Error correcting codes for visible light communication systems

Abstract

Over the past few years, the number of wireless networks users has been increasing. Until now, Radio-Frequency (RF) used to be the dominant technology. However, the electromagnetic spectrum in these region is being saturated, demanding for alternative wireless technologies. Recently, with the growing market of LED lighting, the Visible Light Communications has been drawing attentions from the research community. First, it is an eficient device for illumination. Second, because of its easy modulation and high bandwidth. Finally, it can combine illumination and communication in the same device, in other words, it allows to implement highly eficient wireless communication systems. One of the most important aspects in a communication system is its reliability when working in noisy channels. In these scenarios, the received data can be afected by errors. In order to proper system working, it is usually employed a Channel Encoder in the system. Its function is to code the data to be transmitted in order to increase system performance. It commonly uses ECC, which appends redundant information to the original data. At the receiver side, the redundant information is used to recover the erroneous data. This dissertation presents the implementation steps of a Channel Encoder for VLC. It was consider several techniques such as Reed-Solomon and Convolutional codes, Block and Convolutional Interleaving, CRC and Puncturing. A detailed analysis of each technique characteristics was made in order to choose the most appropriate ones. Simulink models were created in order to simulate how diferent codes behave in diferent scenarios. Later, the models were implemented in a FPGA and simulations were performed. Hardware co-simulations were also implemented to faster simulation results. At the end, diferent techniques were combined to create a complete Channel Encoder capable of detect and correct random and burst errors, due to the usage of a RS(255,213) code with a Block Interleaver. Furthermore, after the decoding process, the proposed system can identify uncorrectable errors in the decoded data due to the CRC-32 algorithm.

Ao longo dos últimos anos o número de utilizadores de redes sem fios tem aumentado. Até ao momento, a tecnologia RF (Radio Frequência) dominado este segmento. No entanto, a saturação nessa região do espectro eletromagnético exige tecnologias alternativas para redes sem fios. Recentemente, com o crescimento do mercado da iluminação LED (Díodo Emissor de Luz), as Comunicações por Luz Visível têm atraído as atenções dos investigadores. Em primeiro lugar, é uma fonte de luz eficiente para aplicações de iluminação. Em segundo lugar, o LED é um dispositivo que é facilmente modulado e com grande largura de banda. Por último, permite combinar iluminação e comunicação no mesmo dispositivo, ou seja, permite a implementação de sistemas de comunicação sem fios altamente eficientes. Um dos aspetos mais importantes num sistema de comunicação é a sua fiabilidade quando sujeitos a canais com ruído. Nestes cenários, a informação recebida pode vir afetada de erros. Para garantir o correto funcionamento do sistema, é muito comum o uso de um codificador de canal. A sua função é codificar a informação a ser enviada para melhorar a performance do sistema. O uso de Códigos de Correção de Erros é muito frequente permitindo anexar informação redundante aos dados originais. No recetor, a informação redundante é usada para recuperar possíveis erros na transmissão. Esta dissertação apresenta os passos da implementação de um Codificador de Canal para VLC. Foram consideradas várias técnicas tais como os códigos Reed-Solomon e os códigos Convolucionais, Interleaving (Bloco e Convolucional), CRC e Puncturing. Foi efetuada uma análise das características de cada técnica a fim de avaliar quais as mais apropriadas para o cenário em questão. Numa primeira fase, vários modelos foram implementados em Simulink a fim de simular o comportamento dos mesmos em diferentes cenários. Mais tarde os modelos foram implementados e simulados em blocos de hardware. Para obter resultados de uma forma mais rápida, foram elaborados modelos de co-simulação em hardware. No final, diferentes técnicas foram combinadas para criar um Codificador de Canal capaz de detetar e corrigir erros aleatórios e em rajada, graças ao uso de códigos Reed-Solomon em conjunto com técnicas de Interleaving. Adicionalmente, usando o algoritmo CRC, após o processo de descodficação, o sistema proposto é capaz de identificar possíveis erros que não puderam ser corrigidos.