Bidirectional Visible Light Communications for the Internet of Things - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Bidirectional Visible Light Communications for the Internet of Things

Communications Bidirectionnelles par Lumière Visible entre un Objet Connecté et un Smartphone Non Modifié

Résumé

With the exponential growth of the Internet of Things, people now expect every household appliance to be smart and connected. At the same time, smartphones have become ubiquitous in our daily life. Their continuous performance improvement and their compatibility with a broad range of radio protocols as WiFi, Bluetooth Low Energy (BLE) or NFC make them the most convenient way to interact with these smart objects. However, providing wireless connectivity with BLE or NFC means adding an extra chipset and an antenna, increasing the object size and price. Previous works already have demonstrated the possibility of receiving information through visible light using an unmodified smartphone thanks to its camera. Also, LED-to-LED communication for smart devices like toys has been shown previously. However, past efforts in LED to camera communication for IoT device communication have been limited. In this work, we design LightIoT, a bidirectional visible-light communication (VLC) system between a low-cost, low-power colored LED that is part of an IoT device and an off-the-shelf smartphone. The IoT device is thus able to send and receive information through its LED, while the smartphone uses its camera to receive data and its flashlight to send information. We implement and experimentally evaluate a LED-to-camera VLC system, designed specifically for small LEDs. The proposed solution exploits the rolling shutter effect of unmodified smartphone cameras and an original decoding algorithm, achieving a throughput of nearly 2 kb/s. Based on the insight gained from an extensive experimental study, we model, for the first time in the literature, the LED-to-camera communication channel. We propose a Markov-modulated Bernoulli process model, which allows us to easily study the performance of different message retransmission strategies. We further exploit this model to implement a simulator for LED-to- Camera communications performance evaluation. In order to achieve bi-directional communications, we evaluate flashlight-to- LED communications using non-rooted smartphones and small LEDs. With these constraints, our implementation achieves a throughput of 30 bits/second. While limited, this is enough for a feed-back channel coming to support the required redundancy mechanisms. Some of these redundancy mechanisms are based on random linear coding, never tested previously in VLC. Therefore, we design and implement, for the first time in the literature, a pseudo random linear coding scheme especially fitted for line-of-sight LED-to-camera conditions. Experimental evaluation highlights that this type of approach increases the goodput up to twice compared to classical retransmission strategies. Finally, we compare the energy consumption of LightIoT with the one of a BLE module with similar activity. Our results show that using the LED for communication purposes reduces the energy consumption under a normal usage behavior.
Avec la croissance exponentielle de l'Internet des objets, les utilisateurs s'attendent maintenant à ce que chaque appareil ménager soit intelligent et connecté. Dans le même temps, les smartphones sont devenus omniprésents dans notre vie quotidienne. L'amélioration continue de leurs performances et leur compatibilité avec de nombreux protocoles radio tels que le WiFi, le Bluetooth Low Energy (BLE) ou le Near Field Communication (NFC) en font le moyen le plus pratique pour interagir avec ces objets connectés. Cependant, offrir une connectivité sans fil utilisant le BLE ou le NFC implique d'ajouter un chipset supplémentaire et une antenne, ce qui augmente la taille et le prix de l'objet. En outre, ce type de modification matérielle n'est pas sans impact: même si le coût unitaire de la puce radio est négligeable, il peut devenir très important lorsque des millions de produits sont vendus. Par ailleurs, des travaux antérieurs ont déjà démontré la possibilité de recevoir de l'information par la lumière visible (VLC) à l'aide d'un smartphone non modifié grâce à sa camera. Aussi, des communications bidirectionnelles entre diodes électroluminescentes (DEL) pour les objets connectés comme les jouets ont déjà été démontrées précédemment. Cependant, les efforts afin de proposer une communication sans fil utilisant des petites DELs et la caméra des smartphones restent à ce jour inexistants. Dans ce travail, nous abordons donc cette question et proposons LightIoT, un système de communication bidirectionnel par VLC entre une DEL de couleur et de faible puissance qui est intégrée à un objet connecté et un smartphone non modifié. Le dispositif est ainsi capable d'envoyer et de recevoir des informations à travers sa DEL, tandis que le smartphone utilise sa caméra pour recevoir des données et son flash pour envoyer des informations. Nous mettons en œuvre et évaluons expérimentalement ce système VLC DEL-à-camera conçu spécifiquement pour les DEL de couleurs à faible puissance. La solution proposée exploite l'effet de l’obturateur déroulant de la caméra des smartphones associé à un algorithme de décodage original et atteint un débit d'environ 2 kbit/s dans des conditions d'éclairage standard. En nous appuyant sur les connaissances acquises lors d'une vaste étude expérimentale, nous modélisons, pour la première fois dans la littérature, le canal de communication DEL-à-caméra, caractérisé par un schéma d'erreur de trames régulier et presque périodique. Nous proposons alors un modèle de processus de Bernoulli modulé par une chaîne de Markov, qui nous permet d'étudier facilement l'efficacité de différentes stratégies de retransmission des messages. Nous exploitons ce modèle afin de concevoir un simulateur pour l'évaluation des performances des communications DEL-à-caméra. Afin d'obtenir un système de communication bidirectionnel, nous étudions ensuite les communications de type flash-vers-DEL entre un smartphone non-modifié et une petite DEL de couleur. En considérant les contraintes matérielles du système, notre implémentation atteint un débit de 30 bits par seconde. Bien que les performances soient limitées, elles sont suffisantes pour établir une voie retour qui permet de mettre en oeuvre des mécanismes de fiabilisation. Certains de ces mécanismes sont basés sur un codage linéaire aléatoire, considéré depuis longtemps comme une solution possible dans VLC, mais jamais testé auparavant. Par conséquent, nous concevons et mettons en œuvre, pour la première fois dans la littérature, un mécanisme de codage linéaire pseudo-aléatoire spécialement adapté aux conditions et contraintes du système DEL-à-caméra en ligne de visée directe. Notre évaluation expérimentale souligne que ce type d'approche augmente le rendement jusqu'à deux fois par rapport aux stratégies de retransmission classiques. Enfin, la plupart de ces petits objets que nous adressons via LightIoT ont des contraintes énergétiques importantes. Par conséquent, nous comparons la consommation d'énergie de LightIoT avec celle d'un module BLE avec une activité similaire. Nos résultats montrent que l'utilisation de la DEL à des fins de communication réduit la consommation d'énergie dans le cadre d'un profil d'utilisation classique.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-01940002 , version 1 (06-12-2018)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01940002 , version 1

Citer

Alexis Duque. Bidirectional Visible Light Communications for the Internet of Things. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université de Lyon - INSA Lyon, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01940002v1⟩
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