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Vehicular visible light communications for connected autonomous driving

Memedi, Agon

Vehicular Visible Light Communication (V-VLC) has recently emerged as a promising technology for vehicular networking. This technology is based on the concept of using LEDs in modern cars’ lighting modules for communication while preserving their illumination functionality. V-VLC has certain characteristics that can complement well RF technologies. The Line Of Sight (LOS) characteristics of VLC, the directionality of the light waves, and the confined collision domain can substantially reduce interference and improve resilience against security attacks on communication. Therefore, combining radio communications with V-VLC can provide reliable communication, as required by various vehicular networking applications. As a new technology, however, V-VLC requires further fundamental research, e.g., on the impact of automotive lighting modules on communication, multi-user interference, and medium access. To that end, in the first part of this thesis, we focus on understanding the characteristics of head- and taillights as V-VLC transmitters. We develop empirical modeling methodologies and describe the validation process based on real-world measurements. Then, we show that the V-VLC link stability is greatly impacted by the road geometry (straight and curved roads) and the cars’ arrangement thereon. Additionally, we show that differences in headlights based on vehicle type, model, and lighting function (low beam or high beam) impact communication, despite adhering to the same illumination standards. In the second part of this thesis, we study medium access and address the problem of multi-user interference in V-VLC. We characterize V-VLC interference in a large-scale urban scenario and show that despite the directionality of VLC, multi-user interference presents a challenge in certain situations. To address this challenge, we design a medium access protocol that uses lighting modules as sector antennas. Using the vehicles’ positions and beamforming for transmission, we are able to effectively reduce interference. We improve communication by halving the ratio of collisions and increasing the packet delivery ratio.
Vehicular Visible Light Communication (V-VLC) hat sich in letzter Zeit als vielversprechende Technologie für die Vernetzung von Fahrzeugen erwiesen. V-VLC nutzt vorhandene LEDs in den Beleuchtungsmodulen moderner Fahrzeuge für die Kommunikation ohne deren Beleuchtungsfunktionalität zu beinträchtigen. Einige der Eigenschaften von V-VLC können V-VLC Hochfrequenz-Technologien gut ergänzen. Die starke Richtungsausbreitung von Licht, die sogenannte Line-of-Sight (LOS) Eigentschaft, und der begrenzte Kollisionsbereich sorgen dafür, dass Störungen erheblich reduziert und die Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe auf die Sicherheit der Kommunikation verbessert werden können. Daher kann eine Kombination von Hochfrequenz-Technologien und V-VLC eine zuverlässige Kommunikation ermöglichen, die für verschiedenste Anwendungen im Bereich der Fahrzeugkommunikation erforderlich ist. Als neue Technologie erfordert V-VLC jedoch weitere Grundlagenforschung. Dazu gehören beispielsweise die Auswirkungen der Beleuchtungsmodule auf die Kommunikationseigenschaften, Interferenz bei Übertragungen mehrerer Fahrzeuge, und Zugriff auf das Übertragungsmedium. In dem ersten Teil dieser Arbeit behandeln wir die Eigenschaften von Front-Scheinwerfern und Rückleuchten im Rahmen eines Einsatzes als Sender für V-VLC. Dafür stellen wir die von uns entwickelten, empirischen Modellierungsmethoden vor und beschreiben den Validierungsprozess auf der Grundlage von realen Messungen. Anschließend zeigen wir, dass die Stabilität einer V-VLC-Verbindung stark von der Straßengeometrie (gerade und kurvige Straßen) und der Anordnung der Fahrzeuge beeinflusst ist. Darüber hinaus zeigen wir, dass unterschiedliche Front-Scheinwerfer bei verschiedenen Fahrzeugtypen, Modellen und Beleuchtungsfunktionen (Abblend- oder Fernlicht) die Kommunikation beeinträchtigen, obwohl die gleichen Beleuchtungsstandards eingehalten werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir den Medienzugriff und befassen uns mit dem Problem der Interferenz bei mehreren Fahrzeugen unter dem Einsatz von V-VLC. Dafür charakterisieren wir die Interferenz bei V-VLC in einem urbanen Szenario und zeigen, dass, trotz der Richtungsabhängigkeit von VLC, Interferenzen zwischen mehreren Fahrzeugen in bestimmten Situationen eine Herausforderung darstellen können. Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwerfen wir ein Protokoll für den Medienzugriff, das Beleuchtungsmodule als Sektorantennen verwendet. Dieses kann Interferenz durch die Verwendung der Positionen vorhandener Fahrzeuge und Beamforming für die Übertragung effektiv reduzieren. Durch dieses Verfahren erzielen wir eine Halbierung von Paketkollisionen und eine substanzielle Verbesserung der Paketübermittlungsquote.