Tesis:
Contribución al estudio de Sistemas VLC en entornos domóticos
- Autor: CAMPO JIMÉNEZ, Guillermo
- Título: Contribución al estudio de Sistemas VLC en entornos domóticos
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/45536/
- Director/a 1º: LÓPEZ HERNÁNDEZ, Francisco José
- Resumen: Durante la última década, la sustitución de las luminarias tradicionales (incandescentes, fluorescentes) por lámparas basadas en tecnología LED se ha incrementado de forma exponencial, debido sobre todo a su alta eficiencia energética. Las comunicaciones por luz visible (VLC) se basan en el uso dual de las lámparas LED para iluminación y transmisión de información, aprovechando los bajos tiempos de conmutación de los LEDs. De este modo, las VLC se presentan como una alternativa o complemento a los sistemas de comunicaciones tradicionales en entornos domóticos. En los últimos años se han realizado una gran cantidad de trabajos orientados a maximizar la tasa transmisión de los sistemas VLC, en especial mediante técnicas de modulación de alta eficiencia espectral como OFDM. Sin embargo, no se ha estudiado cómo afecta la utilización de las luminarias LED como emisor VLC a su principal ventaja como tecnología de iluminación, que es la eficiencia energética. En esta tesis, se parte de la hipótesis de que la forma de onda de la señal de modulación VLC influye en la eficiencia energética de la luminaria LED, y en concreto en el rendimiento energético de su elemento de control o driver. Los drivers de iluminación LED suelen ser fuentes conmutadas que aplican a la fuente de luz una corriente constante. La utilización de una señal de modulación con forma de onda conmutada se corresponde con este principio. Sin embargo, la utilización de una señal de modulación con forma de onda continua, empleada en las técnicas de modulación como OFDM, modifica la naturaleza de la corriente tanto en la fuente de luz (LED) como en el driver, lo que afectará a su comportamiento. El objetivo principal de esta tesis es el análisis del efecto de la forma de onda de la señal de modulación en el rendimiento energético del driver VLC. Para ello, el trabajo se divide en tres partes: modelo teórico; validación del modelo mediante simulaciones y experimentos; y obtención de resultados. Para analizar la eficiencia energética del driver, se define el factor de calidad “η”, al que se denomina Rendimiento Energético del driver y cuyo valor es el cociente entre la potencia convertida en luz y la potencia total disipada. En el modelo teórico se analiza el rendimiento del driver VLC (y de sus componentes LED y MOS por separado) en función de la forma de onda de la señal (conmutada o continua). A continuación, se prueba el modelo teórico mediante dos tipos de simulaciones: circuital, que tiene en cuenta efectos resistivos y capacitivos; y funcional, que determina el límite ideal del rendimiento energético. Posteriormente, se valida el modelo y las simulaciones con medidas reales. Por último, se analiza el efecto de esquemas de modulación que se emplean en sistemas de comunicación reales (OOK, VPPM y OFDM) en la eficiencia energética de la luminaria LED. De los resultados obtenidos en esta tesis se extrae que existe una fuerte dependencia entre la forma de onda de la señal de modulación y el rendimiento energético del driver VLC (y consecuentemente de la luminaria LED). El rendimiento del driver es bastante mayor para las técnicas de modulación basadas en señales conmutadas (OOK, VPPM) que para las que utilizan señales continuas (OFDM). El rendimiento óptimo para las señales con forma de onda conmutada está entre el 93 % y el 95 %, mientras que para las señales con forma de onda continua, varía entre el 66 % y el 81 %. Por otro lado, se ha demostrado que el nivel de iluminación de la lámpara LED afecta al rendimiento energético del driver VLC, en especial para las formas de onda continua. Como para las señales continuas, la amplitud de la señal, la potencia y la SNR dependen del nivel de iluminación, su variación afectará a la demodulación de la señal en el receptor VLC. En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis aconsejan la utilización de técnicas de modulación basadas en formas de onda conmutadas (OOK, VPPM) para no degradar la eficiencia energética de las luminarias LED al ser utilizadas como emisores VLC. Al tratarse del primer trabajo realizado en este ámbito, de esta tesis se derivan numerosas líneas abiertas, como el análisis energético de otras técnicas de modulación o el diseño de drivers eficientes al tratar con formas de onda continuas. ABSTRACT Over the last decade, white light emitting diodes (WLED) based luminaries have been exponentially replacing traditional lamps (incandescent, fluorescent), due to their long lifetime and low heat generation, but mainly because of their high energy efficiency. Visible Light Communication (VLC) is based on the dual use of LED lamps for illumination and information transmission, making use of the LED short switching times. Therefore, VLC is viewed as an alternative or complement to the traditional communication systems in home scenarios. Over the last years, many research efforts have been oriented to maximize the transmission rate of VLC systems, especially through the use of high spectral efficiency modulation techniques as OFDM. However, it has not been studied how the use of an LED lamp as a VLC emitter affects its main advantage as lighting technology, which is energy efficiency. In this thesis, it is assumed the following hypothesis: the waveform of the VLC modulation signal influences the energy efficiency of the LED luminaire, and specifically the energy performance of its control element or driver. LED lamp drivers are usually formed by switching power supplies which apply a constant current to the light source. Using a switched waveform modulation signal fits this principle. However, utilizing a continuous waveform modulation signal, as employed in modulation techniques as OFDM, modifies the current nature both in the light source (LED) and the driver, affecting their behaviour. The main goal of this thesis is to analyse how the waveform of the modulation signal affects the energy performance of the VLC driver. For that purpose, the work is divided into three steps: theoretical model; model validation through simulations and experiments; and results achievement. In order to analyse the driver energy efficiency, the quality factor “η”, named driver Energy Efficiency Ratio is defined. “η” is the ratio between the power dissipated by the LED and the total dissipated power. At the theoretical model, the efficiency ratio of the VLC driver (and its LED and MOS elements individually) depending on the signal waveform (switched or continuous) is analysed. Then, the theoretical model is tested with two types of simulations: circuital, which considers resistive and capacitive effects; and functional, which determines the efficiency ratio ideal limit value. Afterwards, model and simulations are validated by real measurements. Finally, the effect of the modulation techniques used in real communication systems (OOK, VPPM and OFDM) on the LED luminaire energy efficiency is analysed. Based on the results obtained in this thesis, there exists a strong dependency between the waveform of the modulation signal and the energy efficiency ratio of the VLC driver (and consequently of the LED luminaire). The efficiency ratio of the driver is significantly higher for the modulation techniques based on switched signals (OOK, VPPM) than for those which use continuous signals (OFDM). The optimum ratio for the switched waveform signals ranges from 93 % to 95 %, while for the continuous waveform signals varies between 66 % and 81 %. On the other hand, results show that the illumination level of the LED lamp affects the energy efficiency ratio of the VLC driver, especially for the continuous waveforms. For the continuous signals, their signal amplitude, power and SNR depend on the level of illumination, therefore, its change will affect the demodulation process at the VLC receiver. In conclusion, the obtained results from this thesis recommend to employ modulation techniques based on switched waveforms (OOK, VPPM) in order not to reduce the energy efficiency of LED luminaires when used as VLC emitters. Due to the fact that it is the first research work within this scope, there are many possible future works derived from this thesis, such as the energy efficiency analysis of other modulation techniques or the design of energy efficient drivers when managing continuous waveforms.