Communications bidirectionnelles par lumière visible entre un objet connecté et un smartphone non modifié

Bidirectional visible light communications for the internet of things

• Auteur / Autrice : Alexis Duque
• Direction : Hervé Rivano
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 09/10/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CITI - Centre d'Innovation en Télécommunications et Intégration de services (Lyon, INSA) - CITI Centre of Innovation in Telecommunications and Integration of services / CITI
• Jury : Président / Présidente : Luc Chassagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Rivano, Luc Chassagne, Emmanuel Chaput, Anne Julien-Vergonjanne, Josep Paradells Aspas, Valeria Loscri, Razvan Stanica
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Chaput, Anne Julien-Vergonjanne, Josep Paradells Aspas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Mots clés libres

Télécommunications

Communication sans-Fil

Internet

Smartphone

Communication par lumière visible

Communication par caméra optique

Codage linéaire aléatoire

Telecommunications

Wireless communication

Internet of Things

Smartphone

Visible light communiction

Optical camera communication

Random linear coding

LED-To-Camera communication

Résumé

Dans cette thèse, nous concevons et étudions un système de communication bidirectionnel par lumière visible (VLC) entre une diode électroluminescente (DEL) de couleur, intégrée à un objet connecté, et un smartphone. 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 DELs de couleur à faible puissance. En nous appuyant sur les résultats d'une vaste étude expérimentale, nous modélisons, pour la première fois dans la littérature, le canal de communication DEL-à-caméra. 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. Les performances, bien que limitées, sont suffisantes pour établir une voie retour qui permet de mettre en œuvre des mécanismes de fiabilisation. Nous proposons alors 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 des objets que nous adressons ont des contraintes énergétiques importantes. Par conséquent, nous comparons la consommation d'énergie de notre système avec celle d'un module Bluetooth Low Energy avec une activité similaire. Nos résultats montrent que notre système réduit la consommation d'énergie dans le cadre d'un profil d'utilisation classique.

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.