Diss. ETH No. 23779

Software-Defined Low-Complex Visible Light Communication Networks

A thesis submitted to attain the degree of D O C T O R O F S C I E N C E S of E T H Z U R I C H (Dr. sc. ETH Zurich)

presented by

Stefan Matthias Schmid Master of Science ETH in Computer Science born on 20 December 1983 citizen of Schaffhausen SH and Rorschacherberg SG Switzerland

accepted on the recommendation of Prof. Dr. Thomas R. Gross, examiner Dr. Stefan Mangold, co-examiner Prof. Dr. Koen G. Langendoen, co-examiner Prof. Dr. Edward W. Knightly, co-examiner 2016

ABSTRACT

Today, everything is connected. The Internet transports a massive amount of data every second, and the traffic created by social media, instant messaging, and video streaming is growing day by day. The last step to end user devices, such as mobile phones or laptops, is usually bridged via a wireless connection. Data is transmitted wirelessly using electromagnetic waves with carrier frequencies within the radio spectrum, which is strictly regulated by government organizations. The wireless communication industry tries to keep up with the data growth and regularly releases new standards based on technological improvements to increase the achievable data rates. The communication channel capacity, and thus the maximum possible data rate, depends on the available bandwidth. As only limited spectrum slices are free for commercial and private use, a certain data rate cap will be reached at some point. Fortunately, there is a large piece of the electromagnetic spectrum at hand, also known as Visible Light, that is not regulated and can be exploited for wireless communication. Visible light as communication medium has many promising characteristics. Since the medium can be seen, communication becomes directable and provides visible feedback. Light cannot pass (most) solid objects and can therefore be simply contained within a room, providing a secure communication channel. Furthermore, light sources are available everywhere, enabling the reuse of existing infrastructure to combine illumination and communication. In contrast to other works in the field of Visible Light Communication (VLC), addressing new modulation schemes and data rate improvements, this thesis focuses on a low-complex and software-defined approach and presents inexpensive VLC systems for different scenarios. Basic microcontrollers, off-the-shelf Light Emitting Diodes (LEDs) used as sender and receiver, and softwarebased communication protocols provide a solid basis for VLC

iii

networking. The communication protocols presented in this thesis simultaneously provide illumination (without flickering) and communication and can be applied to various consumer devices, such as toys, mobile phones and lighting infrastructure, while reusing hardware already in place. The capabilities of the introduced communication protocols are further demonstrated with a system based on modified LED light bulbs, called EnLighting, that can be used for illumination and at the same time provides a room area network. It allows communication with visible light and also represents a promising platform for indoor localization. As this thesis aims for low-cost, low-complex, and softwarecentric system designs, a diversity of devices can be interconnected with a single set of protocols at moderate data rates, enabling new interaction techniques and applications. Moreover, an unintrusive and ubiquitous system like EnLighting can provide a communication fabric for the many devices of the envisioned Internet of Things without relying on the crowded radio spectrum.

iv

Z U S A M M E N FA S S U N G

Heutzutage ist alles vernetzt. Jeden Tag werden riesige Datenmengen durch das Internet transportiert. Der Datenverkehr, erzeugt durch die sozialen Medien, Sofortnachrichten und VideoStreaming, nimmt mit jedem Tag zu. Der letzte Abschnitt des Übertragungsweges zu einem Endbenutzergerät, wie beispielsweise einem Mobiltelefon oder Laptop, erfolgt meistens drahtlos. Daten können drahtlos mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen übermittelt werden. Für die Trägerwellen werden Radiofrequenzen verwendet, die durch Regierungsorganisationen streng reguliert werden. Die Telekommunikationsindustrie versucht mit dem Datenwachstum Schritt zu halten und veröffentlicht regelmässig neue Kommunikationsstandards, die auf technischen Verbesserungen beruhen und höhere Datenraten ermöglichen. Die Kapazität eines Kommunikationskanals definiert die maximale Datenrate und ist abhängig von der verfügbaren Bandbreite. Da nur kleine Teile des Radiospektrums für private und kommerzielle Zwecke freigegeben sind, wird irgendwann eine Obergrenze der möglichen Datenübertragungsrate erreicht werden. Erfreulicherweise steht aber noch ein anderer grosser Teil des elektromagnetischen Spektrums, auch besser bekannt als sichtbares Licht, zur Verfügung. Dieser Teil des Spektrums ist nicht reguliert und kann auch für drahtlose Kommunikation genutzt werden. Ein Kommunikationsmedium basierend auf sichtbarem Licht hat vielversprechende Eigenschaften. Da das Medium sichtbar ist, kann die Kommunikation einfach in bestimmte Richtungen gelenkt werden. Es ist auch möglich Licht auf einfache Weise nur auf einen Raum zu begrenzen. Dadurch kann ein sicherer Kommunikationskanal entstehen, der von ausserhalb des Raumes nicht abgehört werden kann. Ausserdem sind Lichtquellen an vielen Orten bereits vorhanden. Diese bereits existierende Infrastruktur kann verwendet werden, um Beleuchtung mit Kommunikation zu kombinieren.

v

Andere Arbeiten im Bereich der Kommunikation mit sichtbarem Licht behandeln und verbessern Modulationsarten mit dem Ziel, die Datenrate zu erhöhen. Im Gegensatz dazu befasst sich diese Arbeit mit möglichst einfachen und softwarebasierten Ansätzen für kostengünstige und lichtbasierte Kommunikationssysteme, die in verschiedenen Szenarien eingesetzt werden können. Simple Mikrokontroller, handelsübliche Leuchtdioden, die zum Senden und Empfangen benutzt werden können, und softwarebasierte Protokolle bilden eine stabile Grundlage für lichtbasierte Kommunikationsnetzwerke. Diese Arbeit stellt Kommunikationsprotokolle vor, die Beleuchtung und Kommunikation miteinander kombinieren (ohne sichtbares Flackern) und von verschieden Endkundengeräten, wie zum Beispiel Spielzeug, Mobiltelefone oder Leuchten, verwendet werden können, indem möglichst Hardware, die bereits vorhanden ist, ausgenutzt wird. Das EnLighting System, bestehend aus modifizierten Leuchten, zeigt die Möglichkeiten der vorgestellten Protokolle auf: Die Lampen können zur Beleuchtung eingesetzt werden, zeitgleich wird aber auch ein Netzwerk innerhalb des Raumes aufgebaut, das Kommunikation mit sichtbarem Licht ermöglicht. Weiter beweist sich das System auch als eine vielversprechende Plattform zur Lokalisierung innerhalb von Gebäuden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einfache, kostengünstige und softwarebasierte Systemkonzepte zu definieren, die es ermöglichen, eine Vielzahl von Geräten mit denselben Protokollen zu vernetzen. Die erreichten Datenraten fördern neue Anwendungsbereiche und Interaktionstechniken. Ausserdem bietet ein unaufdringliches und allgegenwärtiges System wie EnLighting eine Kommunikationsstruktur, die für das Internet der Dinge genutzt werden könnte, ohne das dicht belegte Radiospektrum zu belasten.

vi