Design of medium access control protocol for aggregated VLC-IR and VLC-RF wireless networks

Abstract

Günümüzde dünya üzerindeki İnternet erişimi talebinde kayda değer bir artış yaşanmaktadır. İnternet erişimi talebindeki bu artış, İnterneti kullanan yeni cihaz ve uygulamaların, sosyal medya ortamlarının, ortaya cıkarılmasındakı yeniliklerden kaynaklanmaktadır. Yüksek miktardaki İnternet trafiği ihtiyacının giderilmesinde genellikle kablosuz iletişim kullanılmaktadır. Özellikleradyo frekansı (Radio Frequency, RF), kablosuz ağ bağlantısı için en çok kullanılan spektrumdur. İnternet abone sayısı hızla artarken, radyo spektrumunun limitlerine ulaştığı görülmektedir. Sürekli olarak artan İnternet erişim talebi için yeterli spektrum bulunmamaktadır. Optik spektrumun iletişim amaçlı kullanılması, İnternet endüstrisindeki bant genişliği sorununu iyileştirebileceği varsayılmaktadır. Literatürdeki güncel çalışmalar, kızılötesi (Infrared, IR), görünür ışık (Visible Light, VL) ve ultraviyole (Ultraviolet, UV) spektrumlarının sinyal iletimi için kullanılabileceğini göstermektedir. Optik spektrumun iletişim amaçlı kullanılmasında, yüksek bant genişliği ve güvenlik başta olmak üzere farklı yararları vardır. Buna göre, görünür ışık iletişimi (Visible LightCommunication, VLC), kızılötesi iletişim (Infrared Communication, IRC) ve ultraviyole iletişim (Ultraviolet Communication, UVC) gibi optik spektrum tabanlı kablosuz ağların kullanımı artmaktadır. Son yapılan çalışmalar, VLC'nin iç mekan kablosuz ağları için daha uygun olduğunu göstermektedir. Dayanıklı, uygun maliyetli ve enerji verimliliği sağlayan ışık yayan diyotun (Light Emitted Diode, LED) iyileştirilmesi, VLC teknolojisinin gelişmesine neden olmuştur. Bu nedenle, iç mekan kablosuz ağlarında VLC teknolojisi kullanılarak İnternet bant genişliği sorunu ele alınabilmektedir. Bununla birlikte, VLC'yi sadece fiziksel katman perspektifinden ilerletmek için önemli çabalar bulunmaktadır. Mevcut VLC teknolojisi çalışmaları, noktadan noktaya bağlantılar ve yarı çift yönlü iletişim gibi basit varsayımları göz önünde bulundurmaktadır. VLC teknolojisini ölçeklenebilir ve çift yönlü ağa (mesh network) dönüştürmek gerekmektedir. VLC kablosuz ağların temel zorluklarından biri, yukarı bağlantı kanalının oluşturulmasıdır. Enerji tüketimi ve ışık kaynaklarından kaynaklanan görsel bozukluklar, VLC kablosuz ağlarda yukarı bağlantı kanalının gerçekleşmesini engelleyen ana faktörlerdir. Bu nedenle, VLC kablosuz ağlarda çift yönlü iletişim elde etmek için kızılötesi veya radyo spektrumu gibi diğer spektrumların kullanılması zorunludur.Bu tezde, VLC ve diğer kablosuz ağların bir arada bulunması durumunda ortam erişim kontrolü problemi üzerinde durulmaktadır. VLC ve diğer kablosuz ağların bir arada bulunmasında, iki olası senaryo bulunmaktadır; (i) her bir ağın bağımsız bir sistem olarak çalıştığı hibrit bir sistem ve (ii) ikisistemin birlikte çalıştığı, bir ağın yukarı bağlantı kanalı için diğer ağın aşağı bağlantı kanalı için kullanıldığı birleştirilmiş bir ağ. Literatürde, birleştirilmiş sistemin hibrit sistemden daha iyi performans sergilediği gösterilmiştir. Bu nedenle tezde ortam erişim kontrol protokolütasarımında birleştirilmiş sistem göz önüne alınmaktadır. Ek olarak, VLC kablosuz ağlarda yukarı bağlantı kanalını gerçekleştirmenin iki uygulanabilir çözümünü göz önünde bulundurulmaktadır; (i) yukarı bağlantı kanalı için kızılötesi spektrumun kullanımı ve (ii) yukarı bağlantı kanalı için radyo spektrumunun kullanımı. Sonrasında, ölçeklenebilir, çift yönlü ve çok noktalı kablosuz ağ faktörleri dikkate alınmaktadır. İlk durumda, Uyarlamalı Sorgulama Ortam Erişim Kontrolü (Adaptive Polling Medium Access Control, APMAC) protokolü adı verilen birleştirilmiş VLC-IR kablosuz ağlar için ortam erişim kontrol protokolü tasarlanmıştır. APMAC protokolünde, aşağı bağlantı kanalı VLC, yukarı bağlantı kanalı ise IR kullanmaktadır. İkinci olarak, birleştirilmiş VLC-RF kablosuz ağları için Kendinden Uyarlamalı Ortam Erişim Kontrolü (Self-Adaptive Medium Access Control, SA-MAC) protokolü tasarlanmıştır. Bu durumda, aşağı bağlantı kanalı VLC'yi kullanırken yukarı bağlantı kanalı RF'nı kullanmaktadır. Simülasyonlardan elde edilen sayısal sonuçlar bu tezin avantajlarını ortaya koymaktadır. Özetle, bu tezin teknik katkısı, birleştirilmiş VLC-IR ve VLC-RF kablosuz ağları için ortam erişim kontrol protokollerinin tasarımını içermektedir.

Over the past decades the world has experienced a monumental increase in internet demand. The rise in internet demand is prompted by innovations of new devices and applications that use the internet, viz., the invention of social media, mobile devices, and smartphones. The huge internet traffic relies on wireless communication to provide access networks, in particular, the radio frequency (RF) is the most used spectrum for wireless network connectivity. While internet subscription is on the rise, the radio spectrum has reached its limit. There is no sufficient spectrum for the ever-increasing internet demand. Exploiting the optical spectrum for communication purpose can ameliorate the problem of bandwidth scarcity in the internet industry. Several research publications have demonstrated that the infrared (IR), visible light (VL), and ultraviolet (UV) spectra can be used for signal transmission. There are several potential benefits of using the optical spectrum for communication purpose such as the huge bandwidth, and security. Accordingly, optical spectrum based wireless networks such as visible lightcommunication (VLC), infrared communication (IRC), and ultraviolet communication (UVC) are on the rise.Recent studies have demonstrated that VLC is more suitable for indoor wireless networks. The development of durable, cost effective, and energy efficiency light emitting diode (LED) has prompted the rise of the VLC technology. Therefore, the problem of internet bandwidth can be addressed by utilizing the VLC technology inindoor wireless networks. Nonetheless, there is significant effort in advancing VLC from the physical layer perspective only. Current studies of VLC technology consider simple assumptions such as point-to-point links and half duplex communication. There is the need of transforming VLC technology into scalable, full-duplex, and fully mesh networks. One of the challenges of VLC wireless networks is the provision of the uplink channel. Energy consumption and visual disturbances from light sources are major factors that hinder the realization of the uplink channel in VLC wireless networks. Therefore, it is imperative to use other spectrum such as infrared or radiospectrum in order to achieve full duplex in VLC wireless networks. In this thesis, we investigate the problem of medium access control for the coexistence of VLC and other wireless networks. In the coexistence of VLC and other wireless networks there are two possible scenarios, i.e., (i) a hybrid system where each network works as a standalone system and (ii) an aggregated network where the two system work together, one for the uplink channel and the other for the downlink channel. Several research publications have demonstrated that aggregated system outperforms hybrid system, therefore, in this thesis we consider aggregated system in our design. In addition, we consider two viable solutions of realizing the uplink channel in VLC wireless networks, viz., (i) the use of the infrared spectrum for the uplink channel, and (ii) the use of the radio spectrum for the uplink channel. Moreover, we take into account a scalable, full-duplex, and multi-point wireless network factors. In the first case, we design the medium access control protocol for aggregated VLC-IR wireless networks named the Adaptive Polling Medium Access control (APMAC) protocol. In APMAC protocol, the downlink channel uses VLC while the uplink channel uses IR. Secondly, we design the Self-Adaptive Medium Access Control (SA-MAC) protocol for aggregated VLC-RF wireless networks. In this context, the downlink channel uses VLC whereas the uplink channel uses RF. Numerical results from simulations demonstrate advantages of this thesis. In a nutshell, the technical contributions of thisthesis include the design of the medium access control protocol for aggregated VLC-IR and VLC-RF wireless networks.