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Signals and Communication Technology

Murat UysalCarlo CapsoniZabih GhassemlooyAnthony BoucouvalasEszter Udvary Editors

Optical Wireless CommunicationsAn Emerging Technology

Signals and Communication Technology

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http://www.springer.com/series/4748

Murat Uysal • Carlo CapsoniZabih Ghassemlooy • Anthony BoucouvalasEszter UdvaryEditors

Optical WirelessCommunicationsAn Emerging Technology

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EditorsMurat UysalDepartment of Electrical and ElectronicsEngineering

Özyeğin UniversityIstanbulTurkey

Carlo CapsoniDipartimento di Elettronica, Informazionee Bioingegneria

Politecnico di MilanoMilanItaly

Zabih GhassemlooyFaculty of Engineering and EnvironmentUniversity of Northumbria at NewcastleNewcastle-upon-TyneUK

Anthony BoucouvalasDepartment of Informatics andTelecommunications

University of PeloponneseTripoli, ArcadiaGreece

Eszter UdvaryDepartment of BroadbandInfocommunications and ElectromagneticTheory

Budapest University of Technology andEconomics

BudapestHungary

ISSN 1860-4862 ISSN 1860-4870 (electronic)Signals and Communication TechnologyISBN 978-3-319-30200-3 ISBN 978-3-319-30201-0 (eBook)DOI 10.1007/978-3-319-30201-0

Library of Congress Control Number: 2016939986

© Springer International Publishing Switzerland 2016This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or partof the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations,recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmissionor information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar ordissimilar methodology now known or hereafter developed.The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in thispublication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exemptfrom the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use.The publisher, the authors and the editors are safe to assume that the advice and information in thisbook are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor theauthors or the editors give a warranty, express or implied, with respect to the material containedherein or for any errors or omissions that may have been made.

Printed on acid-free paper

This Springer imprint is published by Springer NatureThe registered company is Springer International Publishing AG Switzerland

Preface

The proliferation of wireless communications stands out as one of the most sig-nificant phenomena in the history of technology. Wireless devices and technologieshave become pervasive much more rapidly than anyone could have imagined andthey will continue to be a key element of modern society for the foreseeable future.Today, the term “wireless” is used almost synonymously with radio frequency(RF) technologies as a result of the wide-scale deployment and utilization ofwireless RF devices and systems. With the ever-growing popularity of data-heavywireless communications, the demand for RF spectrum is outstripping supply andthe time has come to seriously consider other viable options for wireless commu-nication using the upper parts of the electromagnetic spectrum for applicationswhere access to huge bandwidth is a requirement.

Utilization of the optical band of the electromagnetic spectrum for wirelesstransmission opens doors of opportunity in areas as yet largely unexplored. Opticalfrequencies range from 300 GHz to 300 petahertz (PHz) and include infrared,visible and ultraviolet bands—a spectral range that dwarfs the 300 GHz that the RFband represents. Optical wireless communication (OWC) systems offer significanttechnical and operational advantages such as higher bandwidth capacity, robustnessto electromagnetic interference, inherent security, low power requirements andunregulated spectrum. Variations of OWC can be employed in a diverse range ofcommunication applications from very short-range (in the order of millimeters)optical interconnects within integrated circuits through outdoor inter-building links(on the order of kilometers) to satellite communications (larger than 10,000 kms).

With its significant advantages and wide range of application areas, OWC is oneof the most promising current opportunities for high-impact research in the infor-mation and communication technology area. However, in many respects, OWCtechnology is still in its infancy and calls for consolidated research efforts to harnessthe enormous potential of the optical spectrum for communication applications.With the aim to build a European scientific network on OWC, the COST IC1101Action “Optical Wireless Communication—An Emerging Technology(OPTICWISE)” was launched in November 2011 for 4 years. COST (European

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Cooperation in Science and Technology) is one of the longest running Europeanframeworks supporting cooperation among scientists and researchers acrossEurope. OPTICWISE has been the very first COST Action dedicated solely to thisemerging field with enormous potential and brought together more than 150researchers from European academic and research institutions, government bodiesand companies involved in two major OWC sub-fields, namely free space opticalcommunication (FSO) and visible light communication (VLC).

OPTICWISE has played a key role in synergizing the interdisciplinary scientificexpertise of European researchers in various scientific disciplines including theelectromagnetic propagation theory, atmospheric physics, information/communicationtheory, networking, communication systems, photonic components, devices andsystems. Through integrated research capability made possible by the OPTICWISE,Action participants have explored and developed novel methods, models, techniques,strategies, and tools in infrared, visible, and ultraviolet spectral bands. This resulted in alarge number of joint publications. Such contributions have led to a much betterunderstanding of OWCwhich was treated as a niche technology in the past. In additionto theoretical contributions, several Action participants have contributed to the designand building of proof-of-concept VLC and FSO systems demonstrating the promiseof OWC systems for achieving low-cost, ultra-high bandwidth, and reliable futuregeneration heterogeneous communication networks.

To document on the one hand the multidisciplinary research carried out withinCOST IC1101 and on the other hand to encourage newcomers to this emergingfield, this book introduces researchers, practitioners, graduate, and postgraduatestudents to the diverse research on OWC in a comprehensive manner. The bookstarts with an introductory chapter, which provides an overview of OWC fieldhighlighting different sub-fields and major application areas. The rest of the book iscategorized into four main parts. The first part (Chaps. 2–8) consists of chapterswhich deal with the propagation modeling and channel characterization of OWCchannels at different spectral bands/applications. The second part (Chaps. 9–19)starts with a chapter that provides a unified information-theoretic treatment of OWCand then continues with the chapters on advanced physical layer methodologies toapproach these ultimate limits under practical constraints. On the top of physicallayer is the upper-layer protocols and cross-layer designs, which are dealt in thethird part of the book (Chaps. 20–24). The last part of the book (Chaps. 25–28)features chapters each of which focuses on different OWC applications.

I would like to thank all authors and reviewers for the contributions. Withouttheir voluntary help it would have been impossible to publish this book. I wouldalso like to thank my co-editors of this book, Carlo Capsoni, Zabih Ghassemlooy,Anthony Boucouvalas, and Eszter Udvary who made most of the editorial job. Wealso are grateful to COST for supporting our Action in general and the dissemi-nation of this book in particular.

Istanbul, Turkey Prof. Dr. Murat UysalCOST IC1101 Chair

vi Preface

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This book is based upon work from COST Action IC1101, supported by COST(European Cooperation in Science and Technology).

COST (European Cooperation in Science and Technology) is a pan-Europeanintergovernmental framework. Its mission is to enable break-through scientific andtechnological developments leading to new concepts and products and therebycontribute to strengthening Europe’s research and innovation capacities. It allowsresearchers, engineers and scholars to jointly develop their own ideas and take newinitiatives across all fields of science and technology, while promoting multi- andinterdisciplinary approaches. COST aims at fostering a better integration of lessresearch intensive countries to the knowledge hubs of the European Research Area.The COST Association, an International not-for-profit Association under BelgianLaw, integrates all management, governing and administrative functions necessaryfor the operation of the framework. The COST Association has currently 36Member Countries (www.cost.eu).

“COST is supported by the EU Framework Programme Horizon 2020”

Preface vii

https://www.cost.eu

Contents

1 An Overview of Optical Wireless Communications . . . . . . . . . . . . 1Z. Ghassemlooy, M. Uysal, M.A. Khalighi, V. Ribeiro, F. Moll,S. Zvanovec and A. Belmonte1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Historical Overview and Current Status . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3 Existing and Envisioned Application Areas . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.1 Ultra Short Range OWC Applications. . . . . . . . . . . . . 91.3.2 Short Range OWC Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.3 Medium Range OWC Applications . . . . . . . . . . . . . . 121.3.4 Long Range OWC Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3.5 Ultra Long Range OWC Applications. . . . . . . . . . . . . 17

1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2 Optical Propagation in Unguided Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Yahya Kemal Baykal2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2 Degrading Effects of Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3 Power Spectra of Turbulence in Free Space Optics (FSO),

Slant Satellite and Underwater Links . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4 Rytov Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.5 Extended Huygens–Fresnel Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.6 Average Received Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.7 Intensity and Power Scintillation Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.8 Bit Error Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.9 Beam Effects in Turbulent Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.10 Mitigation Methods to Reduce Turbulence Effects . . . . . . . . . . 412.11 Sample Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.12 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

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http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_1#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_2#Bib1

3 Effects of Adverse Weather on Free Space Optics . . . . . . . . . . . . . 47Roberto Nebuloni and Carlo Capsoni3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2 Gas Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.3 Propagation Through Atmospheric Particulates . . . . . . . . . . . . 49

3.3.1 Refractive Index of Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.3.2 Electromagnetic Computation: Mie Theory . . . . . . . . . 513.3.3 Asymptotic Theories. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.4 Multiple Scattering Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5 Fog and Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.5.1 Fog Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.5.2 Cloud Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.5.3 Microphysical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.5.4 Specific Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.6 Rain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.6.1 Microphysical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 623.6.2 Specific Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.7 Snow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.7.1 Microphysical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . 643.7.2 Specific Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.8 Conclusions and Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4 Experimental Validation of FSO Channel Models . . . . . . . . . . . . . 69Ondrej Fiser and Vladimir Brazda4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2 Total Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.3 Measurement of Fog Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.4 Modeling of DSD in Fog and Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.4.1 Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.4.2 Analysis of LWC and PSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.5 Rain Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804.6 Impact of Atmospheric Turbulences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5 Channel Characterization and Modeling for LEO-GroundLinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Florian Moll5.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.2 Atmospheric Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.2.1 Scintillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.2.2 Fading Statistics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

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5.3 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.3.1 KIODO Campaign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.3.2 Instrument. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.4 Modeling Approach of Power Scintillation . . . . . . . . . . . . . . . 1005.5 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6 Channel Modeling for Visible Light Communications . . . . . . . . . . 107Farshad Miramirkhani, Murat Uysal and Erdal Panayirci6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2 Channel Modeling Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.3 CIR for an Empty Room. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.4 Effect of Surface Materials, Objects,

and Transmitter/Receiver Specifications on CIR . . . . . . . . . . . . 1166.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

7 Diffraction Effects and Optical Beam Shapingin FSO Terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123Juraj Poliak, Peter Barcik and Otakar Wilfert7.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247.2 Wave Effects in OWC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1247.3 Modeling of Diffraction Effects in Terrestrial FSO Links . . . . . 1257.4 Simulation, Assessment, and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.5 Geometrical and Pointing Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1317.6 Optical Beam Shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.7 FG Beams and Transformation Techniques . . . . . . . . . . . . . . . 1347.8 FG Beam Propagation, Scintillation and Averaging Effect . . . . . 1357.9 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

8 Ultraviolet Scattering Communication Channels . . . . . . . . . . . . . . 145Saverio Mori and Frank S. Marzano8.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1468.2 Historical and Technological Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . 1478.3 Ultraviolet Channel Propagation Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

8.3.1 Non-Line-of-Sight Channel Geometry. . . . . . . . . . . . . 1488.3.2 Tropospheric Ultraviolet Absorption and Scattering . . . 1498.3.3 Tropospheric Turbulence and Ultraviolet

Scintillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1548.4 Ultraviolet Scattering Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.4.1 Radiative Transfer in Turbid Media . . . . . . . . . . . . . . 1568.4.2 Single-Scattering Impulse Response and Path Loss

Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

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8.4.3 Multiple Scattering Numerical and ApproximateModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

8.4.4 Turbulence Effects on Ultraviolet Propagation . . . . . . . 1638.5 Ultraviolet Experimental Results and System Analysis . . . . . . . 164

8.5.1 NLOS-UV Measurements and Model Inter-comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.5.2 NLOS-UV System Performance Analysis . . . . . . . . . . 1658.6 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

9 Information Theoretical Limits of Free-Space Optical Links . . . . . 171Imran Shafique Ansari, Hessa AlQuwaiee, Emna Zediniand Mohamed-Slim Alouini9.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

9.1.1 General Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1759.1.3 Objectives and Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1769.1.4 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

9.2 System and Channel Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.2.1 Atmospheric Turbulences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.2.2 Pointing Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1829.2.3 Closed-Form Statistical Probability Density

Functions (PDF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1889.2.4 Important Outcomes and Further Motivations . . . . . . . 191

9.3 Exact Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1929.3.1 Gamma (G) Atmospheric Turbulence . . . . . . . . . . . . . 1929.3.2 Málaga (M) and Gamma–Gamma (CC)

Atmospheric Turbulences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1929.3.3 Double Generalized Gamma (DGG) Atmospheric

Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1939.3.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

9.4 Asymptotic Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1959.4.1 Rician–Lognormal (RLN) Atmospheric Turbulence

with Boresight Pointing Errors. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1979.4.2 Gamma–Gamma (CC) Atmospheric Turbulence

with Beckmann Pointing Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . 2019.5 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

10 Performance Analysis of FSO Communications UnderCorrelated Fading Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209Guowei Yang, Mohammad-Ali Khalighi, Zabih Ghassemlooyand Salah Bourennane10.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21010.2 Channel Modeling for FSO Communications. . . . . . . . . . . . . . 210

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10.2.1 Turbulence Modeling for a SISO FSO System. . . . . . . 21010.2.2 Channel Modeling for Space-Diversity

FSO Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21110.3 Evaluating Fading Correlation in Space-Diversity FSO

Channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21110.3.1 Study of Fading Correlation for SIMO Case . . . . . . . . 21210.3.2 Fading Correlation in MISO and MIMO Cases . . . . . . 218

10.4 Performance Evaluation Over Correlated CC Channelsvia Monte-Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21910.4.1 Generation of Correlated CC RVs . . . . . . . . . . . . . . . 22010.4.2 Study of BER Performance by Monte-Carlo

Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22110.5 Analytical Performance Evaluation of FSO Over

Correlated Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22310.5.1 a�l Approximation to the Sum of Multiple

CC RVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22410.5.2 BER Analysis Based on a�l Approximation . . . . . . . 22510.5.3 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225


11 MIMO Free-Space Optical Communication. . . . . . . . . . . . . . . . . . 231Majid Safari11.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23111.2 Channel Modelling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

11.2.1 Turbulence Statistics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23611.2.2 FSO Links with Misalignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

11.3 MIMO FSO Diversity Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23811.3.1 Receive Diversity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23811.3.2 Transmit Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

11.4 Performance of MIMO FSO Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24111.4.1 Average Error Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24211.4.2 Outage Probability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24311.4.3 Diversity Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24511.4.4 Aperture Averaging, Correlation, and Near-Field

Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24711.5 Distributed MIMO FSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24811.6 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

12 OFDM-Based Visible Light Communications. . . . . . . . . . . . . . . . . 255Dobroslav Tsonev, Mohamed Sufyan Islim and Harald Haas12.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25612.2 Unipolar OFDM (U-OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

12.2.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25812.2.2 Theoretical Bit Error Rate Analysis . . . . . . . . . . . . . . 26312.2.3 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

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12.3 Enhanced Unipolar Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (U-OFDM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27312.3.1 Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27312.3.2 Spectral Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27512.3.3 Theoretical Bit Error Rate Analysis . . . . . . . . . . . . . . 27612.3.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

12.4 Superposition Modulation for Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing (OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28412.4.1 Generalised Enhanced Unipolar Orthogonal

Frequency Division Multiplexing (U-OFDM). . . . . . . . 28512.4.2 Enhanced Asymmetrically-Clipped Optical OFDM

(ACO-OFDM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28812.4.3 Enhanced Pulse-Amplitude-Modulated Discrete

Multitone Modulation (PAM-DMT) . . . . . . . . . . . . . . 28912.4.4 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

12.5 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

13 Block Transmission with Frequency Domain Equalizationfor VLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299Mike Wolf, Sher Ali Cheema and Martin Haardt13.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29913.2 Basic Modeling Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

13.2.1 Intensity Modulation and Direct Detection. . . . . . . . . . 30113.2.2 NRZ-OOK Reference and Optical Power Penalty . . . . . 30213.2.3 Power Penalty of PAM in a Flat AWGN Channel . . . . 30313.2.4 Discrete Time PAM Transmission Model . . . . . . . . . . 305

13.3 PAM Block Transmission with Cyclic Prefix. . . . . . . . . . . . . . 30613.3.1 An Example Illustrating the Cyclic Convolution. . . . . . 30613.3.2 A High Level Channel Model in Matrix-Vector

Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30713.3.3 Equalizer Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30813.3.4 Impact of a Fixed Timing Error . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

13.4 How to Obtain DC-Balance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31213.4.1 Line Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31213.4.2 DC-Biased SSC-QAM and Similar Schemes . . . . . . . . 31313.4.3 DC-Biased DMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

13.5 VLC Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31613.6 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

13.6.1 Performance in Gaussian Lowpass Channels . . . . . . . . 31913.6.2 Performance in Multipath Channels . . . . . . . . . . . . . . 320


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14 Satellite Downlink Coherent Laser Communications . . . . . . . . . . . 325Aniceto Belmonte and Joseph M. Kahn14.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32514.2 Adaptive Coherent Receivers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32714.3 Performance of Coherent Laser Downlinks . . . . . . . . . . . . . . . 33214.4 Outage Capacity of Laser Downlinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33714.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

15 Cooperative Visible Light Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345Omer Narmanlioglu, Refik Caglar Kizilirmak,Farshad Miramirkhani and Murat Uysal15.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34515.2 Indoor Environment with Illumination Constraints . . . . . . . . . . 34715.3 VLC Indoor Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34915.4 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

15.4.1 Non-cooperative (Direct) Transmission . . . . . . . . . . . . 35115.4.2 AF Cooperative Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35215.4.3 DF Cooperative Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35415.4.4 Cooperative Transmission with Imperfect CSI . . . . . . . 356

15.5 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35715.6 Conclusion and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

16 Coded Orbital Angular Momentum Modulationand Multiplexing Enabling Ultra-High-Speed Free-SpaceOptical Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363Ivan B. Djordjevic and Zhen Qu16.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36416.2 OAM Modulation and Multiplexing Principles. . . . . . . . . . . . . 36516.3 Signal Constellation Design for OAM Modulation

and Multidimensional Signaling Based on OAM . . . . . . . . . . . 36816.4 Experimental Study of Coded OAM in the Presence

of Atmospheric Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37216.5 Adaptive Coding for FSO Communications and

Corresponding FPGA Implementation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37816.6 Conclusion and Future Work. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382

17 Mixed RF/FSO Relaying Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387Milica I. Petkovic, Aleksandra M. Cvetkovicand Goran T. Djordjevic17.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38717.2 System and Channel Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

17.2.1 RF Channel Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39217.2.2 FSO Channel Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394

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17.3 Outage Probability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39517.3.1 Negligible Pointing Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39817.3.2 System with a Single Relay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

17.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39917.5 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

18 Dimming and Modulation for VLC-Enabled Lighting . . . . . . . . . . 409Ali Mirvakili, Hany Elgala, Thomas D.C. Littleand Valencia J. Koomson18.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41018.2 Digital Modulation with Dimming Concepts . . . . . . . . . . . . . . 41118.3 Digital Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

18.3.1 Data/Dimming Control Modulator . . . . . . . . . . . . . . . 41418.4 Circuit Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

18.4.1 Buck Converter Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41618.4.2 Data-Dimming Multiplication Method. . . . . . . . . . . . . 41918.4.3 Measurement Results of Digital Modulation

with Dimming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42018.5 Analog Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42418.6 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

19 Diversity for Mitigating Channel Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431Zabih Ghassemlooy, Wasiu Popoola and Stanislav Zvanovec19.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43219.2 Receiver Diversity in Log-Normal Atmospheric Channels . . . . . 432

19.2.1 Maximum Ratio Combining (MRC) . . . . . . . . . . . . . . 43419.2.2 Equal Gain Combining (EGC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43619.2.3 Selection Combining (SelC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

19.3 Transmitter Diversity in Log-Normal AtmosphericChannels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

19.4 Transmitter-Receiver Diversity in a Log-NormalAtmospheric Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

19.5 Results and Discussions of SIM-FSO with SpatialDiversity in a Log-Normal Atmospheric Channel . . . . . . . . . . . 441

19.6 Experimental Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44419.7 Outdoor Measurements of Diversity Links . . . . . . . . . . . . . . . 44719.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450

20 Multiple Access in Visible Light Communication Networks . . . . . . 451Melike Erol-Kantarci and Murat Uysal20.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45220.2 Overview of PHY and MAC Layer Design for VLC . . . . . . . . 45320.3 IEEE 802.15.7 Channel Access Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . 455

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http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_17#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_18#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_19#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec3

20.4 Markov-Based Random Access Models for 802.15.7 . . . . . . . . 45620.5 Performance Evaluation for 802.15.7 MAC . . . . . . . . . . . . . . . 45820.6 Conclusion and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

21 Link Layer Protocols for Short-Range IR Communications . . . . . . 463A.C. Boucouvalas and K.P. Peppas21.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46321.2 Irda Protocol Stack. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

21.2.1 Physical Layer (PHY). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46521.2.2 Link Access Protocol (IrLAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46821.2.3 Link Management Protocol (IrLMP) . . . . . . . . . . . . . . 47121.2.4 Tiny Transport Protocol (TTP). . . . . . . . . . . . . . . . . . 47121.2.5 Object Exchange Protocol (OBEX). . . . . . . . . . . . . . . 472

21.3 IrLAP Functional Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47221.4 IrLAP MATHEMATICAL MODEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47521.5 IrLAP THROUGHPUT ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47921.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482

22 On the Resilient Network Design of Free-Space OpticalWireless Network for Cellular Backhauling. . . . . . . . . . . . . . . . . . 485Yuan Li, Nikolaos Pappas, Vangelis Angelakis, Michał Pióroand Di Yuan22.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48622.2 A Review of Related Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48822.3 Notations and Problem Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48922.4 Problem Formulation: A Two-Layer Model . . . . . . . . . . . . . . . 49122.5 A Path Generation-Based Heuristic Method. . . . . . . . . . . . . . . 496

22.5.1 A New Formulation Based on Paths . . . . . . . . . . . . . . 49622.5.2 Path Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49722.5.3 Framework of the Solution Approach . . . . . . . . . . . . . 500

22.6 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50222.6.1 Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50222.6.2 The Study of a Deployment Scenario . . . . . . . . . . . . . 50322.6.3 Algorithm Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505

22.7 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

23 FSO for High Capacity Optical Metro and Access Networks . . . . . 511Antonio Teixeira, Ali Shahpari, Vitor Ribeiro, Ricardo Ferreira,Artur Sousa, Somayeh Ziaie, Jacklyn Reis, Giorgia Parca,Silvia Dibartolo, Vincenzo Attanasio, Stefano Pennaand Giorgio Maria Tosi Beleffi23.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51123.2 Terabit/s OWC for Next Generation Convergent Urban

Infrastructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512

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http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_20#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_21#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_22#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec2

23.3 Advanced Modulation Formats and Pulse Shaping . . . . . . . . . . 51723.4 High Data Rate Links with FSO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51923.5 Multi System Next Generation and Fully Bidirectional

Optical Wireless Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52123.6 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

24 Multiuser Diversity Scheduling: A New Perspectiveon the Future Development of FSO Communications. . . . . . . . . . . 527Jamshid Abouei, Seyyed Saleh Hosseiniand Konstantinos N. Plataniotis24.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52724.2 System Model and Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52924.3 Multiuser Diversity in FSO Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

24.3.1 Selective Multiuser Diversity Scheduling . . . . . . . . . . 53424.3.2 Proportional Fair Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53824.3.3 Proportional Fair Scheduling

with Exponential Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53924.3.4 SMDS/ER Policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54024.3.5 SMDS with Earlier Delay First Policy . . . . . . . . . . . . 541

24.4 Numerical Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54124.5 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

25 Optical Camera Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547Zabih Ghassemlooy, Pengfei Luo and Stanislav Zvanovec25.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54725.2 OCC Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549

25.2.1 Transmitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55025.2.2 Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

25.3 Imaging MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55425.4 Modulation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556

25.4.1 OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55625.4.2 Undersampled-Based Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . 55725.4.3 Rolling Shutter Effect-Based Modulation. . . . . . . . . . . 56025.4.4 LCD-Based Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

25.5 Application of OCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56225.5.1 Indoor Positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56225.5.2 Vehicle-to-Vehicle and Vehicle-to-Infrastructure

Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56425.5.3 Other Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565


xviii Contents

http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_23#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_24#Bib1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec1http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec2http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec3http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec4http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec5http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec6http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec7http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec8http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec9http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec10http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec11http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec12http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec13http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec14http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Sec15http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-30201-0_25#Bib1

26 Optical Wireless Body Area Networks for HealthcareApplications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569Anne Julien-Vergonjanne, Stéphanie Sahuguèdeand Ludovic Chevalier26.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56926.2 Optical On-Body Channel Modeling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572

26.2.1 System Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57326.2.2 Channel Gain Distribution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574

26.3 Optical WBAN Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57626.3.1 Optical CDMA-WBAN Error Probability . . . . . . . . . . 57726.3.2 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580

26.4 Typical Optical CDMA-WBAN Scenario Analysis . . . . . . . . . . 58126.4.1 Optical WBAN Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58126.4.2 Channel and Performance Analysis. . . . . . . . . . . . . . . 583


27 Free-Space Quantum Key Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589Alberto Carrasco-Casado, Verónica Fernándezand Natalia Denisenko27.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58927.2 Quantum Key Distribution Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590

27.2.1 BB84 Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59027.2.2 B92 Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592

27.3 Free-Space as the ‘Quantum’ Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59327.3.1 Transmission Through the Atmosphere . . . . . . . . . . . . 59327.3.2 Scattering, Absorption, and Weather Dependence . . . . . 59427.3.3 Atmospheric Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

27.4 Design of the Transmitter: Alice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59827.4.1 Choice of Wavelength and Source for the Transmitter . 59927.4.2 Optical Configuration of the Transmitter . . . . . . . . . . . 59927.4.3 Temporal Synchronization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602

27.5 Design of the Receiver: Bob . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60227.5.1 Optical Setup of the Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60227.5.2 Single-Photon Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604

27.6 Results of the QKD System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60527.6.1 300-m Link Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606

28 VLC-Based Indoor Localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609Gábor Fehér and Eszter Udvary28.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60928.2 Location Determining Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610

28.2.1 Proximity Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61028.2.2 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611

Contents xix

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28.2.3 Trilateration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61228.2.4 Location Patterning/Pattern Recognition . . . . . . . . . . . 613

28.3 Accessing the Shared VLC Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61428.3.1 Time Division Multiple Access (TDMA) . . . . . . . . . . 61428.3.2 Frequency Division Multiple Access (FDMA) . . . . . . . 61428.3.3 Code Division Multiple Access (CDMA) . . . . . . . . . . 615

28.4 Experimental VLC Localization Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . 61628.4.1 First VLC Positioning Systems Based on CoO

Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61728.4.2 CoO Method Extended with RSSI Measurements. . . . . 61828.4.3 Radiation Model of the LED Light Source . . . . . . . . . 61828.4.4 VLC Positioning Based on Landmarks . . . . . . . . . . . . 61928.4.5 VLC Positioning Systems with Advanced

Transmitters and Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62028.5 Conclusions and Future Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620

28.5.1 Recent Research on VLC Localization Systems . . . . . . 62028.5.2 Commercialization of VLC Localization Systems . . . . . 621

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623

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Chapter 1An Overview of Optical WirelessCommunications

Z. Ghassemlooy, M. Uysal, M.A. Khalighi, V. Ribeiro, F. Moll,S. Zvanovec and A. Belmonte

Abstract We are continuously witnessing the emergence of new data services andapplications in wireless transmission systems, in particular mobile broadband ser-vices, which require enhancing user’s experience. The existing radio frequencybased wireless communications are facing challenges in so far as being able to copewith these varied, sophisticated and bandwidth hungry services and applications.The ever evolving optical wireless communications (OWC) technology with itsunique features such as a license-free frequency spectrum, an inherent security, andsignificantly higher transmission rates is seen as a potential alternative and com-plementary to the radio frequency based wireless communications, which canaddress some of these challenges. This technology can be used for short to longdistance applications as in indoor visible light communications, ultra-violet, andfree space optics. The chapter gives an overview of the OWC system focusing onthe historical development and current status, as well as existing and envisionedapplications areas.

Z. GhassemlooyOptical Communications Research Group, NCRLab,Faculty of Engineering and Environment, Northumbria University, Newcastle, UKe-mail: [email protected]

M. Uysal (&)Department of Electrical and Electronics Engineering, Ozyegin University,Istanbul, Turkeye-mail: [email protected]

M.A. KhalighiInstitut Fresnel, UMR CNRS 7249, École Centrale Marseille, Marseille, Francee-mail: [email protected]

V. RibeiroInstituto de Telecomunicações, Campus Universitário de Santiago, Aveiro, Portugale-mail: [email protected]

F. MollInstitute of Communications and Navigation, Münchner Straße 20, 82234Oberpfaffenhofen-Wessling, Germanye-mail: [email protected]

© Springer International Publishing Switzerland 2016M. Uysal et al. (eds.), Optical Wireless Communications,Signals and Communication Technology, DOI 10.1007/978-3-319-30201-0_1

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Keywords Optical wireless communications � Visible light communications �Free space optics � Infrared communications � History of optical wireless com-munication � Satellite communications � Applications of optical wirelesscommunications

1.1 Introduction

In the past decade, the world has seen a growing increase in the traffic carried by thetelecommunication networks including the wireless networks. The ever increasingdemand for broadband internet services has underpinned the need for furtherinnovation, research and development in the new emerging communication tech

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