AI-Based Strategies for Handover Enhancement In Visible Light Communication Systems
Nome: HIGOR ARAUJO FIM CAMPOREZ
Data de publicação: 21/03/2025
Banca:
Nome |
Papel |
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| ALEXANDRE DE ALMEIDA PRADO POHL | Examinador Externo |
| HEINRICH WÖRTCHE | Coorientador |
| HELDER ROBERTO DE OLIVEIRA ROCHA | Presidente |
| JAIR ADRIANO LIMA SILVA | Coorientador |
| MARIA JOSE PONTES | Examinador Interno |
Páginas
Resumo: O crescimento da Internet das Coisas (IoT), particularmente em aplicac¸ ˜oes envolvendo conex˜oes sem fio, aumentou significativamente a demanda por largura de banda. No entanto, os sistemas sem fio baseados em radiofrequˆencia (RF) apresentam um espectro limitado para suportar conex˜oes massivas de dispositivos, al´em de serem suscet´veis a interferˆencias eletromagn´eticas. Esses desafios tˆem aumentado o interesse em explorar soluc¸ ˜oes alternativas para lidar com as limitac¸ ˜oes da RF, ao mesmo tempo em que mantˆem-se altas taxas de dados, baixa latˆencia, confiabilidade
e eficiˆencia de custos. Os avanc¸os tecnol´ogicos dos diodos emissores de luz (LED) introduziram sistemas de iluminac¸ ˜ao altamente eficientes em termos de energia e com capacidade de modular a intensidade luminosa em alta velocidade. Assim sendo, essas caracter´sticas tˆem impulsionado a pesquisa em comunicac¸ ˜ao via luz vis´vel (VLC), que pode aproveitar infraestruturas de iluminac¸ ˜ao existentes para transmiss˜ao de dados, utilizando um espectro ´optico amplo e n˜ao regulamentado ( 400 THz). Al´em disso, o VLC tamb´em pode oferecer seguranc¸a na camada f´sica, baixo consumo de energia, altas taxas de transmiss˜ao e imunidade a interferˆencias eletromagn´eticas de RF. A eficiˆencia espectral e altas taxas de dados s˜ao aspectos cr´ticos para sistemas de VLC. Assim, o OFDM tem se mostrado como uma t´ecnica de modulac¸ ˜ao robusta e espectralmente eficiente para aplicac¸ ˜oes em ambientes internos. No entanto, as n˜ao linearidades introduzidas
por sinais multiportadoras em sistemas baseados em LED podem degradar o desempenho. Para enfrentar tais problemas, t´ecnicas como o CE-OFDM foram desenvolvidas para mitigar o PAPR, melhorando a eficiˆencia energ´etica e reduzindo distorc¸ ˜oes, especialmente em cen´arios de transmiss ˜ao com alta potˆencia. Al´em disso, o VLC enfrenta diversos desafios, incluindo o bloqueio de sinais por objetos opacos, o confinamento dos sinais e a cobertura limitada dos pontos de acesso (AP). Para contornar essas limitac¸ ˜oes geralmente exige-se a implantac¸ ˜ao de redes ultradensas para garantir conectividade confi´avel em grandes ´areas. No entanto, essas implantac¸ ˜oes densas podem resultar em transferˆencias frequentes, aumentando os custos de infraestrutura e a complexidade do sistema. Esta tese avalia a aplicac¸ ˜ao de sinais com alta potˆencia, visando avaliar as n˜ao linearidades dos LEDs, para viabilizar a transmiss˜ao de dados em longas distˆancias, analisando o desempenho
do OFDM convencional e de envolt´oria constante. Al´em disso, prop˜oe-se um procedimento de otimizac¸ ˜ao baseado em um algoritmo gen´etico modificado (MGA) combinado com classificadores de s´eries temporais baseados em aprendizado de m´aquina (ML) para minimizar o n´umero total de transferˆencias, tanto em um sistema de simulac¸ ˜ao baseado em gˆemeos digitais quanto em configurac¸ ˜oes experimentais de VLC. O esquema de transferˆencia proposto considera informac¸ ˜oes da trajet´oria do receptor para reduzir o n´umero de transferˆencias, mantendo o desempenho do sistema dentro do limite de correc¸ ˜ao de erros (FEC). Os resultados demonstram que um sistema de CE-OFDM operando a 9, 51 Mb/s com mapeamento
de subportadoras em 16-QAM e largura de banda de 5 MHz superou um sistema convencional de OFDM em termos de eficiˆencia. A aplicac¸ ˜ao do CE-OFDM em um enlace de VLC de 6 m reduziu o EVM de 17, 5% para 10%, uma melhoria de aproximadamente 43%. Al´em disso, o sistema de VLC baseado em CE-OFDM demonstrou um desempenho satisfat´orio em um enlace de 8 m ao utilizar mapeamento de subportadoras em 4-QAM. O esquema de transferˆencia proposto superou a abordagem padr˜ao baseada em potˆencia, alcanc¸ando reduc¸ ˜oes de 42, 47% em um ambiente de simulac¸ ˜ao MISO e de at´e 48, 61% em um ambiente MIMO. Em cen´arios experimentais com trˆes e quatro transmissores, o esquema alcanc¸ou reduc¸ ˜oes de 46, 43% e 45, 45%, respectivamente. Esses resultados confirmam que a integrac¸ ˜ao de MGA com modelos de ML minimiza efetivamente as transferˆencias e, por conseguinte, o desempenho geral do sistema de VLC.
