 14-17.

62. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Радио и связь, 1989. - 360 с.

63. И.А. Андреев, В.В. Дюделев, Н.Д. Ильинская, М.П. Михайлова, Г.Г. Коновалов, Е.В. Куницына, Ю.П. Яковлев Быстродействующие p-i-n и лавинные фотодиоды для спектрального диапазона 1,1-2,4 мкм // Труды XXIV международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения - 2016, С. 85-88.

64. M. Syamsul, Y. Kitabayashi, D. Matsumura, T. Saito, Y. Shintani, H. Kawarada High voltage breakdown (1.8 kV) of hydrogenated black diamond field effect transistor // Appl. Phys. Lett. 109, 203504 (2016).

65. A. L. S. Orozco, L. J. G. Villalba, D. M. A. González, J. R. Corripio, J. Hernandez-Castro, S. J. Gibson Smartphone image acquisition forensics using sensor fingerprint // ET Comput. Vis., 2015, Vol. 9, Iss. 5, pp: 723-731.

66. Ряхин А., Цифровые фотокамеры: зимний парад // Мир ПК, 1998, № 2, С. 170-177.

67. A. Marzuki CMOS Image Sensor: Analog and Mixed-Signal Circuits // Developing and Applying Optoelectronics in Machine Vision (2016), P. 341.

68. L. Shi, Ch. Soell, A. Baenisch, R. Weigel Concept for a CMOS Image Sensor Suited for Analog Image Pre-Processing // DATE Friday Workshop on Heterogeneous Architectures and Design Methods for Embedded Image Systems (HIS 2015), Grenoble, France, March 13, 2015, pp: 16-21.

69. Патент РФ 2009126754/07, 2007.12.12. Способ и устройство для трилатерации с использованием прогнозирования линий связи в пределах прямой видимости и фильтрации трасс в пределах прямой видимости до проведения измерений. Патент России № 2465616/C2. 2007. / Борнхолдт Д. М.

70. Diouba Sacko, Alpha Amadou Kéïta Techniques of modulation: pulse amplitude modulation, pulse width modulation, pulse position modulation // International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT) ISSN: 2249 - 8958, Volume-7 Issue-2, December 2017.

71. P. Luo, M. Zhang, Z. Ghassemlooy, S. Zvanovec, S. Feng, P. Zhang Under sampled-based modulation schemes for optical camera communications // IEEE Commun. Mag. 56 (2) (2018), pp: 204-212.

72. Ahmed K. Ali, Ergun Erçelebi An M-QAM signal modulation recognition algorithm in AWGN channel // Hindawi Scientific Programming Volume 2019, 17 pages

73. John Anthes, Murata Electronics North America OOK, ASK and FSK Modulation in the Presence of an Interfering signal. Электронный ресурс: https://wireless.murata.com/pub/media/products/apnotes/ook.pdf (08.04.2020).

74. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB / CRC Press, 12.07.2017. P. 575.

75. A. R. Darlis, W. A. Cahyadi, D. Darlis, Y. Ho Chung Underwater Visible Light Communication using Maritime Channel // Conference of Korea Institute of Signal Processing and Systems (KISPS) - 2016

76. Optical wireless communications: system and channel modelling with MATLAB / Z.Ghassemlooy, W.Popoola, S.Rajbhandari. ISBN978-1-4398-5188-3

77. M. Noshad, M. Brandt-Pearce Hadamard Coded Modulation for Visible Light Communications. Электронный ресурс: https://arxiv.org/pdf/1406.2897.pdf (11.02.2020).

78. Д.Ю. Пономарев Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей: учеб. пособие / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2014. - 176 с.

79. Хохлов А.В. Теоретические основы радиоэлектроники: Учеб. Пособие. Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 2005. - 296 с.

80. K. Nyachionjeka, W. Makondo Effects of Modulation Techniques (Manchester Code, NRZ or RZ) on the Operation of Hybrid WDM/TDM Passive Optical Networks // International Scholarly Research Notices, 2014, pp: 1-8.

81. M. T. Alresheedi, A. T. Hussein, Jaafar M.H. Elmirghani Uplink design in VLC systems with IR sources and beam steering // IET Communications, 11(3), pp: 311317.

82. Z. Wang, Q. Wang, W. Huang, Z. Xu Optical Camera Communication: Fundamentals // John Wiley & Sons, Ltd, 2017, Ch. 8, pp: 239-290.

83. A. Ashok, M. Gruteser, N. Mandayam, J. Silva, M. Varga, K. Dana, Challenge: Mobile optical networks through visual MIMO // Proc. of MobiCom/MobiHoc, ACM, 2010, pp: 105-112.

84. W. Hu, H. Gu, and Q. Pu. LightSync: unsynchronized visual communication over screen-camera links // ACM MobiCom, 2013.

85. PointGrey Flea3 Product Datasheet. Электронный ресурс: http://www.ptgrey.com/products/flea3/Flea3_Datasheet.pdf (15.05.2019).

86. Michail Vasilakis DynaLight: A Dynamic Visible LightCommunication Link for Smartphones // Master's Thesis in Embedded Systems / Delft University of Technology, 2015

87. N. Rajagopal, P. Lazik, A. Rowe Visual light landmarks for mobile devices // IPSN-14 Proceedings of the 13 th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks, 2014

88. C. Danakis, M. Afgani, G. Povey, I. Underwood, H. Haas Using a CMOS Camera Sensor for Visible Light Communication / 2012 IEEE Globecom Workshops, 20 12

Приложение 1 Тексты публикаций

Journal of Physics: Conference Series

PAPER • OPEN ACCESS

Errors in simplex data transmission channel based on visible light communication

To cite this article: A I Borodkin et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1326 012030 View the article online for updates and enhancements.

This content was downloaded from IP address 188.170.79.146 on 26/10/2019 at 22:33

Errors in simplex data transmission channel based on visible light communication

A I Borodkin1, I A Krasavtsev1, E Z Gareev1, I S Polukhin1,2, O A Kozyreva1, S A Shcheglov1, D S Shiryayev1, M A Odnoblyudov2 and V E Bougrov1

1ITMO University, Kronverksky Pr. 49, Saint Petersburg 197101, Russia 2Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Polytechnicheskaya 29, Saint Petersburg, 195251, Russia

E-mail: [e-mail]

Abstract. We analyze the wireless visible light simplex data transmission channel based on visible light communication (VLC) technology and determine 2 main types of errors that occur while using a modern smartphone as a receiver. We have calculated highest probable data transfer speed in our communication channel, and have developed a cyclical data transmission system with bandwidths of up to 4 kbits at a distance of 1 m, using a conventional domestic LED illuminator equipped with a modulator as a transmitter and a developed client application for an Android smartphone with a standard camera module as a receiver.

1. Introduction

In recent years, the functionality of data transmission systems is increasing, which not only allows us to obtain advanced new features, but also significantly reduces the cost the complex new systems in general [1]. Following this trend, the use of optical communications systems for various purposes has increased significantly [2]. And the use of VLC technology based systems makes it possible not only to transfer data via modulation luminous flux, but also allows to use such systems for illumination purposes. LiFi systems are already capable of providing bandwidth up to several Mbps [3], while maintaining the functionality of the domestic LED illuminator, however, such systems require the use of a special client photoreceiving module and equipping a mobile device, such as a smartphone, with separate external module is extremely inconvenient and leads to a number of specific limitations. However, a smartphone camera can be utilized as a receiver in VLC systems, which greatly simplifies the use of such a system requiring no special skills, and, as a result, allows more people to use such a system. But in all data transmission systems there is always a bottleneck that significantly affects the bandwidth [4]. A camera module of a mobile device is the bottleneck in the system, due to the low frame rate which is usually limited to 120-240 frames per second (fps). Transmitting a signal with such a low modulation frequency nullifies all the convenience of using the smartphone camera due to the considerable waiting time necessary to transmit even the small data batch. In order to increase the bandwidth and reduce the bit error rate (BER) complex modulation schemes are used in wireless data transmission systems [5]. However, such modulation schemes are not applicable with the camera module of a smartphone. Therefore, the purpose of this work was to develop an algorithm that will significantly increase the receiving and processing data speed while using the camera module of a mobile device in VLC systems as a receiver, as well as to conduct a series of studies and analyze the

0 I Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution

I of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

errors occurring in such communication channel in order minimize them and increase the bandwidth as a result.

2. System description

In order to perform a series of experiments a data transmission system was created that is capable of providing simplex data transfer with the 4 kHz frequency on-off keying modulation. The modulator, designed to work with an up to 60 Watts LED luminaires, capable 50% duty ratio squarewave signal up to 1 MHz modulations, and a 48 W power 4620 lm luminous flux model of a commercial LED luminary were developed and fabricated in order to use them as a transmitter. The CMOS censor of the mobile device camera module was used for signal receiving and the mobile device itself for the processing and visualizing transferred data. Mobile device equipped 1/2.6-inch size 12 megapixel resolution sensor, 1/1.8 aperture size camera module and 240 fps highest possible frame rate was used. A software package, including camera shot signal decoding algorithm and the mobile device application with user friendly interface for reading and receiving data was developed. In order to obtain oscillograph of received signal 4 THORLABS FDS100 Si photodiodes with the 350-1100nm wavelength and rise/fall time of 10 ns photorecieving module was developed.

2.1 Algorithm description.

The used mobile device does not allow to process an optical signal, the modulation frequency of which is higher than 240 Hz, according to the 240 fps limit. Therefore, to increase the frequency of the processed optical signal, the algorithm that allows using a mobile device to receive and process a signal with a modulation frequency of up to 9 kHz with a shooting frequency of only 30 frames per second was developed. The theoretically maximum obtained bandwidth by utilizing the developed algorithm can be calculated as follows:

Bmax = & , (1)

where Bmax is the maximum available bandwidth and s is the camera module shutter speed of a mobile device.

The algorithm is based on the "rolling shutter" effect, described in more detail by N. Rajagopal et al in [6]. The use of this effect became possible due to the CMOS matrix structure peculiarities. The figure 1 shows the work in general of the developed algorithm, which allows signals whose frequency is several orders of magnitude higher than the mobile device fps being received and processed.

Figure 1. The illustration of the based on rolling shutter effect algorithm; a green line illustrates the bit sequences, transferred with the modulation frequency higher than the fps, red areas determines 1 separately processed exposure area of a smartphone matrix as well as illustrates the time of the one exposure, the blue area depicts no processing between the frames; (a) an example of conventional exposure method when the exposure time >> reciprocity value of modulation frequency (mf (-1)), (b) the illustration of exposure method used in the algorithm when the separately processed exposure < mf (-1).

3. Results & discussion

All experiments were conducted in a dark room to minimize the impact of external sources of illumination. During the first series of experiments a data batch consisted of "ITMO" ASCII alphabetic characters was transmitted using 4 kHz modulation frequency Manchester coding at a distance of 1 m from the illuminated surface to the smartphone lens. One experiment consisted of 100 data batch transfer cycles. Each experiment was conducted 10 times for three different configurations of the LED luminare: a module with a direct luminous flux, a module with the diffuser and the module with the reflective area. A schematic representation setup during the experiments is shown in the figure 2.

Figure 2. (a) A Setup for the experiments, (b) three different configurations of the LED luminaire.

As a result of the experiments, average values of the data batches processing were obtained. The results are shown in the table 1.

Table 1. Processed data batch with different LED luminaire design.

LED luminaire design Transferred batches (%)

Direct luminous flux 67

With diffuser 74

Reflective area 87

In this experiment the "processed batch" was considered to be a fully correct transmission of the "ITMO" alphabetic characters with no bit error in whole batch. One bit error was enough to consider the transmitted packet as completely erroneous. The results shown in the table 1 illustrate, the LED luminare design with the reflective surface is the most effective one with the developed data transmission system. However, despite the fact that repeated cyclical data transmission allows to compensate errors by the number of transmission cycles, the number of erroneous bits received during the first series of experiments will significantly affect the communication channel bandwidth. In order to identify the most common error appear points of the transferred data batch and to classify the errors the second experiment series were performed. During this experiment 100 batches were cyclically transferred under the same conidiations the first experiment was performed. However, in order to identify the errors exactly all the bits of the data batches, except the bits of the batches with no "00001" headline determined were registered. Not all received bits of no-headline batch are incorrect, yet the information decoding in such a batch is of immense complexity. The figure 3 visualize the error bits.

Figure 3. The error bit map where each vertical line means 1 data batch; green lines illustrate correctly transferred batch, while blue lines stand for error headline batch and bit errors are depicted by the red segments of the map.

All the data transferred were received and processed by the developed photoreceiving module and the oscilloscope. By analyzing the oscillograph and the decoded bits the points of errors were definitely determined. The images consisting of light and dark lines exposed and processed by the smartphone were also taken. By analyzing the width and the order of the lines the error bits were detected. In the figure 4 the oscillograph as well as shot images for different segments of the data batch are presented.

(a) (b)

(c) (d)

Figure 4. (a) A screenshot of an image of the lines that were processed with no errors shot by the smartphone, (b) oscilloscope of the modulated illumination flux, the non-squarewave form on the oscillograph can be explained by the design of the photoreceiving module — the changes between 1 and 0 are registered by the voltage amplitude spike and the length of the only zeros or ones sequence is depicted by the distance between 2 nearest spikes, (c) a screenshot of a no headline registered data batch image, colored in blue data was not processed, (d) a screenshot of an image that was processed as "ITML" rather than "ITMO" due to the the last light line in the sequence was shot and processed shorter than in should be.

The analysis of all data taken allowed to classify the acquiring error to two main different types: the length of a data batch errors, appeared in case of the absence of the headline of a data batch, the dark lines width error, appeared when the algorithm failed to correctly determine the number of 0 bits transferred in a row. By introducing self-learning algorithm there is a possibility to approximate the similar parts of cyclically transferred small amount of data which will allow to decode the most part of a bit sequence in a data batch without received headline, thus the first type of errors will be minimized. The appearance of this type of errors mostly can be explained by the existence of a small delay between the taken by the camera module shots. By the improving the algorithm of parallel exposing-processing the shots this type of errors can also be minimized. The second type of errors can be reduced both hardware re-design introducing the construction of LED luminary with high uniformity level of illumination flux and software optimization by supplementing correction factors to the lines width.

4. Conclusion

In the framework of the study a simplex VLC technology based system capable of up to 4 kbits data transmission in a Manchester mode with a conventional LED luminary under normal conditions as a transmitter and using a standard mobile device camera as a receiver was demonstrated. Two types of errors appear in demonstrated transmission channel were classified and the errors minimization methods were proposed. The future plan is to implement software and hardware error reductions methods as well as perform series of experiments in order to analyze BER with the different modulation frequencies up to 10 kHz and variety of cyclic types of data transfer.

Acknowledgments

This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation in the framework of the Federal Target Program "Research and development on priority directions of scientific-technological complex of Russia for 2014-2020", the code 2017-14-582-0001, agreement№ 14.581.21.0029 of October 23, 2017, unique ID RFMEFI58117X0029.

References

[1] Sivers M, Fokin G, Dmitriev P, Kireev A, Volgushev D and Hussein Ali, A.-O.A. Wi-Fi based

indoor positioning system using inertial measurements 2017 Lecture Notes in Computer Science (Including Subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 10531 LNCS 734-744. doi:10.1007/978-3-319-67380-6_69

[2] Podstrigaev A S, Davydov R V, Rud V Y and Davydov V V Features of Transmission of

Intermediate Frequency Signals over Fiber-Optical Communication System in Radar Station. 2018 Lecture Notes in Computer Science (Including Subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics) 11118 LNCS 624-630. doi:10.1007/978-3-030-01168-0_56

[3] Haas H, Yin L, Wang Y and Chen C 2016 What is Li-Fi? J. of Lightw. Tech. 34 1544

[4] Vainshtein S, Zemlyakov V, Egorkin V, Maslevtsov A and Filimonov A. Miniature high-power

nanosecond laser diode transmitters using the simplest possible avalanche drivers IEEE Transactions On Power Electronics 34(4) 3689 - 3699

[5] Gorbunov S and Rashich A BER Performance of SEFDM Signals in LTE Fading Channels.

2018 41st International Conference on Telecommunications and Signal Processing, TSP 2018. doi: 10.1109/TSP.2018.8441462

[6] Rajagopal N, Lazik P and Rowe A 2014 Visual Light Landmarks for Mobile Devices (IPSN-14

Proceedings of the 13th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks)

Journal of Physics: Conference Series

PAPER • OPEN ACCESS

Signal processing scheme for error control in visible light communication data transmission system

To cite this article: A I Borodkin et al 2019 J. Phys.: Conf. Ser. 1410 012098 View the article online for updates and enhancements.

This content was downloaded from IP address 188.170.75.177 on 08/01/2020 at 23:20

Signal processing scheme for error control in visible light communication data transmission system

A I Borodkin1, E Z Gareev1, I A Krasavtsev1, O A Kozyreva1, I S Polukhin12, M A Odnoblyudov2, V E Bougrov1

:ITMO University, Kronverksky Pr. 49, Saint Petersburg 197101, Russia

2Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, Polytechnicheskaya 29, Saint

Petersburg 195251, Russia

Abstract. We developed wireless visible light simplex data transmission channel and error correction algorithm for the reciever. The system was design specially for using modern smartphone device as a receiver and a conventional domestic LED illuminator as transmitter. We calculated highest probable data transfer speed in our communication channel, fabricated the transmitter modulator and developed the client application for an android smartphone equipped with stock camera module, perform a series of data speed measurements and conducted the analysis of both analog and digital signals. The system allowed to transmit data with rates up to 8 kbps on distance up to 1.5 meters.

1. Introduction

In recent years, technologies that allow to combine advanced functionality in conventional things are emerging [1]. This trend has not bypassed the illumination systems, an important task of which became the wireless communication through modulation luminous flux. Thus, arose VLC technology, using LED as an optical signal transmitter and a photodetector as a receiver [1]. The main signal transmission principle by such a system is based on the light emission modulation with a frequency of the order of several kHz and higher. The human eye is not able to perceive the frequency of flicker above 100 Hz, which allows you to make data transfer using VLC technology imperceptible to a user. A conventional modulation of LED illumination On-Off Keying is based on changes of luminous flux intensity. On-Off Keying is the modulation principle that the developing modulator designed to integrate into existing systems of urban, industrial and domestic lighting without the need to create special systems for matching and integrating additional photodetectors into existing lamps, and thereby expanding the functionality of such systems, providing the opportunity for creating wireless data transfer over the luminous flux. However, a very important functionality degree indicator of VLC technology-based systems is their bandwidth, increasing which, apart from everything else, allows to raise the transmitted data protection level, maintaining channel data transfer speed [1]. Using a mobile device as a receiver in such data transmission systems allows you to make information accessible to a large number of users, due to the absence of the need to have a special separate client module acting as a receiver, however, a mobile device camera module shooting frame rate is often limited to 120-240 Hz, due to the lack of a camera matrix possession ability, which makes it necessary to apply special processing methods of shots. The target of this work was the development of the algorithm that allows to use the maximum of channel capacity by special methods of working with camera frames.

I Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by IOP Publishing Ltd 1

2. System description

A prototype of an office-standard luminaire was used as a signal source. The emitting module consisted of white phosphors LEDs with a modulator was developed by the authors. Luminaire luminous flux was measured amounted to 1680 lm. In order to maintain the intensity of the luminous flux PWM modulation was used. LED luminaire was modulated with 50% duty ratio squarewave signal, the maximum received signal value was set for «1» and the minimum for «0», respectively. The Modulator had a maximum modulation frequency of 1 MHz and was designed to work with a up to 43 Watts LED luminaires. The CMOS censor of the mobile device camera module was used for signal receiving and the mobile device itself for the processing and visualizing transferred data. Mobile device equipped 1/2.6-inch size 12 megapixel resolution sensor and 1/1.8 aperture size camera module was used. The highest frame rate supported by the mobile device was 240 frames/sec. A software package was developed that includes part decoding signal shot by camera and an application designed for a mobile device having a user-friendly interface for reading received data. In order to obtain oscillograph of received signal photorecieving module was used. The module was developed by the authors and used 4 THORLABS FDS100 Si photodiodes with the 350-1100nm wavelength and rise/fall time of 10 ns. The figure 1 is illustrating the experimental setup, which was used to perform series of algorithm tests.

power supply

LED Luminaire

mobile device

oscilloscope

modulator

squarewave signal 1-8 kHz

JUUL

power supply

photoreceiving module " -y/ith 4 FDS100 PD distance ...........

Figure 1. Experimental setup of the developing system.

At the first stage, the authors created an algorithm that uses the "rolling shutter" effect. This effect is described in detail by N. Rajagopal et al. in [2]. The developed algorithm allowed to process data at speeds up to 2.5 kbps when shooting at 15 frames / sec. We used modulation frequencies from 1 to 7 kHz. However, a significant disadvantage of this algorithm was the loss of at least of 2/3 transmitted data. Only 1/3 of data transmitted was processed, as depicted in figure 2 (a), that can be explained by the fact that the process of exposing the CMOS matrix and the processing of the received signal are performed sequentially. At the second stage. We developed algorithm, so that the processes described above took place in parallel, thus it made possible to minimize the loss of transmitted information, as shown in Figure 2 (b,c). The figure 2 (c) illustrated the main principal of rolling shutter effect and the implementation of this effect into developed parallel algorithm.

Journal of Physics: Conference Series

frame frame

exposure time processing time exposure time

first frame

JUpJL

T

X

second frame

time

frame exposure & processing time

1 A A ,

firs? y second1 third if

frame frame | I frame I ...

time

1 frame

prossessing t

t, s

Shutter speed

1 frame 2 frame

t, s

Figure 2 (a, b, c). Schematic representation of the work of the processes of exposure and image processing. (a) sequentially, (b) in parallel, (c) sequential (top diagram) and parallel (bottom diagram) algorithm with the rolling shutter effect implementation, where blue lines are the group of camera module matrix rows that were exposed sequentially, according to the rolling shutter effect, and pink lines depict the time periods needed to process each of the matrix rows group.

3. Results&discussion

Throughout the experiment, all the devices were in a dark room. First, we estimated the channel capacity and measured the data transmission speed in the system.

Bandwidth achieved with the use of developed algorithm can be calculated using equation (1). and maximum possible data transmission can be calculated by the equation (2).

B = mNt'1, (1)

where B is bandwidth, m is the number of separate exposed censor lines, N is the number of frames processed, t is the processing time.

And the maximum possible data transmission can be calculated as follows (2):

Bmax = $ , (2)

where Bmax is the maximum available bandwidth and s is the camera module shutter speed of a mobile

device.

According to the (2) the highest theoretical bandwidth with our setup using the developed algorithm was 24 kbps, as the shutter speed of a mobile device used during the experiments was 1/24000 sec, while the highest frame rate supported by smartphone was 240 frames / sec.

Then we modulated the luminous flux from LED luminaire with 0&1 sequence by squarewave signal. The modulation frequency was from 1 kHz to up to 7.5 kHz. We perform the experiment for 3 different distances to the mobile device. We also use the oscilloscope and photorecieving module in order to

analyze the optical analog signal we receive by the camera module of the mobile device. The results are shown in the figure 3.

3000 -

0 -■-■---■---■-■-■---■---■-■-1-

0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5

Frequency, kHz

Figure 3. Amount of processed data per second to the modulation frequency at different distances with the first version of the algorithm. The mobile device had 15 frames per second during the experiment.

From the figure 3 it can be seen that the blue and red line, illustrating the dependences at 0.4m and 1.006m, respectively, increase linearly in the modulation section from 1 to 7.5 kHz. The loss of 2/3 of data transferred can be observed at all distances. However, as the distance increases (the green curve), the graph becomes non-linear, which can be explained by a decrease in the received optical power by the matrix of the mobile device, as shown in Figure 4 (a), which causes individual light lines to "merge" into one wider line, as shown in the Figure 4 (b), and as a result, part of the data is lost. The authors also observed a similar problem with a modulation frequency of more than 10 kHz at a distance of more than a meter.

a b

HIIHIIIIIIIIIlii

O O.l 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

t, ms

Figure 4 (a, b). (a) Waveform of an optical signal received by a photorecieving module on a distance of 1.006m and 1.566m displayed by the yellow and blue curve, respectively, the waveform is not a squarewave signal, due to the design of the module (b) screenshots of the "white" and "black" lines received by a mobile device (left — 4 kHz, right — 11 kHz).

Journal of Physics: Conference Series

1410 (2019) 012098 doi:10.1088/1742-6596/1410/1/012098

During the experiment we ascertain three main speed determining parameters are: sensor exposure time — a function that determines the duration of each pixel exposure, ISO sensitivity — a measure of the camera's ability to capture light and fps. The first two parameters define the contrast of the white and black lines. The results of series of experiments performed by the authors show that the minimal exposure time and maximum ISO value should be used in order to obtain the highest contrast. ISO — 3200 and exposure time — 56311 ns for the mobile device we used during the experiment.

In the second stage we conducted a series of experiments with the optimized algorithm so that the processes of exposure and image processing were parallel. As can be seen from the figure 5, the number of processed bits of information with the optimized algorithm is significantly higher than in the previous experiment, illustrated by the green line in the Figure 5. Moreover, the use of the parallel algorithm allowed us to increase the FPS, which also led to the increase of speed in channel. In addition, we also carried out real dataset transmitting measurements. We used Manchester coding for real dataset experiment. This type of coding allowed us to minimize strobe effect and determine the headline of a code definitely. The results are shown in Figure 5. The drop in the number of processed bits of information on 4.5 kHz can be explained by the fact that using real dataset, causes the sequences of bits contains combinations of several light (or dark) lines in a row, and with the modulation frequency increase, these line rows "merge" into one line, in the same way as shown in Figure 4 (b). The dataset was a pseudo random binary sequence (PRBS).

9000

2o 7000

<D

a -a

x>

O

-4-» Ö 3

o

a <

6000

5000

4000

15 fps -30 fps

-30 fps, real data

3,5 4,5 5,5 6,5 Frequency, kHz

Figure 5. Dependence of amount of processed data per second on the modulation; green curve —non-rebuilt algorithm; red curve — rebuild algorithm, blue curve — rebuilt algorithm, using Manchester coded OOK PRBS

4. Conclusion

In this work we demonstrated the data transmission via LEDs and mobile device camera and developed the processing algorithm for camera capable to decode signals with modulation frequencies up to 9 kHz with the 0&1 PRBS and up to 4 kHz with the real Manchester coded OOK PRBS data. The future plan is the increasing of data transmission speed due to the introduction of special correction factors in the data processing algorithm, which makes camera better solve sequences with the same repeated symbols. Changing the design of the luminaire can also increase the speed of data transmission. For instance, an additional special-form diffuser will increase the uniformity of the light spot of the luminaire, which, in turn, will increase the uniformity of the light lines, thereby preventing them from merging. We are also

planning to add the ability to detect the brightest zones during the direct exposure to our algorithm. That will allow us to increase the possible speed in the channel by adding the correction index. In addition, we assume that the signal receiving in such a system will often occur from the reflected illumination, which also allows to increase the uniformity of light spot, and, as a result, reduce losses.

Acknowledgments

This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation in the framework of the Federal Target Program "Research and development on priority directions of scientific-technological complex of Russia for 2014-2020", the code 2017-14-582-0001, agreement № 14.581.21.0029 of October 23, 2017, unique ID RFMEFI58117X0029.

References

[1] Haas H, Yin L, Wang Y, and Chen C 2016 What is Li-Fi? J. of Lightw. Tech. 34, 1544

[2] Rajagopal N, Lazik P and Rowe A 2014 Visual Light Landmarks for Mobile Devices (IPSN-14 Proceedings of the 13th International Symposium on Information Processing in Sensor Networks)

ISSN 0236-2945

LIGHT &

ENGINEERING

Volume 27, Number 6, 2019

Editorial of Journal "Light & Engineering" (Svetotekhnika), Moscow

The purpose and content of «Light & Engineering» is to develop the science of light within the framework of ray, photometric concepts and the application of results for a comfortable light environment, as well as for visual and non-visual light technologies, including medicine. The light engineering science is a field of science and technology and its subject is the development of methods for generation and spatial redistribution of optical radiation, as well as its conversion to other forms of energy and use for various purposes.

The scope of journal includes articles in the following areas:

• Sources of light;

• Light field theory;

• Photometry, colorimetry and radiometry of optical radiation;

• Visual and non-visual effects of radiation on humans;

• Control and regulation devices for light sources;

• Light devices, their design and production technology;

• Light devices for the efficient distribution and transportation of the light energy: hollow light guides, optical fibers;

• Lighting and irradiation installations;

• Light signaling and light communication;

• Light remote sensing;

• Mathematical modelling of light devices and installations;

• Energy savings in light installation;

• Innovative light design solutions;

• Photobiology, including problems of using light in medicine;

• Disinfection of premises, drinking water and smell elimination by UV radiation technology;

• Light transfer in the ocean, space and other mediums;

• Light and engineering marketing;

• Legal providing and regulation of energy effective lighting;

• Light conversion to other forms of energy;

• Standardization in field of lighting;

• Light in art and architecture design;

• Education in field of light and engineering.

Journal "Light & Engineering" had been founded by Prof. Julian B. Aizenberg in 1993

LIGHT & CBETQ

ENGINEERING TEXHVIKA

Editorial of Journal "Light & Engineering/Svetotekhnika'

General Editor: Julian B. Aizenberg Editor-in-Chief: Vladimir P. Budak Deputy Chief Editor: Raisa I. Stolyarevskaya

Editorial Board Chairman: George V. Boos, Moscow Power Engineering Institute

Editorial Board:

Sergei G. Ashurkov, Editorial of Journal Lou Bedocs, Thorn Lighting Limited, United Kingdom

Mikhail L. Belov, Scientific-Research Institute of Radioelectronics and Laser Technology at the N.E. Bauman Moscow State Technical University Tony Bergen, Technical Director of Photometric Solutions International, Australia Grega Bizjak, University of Ljubljana Slovenia Peter Blattner, Head of Laboratory of Federal Institute of Metrology METAS Bern-Wabern, Switzerland

Alexander A. Bogdanov, OJSC, "INTER RAO LEDs Systems"

Wout van Bommel, Philips Lighting, the Netherlands

Peter R. Boyce, Lighting Research Center, USA Lars Bylund, Bergen's School of Architecture, Norway

Natalya V. Bystryantseva, ITMO University, St. Petersburg

Stanislav Darula, Academy Institute of Construction and Architecture, Bratislava, Slovakia Andrei A. Grigoryev, Deputy Head of the "Light and Engineering" Chair, MPEI, Moscow Tugce Kazanasmaz, Izmir Institute of Technology, Turkey

Alexei A. Korobko, BL Group, Moscow

Saswati Mazumdar, Jadavpur University, India

Dmitriy A. Melnikov, Ministry of Energy of Russian Federation

Evan Mills, Lawrence Berkeley Laboratory, USA Leonid G. Novakovsky, Closed Corporation "Faros-Aleph"

Yoshi Ohno, NIST Fellow, (CIE President 20152019), USA

Alexander T. Ovcharov, Tomsk State Arch. -Building University, Tomsk Leonid B. Prikupets, VNISI named after S.I. Vavilov, Moscow

Lucia R. Ronchi, Higher School of Specialization for Optics, University of Florence, Italy

Alla A. Ryabtseva, Ophthalmology department of Moscow Regional Research and Clinical Institute "MONIKI"

Anna G. Shakhparunyants, General Director of VNISI named after S.I. Vavilov, Moscow Nikolay I. Shchepetkov, SA MARchi, Moscow Alexei K. Solovyov, State Building University, Moscow

Peter Thorns, Zumtobel Lighting, Dornbirn, Austria

Konstantin A. Tomsky, St. Petersburg State University of Film and Television

Leonid P. Varfolomeev, Moscow

Jennifer Veitch, National Research Council of Canada

Pavel P. Zak, Emanuel Institute of Biochemical Physics of Russian Academy of Science (IBCP RAS) Olga E. Zheleznyakova, Head of the "Light and Engineering" Ghair, N.P. Ogarev Mordovia State University, Saransk

Georges Zissis, University of Toulouse, France

Moscow, 2019

Light & Engineering / Svetotekhnika Journal Country Correspondents:

Argentina

France

India

Slovenia

Turkey

Pablo Ixitaina Georges Zissis Saswati Mazumdar Grega Bizjak Tugce Kazanasmaz Erdal Sehirli Rengin Unver

National and Technological La Plata Universities

University of Toulouse

Jadavpur University

University of Ljubljana

Izmir Institute of Technology (Urla)

Kastamonu University (Kastamonu)

Yildiz Technical University (Istanbul)

Editorial Office:

Scientific Editors:

Russia, VNISI, Rooms 327 and 334 106 Prospekt Mira, Moscow 129626

Tel: [phone] Tel./Fax: [phone] E-mail: [e-mail] http://www.l-e-journal.com

Sergei G. Ashurkov Alexander Yu. Basov Eugene I. Rozovsky Raisa I. Stolyarevskaya

Art and CAD Editor Andrei M. Bogdanov

Style Editor

Marsha D. Vinogradova

Light & Engineering" is an international scientific Journal subscribed to by readers in many different countries. It is the English edition of the journal "Svetotekhnika" the oldest scientific publication in Russia, established in 1932.

Establishing the English edition "Light and Engineering" in 1993 allowed Russian illumination science to be presented the colleagues abroad. It attracted the attention of experts and a new generation of scientists from different countries to Russian domestic achievements in light and engineering science. It also introduced the results of international research and their industrial application on the Russian lighting market.

The scope of our publication is to present the most current results of fundamental

research in the field of illumination science. This includes theoretical bases of light source development, physiological optics, lighting technology, photometry, colorimetry, radiometry and metrology, visual perception, health and hazard, energy efficiency, semiconductor sources of light and many others related directions. The journal also aims to cover the application illumination science in technology of light sources, lighting devices, lighting installations, control systems, standards, lighting art and design, and so on.

"Light & Engineering" is well known by its brand and design in the field of light and illumination. Each annual volume has six issues, with about 80-120 pages per issue. Each paper is reviewed by recognized world experts.

© Svetotekhnika

CONTENTS

VOLUME 27 NUMBER 6 2019

LIGHT & ENGINEERING

Diwakar Bista, Ashish Shrestha, Georges Zissis, Pramod Bhusal, Frangiskos V. Topalis, and Bhupendra B. Chhetri

Status of Lighting Technologies in Nepal......................4

Rosa María Morillas and José Ramón de Andrés

Renewing Street Lighting with LED Technology: A Single Case Study in Casarabonela..........................16

Alexei K. Solovyov and Bi Guofu

Selection of the Area of Window Openings of Residential Buildings in Conditions of Monsoon Climate of the Far East of the Russian Federation and Northern Areas of China.......................................27

Svetlana V. Kolgushkina, Nataliya V. Bystryantseva,

and Victor T. Prokopenko

Research into Luminance Characteristics of Objects

with Architectural Lighting of Central

Streets of Tula...............................................................34

Idil Bakir Ku^ukkaya and Ebru Alakavuk

The Evaluation of an Office Building According to LEED Certificate Lighting Criteria..........................41

Catalin Daniel Gala^anu, Muhammad Ashraf, Dorin Dumitru Lucache, Dorin Beu, and Calin Ciugudeanu Optical Utilization Factor for Architectural Lighting............................................49

Alexander V. Spiridonov and Nina P. Umnyakova

Computer Modelling and Recommendations for Restoration of the Historical Translucent Structures of the Pushkin State Museum of Fine Arts..................58

Svetlana Yu. Minaeva and Vladimir P. Budak

Studies of Application of LED-Based Lighting Devices in a Car Assembly Shop.................................65

Sangita Sahana and Biswanath Roy

Development and Performance Analysis

of a Cost-Effective Integrated Light Controller...........73

Nina P. Nestyorkina, Olga Yu. Kovalenko, and Yulia A. Zhuravlyova

Analysis of Characteristics of LED Lamps with T8 Bulb by Various Manufacturers..............................82

Sergey V. Gavrish

Distinctions of the Design of UHP Xenon Lamps with Sapphire Envelope...........................................88

Mikhail M. Erokhin, Pavel V. Kamshylov, Vladislav G. Terekhov, and Andrey N. Türkin

Study of Characteristics of LEDs for Phytoirradiators.. 97

Vladislav G. Terekhov

Irradiation System for a City Farm Automated Multi-Layer Phytoinstallation....................................106

Michael E. Allash, Leonid M. Vasilyak, Nicolay P. Eliseev, Oleg A. Popov, and Dmitry V. Sokolov

Testing and Analysis of Characteristics of Low-Pressure Mercury and Amalgam Bactericidal UV Lamps by Various Manufacturers.......................112

Roman G. Bolshin, Nadezhda P. Kondratieva, and Maria G. Krasnolutskaya

Irradiating Set with UV Diodes and Microprocessor System of Automatic Dose Control...........................127

Pavel V. Starshinov, Oleg A. Popov, Igor V. Irkhin, Vladimir A. Levchenko, and Victoria N. Vasina

Electrodeless UV Lamp on the Basis of Low-Pressure Mercury Discharge in a Closed Non-Ferrite Tube.....133

Quang Trinh Vinh, Peter Bodrogi, Trun Quoc Khanh, and Tean Thuy Anh

Colour Preference Depends on Colour Temperature, Illuminance Level and Object Saturation - a New Metric.........................................................................137

Emil Z. Gareev, Yuri B. Sorokin, Igor M. Antropov, Anton E. Kurako, Antonina A. Puchkovskaya, and Vladislav E. Bougrov

Navigation System Based on VLC Technology

for Staff of Hermitage Museum.................................152

Contents #1................................................................159

Contents #2................................................................160

Contents #3................................................................161

Contents #4................................................................162

Contents #5................................................................163

Light & Engineering

Vol. 27, No. 6, pp. 142-148, 2019

NAVIGATION SYSTEM BASED ON VLC TECHNOLOGY FOR STAFF OF HERMITAGE MUSEUM

Emil Z. Gareev, Yuri B. Sorokin, Igor M. Antropov, Anton Е. Kurako, Antonina A. Puchkovskaya, and Vladislav E. Bougrov

ITMO University, Saint Petersburg E-mail: [e-mail]

ABSTRACT

We developed a navigation system based on wireless visible light data transmission channel and an algorithm for the decoding on smart-phones. The work aims to create an interactive navigation system inside the Hermitage Museum for museum staff. The system was designed for using a modern smart-phone device as a receiver, a conventional LED illuminator as transmitter and a RGB diode as a navigation point in each room of the museum. We developed a modulator for data transmission, an algorithm for receiving and processing information using a stock camera of an iOS-based smart-phone, organized a point-to-point network between the LED illuminators and the server with a full back-end and front-end communication. The system allows transmitting data with rates up to 2 kbps on distance up to 1 meter.

Keywords: navigation system, visible light transmission channels, VLC, RGB diodes, LED illuminator, luminous flux modulation

1. INTRODUCTION

In recent years, technologies that allow us to combine advanced functionality in conventional things have started emerging [1]. This trend has not bypassed the LED systems, an important task of which became the wireless communication through modulation luminous flux. Thus, VLC technology arose, using LED as an optical signal transmitter and a photo detector as a receiver [1]. The main sig-

nal transmission principle by such a system is based on the light emission modulation with a frequency of the order of several kHz and higher. The human eye is not able to perceive the frequency of flicker above 100 Hz, which allows you to make a data transfer using VLC technology imperceptible to a user. A conventional modulation of LED illumination On-Off Keying is based on changes of luminous flux intensity. Using a mobile device as a receiver in such data transmission systems allows you to make any information accessible to a large number of users, due to the absence of the need to have a special separate client module acting as a receiver, however, a mobile camera module shooting frame rate is often limited to (120-240) Hz, due to the lack of a camera matrix possession ability, which makes it necessary to apply special processing methods of shots. The target of this work was to develop the navigation system based on the LED illumination and VLC technology, and also create an algorithm allows using the maximum of channel capacity by special methods of working with camera frames.

2. SYSTEM DESCRIPTION

To demonstrate the work, a system was created consisting of an Arduino microcontroller with two LED modules: white phosphors LEDs and RGB LED. Whole work assumes that the Hermitage museum will have hundreds of similar loT devices that are navigation gateways, so the server side should be capable of communicating with all the devices with low latency. This system has two main tasks:

Zone Device

Fig.1. System number example

• Continuously send a message about its number using white diodes to smart-hone camera;

• Change the colour of the RGB diode to represent the path for user.

The system contains hundreds of devices with high frequency requests; it is possible to communicate with all the devices via one hub. Architecture consists of one hub and a number of gateways, where the hub operates the state of the navigation system and sends commands to gateways, which change their status for LED modules according to the proper path. In order to achieve maximum transmission capacity of the system, it needs secured local Wi-Fi connection, so all the devices will be located in one local network, at least, major part of the devices, and this can be achieved by using Wi-Fi boost adapters. Second, we should use optimized connection so that we could minimize overhead of transportation. We used UDP protocol as a transport layer for communication between the gateways and the hub, and compact byte data format. Each device of the system has its own number (Fig. 1). The number consists of three parts. 3 bits -zone number, 6 bits - room number, 3 bits - device number in the room.

System topology assumes that chances for package lost for most of the devices that are in local network are minimal and for the devices outside the local network in case of package drop we implement our own protocol handshake mechanism. Each gateway responses to a hub message, so in case of package drop, the hub that controls the state of the system makes additional attempts to contact with lost gateway. In case the gateway is dead, user who gets the directions is notified of a dead gateway in specific room on his path. All the mentioned above mechanisms make the system robust. In case of bigger scale, it is easy to make special services that read response messages from Kafka and synchronize the state of the navigation through Redis, in such case system can be scalable as any other micro-service architecture system and reliable even in high workloads with bigger scale.

Fig.2. Example of maps of four connected rooms as a direct graph