VLC Sistemlerinde QLED Kullanan Renk Kaydırmalı Anahtarlama Modülasyonunun Sembol Hata Oranı Analizi

Year 2024, , 850 - 862, 18.06.2024

Emin Tuğcu

https://doi.org/10.31466/kfbd.1439175

Abstract

Görünür ışık haberleşme (VLC) sistemleri, iç mekan uygulamaları için aydınlatma fonksiyonu ile eş zamanlı olarak yüksek hızlı güvenilir veri iletimini de sağlarlar. VLC sistemlerinde, vericide ışık yayan diyotlar (LED) alıcıda ise yaygın olarak foto-diyotlar (PD) kullanılır. Aydınlatma için LED'lerin iyi bir ışık etkinliğine ve renksel geriverim indeksine (CRI) sahip olması gerekir. Haberleşme için ise LED'lerin yüksek veri hızlarını desteklemesi için geniş bir modülasyon bant genişliğine sahip olmaları gerekmektedir. Yüksek veri hızlarını desteklemek için yeterli renksel geriverim indeksine sahip çok renkli kırmızı-yeşil-mavi (RGB) LED'ler kullanan renk kaydırmalı anahtarlama (CSK) modülasyonu IEEE 802.15.7 VLC standardında tanıtılmıştır. VLC sistemlerinde, daha iyi renksel geriverim indeksine sahip Quadrichoromatic LED'ler (QLED) de eşzamanlı aydınlatma ve iletişim için uygundur. QLED sadece ek bir veri kanalı değil, aynı zamanda aydınlatmada daha iyi bir renk kalitesi sunmaktadır. Bu nedenle VLC sistemlerinde QLED hem aydınlatma kalitesi hem de yüksek veri hızları için en iyi seçenektir. Bu çalışmada QLED kullanan VLC sistemlerinde AWGN kanallar için sembol hata oranı (SER) analizi yapılmış ve analitik modeller türetilmiştir. SER analizinde, toplam hata üzerinde etkisi yüksek olan semboller arasındaki geçiş olasılıklarının hesaplanması ile analitik modeller türetilmiştir. Bu analizde semboller arasındaki öklid uzaklıkları kullanılmıştır. Türetilen SER modelleri birleşim üst sınırı ve benzetim sonuçları ile uyum göstermektedir.

Keywords

Görünür ışık haberleşmesi, Renk kaydırmalı anahtarlama, Quadrichoromatic LED, Sembol hata oranı

Symbol Error Rate Analysis of Color Shift Keying Modulation Using QLED in VLC Systems

Abstract

Visible light communication (VLC) systems provide high-speed reliable data transmission simultaneously with the illumination function for indoor applications. In VLC systems, light emitting diodes (LEDs) are used at the transmitter and photo-diodes (PDs) are commonly used at the receiver. For lighting, LEDs must have good luminous efficacy and a good color rendering index (CRI). For communication, LEDs need to have a wide modulation bandwidth to support high data rates. Color shift keying (CSK) modulation using multicolor red-green-blue (RGB) LEDs with sufficient color rendering index to support high data rates was introduced in the IEEE 802.15.7 VLC standard. In VLC systems, quadrichoromatic LEDs (QLED) with a better color rendering index are also suitable for simultaneous illumination and communication. QLED offers not only an additional data channel, but also a better color quality in illumination. Therefore, QLED is the best choice in VLC Systems for both illumination quality and high data rates. In this study, symbol error rate (SER) analysis and analytical models are derived for AWGN channels in VLC systems with QLED. In the SER analysis, analytical models are derived by calculating the transition probabilities between symbols, which have a high impact on the total error. Euclidean distances between symbols were used in this analysis. The derived SER models are compatible with the union bound and simulation results.

Keywords

Visible light communication, Color shift keying, Quadrichoromatic LED, Symbol error rate

References

• Shannon, C., E. (1949). Communication in the Presence of Noise. Proceedings of the IRE, 37(1), 10 – 21.
• Zukauskas, A., Vaicekauskas, R., Tuzikas, A., Petrulis, A., Stanikünas, R., Svegzda, A., Eidikas, P. & Vitta, P. (2014). Firelight LED source: Toward a balanced approach to the performance of solid-state lighting for outdoor environments. IEEE Photonics Journal, 6(3).
• Han, D., Lee, K. & Lee, K. (2015). Transmitting scalable video coding using VLC with color and dimming control to assure QoS. Information Systems, 48, 267-273.
• Chow, C., W., Yeh, C., H., Liu, Y., F. & Liu Y. (2011). Improved modulation speed of led visible light communication system integrated to main electricity network. Electronics Letters, 47(15), 867-868.
• Jia, L., Wang, J. Y., Zhang, W., Chen, M. &Wang, J. B. (2015). Symbol error rate analysis for colour-shift keying modulation in visible light communication system with RGB light-emitting diodes. IET optoelectronics, 9(5), 199-206.
• IEEE VLC Standard. (2011). IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. IEEE Std 802.15.7-2011, 1-309.
• Butala, P., M., Chau, J., C. & Little, T., D., C. (2012). Metameric modulation for diffuse visible light communications with constant ambient lighting. International Workshop on Optical Wireless Communications (IWOW) (pp. 1-3).
• Singh, R., O’Farrell, T. & David, J. P. R. (2014). An enhanced color shift keying modulation scheme for high-speed wireless visible light communications. Journal of Lightwave Technology, 32(14), 2582-2592.
• Ohno, Y. (2005). Spectral design considerations for white led color rendering. Optical Engineering, 44(11), 111302-1-111302-9.
• Singh, R., O’Farrell, T. & David, J. P. R. (2015). Analysis of Forward Error Correction Schemes for Colour Shift Keying Modulation. Personal, Indoor, and Mobile Communications (PIMRC).
• Tuğcu, E., Albayrak, C., Yazgan, A, Şimşek, C. & Türk, K. (2018, Mayıs). Bit error rate analysis for color shift keying modulation. 26th IEEE Signal Processing and Communications Applications Conference, SIU 2018 (s. 1-4). İzmir, Türkiye.
• Chiani, M., Dardari, D., & Simon, M. K. (2003). New exponential bounds and approximations for the computation of error probability in fading channels. IEEE Trans. Wireless Commun.,2, 840-845.
• Zou, X. & Wang, M. (2019). Algorithm Research and Hardware Implementation of High Precision Floating Point Exponential Function. Journal of Physics: Conference Series, 1345(4), 042085.