Comunicación por luz visible
Uso de la luz en el espectro visible como medio de telecomunicaciones
La luz visible es sólo una pequeña porción del espectro electromagnético .

En telecomunicaciones , la comunicación por luz visible ( VLC ) es el uso de luz visible ( luz con una frecuencia de 400–800  THz / longitud de onda de 780–375  nm ) como medio de transmisión . VLC es un subconjunto de las tecnologías de comunicaciones inalámbricas ópticas .

La tecnología utiliza lámparas fluorescentes (lámparas comunes, no dispositivos de comunicación especiales) para transmitir señales a 10  kbit/s , o LED a velocidades de hasta 500 Mbit/s en distancias cortas. Los sistemas como RONJA pueden transmitir a la velocidad máxima de Ethernet (10 Mbit/s) en distancias de 1 a 2 kilómetros (0,6 a 1,2 millas).

Los dispositivos electrónicos especialmente diseñados que generalmente contienen un fotodiodo reciben señales de fuentes de luz, [1] aunque en algunos casos una cámara de teléfono celular o una cámara digital será suficiente. [2] El sensor de imagen utilizado en estos dispositivos es de hecho una matriz de fotodiodos (píxeles) y en algunas aplicaciones su uso puede ser preferible a un solo fotodiodo. Un sensor de este tipo puede proporcionar un canal múltiple (hasta 1 píxel = 1 canal) o una percepción espacial de múltiples fuentes de luz. [1]

VLC se puede utilizar como medio de comunicaciones para la computación ubicua , porque los dispositivos que producen luz (como lámparas de interior y exterior, televisores, señales de tráfico, exhibidores comerciales y faros y luces traseras de automóviles [3] ) se utilizan en todas partes. [2]

Usos

Una de las principales características de la VLC es la incapacidad de la luz para superar barreras físicas opacas. Esta característica puede considerarse un punto débil de la VLC, debido a la susceptibilidad a la interferencia de objetos físicos, pero también es una de sus muchas fortalezas: a diferencia de las ondas de radio, las ondas de luz están confinadas en los espacios cerrados en los que se transmiten, lo que impone una barrera de seguridad física que requiere que un receptor de esa señal tenga acceso físico al lugar donde se está produciendo la transmisión. [4]

Una aplicación prometedora de VLC es el sistema de posicionamiento en interiores (IPS), un análogo del GPS que está diseñado para funcionar en espacios cerrados donde las transmisiones satelitales de GPS no pueden llegar. Por ejemplo, los edificios comerciales, los centros comerciales, los estacionamientos, así como los sistemas de túneles y subterráneos son todas aplicaciones posibles para los sistemas de posicionamiento en interiores basados ​​en VLC. Además, una vez que las lámparas VLC puedan realizar la iluminación al mismo tiempo que la transmisión de datos, simplemente pueden ocupar la instalación de las lámparas tradicionales de una sola función.

Otras aplicaciones de VLC incluyen la comunicación entre dispositivos de una casa o una oficina inteligentes. Con el aumento de dispositivos compatibles con IoT , la conectividad a través de ondas de radio tradicionales podría verse sujeta a interferencias. [5] Las bombillas con capacidades VLC pueden transmitir datos y comandos para dichos dispositivos.

Historia

La historia de las comunicaciones por luz visible se remonta a la década de 1880 en Washington, DC , cuando el científico escocés Alexander Graham Bell inventó el fotófono , que transmitía el habla mediante luz solar modulada a lo largo de varios cientos de metros. Esto es anterior a la transmisión de voz por radio.

Los trabajos más recientes comenzaron en 2003 en el Laboratorio Nakagawa, en la Universidad de Keio , Japón , utilizando LED para transmitir datos mediante luz visible. Desde entonces, ha habido numerosas actividades de investigación centradas en VLC.

En 2006, investigadores del CICTR de Penn State propusieron una combinación de comunicación por línea eléctrica (PLC) y LED de luz blanca para proporcionar acceso de banda ancha para aplicaciones en interiores. [6] Esta investigación sugirió que la VLC podría implementarse como una solución perfecta de última milla en el futuro.

En enero de 2010, un equipo de investigadores de Siemens y el Instituto Fraunhofer de Telecomunicaciones, Instituto Heinrich Hertz , en Berlín, demostró la transmisión a 500 Mbit/s con un LED blanco a una distancia de 5 metros (16 pies), y 100 Mbit/s a una distancia mayor utilizando cinco LED. [7]

El proceso de estandarización de VLC se lleva a cabo dentro del grupo de trabajo IEEE 802.15.7 .

En diciembre de 2010, St. Cloud, Minnesota , firmó un contrato con LVX [1] Minnesota y se convirtió en el primero en implementar comercialmente esta tecnología. [8]

En julio de 2011, una presentación en TED Global [9] ofreció una demostración en vivo de cómo se transmitía un video de alta definición desde una lámpara LED estándar y propuso el término Li-Fi para referirse a un subconjunto de la tecnología VLC.

Recientemente, los sistemas de posicionamiento en interiores basados ​​en VLC se han convertido en un tema atractivo. La investigación de ABI prevé que podría ser una solución clave para desbloquear el "mercado de localización en interiores" de 5 mil millones de dólares. [10] Han surgido publicaciones del Laboratorio Nakagawa, [11] ByteLight presentó una patente [12] sobre un sistema de posicionamiento de luz que utiliza reconocimiento de pulsos digitales LED en marzo de 2012. [13] [14] COWA en Penn State [15] [16] y otros investigadores de todo el mundo. [17] [18]

Otra aplicación reciente es en el mundo de los juguetes, gracias a una implementación rentable y de baja complejidad, que solo requiere un microcontrolador y un LED como front-end óptico. [19]

Los VLC se pueden utilizar para proporcionar seguridad. [20] [21] Son especialmente útiles en redes de sensores corporales y redes de área personal.

Recientemente, los LED orgánicos ( OLED ) se han utilizado como transceptores ópticos para construir enlaces de comunicación VLC de hasta 10 Mbit/s. [22]

En octubre de 2014, Axrtek lanzó un sistema VLC LED RGB bidireccional comercial llamado MOMO que transmite hacia abajo y hacia arriba a velocidades de 300 Mbit/s y con un alcance de 25 pies. [23]

En mayo de 2015, Philips colaboró ​​con la empresa de supermercados Carrefour para ofrecer servicios basados ​​en la ubicación VLC a los teléfonos inteligentes de los compradores en un hipermercado en Lille, Francia . [24] En junio de 2015, dos empresas chinas, Kuang-Chi y Ping An Bank , se asociaron para presentar una tarjeta de pago que comunica información a través de una luz visible única. [25] En marzo de 2017, Philips instaló los primeros servicios basados ​​en la ubicación VLC para los teléfonos inteligentes de los compradores en Alemania. La instalación se presentó en EuroShop en Düsseldorf (del 5 al 9 de marzo). Como primer supermercado en Alemania, un supermercado Edeka en Düsseldorf-Bilk está utilizando el sistema, que ofrece una precisión de posicionamiento de 30 centímetros que se puede lograr, lo que cumple con las demandas especiales en la venta minorista de alimentos. [26] [27] Los sistemas de posicionamiento en interiores basados ​​en VLC [28] se pueden utilizar en lugares como hospitales, hogares de ancianos, almacenes y oficinas grandes y abiertas para localizar personas y controlar vehículos robóticos en interiores.

Existe una red inalámbrica que para la transmisión de datos utiliza luz visible y no utiliza modulación de intensidad de fuentes ópticas. La idea es utilizar generadores de vibraciones en lugar de fuentes ópticas para la transmisión de datos. [29]

Técnicas de modulación

Para poder enviar datos, se requiere una modulación de la luz. Una modulación es la forma en que la señal de luz varía para representar diferentes símbolos. Para que los datos puedan ser decodificados. A diferencia de la transmisión por radio , una modulación VLC requiere que la señal de luz se module alrededor de un valor de corriente continua positivo, responsable del aspecto de iluminación de la lámpara. La modulación será, por tanto, una señal alterna alrededor del nivel de corriente continua positivo, con una frecuencia lo suficientemente alta como para ser imperceptible para el ojo humano. [30]

Debido a esta superposición de señales, la implementación del transmisor VLC generalmente requiere un convertidor de CC de alta eficiencia, mayor potencia y respuesta más lenta, responsable de la polarización del LED que proporcionará iluminación, junto con un amplificador de menor eficiencia, menor potencia, pero mayor velocidad de respuesta para sintetizar la modulación de corriente CA requerida.

Existen varias técnicas de modulación disponibles, que forman tres grupos principales: [31] Transmisión modulada de portadora única (SCMT), Transmisión modulada de portadora múltiple (MCMT) y Transmisión basada en pulsos (PBT).

Transmisión modulada de portadora única

La transmisión modulada de portadora única comprende técnicas de modulación establecidas para formas tradicionales de transmisión, como la radio. Se añade una onda sinusoidal al nivel de corriente continua de iluminación, lo que permite codificar información digital en las características de la onda. Al manipular entre dos o varios valores diferentes de una característica dada, los símbolos atribuidos a cada valor se transmiten en el enlace de luz.

Las técnicas posibles son la modulación por conmutación de amplitud (ASK), la modulación por conmutación de fase (PSK) y la modulación por conmutación de frecuencia (FSK). De estas tres, la FSK es capaz de transmitir una mayor tasa de bits, ya que permite diferenciar fácilmente más símbolos al cambiar de frecuencia. También se ha propuesto una técnica adicional llamada modulación de amplitud en cuadratura (QAM), en la que tanto la amplitud como la fase del voltaje sinusoidal se modulan simultáneamente para aumentar la cantidad posible de símbolos. [30]

Transmisión modulada multiportadora

La transmisión modulada por múltiples portadoras funciona de la misma manera que los métodos de transmisión modulada por portadora única, pero incorpora dos o más ondas sinusoidales moduladas para la transmisión de datos. [32] Este tipo de modulación es uno de los más difíciles y complejos de sintetizar y decodificar. Sin embargo, presenta la ventaja de sobresalir en la transmisión por trayectos múltiples, donde el receptor no está a la vista directa del transmisor y, por lo tanto, hace que la transmisión dependa de la reflexión de la luz en otras barreras.

Transmisión basada en pulsos

La transmisión basada en pulsos engloba técnicas de modulación en las que los datos se codifican no en una onda sinusoidal, sino en una onda pulsada. A diferencia de las señales alternas sinusoidales, en las que el promedio periódico siempre será nulo, las ondas pulsadas basadas en estados alto-bajo presentarán valores promedio heredados. Esto aporta dos ventajas principales para las modulaciones de transmisión basada en pulsos:

Se puede implementar con un único convertidor de corriente continua de alta potencia y alta eficiencia, de respuesta lenta y un interruptor de potencia adicional que opere a velocidades rápidas para entregar corriente al LED en instantes determinados. Como el valor promedio depende del ancho de pulso de la señal de datos, el mismo interruptor que opera la transmisión de datos puede proporcionar control de atenuación, simplificando enormemente el convertidor de corriente continua.

Debido a estas importantes ventajas de implementación, estas modulaciones con capacidad de atenuación se han estandarizado en IEEE 802.15.7 , en el que se describen tres técnicas de modulación: modulación de encendido y apagado (OOK), modulación de posición de pulso variable (VPPM) y modulación por desplazamiento de color (CSK).

Teclas de encendido y apagado

En la técnica de modulación de encendido y apagado , el LED se enciende y se apaga repetidamente y los símbolos se diferencian por el ancho del pulso: un pulso más ancho representa el valor lógico alto "1", mientras que los pulsos más estrechos representan el valor lógico bajo "0". Debido a que los datos se codifican en el ancho del pulso, la información enviada afectará el nivel de atenuación si no se corrige: por ejemplo, un flujo de bits con varios valores altos "1" aparecerá más brillante que un flujo de bits con varios valores bajos "0". Para solucionar este problema, la modulación requiere un pulso de compensación que se insertará en el período de datos siempre que sea necesario para igualar el brillo general. La falta de este símbolo de compensación podría generar parpadeos percibidos, lo cual es indeseable.

Debido al pulso de compensación adicional, modular esta onda es ligeramente más complejo que modular el VPPM. Sin embargo, la información codificada en el ancho del pulso es fácil de diferenciar y decodificar, por lo que la complejidad del transmisor se equilibra con la simplicidad del receptor.

Modulación de posición de pulso variable

La posición de pulso variable también enciende y apaga el LED repetidamente, pero codifica los símbolos en la posición del pulso dentro del período de datos. Siempre que el pulso se encuentre al comienzo inmediato del período de datos, el símbolo transmitido se estandariza como un "0" lógico bajo, y el "1" lógico alto se compone de pulsos que terminan con el período de datos. Debido a que la información se codifica en la ubicación del pulso dentro del período de datos, ambos pulsos pueden tener y tendrán el mismo ancho y, por lo tanto, no se requiere ningún símbolo de compensación. La atenuación se realiza mediante el algoritmo de transmisión, que seleccionará el ancho de los pulsos de datos en consecuencia.

La falta de un pulso de compensación hace que la codificación VPPM sea ligeramente más sencilla en comparación con la OOK. Sin embargo, una demodulación ligeramente más compleja compensa esa simplicidad en la técnica VPPM. Esta complejidad de decodificación proviene principalmente de la información que se codifica en diferentes flancos ascendentes para cada símbolo, lo que dificulta el muestreo en un microcontrolador. Además, para decodificar la ubicación de un pulso dentro del período de datos, el receptor debe estar sincronizado de alguna manera con el transmisor, sabiendo exactamente cuándo comienza un período de datos y cuánto dura. Estas características hacen que la demodulación de una señal VPPM sea ligeramente más difícil de implementar.

Clave de cambio de color

El cambio de color (CSK), descrito en IEEE 802.15.7, es un esquema de modulación basado en la intensidad para VLC. El CSK se basa en la intensidad, ya que la señal modulada adquiere un color instantáneo igual a la suma física de las intensidades instantáneas de tres LED (rojo/verde/azul). Esta señal modulada salta instantáneamente, de símbolo a símbolo, a través de diferentes colores visibles; por lo tanto, el CSK puede interpretarse como una forma de cambio de frecuencia. Sin embargo, esta variación instantánea en el color transmitido no debe ser perceptible para el ser humano, debido a la sensibilidad temporal limitada en la visión humana: el " umbral crítico de fusión de parpadeo " (CFF) y el "umbral crítico de fusión de color" (CCF), ambos no pueden resolver cambios temporales más cortos que 0,01 segundos. Por lo tanto, las transmisiones de los LED están preestablecidas para promediar en el tiempo (sobre el CFF y el CCF) a un color constante en el tiempo específico. Los seres humanos pueden percibir únicamente este color predeterminado que parece constante a lo largo del tiempo, pero no pueden percibir el color instantáneo que varía rápidamente en el tiempo. En otras palabras, la transmisión CSK mantiene un flujo luminoso constante promediado en el tiempo, incluso cuando su secuencia de símbolos varía rápidamente en cromaticidad . [33]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab "Comunicación del sensor de imagen". Consorcio VLC.[ enlace muerto ]
  2. ^ ab "Acerca de la comunicación por luz visible". Consorcio VLC. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2009.
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Lectura adicional

  • David G. Aviv (2006): Comunicaciones espaciales láser, ARTECH HOUSE. ISBN 1-59693-028-4 . 
  • Grupo de trabajo 7 (TG7) de IEEE 802.15 WPAN Comunicación por luz visible
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