Comunicação de luz visível - Visible light communication

A luz visível é apenas uma pequena parte do espectro eletromagnético .

A comunicação de luz visível ( VLC ) é uma variante de comunicação de dados que usa luz visível entre 400 e 800  THz (780–375 nm). VLC é um subconjunto de tecnologias de comunicação óptica sem fio .

A tecnologia usa lâmpadas fluorescentes ( lâmpadas comuns, não dispositivos de comunicação especiais) para transmitir sinais a 10 kbit / s ou LEDs de até 500 Mbit / s em distâncias curtas. Sistemas como o RONJA podem transmitir em velocidade Ethernet total (10 Mbit / s) em distâncias de 1–2 quilômetros (0,6–1,2 mi).

Dispositivos eletrônicos especialmente projetados geralmente contendo um fotodiodo recebem sinais de fontes de luz, embora em alguns casos uma câmera de telefone celular ou uma câmera digital seja suficiente. O sensor de imagem usado nesses dispositivos é na verdade uma matriz de fotodíodos (pixels) e em algumas aplicações seu uso pode ser preferido em vez de um único fotodíodo. Tal sensor pode fornecer tanto multicanal (até 1 pixel = 1 canal) ou uma consciência espacial de múltiplas fontes de luz.

O VLC pode ser usado como um meio de comunicação para computação ubíqua , porque dispositivos de produção de luz (como lâmpadas internas / externas, TVs, sinais de trânsito, displays comerciais e faróis / lanternas traseiras de carros ) são usados ​​em todos os lugares.

História

A história das comunicações de luz visível (VLC) remonta à década de 1880 em Washington, DC, quando o cientista escocês Alexander Graham Bell inventou o fotofone , que transmitia a fala na luz solar modulada ao longo de várias centenas de metros. Isso é anterior à transmissão da fala por rádio.

Trabalhos mais recentes começaram em 2003 no Laboratório Nakagawa, na Universidade Keio , no Japão , usando LEDs para transmitir dados por luz visível. Desde então, tem havido inúmeras atividades de pesquisa com foco em VLC.

Em 2006, pesquisadores do CICTR em Penn State propuseram uma combinação de comunicação de linha de energia (PLC) e LED de luz branca para fornecer acesso de banda larga para aplicações internas. Esta pesquisa sugeriu que o VLC poderia ser implantado como uma solução perfeita de última milha no futuro.

Em janeiro de 2010, uma equipe de pesquisadores da Siemens e do Fraunhofer Institute for Telecommunications, Heinrich Hertz Institute em Berlim, demonstrou a transmissão a 500 Mbit / s com um LED branco a uma distância de 5 metros (16 pés) e 100 Mbit / s a ​​uma distância mais longa usando cinco LEDs.

O processo de padronização VLC é conduzido dentro do grupo de trabalho IEEE 802.15.7 .

Em dezembro de 2010, St. Cloud, Minnesota , assinou um contrato com a LVX Minnesota e se tornou a primeira a implantar comercialmente essa tecnologia.

Em julho de 2011, uma apresentação no TED Global . deu uma demonstração ao vivo de vídeo de alta definição sendo transmitido de uma lâmpada LED padrão e propôs o termo Li-Fi para se referir a um subconjunto da tecnologia VLC.

Recentemente, os sistemas de posicionamento interno baseados em VLC se tornaram um tema atraente. A pesquisa da ABI prevê que pode ser uma solução chave para desbloquear o "mercado de localização interna" de US $ 5 bilhões. Publicações têm vindo do Laboratório Nakagawa, ByteLight entrou com uma patente em um sistema de posicionamento de luz usando reconhecimento de pulso digital LED em março de 2012. COWA na Penn State e outros pesquisadores ao redor do mundo.

Outra aplicação recente é no mundo dos brinquedos, graças à implementação econômica e de baixa complexidade, que requer apenas um microcontrolador e um LED como front-end óptico.

Os VLCs podem ser usados ​​para fornecer segurança. Eles são especialmente úteis em redes de sensores corporais e redes de área pessoal.

Recentemente, LEDs orgânicos ( OLED ) têm sido usados ​​como transceptores ópticos para construir links de comunicação VLC de até 10 Mbit / s.

Em outubro de 2014, a Axrtek lançou um sistema comercial RGB LED VLC bidirecional denominado MOMO que transmite para baixo e para cima a velocidades de 300 Mbit / se com um alcance de 25 pés.

Em maio de 2015, a Philips colaborou com a empresa de supermercados Carrefour para fornecer serviços baseados em localização VLC para smartphones de clientes em um hipermercado em Lille, França. Em junho de 2015, duas empresas chinesas, Kuang-Chi e Ping An Bank , fizeram parceria para lançar um cartão de pagamento que comunica informações por meio de uma luz visível única. Em março de 2017, a Philips configurou os primeiros serviços baseados em localização VLC para smartphones de clientes na Alemanha. A instalação foi apresentada na EuroShop em Düsseldorf (5 a 9 de março). Como primeiro supermercado na Alemanha, um supermercado Edeka em Düsseldorf-Bilk está usando o sistema, que oferece uma precisão de posicionamento de 30 centímetros que atende às demandas especiais no varejo de alimentos. Os sistemas de posicionamento interno baseados em VLC podem ser usados ​​em locais como hospitais, lares de idosos, depósitos e grandes escritórios abertos para localizar pessoas e controlar veículos robóticos internos.

Existe rede wireless que para transmissão de dados utiliza luz visível, e não utiliza modulação de intensidade de fontes ópticas. A ideia é usar gerador de vibração em vez de fontes ópticas para transmissão de dados.

Técnicas de modulação

Para enviar dados, é necessária uma modulação de luz. Uma modulação é a forma em que o sinal de luz varia para representar diferentes símbolos. Para que os dados sejam decodificados. Ao contrário da transmissão de rádio , uma modulação VLC requer que o sinal de luz seja modulado em torno de um valor CC positivo, responsável pelo aspecto de iluminação da lâmpada. A modulação será, portanto, um sinal alternado em torno do nível CC positivo, com uma frequência alta o suficiente para ser imperceptível ao olho humano.

Devido a essa superposição de sinais, a implementação do transmissor VLC geralmente requer um conversor DC de alta eficiência, maior potência e resposta mais lenta, responsável pela polarização do LED que fornecerá iluminação, ao lado de menor eficiência e menor potência, mas maior velocidade de resposta amplificador para sintetizar a modulação de corrente CA necessária.

Existem várias técnicas de modulação disponíveis, formando três grupos principais: Transmissão Modulada de Portadora Única (SCMT), Transmissão Modulada por Portadora Múltipla (MCMT) e Transmissão Baseada em Pulso (PBT).

Transmissão modulada de portadora única

A Transmissão Modulada de Portadora Única compreende técnicas de modulação estabelecidas para as formas tradicionais de transmissão, como o rádio. Uma onda senoidal é adicionada ao nível CC da iluminação, permitindo que a informação digital seja codificada nas características da onda. Ao digitar entre dois ou vários valores diferentes de uma determinada característica, os símbolos atribuídos a cada valor são transmitidos no link de luz.

As técnicas possíveis são Amplitude Switch Keying (ASK), Phase Switch Keying (PSK) e Frequency Switch Keying (FSK). Destes três, o FSK é capaz de transmissão de taxa de bits maior, uma vez que permite que mais símbolos sejam facilmente diferenciados na comutação de frequência. Uma técnica adicional chamada Modulação de Amplitude em Quadratura (QAM) também foi proposta, onde a amplitude e a fase da tensão senoidal são chaveadas simultaneamente para aumentar o número possível de símbolos.

Transmissão Modulada Multi-Portadora

A Transmissão Modulada de Portadora Múltipla funciona da mesma maneira que os métodos de Transmissão Modulada de Portadora Única, mas incorpora duas ou mais ondas senoidais moduladas para transmissão de dados. Esse tipo de modulação está entre as mais difíceis e complexas de sintetizar e decodificar. Porém, apresenta a vantagem de se destacar na transmissão multipercurso, onde o receptor não fica em visão direta do transmissor e, portanto, faz com que a transmissão dependa do reflexo da luz em outras barreiras.

Transmissão Baseada em Pulso

A transmissão baseada em pulso abrange técnicas de modulação nas quais os dados são codificados não em uma onda senoidal, mas em uma onda pulsada. Ao contrário dos sinais alternados senoidais, nos quais a média periódica sempre será nula, as ondas pulsadas baseadas em estados alto-baixo apresentarão valores médios herdados. Isso traz duas vantagens principais para as modulações de transmissão baseada em pulso:

  • Ele pode ser implementado com um único conversor CC de alta potência e alta eficiência de resposta lenta e uma chave de alimentação adicional operando em velocidades rápidas para fornecer corrente ao LED em determinados instantes.
  • Uma vez que o valor médio depende da largura de pulso do sinal de dados, a mesma chave que opera a transmissão de dados pode fornecer controle de escurecimento, simplificando muito o conversor CC.

Devido a essas importantes vantagens de implementação, essas modulações com capacidade de escurecimento foram padronizadas no IEEE 802.15.7 , em que são descritas três técnicas de modulação: On-Off Keying (OOK), Variable Pulse Position Modulation (VPPM) e Color Shift Keying (CSK )

On-Off Keying

Na técnica On-Off Keying, o LED é ligado e desligado repetidamente, e os símbolos são diferenciados pela largura de pulso, com um pulso mais largo representando o alto lógico '1', enquanto os pulsos mais estreitos representando '0' lógico baixo. Como os dados são codificados na largura de pulso, as informações enviadas afetarão o nível de escurecimento se não forem corrigidas: por exemplo, um fluxo de bits com vários valores altos '1' aparecerá mais brilhante do que um fluxo de bits com vários valores baixos '0'. Para resolver este problema, a modulação requer um pulso de compensação que será inserido no período de dados sempre que necessário para equalizar o brilho geral. A falta deste símbolo de compensação pode causar oscilação percebida, o que é indesejável.

Por causa do pulso de compensação adicional, a modulação dessa onda é um pouco mais complexa do que a modulação do VPPM. No entanto, a informação codificada na largura de pulso é fácil de diferenciar e decodificar, então a complexidade do transmissor é equilibrada pela simplicidade do receptor.

Modulação de posição de pulso variável

Posição de pulso variável também liga e desliga o LED repetidamente, mas codifica os símbolos na posição de pulso dentro do período de dados. Sempre que o pulso está localizado no início imediato do período de dados, o símbolo transmitido é padronizado como lógico baixo '0', com lógico alto '1' sendo composto de pulsos que terminam com o período de dados. Como a informação é codificada na localização do pulso dentro do período de dados, ambos os pulsos podem e terão a mesma largura e, portanto, nenhum símbolo de compensação é necessário. O escurecimento é realizado pelo algoritmo de transmissão, que selecionará a largura dos pulsos de dados de acordo.

A falta de um pulso de compensação torna o VPPM marginalmente mais simples de codificar quando comparado ao OOK. No entanto, uma demodulação um pouco mais complexa compensa essa simplicidade na técnica VPPM. Essa complexidade de decodificação vem principalmente da informação sendo codificada em diferentes bordas crescentes para cada símbolo, o que torna a amostragem mais difícil em um microcontrolador. Além disso, para decodificar a localização de um pulso dentro do período de dados, o receptor deve estar de alguma forma sincronizado com o transmissor, sabendo exatamente quando um período de dados começa e quanto tempo dura. Essas características tornam a demodulação de um sinal VPPM um pouco mais difícil de implementar.

Color Shift Keying

Color shift keying (CSK), descrito no IEEE 802.15.7, é um esquema de modulação baseado em modulação de intensidade para VLC. O CSK é baseado na intensidade, pois o sinal modulado assume uma cor instantânea igual à soma física de três intensidades instantâneas do LED (vermelho / verde / azul). Este sinal modulado salta instantaneamente, de símbolo em símbolo, através de diferentes cores visíveis; portanto, CSK pode ser interpretado como uma forma de mudança de frequência. No entanto, essa variação instantânea na cor transmitida não deve ser humanamente perceptível, por causa da sensibilidade temporal limitada na visão humana - o " limiar crítico de fusão de cintilação " (CFF) e o "limiar crítico de fusão de cor" (CCF), ambos dos quais não pode resolver mudanças temporais mais curtas do que 0,01 segundo. As transmissões dos LEDs são, portanto, predefinidas para a média de tempo (sobre o CFF e o CCF) para uma cor de constante de tempo específica. Os humanos podem, portanto, perceber apenas essa cor predefinida que parece constante ao longo do tempo, mas não podem perceber a cor instantânea que varia rapidamente no tempo. Em outras palavras, a transmissão CSK mantém um fluxo luminoso com média de tempo constante, mesmo que sua sequência de símbolos varie rapidamente em cromaticidade .

Formulários

O VLC tem várias aplicações em saúde, comunicação militar, comunicação veículo a veículo e Li-Fi.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos