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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37400| Título: | VLC system analysis in indoor environments: an integrated illumination and communication approach |
| Título(s) alternativo(s): | Análise de sistemas VLC para ambientes internos: uma abordagem integrada para iluminação e comunicação |
| Autor(es): | Farfán Guillén, David Esteban |
| Orientador(es): | Pohl, Alexandre de Almeida Prado |
| Palavras-chave: | Comunicações ópticas Multiplexação Radiofreqüência Sistemas de transmissão de dados Iluminação Sistemas de comunicação sem fio Iluminação de interiores Simulação (Computadores) Optical communications Multiplexing Radio frequency Data transmission systems Lighting Wireless communication systems Interior lighting Computer simulation |
| Data do documento: | 5-Jun-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | GUILLEN, David Esteban Farfan. VLC system analysis in indoor environments: an integrated illumination and communication approach. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025. |
| Resumo: | Esta tese analisa sistemas de Comunicação por Luz Visível (VLC, Visible Light Communication) para ambientes internos, focando na avaliação integrada do desempenho de iluminação e comunicação. Com a crescente demanda do espectro de Radiofrequência (RF, Radio Frequency), os sistemas VLC utilizam o espectro visível não regulamentado (380-750 nm) para aplicações de dupla funcionalidade que fornecem tanto capacidades de iluminação quanto de transmissão de dados. A pesquisa estabelece uma estrutura de avaliação integrada combinando óptica de raios em SolidWorks APEX com modelagem de canal em MATLAB, alcançando 94% de correlação entre as plataformas de simulação. Esta metodologia permite análise sistemática da uniformidade de iluminação e confiabilidade de comunicação através de configurações progressivas de sistema, desde implementações básicas de Entrada Única-Saída Única (SISO, Single-Input Single-Output) até arquiteturas de Múltiplas Entradas-Múltiplas Saídas (MIMO, Multiple-Input Multiple-Output) incorporando técnicas de diversidade angular e cooperativa. A análise revela que a uniformidade de iluminação influencia diretamente o desempenho da comunicação ao minimizar variações na intensidade do sinal e aprimorar a estabilidade do enlace. Estratégias de distribuição de luminárias afetam significativamente tanto os padrões de iluminação quanto a cobertura de comunicação. O arranjo circular-quadrado alcança uniformidade de iluminação de 0,75 e fator de qualidade do canal (𝐹a) de 4,74, demonstrando desempenho aprimorado comparado aos padrões quadrados e circulares convencionais. A validação experimental mostra que implementações MIMO (2×2, 3×2, 4×2) alcançam valores de Taxa de Erro de Bit (BER, Bit Error Rate) de aproximadamente 10−4 a distâncias de 2 metros, mantendo níveis de iluminação acima de 300 lux. Configurações de relé cooperativo proporcionam 10% de melhoria na recepção de potência óptica. Implementações de diversidade angular a 30° aprimoram a uniformidade de cobertura com desempenho de comunicação aceitável. Coletores ópticos com estruturas de acoplamento inovadoras alcançam 5,3× de ganho óptico experimental (8,8× simulado), melhorando a sensibilidade do receptor e a confiabilidade da comunicação. A análise estabelece relações quantitativas entre iluminação, uniformidade, posicionamento de luminárias e desempenho de comunicação, fornecendo diretrizes para sistemas VLC que atendem tanto aos padrões de iluminação quanto aos requisitos de transmissão de dados em ambientes internos. |
| Abstract: | This thesis analyzes Visible Light Communication (VLC) systems for indoor environments, focusing on the integrated evaluation of illumination and communication performance. With increasing Radio Frequency (RF) spectrum demand, VLC systems utilize the unregulated visible spectrum (380-750 nm) for dual-functionality applications that provide both lighting and data transmission capabilities. The research establishes an integrated evaluation framework combining SolidWorks APEX optical ray tracing with MATLAB channel modeling, achieving 94% correlation between simulation platforms. This methodology enables systematic analysis of illumination uniformity and communication reliability across progressive system configurations, from Single-Input Single-Output (SISO) baseline implementations to MultipleInput Multiple-Output (MIMO) architectures incorporating angular diversity and cooperative techniques. Analysis reveals that illumination uniformity directly influences communication performance by minimizing signal strength variations and enhancing link stability. Luminaire distribution strategies significantly affect both illumination patterns and communication coverage. The circular-square arrangement achieves illumination uniformity of 0.75 and channel quality factor (𝐹a) of 4.74, demonstrating improved performance compared to conventional square and circular patterns. Experimental validation shows that MIMO implementations (2×2, 3×2, 4×2) achieve Bit Error Rate (BER) values of approximately 10−4 at 2-meter distances while maintaining illumination levels above 300 lux. Cooperative relay configurations provide 10% improvement in optical power reception. Angular diversity implementations at 30° enhance coverage uniformity with acceptable communication performance. Optical collectors with novel coupling structures achieve 5.3× experimental optical gain (8.8× simulated), improving receiver sensitivity and communication reliability. The analysis establishes quantitative relationships between illumination, uniformity, luminaire positioning, and communication performance, providing design guidelines for VLC systems that meet both lighting standards and data transmission requirements in indoor environments. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37400 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial |
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| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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