Komunikacja w świetle widzialnym - Visible light communication

Światło widzialne to tylko niewielka część widma elektromagnetycznego .

Komunikacja w świetle widzialnym ( VLC ) to wariant transmisji danych, który wykorzystuje światło widzialne w zakresie  400–800 THz (780–375 nm). VLC to podzbiór optycznych technologii komunikacji bezprzewodowej .

Technologia wykorzystuje lampy fluorescencyjne (zwykłe lampy, a nie specjalne urządzenia komunikacyjne) do przesyłania sygnałów z prędkością 10 kbit/s lub diody LED o prędkości do 500 Mbit/s na krótkie odległości. Systemy takie jak RONJA mogą przesyłać dane z pełną prędkością Ethernet (10 Mbit/s) na odległość 1-2 kilometrów (0,6-1,2 mil).

Specjalnie zaprojektowane urządzenia elektroniczne zazwyczaj zawierające fotodiodę odbierają sygnały ze źródeł światła, chociaż w niektórych przypadkach wystarczy aparat w telefonie komórkowym lub aparat cyfrowy. Czujnik obrazu stosowany w tych urządzeniach jest w rzeczywistości układem fotodiod (pikseli) iw niektórych zastosowaniach jego użycie może być preferowane w stosunku do pojedynczej fotodiody. Taki czujnik może zapewniać wielokanałowy (do 1 piksela = 1 kanał) lub przestrzenną świadomość wielu źródeł światła.

VLC może być używany jako medium komunikacyjne dla wszechobecnych komputerów , ponieważ urządzenia wytwarzające światło (takie jak lampy wewnętrzne/zewnętrzne, telewizory, znaki drogowe, wyświetlacze handlowe i reflektory samochodowe /tylne ) są używane wszędzie.

Historia

Historia komunikacji w świetle widzialnym (VLC) sięga lat 80. XIX wieku w Waszyngtonie, kiedy urodzony w Szkocji naukowiec Alexander Graham Bell wynalazł fotofon , który transmitował mowę w modulowanym świetle słonecznym na odległość kilkuset metrów. To wyprzedza transmisję mowy przez radio.

Nowsze prace rozpoczęły się w 2003 roku w Nakagawa Laboratory, w Keio University , Japonii , przy użyciu diod LED do przesyłania danych za pomocą światła widzialnego. Od tego czasu przeprowadzono wiele działań badawczych skoncentrowanych na VLC.

W 2006 roku badacze z CICTR w Penn State zaproponowali połączenie komunikacji po linii energetycznej (PLC) i diody LED o białym świetle, aby zapewnić szerokopasmowy dostęp do zastosowań wewnętrznych. Badania te sugerują, że VLC może być w przyszłości wdrożone jako doskonałe rozwiązanie ostatniej mili.

W styczniu 2010 roku zespół naukowców z Instytutu Telekomunikacji Siemensa i Fraunhofera, Instytutu Heinricha Hertza w Berlinie zademonstrował transmisję z prędkością 500 Mbit/s z białą diodą LED na odległość 5 metrów (16 stóp) i 100 Mbit/s na większą odległość za pomocą pięciu diod LED.

Proces standaryzacji VLC prowadzony jest w ramach grupy roboczej IEEE 802.15.7 .

W grudniu 2010 St. Cloud, Minnesota , podpisała kontrakt z LVX Minnesota i jako pierwsza wdrożyła tę technologię komercyjnie.

W lipcu 2011 prezentacja na TED Global . zademonstrował na żywo wideo w wysokiej rozdzielczości przesyłane ze standardowej lampy LED i zaproponował termin Li-Fi w odniesieniu do podzbioru technologii VLC.

Ostatnio atrakcyjnym tematem stały się wewnętrzne systemy pozycjonowania oparte na VLC . Badania ABI prognozują, że może to być kluczowe rozwiązanie do odblokowania wartego 5 miliardów dolarów „rynku lokalizacji wewnętrznych”. Publikacje pochodzą z Nakagawa Laboratory, ByteLight złożył patent na system pozycjonowania światła wykorzystujący cyfrowe rozpoznawanie impulsów LED w marcu 2012 roku. COWA w Penn State i inni badacze na całym świecie.

Innym niedawnym zastosowaniem jest świat zabawek, dzięki ekonomicznej i mało skomplikowanej implementacji, która wymaga tylko jednego mikrokontrolera i jednej diody LED jako interfejsu optycznego.

VLC mogą być używane do zapewnienia bezpieczeństwa. Są one szczególnie przydatne w sieciach czujników ciała i sieciach osobistych.

Ostatnio organiczne diody LED ( OLED ) zostały wykorzystane jako optyczne urządzenia nadawczo-odbiorcze do budowy łączy komunikacyjnych VLC do 10 Mbit/s.

W październiku 2014 r. Axrtek wprowadził komercyjny dwukierunkowy system RGB LED VLC o nazwie MOMO, który przesyła w dół i w górę z prędkością 300 Mbit/s i zasięgiem 25 stóp.

W maju 2015 r. Philips współpracował z supermarketem Carrefour w celu dostarczenia usług lokalizacyjnych VLC dla smartfonów kupujących w hipermarkecie w Lille we Francji. W czerwcu 2015 r. dwie chińskie firmy, Kuang-Chi i Ping An Bank , nawiązały współpracę, aby wprowadzić kartę płatniczą, która przekazuje informacje za pomocą unikalnego światła widzialnego. W marcu 2017 r. Philips uruchomił pierwsze usługi lokalizacyjne VLC dla smartfonów kupujących w Niemczech. Instalacja została zaprezentowana na targach EuroShop w Düsseldorfie (5-9 marca). Jako pierwszy supermarket w Niemczech, supermarket Edeka w Düsseldorf-Bilk korzysta z systemu, który oferuje 30-centymetrową dokładność pozycjonowania, co spełnia specjalne wymagania w handlu detalicznym żywnością. Wewnętrzne systemy pozycjonowania oparte na VLC mogą być używane w miejscach takich jak szpitale, domy opieki nad osobami starszymi, magazyny i duże, otwarte biura do lokalizacji ludzi i sterowania zrobotyzowanymi pojazdami w pomieszczeniach.

Istnieje sieć bezprzewodowa, która do transmisji danych wykorzystuje światło widzialne, a nie wykorzystuje modulacji natężenia źródeł optycznych. Pomysł polega na wykorzystaniu generatora drgań zamiast źródeł optycznych do transmisji danych.

Techniki modulacji

Do przesłania danych wymagana jest modulacja światła. Modulacja to forma, w której sygnał świetlny zmienia się w celu przedstawienia różnych symboli. W celu rozszyfrowania danych. W przeciwieństwie do transmisji radiowej , modulacja VLC wymaga, aby sygnał świetlny był modulowany wokół dodatniej wartości prądu stałego, odpowiedzialnej za aspekt świetlny lampy. Modulacja będzie zatem sygnałem zmiennym wokół dodatniego poziomu prądu stałego o wystarczająco wysokiej częstotliwości, aby był niezauważalny dla ludzkiego oka.

Ze względu na tę superpozycję sygnałów, implementacja nadajnika VLC zwykle wymaga wysokowydajnego, większej mocy i wolniejszej reakcji konwertera DC odpowiedzialnego za odchylenie LED, które zapewni oświetlenie, wraz z niższą wydajnością, niższą mocą, ale wyższą prędkością odpowiedzi wzmacniacza w celu zsyntetyzowania wymaganej modulacji prądu przemiennego.

Dostępnych jest kilka technik modulacji, tworzących trzy główne grupy: transmisja modulowana z jedną nośną (SCMT), transmisja modulowana z wieloma nośnymi (MCMT) i transmisja impulsowa (PBT).

Modulowana transmisja z jedną nośną

Transmisja modulowana z jedną nośną obejmuje techniki modulacji opracowane dla tradycyjnych form transmisji, takich jak radio. Fala sinusoidalna jest dodawana do poziomu prądu stałego oświetlenia, umożliwiając kodowanie informacji cyfrowych w charakterystyce fali. Poprzez kluczowanie pomiędzy dwiema lub kilkoma różnymi wartościami danej cechy, symbole przypisane do każdej wartości są transmitowane na łączu świetlnym.

Możliwe techniki to kluczowanie z przełączaniem amplitudy (ASK), kluczowanie z przełączaniem fazy (PSK) i kluczowanie z przełączaniem częstotliwości (FSK). Spośród tych trzech, FSK jest zdolny do transmisji o większej przepływności, gdy pozwala na łatwe rozróżnienie większej liczby symboli przy przełączaniu częstotliwości. Zaproponowano również dodatkową technikę zwaną kwadraturową modulacją amplitudy (QAM), w której zarówno amplituda, jak i faza napięcia sinusoidalnego są kluczowane jednocześnie w celu zwiększenia możliwej liczby symboli.

Modulowana transmisja z wieloma nośnymi

Transmisja modulowana z wieloma nośnymi działa w ten sam sposób co metody transmisji modulowanej z jedną nośną, ale zawiera dwie lub więcej fal sinusoidalnych modulowanych do transmisji danych. Ten rodzaj modulacji należy do najtrudniejszych i bardziej skomplikowanych w syntezie i dekodowaniu. Ma to jednak tę zaletę, że doskonale sprawdza się w transmisji wielodrogowej, gdzie receptor nie jest bezpośrednio widoczny dla nadajnika i dlatego transmisja jest uzależniona od odbicia światła w innych barierach.

Transmisja impulsowa

Transmisja impulsowa obejmuje techniki modulacji, w których dane są kodowane nie na fali sinusoidalnej, ale na fali impulsowej. W przeciwieństwie do sinusoidalnych sygnałów przemiennych, w których okresowa średnia zawsze będzie zerowa, fale pulsacyjne oparte na stanach wysoko-niskich będą dziedziczyć wartości średnie. Daje to dwie główne korzyści dla modulacji transmisji impulsowej:

  • Można go zaimplementować za pomocą pojedynczego, wysokowydajnego konwertera prądu stałego o dużej mocy o powolnej odpowiedzi i dodatkowego przełącznika zasilania działającego z dużą prędkością, aby dostarczać prąd do diody LED w określonych chwilach.
  • Gdy średnia wartość zależy od szerokości impulsu sygnału danych, ten sam przełącznik, który obsługuje transmisję danych, może zapewnić sterowanie ściemnianiem, znacznie upraszczając przetwornik prądu stałego.

Ze względu na te ważne zalety implementacyjne, te modulacje z możliwością ściemniania zostały znormalizowane w standardzie IEEE 802.15.7 , w którym opisano trzy techniki modulacji: kluczowanie włącz -wyłącz (OOK), modulację zmiennej pozycji impulsu (VPPM) i kluczowanie z przesunięciem koloru (CSK). ).

Kluczowanie włącz-wyłącz

W technice On-Off Keying, dioda LED jest wielokrotnie włączana i wyłączana, a symbole są rozróżniane przez szerokość impulsu, przy czym szerszy impuls reprezentuje logiczną wysoką wartość „1”, podczas gdy węższe impulsy reprezentują logiczne niskie „0”. Ponieważ dane są zakodowane na szerokości impulsu, przesyłane informacje będą miały wpływ na poziom ściemnienia, jeśli nie zostaną skorygowane: na przykład strumień bitów o kilku wysokich wartościach „1” będzie wydawał się jaśniejszy niż strumień o kilku niskich wartościach „0”. Aby rozwiązać ten problem, modulacja wymaga impulsu kompensacyjnego, który będzie wstawiany w okresie danych w razie potrzeby, aby wyrównać ogólną jasność. Brak tego symbolu kompensacji może spowodować odczuwalne migotanie, co jest niepożądane.

Ze względu na dodatkowy impuls kompensacyjny modulacja tej fali jest nieco bardziej złożona niż modulacja VPPM. Jednak informacje zakodowane na szerokości impulsu są łatwe do rozróżnienia i dekodowania, więc złożoność nadajnika jest równoważona prostotą odbiornika.

Zmienna modulacja pozycji impulsu

Zmienna pozycja impulsu również wielokrotnie włącza i wyłącza diodę LED, ale koduje symbole pozycji impulsu w okresie danych. Ilekroć impuls znajduje się na bezpośrednim początku okresu danych, transmitowany symbol jest standaryzowany jako niski logiczny „0”, przy czym wysoki logiczny „1” składa się z impulsów, które kończą się okresem danych. Ponieważ informacja jest zakodowana w miejscu impulsu w okresie danych, oba impulsy mogą i będą mieć tę samą szerokość, a zatem nie jest wymagany symbol kompensacji. Ściemnianie realizowane jest przez algorytm nadawczy, który odpowiednio dobiera szerokość impulsów danych.

Brak impulsu kompensacyjnego sprawia, że ​​kodowanie VPPM jest nieznacznie prostsze w porównaniu z OOK. Jednak nieco bardziej złożona demodulacja kompensuje tę prostotę techniki VPPM. Ta złożoność dekodowania pochodzi głównie z informacji zakodowanych na różnych zboczach narastających dla każdego symbolu, co utrudnia próbkowanie w mikrokontrolerze. Dodatkowo, aby zdekodować położenie impulsu w okresie danych, receptor musi być w jakiś sposób zsynchronizowany z nadajnikiem, wiedząc dokładnie, kiedy rozpoczyna się okres danych i jak długo trwa. Te cechy sprawiają, że demodulacja sygnału VPPM jest nieco trudniejsza do wdrożenia.

Kluczowanie z przesunięciem koloru

Kluczowanie z przesunięciem koloru (CSK), opisane w IEEE 802.15.7, jest schematem modulacji opartym na modulacji intensywności dla VLC. CSK jest oparty na intensywności, ponieważ modulowany sygnał przyjmuje natychmiastowy kolor równy fizycznej sumie trzech (czerwony/zielony/niebieski) chwilowych natężeń diod LED. Ten zmodulowany sygnał przeskakuje natychmiast, od symbolu do symbolu, w różnych widocznych kolorach; stąd CSK może być rozumiane jako forma przesuwania częstotliwości. Jednak ta chwilowa zmiana transmitowanego koloru nie powinna być odczuwalna przez człowieka, ze względu na ograniczoną wrażliwość czasową ludzkiego wzroku — „krytyczny próg fuzji migotania ” (CFF) i „krytyczny próg fuzji kolorów” (CCF). z których nie można rozwiązać zmian czasowych krótszych niż 0,01 sekundy. Transmisje diod LED są zatem ustawione na uśrednienie czasowe (poprzez CFF i CCF) na określony kolor stały w czasie. Ludzie mogą zatem postrzegać tylko ten wstępnie ustawiony kolor, który wydaje się stały w czasie, ale nie mogą dostrzec natychmiastowego koloru, który zmienia się szybko w czasie. Innymi słowy, transmisja CSK utrzymuje stały uśredniony w czasie strumień świetlny, nawet jeśli jej sekwencja symboli zmienia się gwałtownie pod względem chromatyczności .

Aplikacje

VLC ma różne zastosowania w opiece zdrowotnej, komunikacji wojskowej, komunikacji pojazd-pojazd i Li-Fi.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • David G. Aviv (2006): Laserowa komunikacja kosmiczna, ARTECH HOUSE. ISBN  1-59693-028-4 .

Zewnętrzne linki