En telecomunicaciones , la comunicación por luz visible ( VLC ) es el uso de luz visible ( luz con una frecuencia de 400 a 800 THz / longitud de onda de 780 a 375 nm ) como medio de transmisión . VLC es un subconjunto de 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 de hasta 500 Mbit/s en distancias cortas. Los sistemas como RONJA pueden transmitir a 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 la cámara de un teléfono celular o una cámara digital será suficiente. [2] El sensor de imagen utilizado en estos dispositivos es de hecho una serie de fotodiodos (píxeles) y en algunas aplicaciones puede preferirse su uso a un solo fotodiodo. Un sensor de este tipo puede proporcionar multicanal (hasta 1 píxel = 1 canal) o conciencia espacial de múltiples fuentes de luz. [1]
VLC se puede utilizar como medio de comunicación para la informática ubicua , porque los dispositivos productores de luz (como lámparas de interior/exterior, televisores, señales de tráfico, exhibidores comerciales y faros/luces traseras de automóviles [3] ) se utilizan en todas partes. [2]
Una de las principales características de VLC es la incapacidad de la luz de superar barreras físicas opacas. Esta característica puede considerarse un punto débil de VLC, debido a la susceptibilidad a las interferencias de objetos físicos, pero también es uno de sus muchos puntos fuertes: 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 sensación física. Barrera de seguridad 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 diseñado para funcionar en espacios cerrados donde las transmisiones por satélite GPS no pueden llegar. Por ejemplo, edificios comerciales, centros comerciales, aparcamientos, así como sistemas de metro y túneles son posibles aplicaciones para los sistemas de posicionamiento interior basados en VLC. Además, una vez que las lámparas VLC son capaces de realizar iluminación al mismo tiempo que la transmisión de datos, pueden ocupar simplemente la instalación de lámparas tradicionales de función única.
Otras aplicaciones de VLC implican la comunicación entre dispositivos de una casa u oficina inteligente. Con el aumento de dispositivos compatibles con IoT , la conectividad a través de ondas de radio tradicionales podría estar sujeta a interferencias. [5] Las bombillas con capacidades VLC pueden transmitir datos y comandos para dichos dispositivos.
La historia de las comunicaciones con luz visible se remonta a la década de 1880 en Washington, DC , cuando el científico de origen escocés Alexander Graham Bell inventó el fotófono , que transmitía la voz a través de la luz solar modulada a lo largo de varios cientos de metros. Esto es anterior a la transmisión del habla 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, investigadores del 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. [6] 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 el Instituto Fraunhofer de Telecomunicaciones, Instituto Heinrich Hertz , en Berlín, demostraron la transmisión a 500 Mbit/s con un LED blanco en una distancia de 5 metros (16 pies) y 100 Mbit/s en distancia más larga 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 Minnesota y se convirtió en el primero en implementar comercialmente esta tecnología. [8]
En julio de 2011, una presentación en TED Global [9] realizó una demostración en vivo de vídeo de alta definición transmitido 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 localización en interiores" de 5 mil millones de dólares. [10] Las publicaciones provienen del Laboratorio Nakagawa, [11] ByteLight presentó una patente [12] sobre un sistema de posicionamiento de luz que utiliza reconocimiento de pulso digital 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 se encuentra en el mundo de los juguetes, gracias a una implementación rentable y de baja complejidad, que sólo requiere un microcontrolador y un LED como frontal 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 localización 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 introducir una tarjeta de pago que comunica información a través de una luz visible única. [25] En marzo de 2017, Philips creó los primeros servicios basados en localización VLC para los teléfonos inteligentes de los compradores en Alemania. La instalación se presentó en la EuroShop de Düsseldorf (del 5 al 9 de marzo). Como primer supermercado en Alemania, un supermercado Edeka en Düsseldorf-Bilk utiliza el sistema, que ofrece una precisión de posicionamiento de 30 centímetros, lo que satisface las exigencias especiales del comercio minorista de alimentos. [26] [27] Los sistemas de posicionamiento interior basados en VLC [28] 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 utiliza luz visible y no utiliza modulación de intensidad de fuentes ópticas. La idea es utilizar un generador de vibraciones en lugar de fuentes ópticas para la transmisión de datos. [29]
Para enviar datos se requiere una modulación de la luz. Una modulación es la forma en que la señal luminosa varía para representar diferentes símbolos. Para que los datos sean decodificados. A diferencia de la transmisión de radio , una modulación VLC requiere que la señal de luz se module alrededor de un valor de CC positivo, responsable del aspecto luminoso de la lámpara. La modulación será, por tanto, una señal alterna alrededor del nivel positivo de CC, 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 una velocidad de respuesta de menor eficiencia, menor potencia, pero mayor. amplificador para sintetizar la modulación de corriente CA requerida.
Hay varias técnicas de modulación disponibles, formando tres grupos principales: [31] Transmisión Modulada de Portadora Única (SCMT), Transmisión Modulada de Portadora Múltiple (MCMT) y Transmisión Basada en Pulsos (PBT).
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 información digital en las características de la onda. Tecleando entre dos o varios valores diferentes de una característica dada, los símbolos atribuidos a cada valor se transmiten en el enlace luminoso.
Las técnicas posibles son la manipulación por conmutación de amplitud (ASK), la manipulación por conmutación de fase (PSK) y la manipulación por conmutación de frecuencia (FSK). De estos tres, FSK es capaz de transmitir una mayor velocidad de bits una vez que permite diferenciar fácilmente más símbolos en la conmutación de frecuencia. También se ha propuesto una técnica adicional llamada Modulación de Amplitud en Cuadratura (QAM), donde tanto la amplitud como la fase del voltaje sinusoidal se modifican simultáneamente para aumentar el número posible de símbolos. [30]
La transmisión modulada de portadora múltiple funciona de la misma manera que los métodos de transmisión modulada de portadora única, pero incorpora dos o más ondas sinusoidales moduladas para la transmisión de datos. [32] 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 por trayectos múltiples, donde el receptor no está a la vista directa del transmisor y, por lo tanto, hace que la transmisión dependa del reflejo de la luz en otras barreras.
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 basada en pulsos:
Puede implementarse con un único convertidor dc de alta potencia y 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 del 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). ).
En la técnica de codificación On-Off , el LED se enciende y apaga repetidamente, y los símbolos se diferencian por el ancho del pulso, donde un pulso más ancho representa el '1' lógico alto, mientras que los pulsos más estrechos representan el '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 ecualizar el brillo general. La falta de este símbolo de compensación podría provocar un parpadeo percibido, lo cual no es deseable.
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.
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 ubica al comienzo inmediato del período de datos, el símbolo transmitido se estandariza como '0' lógico bajo, estando el '1' lógico alto compuesto de 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 la realiza 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 ligeramente más sencillo de codificar en comparación con OOK. Sin embargo, una demodulación ligeramente más compleja compensa esa simplicidad en la técnica VPPM. Esta complejidad de decodificación proviene principalmente de que la información 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.
La codificación por cambio 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 cambio de frecuencia. Sin embargo, esta variación instantánea en el color transmitido no debe ser perceptible humanamente, debido a la sensibilidad temporal limitada de 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 inferiores a 0,01 segundos. Por lo tanto, las transmisiones de los LED están preestablecidas en tiempo promedio (sobre el CFF y el CCF) a un color constante de tiempo específico. Por lo tanto, los humanos sólo 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 promedio en el tiempo constante, incluso cuando su secuencia de símbolos varía rápidamente en cromaticidad . [33]