Development and testing of an indoor visible light communications simulator

This thesis aims at developing a simulator of the optical propagation in the visible spectrum for indoor applications, responding to the need to characterize the optical channel in terms of total power at the receiver (link budget), impulse response (distribution in time of the power associated to the various echoes produced by the optical channel), receiving side noise and eventual interference, regardless of the application considered.\newline The increase of telecommunication devices working at high bit rate and short-range, combined with new applications required by the market, pushes to the need of using very large bandwidth over short physical distances, in the order of meters, comparable with the dimensions of a room. It is straightforward to think about how visible light communications (in private rooms , offices, airplanes, hospital rooms etc.) fit perfectly with the requirements set out above and rely on a number of great qualities, such as the almost unlimited available spectrum and the insensitivity to electromagnetic interference. This thesis takes some of the work already done in the field of modeling indoor light propagation and provides a simulation tool for visible light communications (VLC) under certain geometric and radiometric environmental conditions. The aim is to help a designer in selecting the components to be used in order to achieve given performances or simply to evaluate the level of natural and artificial radiation in the system, without however renouncing to a certain degree of detail of the obtained results (multiple reflections and received signal spectra).

Questa tesi si propone di sviluppare un simulatore di propagazione ottica nello spettro visibile per applicazioni indoor, rispondendo alla necessità di caratterizzare il canale ottico in termini di potenza totale al ricevitore (link budget), risposta all'impulso (distribuzione nel tempo delle potenze associate ai vari echi prodotti dal canale ottico), rumore ed eventuale interferenza, indipendentemente dall'applicazione considerata. L'incremento di dispositivi di telecomunicazione ad alto bit rate e corto raggio, combinata con le nuove applicazioni richieste dal mercato, porta ad avere la necessità di utilizzare una grande larghezza di banda su brevi distanze fisiche, nell'ordine dei metri, comparabili con le dimensioni di una stanza. E' semplice pensare a come le comunicazioni ottiche con luce visibile (in ambienti privati, uffici, cabine di aerei, ospedali ecc.) si adattino perfettamente ai requisiti indicati in precedenza, facendo affidamento su un gran numero di qualità come uno spettro sostanzialmente illimitato e l'insensibilità a interferenze di tipo elettromagnetico. Questa tesi sfrutta una parte del lavoro già svolto riguardante la modellazione della propagazione ottica indoor e fornisce uno strumento di simulazione per luce visibile (VLC, \emph{visible light communications}) sotto certe condizioni geometriche e radiometriche d'ambiente. Lo scopo è quello di fornire un supporto ai progettisti nella selezione dei componenti da utilizzare per ottenere un certo livello di prestazioni, o semplicemente valutare il livello di radiazione naturale e artificiale nel sistema, senza rinunciare a un certo grado di dettaglio nei risultati ottenuti (riflessioni multiple e spettri di segnale ricevuti).