Visible light communication systems for road safety applications

Abstract

Esta tese apresenta um estudo exploratório sobre sistemas de comunicação por luz visível e as suas aplicações em sistemas de transporte inteligentes como forma a melhorar a segurança nas estradas. Foram desenvolvidos neste trabalho, modelos conceptuais e analíticos adequados à caracterização deste tipo de sistemas. Foi desenvolvido um protótipo de baixo custo, capaz de suportar a disseminação de informação utilizando semáforos. A sua realização carece de um estudo detalhado, nomeadamente: i) foi necessário obter modelos capazes de descrever os padrões de radiação numa área de serviço pré-definida; ii) foi necessário caracterizar o meio de comunicações; iii) foi necessário estudar o comportamento de vários esquemas de modulação de forma a optar pelo mais robusto; finalmente, iv) obter a implementação do sistema baseado em FPGA e componentes discretos. O protótipo implementado foi testado em condições reais. Os resultados alcançados mostram os méritos desta solução, chegando mesmo a encorajar a utilização desta tecnologia em outros cenários de aplicação.

This thesis presents a study carried out on the exploration of visible light communication (VLC) for road safety applications in intelligent transportation systems (ITS). We developed conceptual and analytical models for the usage of VLC technologies for human safety. A low cost VLC prototype traffic broadcast system was hardware designed and implemented. In order to realize this prototype a number of exhaustive steps have been designed and implemented. An optimized illumination distribution was achieved in a defined service area from LED-based traffic lights associated with a VLC emitter. A traffic light system set-up was modeled and designed for optimum performance. The optical wireless channel was characterized and examined. Depending on the characteristics of the channel and specific applications, a robust modulation technique based on direct sequence spread spectrum using sequence inverse keying (DSSS SIK) was analyzed, developed, and implemented. The complete prototype VLC transceiver system was then implemented with field programmable gate arrays (FPGA) and discrete components. Simulation and experimental validation of system was performed in different scenarios and environments. The obtained results have shown the merits of our approach. A number of findings was experienced which are illustrated at the end. These observations would enhance and encourage potential research in the area and optimize performance of VLC systems for a number of interesting applications in future. A summary of future research challenges is presented at the end.