Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9257
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Main Title: Physical layer reliability aspects in industrial optical wireless communication
Translated Title: Zuverlässigkeitsaspekte in der physikalischen Schicht von industrieller optischer Drahtlosübertragung
Author(s): Wilke Berenguer, Pablo Rafael Andreas
Advisor(s): Freund, Ronald
Referee(s): Freund, Ronald
Jungnickel, Volker
O'Brien, Dominic
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In the past centuries, production processes have impressively evolved from mostly hand-made goods of small quantities to almost fully automated large scale productions. Three significant jumps are commonly referred to as industrial revolutions, which have brought first mechanization, then electrification, and in this century, partial automation to the production processes. The currently ongoing step towards highly flexible, fully automated and interconnected factories is envisioned to be the fourth industrial revolution. For such factories, wireless communication systems, which support autonomous mobile units throughout the production sites, are expected to play an important role. This thesis therefore discusses the use of optical wireless communication (OWC) as a wireless technology for industrial production environments. With this application, stringent requirements with respect to reliability and latency are imposed, which must be taken into account in the design of an OWC system. The content of this thesis thus focuses on aspects of the physical layer design, which are crucial for a reliable operation of an OWC system tailored to the needs of industrial wireless communication. At first, known concepts of optical communication based on intensity modulation (IM) and direct detection (DD) and its implications for mobile communication are briefly reviewed. In order to support mobile communication with large coverage, the use of non-directed multiple-input multiple-output (MIMO) transmission is investigated. The impact of low received signal powers on the signal-to-noise ratios (SNRs) due to non-directed transmission, is mitigated by using increased transmit signal powers. Since these can in turn result in nonlinear distortions at the transmitter (Tx) and receiver (Rx), a nonlinear equalization scheme is proposed and evaluated in laboratory experiments. In order to understand the optical wireless channel seen in a production environment, first channel measurements were performed at BMW. Their analysis reveals a strong spatial selectivity of the optical wireless channels. It is then suggested to use such MIMO channels with antenna diversity schemes, which improve overall reliability of the communication system. Adaptations of these schemes for OWC are discussed and verified in single- and multi-carrier transmission experiments. Possible simplifications are derived and applied in order to allow for the first real-time implementation of an OWC system, which supports reliable mobile communication. The evaluation of such a communication system deployed at BMW is presented towards the end of this thesis.
Produktionsweisen haben sich in den letzten Jahrhunderten beeindruckend von Handarbeitsfertigungen mit geringer Stückzahl zu nahezu vollständig automatisierten Produktionen im großem Maße weiterentwickelt. Hierbei werden drei bedeutende Sprünge als Industrielle Revolutionen bezeichnet, welche erst die Mechanisierung, dann die Elektrifizierung und in diesem Jahrhundert die teilweise Automatisierung der Produktionsschritte mit sich gebracht haben. Der heutzutage stattfindende Schritt in Richtung flexibler, vollständig automatisierter und vernetzter Fabriken wird als vierte industrielle Revolution angesehen. In derartigen Fabriken ist zu erwarten, dass drahtlose Kommunikationssysteme, die die Anbindung autonomer und mobiler Einheiten innerhalb der Produktionsstätten unterstützen, eine bedeutende Rolle spielen werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der optischen drahtlosen Übertragung (OWC) als eine potenzielle drahtlose Technologie im Umfeld der industriellen Fertigung. Diese Anwendung bringt jedoch strenge Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit und Latenz mit sich, die bei dem Entwurf eines OWC Systems berücksichtigt werden müssen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit Aspekten der physikalischen Schicht, die ausschlaggebend für eine zuverlässige Funktionsweise eines OWC System sind, das auf die Bedürfnisse der industriellen Kommunikation maßgeschneidert ist. Es werden zu Beginn bekannte Konzepte von auf Intensitätsmodulation (IM) und Direktempfang (DD) basierender optischer Kommunikation und resultierende Folgen für mobile Kommunikation kurz wiederholt. Mit dem Ziel mobile Kommunikation mit hoher Abdeckung zu unterstützen, wird die Verwendung von ungerichteter multiple-input multiple-output (MIMO) Übertragung untersucht. Der Einfluss geringer Empfangsleistungen auf die Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) durch die Verwendung ungerichteter Übertragung wird durch den Einsatz höherer Sendeleistungen gemäßigt. Da diese wiederum nichtlineare Verzerrungen der Sender (Tx) und Empfänger (Rx) hervorrufen, wird ein nichtlinearer Entzerrer vorgeschlagen und in Laborversuchen evaluiert. Mit der Absicht den in Produktionsstätten vorgefundenen optischen drahtlosen Kanal besser zu verstehen, wurden erste Kanalmessungen bei BMW durchgeführt. Diese weisen auf eine starke räumliche Selektivität der optischen drahtlosen Kanäle hin. Daher wird die Ausnutzung der MIMO Kanäle mit Antennendiversitätsansätzen vorgeschlagen, welche die Zuverlässigkeit des Kommunikationssystems verbessern. Anpassungen dieser Ansätze für OWC werden untersucht und mit Ein- und Mehrträgerübertragungen experimentell verifiziert. Mögliche Vereinfachungen werden hergeleitet und angewandt, die eine erste Echtzeitimplementierung eines OWC Systems erlauben, welches eine zuverlässige mobile Kommunikation unterstützt. Die Evaluierung eines solchen, bei BMW eingesetzten, Kommunikationssystems wird gegen Ende der Arbeit vorgestellt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10295
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9257
Exam Date: 14-Jun-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 12-Dec-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Subject(s): optical wireless communication
industrial communication
visible light communication
mobile communication
real-time
Li-Fi
optische Drahtlosübertragung
Industrie 4.0
optische Kommunikationstechnik
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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