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Wireless handover solutions in vehicular visible light communications

Alizadeh Jarchlo, Elnaz

A vast number of research works demonstrated the high potential of Visible Light Communications (VLC) as a complementary wireless communication technology that can be widely used in vehicular VLC (V-VLC) networks. V-VLC utilizes visible light spectrum to provide communication connections among vehicles. To guarantee coverage in V-VLC networks many Access Points (AP) can be used, which can result in intermittent connectivity between vehicles as the clients and their associated AP and lead to many handovers. In VLC-based vehicular communications the link may experience regular link failures due to shadowing, obstacle, and mobility in contrast to RF-based networks. Therefore, one of the main challenges of V-VLC is the frequent handover which causes outages and network disruption, evidently. In this thesis I introduce V-VLC network scenarios, where there are Automated Guided Vehicles (AGV) moving linearly and in two dimensional (2D) around the warehouse in an indoor environment and each AGV is equipped with several Light Clients (LC). The installed LC stablish VLC link connections with their corresponding Light Access points (LAP) which are installed on ceiling. Each pair of LC and LAP is assigned to non-overlapped frequency bands using Frequency Division Multiple Access (FDMA) technique. Therefore, each LC can establish a VLC link with its corresponding LAP. This Ph.D. thesis aims enhancing the reliability and robustness of the indoor vehicular network communications by reducing the handover latency in the vehicular network. In this thesis, I propose handover solutions at different network layers using different wireless technologies. Note, in all proposed solutions, VLC acts as a primary connection link. To address the frequent link failures during handover in the V-VLC network, I propose Flexible Light Communications (Flight) and Frequency Diversity and Link Aggregation (FDLA) architectures which make use of link aggregation method and FDMA in data link layer to switch between available LAP in case of handover during mobility or the link blockage in linear and 2D movements, respectively. Applying Flight and FDLA solutions decrease the handover delay from 15 s to 0.3, and 0.2 s, respectively compared with no handover technique. Moreover, in the transport layer I utilize the advantage of Multipath-Transmission Control Protocol (MPTCP) to provide network redundancy and load balancing during handover and minimize the number of packet lost caused by connection lose. This solution minimizes the handover delay up to 0.02 s. Additionally, to add robustness and increase network reliability and coverage, I propose Li-Wi, a system which utilizes the benefits of high data rates and link availability of VLC and Wireless Fidelity (WiFi), respectively. Li- Wi solution minimizes the handover latency significantly up to 0.03 s. The main contributions of this thesis can be summarized as (i) Developed several upper layer handover solutions for indoor V-VLC networks,(ii) Assessed the effect of link aggregation and MPTCP methods in the data link and transport layers, respectively separately and together as a combined architecture in a hybrid vehicular network where VLC and WiFi act as a primary and backup links, respectively, and (iii) Demonstrated how applying proposed solutions decrease network latency in both horizontal and vertical handovers in a V-VLC network, which lead to provide an improved network in terms of coverage, reliability and robustness.
Eine erhebliche Anzahl von Forschungsarbeiten hat das hohe Potenzial von Visible Light Communications (VLC) als komplement√§re drahtlose Kommunikationstechnologie aufgezeigt, die in Fahrzeug-VLC-Netzwerken (V-VLC) breit eingesetzt werden kann. V-VLC nutzt das sichtbare Lichtspektrum, um Kommunikationsverbindungen zwischen Fahrzeugen herzustellen. Um die Abdeckung in V-VLC-Netzwerken zu gew√§hrleisten, m√ľssen viele Access Points (AP) verwendet werden, was zu einer intermittierenden Konnektivit√§t zwischen den Fahrzeugen als Client und ihren zugeh√∂rigen AP‚Äės f√ľhrt und viele Handover zur Folge hat. In der VLC-basierten Fahrzeugkommunikation kann es, im Gegensatz zu RF-basierten Netzwerken, zu regelm√§√üigen Verbindungsausf√§llen aufgrund von Abschattungen, Hindernissen und Mobilit√§t kommen. Daher ist eine der gr√∂√üten Herausforderungen von V-VLC der h√§ufige Handover, das zu Ausf√§llen und Netzwerkst√∂rungen f√ľhrt. In dieser Arbeit stelle ich V-VLC-Netzwerk-Szenarien vor, in denen es Automated Guided Vehicles (AGV) gibt, die sich linear und in 2D im Inneren einer Lagerhalle bewegen und jedes AGV mit mehreren Light Clients (LC) ausgestattet ist. Die installierten LCs stellen VLC-Link-Verbindungen mit ihren entsprechenden LAPs her, die an der Decke installiert sind. Jedes Paar von LC und LAP wird unter Verwendung der FDMA-Technik nicht √ľberlappenden Frequenzb√§ndern zugeordnet. Daher kann jeder LC eine VLC-Verbindung mit seinem entsprechenden LAP herstellen. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die Zuverl√§ssigkeit und Robustheit der Kommunikation in Indoor-Fahrzeugnetzen zu verbessern, indem die Handover Latenzzeit im Netzwerk reduziert wird. In dieser Arbeit schlage ich Handover-L√∂sungen auf verschiedenen Netzwerkschichten unter Verwendung verschiedener drahtloser Technologien vor. Dabei ist zu beachten, dass in allen vorgeschlagenen L√∂sungen VLC als prim√§rer Verbindungslink fungiert. Umdie h√§ufigen Verbindungsausf√§lle w√§hrend des Handovers im V-VLC-Netzwerk zu adressieren, schlage ich Flexible Light Communications (Flight) und Frequency Diversity and Link Aggregation (FDLA) Architekturen vor, die die Link Aggregation Methode und Frequency Division Multiple Access (FDMA) in der Datenverbin dungsschicht nutzen, um zwischen verf√ľgbaren Light Access Points (LAP) im Falle eines Handovers w√§hrend der Mobilit√§t oder der Verbindungsblockade in linearen und zweidimensionalen (2D) Bewegungen zu wechseln. Die Anwendung der Flightund FDLA-L√∂sungen verringert die Handover-Verz√∂gerung von 15 s um 0,3 bzw. 0,2 s im Vergleich zu keiner Handover-Technik. Dar√ľber hinaus nutze ich in der Transportschicht den Vorteil des Multipath-Transmission Control Protocol (MPTCP), um Netzwerk-Redundanz und Lastausgleich w√§hrend des Handovers zu gew√§hrleisten und die Anzahl der Paketverluste aufgrund von Verbindungsverlusten zu minimieren. Diese L√∂sung minimiert die Handover-Verz√∂gerung um bis zu 0,02 s. Um zus√§tzlich die Stabilit√§t hinsichtlich Netzwerkzuverl√§ssigkeit und ‚Äďabdeckung zu erh√∂hen, , schlage ich die Verwendung von Li-Wi vor. Li-Wi ist ein System, das die Vorteile der hohen Datenraten und Link-Verf√ľgbarkeit von VLC bzw. Wireless Fidelity (WiFi) nutzt. Die Li-Wi-L√∂sung minimiert die Handover-Latenzzeit signifikant um bis zu 0,03 s.Die Hauptbeitr√§ge dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: (i) Entwicklung verschiedener Handover-L√∂sungen f√ľr V-VLC-Netzwerke in Innenr√§umen, (ii) Bewertung der Auswirkungen von Link-Aggregation und MPTCP-Methoden in den Datenverbindungs- und Transportschichten, jeweils separat und zusammen als kombinierte Architektur in einem hybriden Fahrzeugnetzwerk, in dem VLC und Wi-Fi als prim√§re bzw. Backup-Links fungieren, und (iii) Demonstration, wie die Anwendung der vorgeschlagenen L√∂sungen die Netzwerk-Latenz sowohl bei horizontalen als auch bei vertikalen Handovern in einem V-VLC-Netzwerk verringert, was zu einem verbesserten Netzwerk in Bezug auf Abdeckung, Zuverl√§ssigkeit und Stabilit√§t f√ľhrt.