Software Defined Joint Optical Wireless Communication and Sensing System Using the OFDM Waveform

Abstract

The new development of automation such as self-driving vehicles; low earth orbit satellites; autonomous units (AU), need an integrated high data transmission with the ability to locate itself in relation to other units or obstacles. This dissertation presents a software-defined solution of a joint communication and sensing system using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) waveform. This software solution is flexible in its implementation, being able to be deployed in many environments. The joint system has the advantages of using the already existing data communication infrastructure but gaining new capabilities of detection and ranging, through signal processing. At the same time saving bandwidth by sharing the spectrum. We start with a brief history of the radar/lidar is presented with its advantages and applications. Followed by the mathematical model of Optical Wireless Communication (OWC), OFDM waveform, the signal processing method, and finally the joint model. Continuing by an implementation in MATLAB, which demonstrated the relations of the communication requirements and the sensing resolutions, and the effect of the noise on the measured Error Vector Magnitude (EVM). Finally, the joint system is validated in an OWC link, with 520 nm laser diode, by displacing a mirror and detecting the reflected laser beam. It was possible to calculate the distance of the mirror with respect to the transceiver as well as to transmit data, achieving a resolution of 15 cm with maximum distance of 100 m. And a maximum data rate of 4Gbps.

Novos desenvolvimentos da automação, como veículos autônomos; satélites de órbita terrestre baixa; unidades autônomas (UA), precisam de uma alta transmissão de dados em conjunto com a capacidade de se localizar em relação a outras unidades ou obstáculos. Esta dissertação apresenta uma solução definida por software de um sistema de comunicação e sensoriamento combinado, usando a forma de onda Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Esta solução de software é flexível em sua implementação, podendo ser implantada em diversos ambientes. O sistema conjunto tem a vantagem de utilizar a infraestrutura de comunicação de dados já existente, mas ganhando novas capacidades de deteção e alcance, por meio do processamento de sinais. Ao mesmo tempo, economizando largura de banda e compartilhando o espectro. Começamos com um breve histórico do RADAR/LIDAR e suas vantagens e aplicações. Seguido pelo modelo matemático de Optical Wireless Communcation (OWC), forma de onda OFDM, o método de processamento de sinal e, finalmente, o modelo conjunto. Continuando por uma implementação em MATLAB, que demonstrou as relações dos requisitos de comunicação e as resoluções de deteção, e o efeito do ruído no Error Vector Magnitude (EVM). Finalmente, o sistema conjunto é validado em um link OWC, com díodo de laser com 520 nm de comprimento de onda, deslocando um espelho e detetando o feixe de laser refletido. Foi possível calcular a distância do espelho em relação ao transcetor, bem como transmitir dados, alcançando uma resolução de 15 cm com distância máxima de 100 m. E uma taxa máxima de 4 Gbps