La comunicación de luz visible ( VLC ) es una variante de comunicación de datos que utiliza luz visible entre 400 y 800 THz (780–375 nm). VLC es un subconjunto de tecnologías de comunicaciones inalámbricas ópticas .
La tecnología utiliza lámparas fluorescentes ( lámparas ordinarias, no dispositivos de comunicaciones especiales) para transmitir señales a 10 kbit / s, o LED de hasta 500 Mbit / s en distancias cortas. Los sistemas como RONJA pueden transmitir a máxima velocidad Ethernet (10 Mbit / s) a 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 se puede preferir su uso a un solo fotodiodo. Tal sensor puede proporcionar multicanal (hasta 1 píxel = 1 canal) o una conciencia espacial de múltiples fuentes de luz. [1]
VLC se puede utilizar como medio de comunicación para la informática ubicua , porque los dispositivos que producen luz (como lámparas de interior / exterior, televisores, señales de tráfico, pantallas comerciales y faros / luces traseras de automóviles [3] ) se utilizan en todas partes. [2]
Historia
La historia de las comunicaciones de luz visible (VLC) se remonta a la década de 1880 en Washington, DC, cuando el científico escocés Alexander Graham Bell inventó el fotófono , que transmitía el habla en la luz solar modulada a varios cientos de metros. Esto es anterior a la transmisión de voz por radio.
Un trabajo más reciente comenzó 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, los investigadores de CICTR en 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. [4] Esta investigación sugirió que VLC podría implementarse como una solución perfecta de última milla en el futuro.
En enero de 2010, un equipo de investigadores de Siemens y Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute en Berlín, demostró la transmisión a 500 Mbit / s con un LED blanco en una distancia de 5 metros (16 pies) y 100 Mbit / s en distancias más largas. utilizando cinco LED. [5]
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 Minnesota y se convirtió en el primero en implementar comercialmente esta tecnología. [6]
En julio de 2011 una presentación en TED Global . [7] dio una demostración en vivo de video de alta definición que se transmite 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 pronostica que podría ser una solución clave para desbloquear el "mercado de ubicaciones interiores" de $ 5 mil millones. [8] Las publicaciones provienen del Laboratorio Nakagawa, [9] ByteLight presentó una patente [10] sobre un sistema de posicionamiento de luz que usa reconocimiento de pulso digital LED en marzo de 2012. [11] [12] COWA en Penn State [13] [14 ] y otros investigadores de todo el mundo. [15] [16]
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. [17]
Los VLC se pueden utilizar para proporcionar seguridad. [18] [19] 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. [20]
En octubre de 2014, Axrtek lanzó un sistema VLC LED RGB bidireccional comercial llamado MOMO que transmite hacia arriba y hacia abajo a velocidades de 300 Mbit / sy con un alcance de 25 pies. [21]
En mayo de 2015, Philips colaboró con la empresa de supermercados Carrefour para ofrecer servicios VLC basados en la ubicación a los teléfonos inteligentes de los compradores en un hipermercado en Lille, Francia. [22] En junio de 2015, dos empresas chinas, Kuang-Chi y Ping An Bank , se asociaron para introducir una tarjeta de pago que comunica información a través de una luz visible única. [23] En marzo de 2017, Philips estableció los primeros servicios VLC basados en la ubicación 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 cumple con las demandas especiales en la venta minorista de alimentos. [24] [25] Los sistemas de posicionamiento en interiores basados en VLC [26] se pueden utilizar en lugares como hospitales, residencias de ancianos, almacenes y oficinas grandes y abiertas para localizar personas y controlar vehículos robóticos interiores.
Existe una red inalámbrica que para la transmisión de datos usa luz visible y no usa modulación de intensidad de fuentes ópticas. La idea es utilizar un generador de vibraciones en lugar de fuentes ópticas para la transmisión de datos. [27]
Técnicas de modulación
Para enviar datos, se requiere una modulación de luz. Una modulación es la forma en que varía la señal luminosa para representar diferentes símbolos. Para decodificar los datos. A diferencia de la transmisión por radio , una modulación VLC requiere que la señal de luz se module alrededor de un valor de CC positivo, responsable del aspecto de iluminación de la lámpara. La modulación será así una señal alterna alrededor del nivel de cd positivo, con una frecuencia lo suficientemente alta como para ser imperceptible para el ojo humano. [28]
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 una menor eficiencia, menor potencia, pero mayor velocidad de respuesta. amplificador para sintetizar la modulación de corriente alterna requerida.
Hay varias técnicas de modulación disponibles, que forman tres grupos principales: [29] Transmisión modulada de portadora única (SCMT), Transmisión modulada de portadora múltiple (MCMT) y Transmisión basada en impulsos (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 agrega una onda sinusoidal al nivel de CC de iluminación, lo que permite codificar la información digital en las características de la onda. Al teclear entre dos o varios valores diferentes de una característica dada, los símbolos atribuidos a cada valor se transmiten en el enlace de luz.
Las posibles técnicas son la codificación por conmutación de amplitud (ASK), la codificación por conmutación de fase (PSK) y la codificación por conmutación de frecuencia (FSK). De estos tres, FSK es capaz de transmitir una tasa de bits mayor una vez que permite diferenciar fácilmente más símbolos en la conmutación de frecuencia. También se ha propuesto una técnica adicional denominada Modulación de amplitud en cuadratura (QAM), en la que tanto la amplitud como la fase de la tensión sinusoidal se introducen simultáneamente para aumentar el número posible de símbolos. [28]
Transmisión modulada multiportadora
La transmisión modulada de portadora múltiple funciona de la misma manera que los métodos de transmisión modulada de portadora única, pero integra dos o más ondas sinusoidales moduladas para la transmisión de datos. [30] Este tipo de modulación se encuentra entre los más difíciles y complejos de sintetizar y decodificar. Sin embargo, presenta la ventaja de sobresalir en la transmisión multitrayecto, 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 abarca técnicas de modulación en las que los datos no se codifican 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 basadas en pulsos:
- Se puede implementar con un solo convertidor de CC de alta potencia y alta eficiencia de respuesta lenta y un interruptor de alimentación adicional que opera a velocidades rápidas para entregar corriente al LED en instantes determinados.
- Una vez que 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 CC.
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: On-Off Keying (OOK), Variable Pulse Position Modulation (VPPM) y Color Shift Keying (CSK). ).
Teclado encendido-apagado
En la técnica On-Off Keying, el LED se enciende y apaga repetidamente, y los símbolos se diferencian por el ancho del pulso, con un pulso más ancho que representa el '1' lógico alto, mientras que los pulsos más estrechos representan un '0' lógico bajo. Debido a que los datos están codificados 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 en general. La falta de este símbolo de compensación podría introducir un parpadeo percibido, lo cual no es deseable.
Debido al pulso de compensación adicional, modular esta onda es un poco 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 encuentra al comienzo inmediato del período de datos, el símbolo transmitido se estandariza como "0" lógico bajo, y el "1" lógico alto está compuesto por pulsos que terminan con el período de datos. Debido a que la información está codificada 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 VPPM sea marginalmente más simple de codificar en comparación con OOK. Sin embargo, una demodulación un poco más compleja compensa esa simplicidad en la técnica VPPM. Esta complejidad de decodificación proviene principalmente de que la información se codifica en diferentes bordes 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 un poco más difícil de implementar.
Modificación de cambio de color
La codificación por desplazamiento de color (CSK), descrita en IEEE 802.15.7, es un esquema de modulación basado en modulación de intensidad para VLC. CSK se basa en la intensidad, ya que la señal modulada adquiere un color instantáneo igual a la suma física de tres intensidades instantáneas de LED (rojo / verde / azul). Esta señal modulada salta instantáneamente, de símbolo en símbolo, a través de diferentes colores visibles; por tanto, CSK puede interpretarse como una forma de desplazamiento de frecuencia. Sin embargo, esta variación instantánea en el color transmitido no debe ser perceptible humanamente, 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 de los cuales no pueden resolver cambios temporales de menos de 0,01 segundos. Las transmisiones de los LED, por lo tanto, están preestablecidas en promedio de tiempo (sobre el CFF y el CCF) a un color constante de tiempo específico. Por tanto, los seres humanos solo pueden percibir este color preestablecido que parece constante en el tiempo, pero no pueden percibir el color instantáneo que varía rápidamente en el tiempo. En otras palabras, la transmisión CSK mantiene un flujo luminoso promediado en el tiempo constante, incluso cuando su secuencia de símbolos varía rápidamente en cromaticidad . [31]
Aplicaciones
El VLC tiene varias aplicaciones en salud, [32] comunicación militar, [33] comunicación de vehículo a vehículo y Li-Fi. [34]
Ver también
- Baliza electrica
- Comunicación por fibra óptica
- Óptica de espacio libre
- Comunicación óptica en espacio libre
- IrDA: el mismo principio que VLC pero utiliza luz infrarroja en lugar de luz visible
- Li-Fi
- Comunicaciones ópticas inalámbricas
- RONJA
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- IEEE 802.15 WPAN Task Group 7 (TG7) Comunicación de luz visible