stringtranslate.com

Связь с помощью видимого света

Видимый свет составляет лишь небольшую часть электромагнитного спектра .

В телекоммуникациях связь с использованием видимого света ( VLC ) — это использование видимого света ( света с частотой 400–800  ТГц / длиной волны 780–375  нм ) в качестве среды передачи . VLC — это подмножество технологий оптической беспроводной связи .

Технология использует люминесцентные лампы (обычные лампы, а не специальные устройства связи) для передачи сигналов со скоростью 10  кбит/с или светодиоды со скоростью до 500 Мбит/с на короткие расстояния. Такие системы, как RONJA, могут передавать данные на полной скорости Ethernet (10 Мбит/с) на расстояния 1–2 километра (0,6–1,2 мили).

Специально разработанные электронные устройства, как правило, содержащие фотодиод, принимают сигналы от источников света, [1] хотя в некоторых случаях будет достаточно камеры мобильного телефона или цифровой камеры . [2] Датчик изображения, используемый в этих устройствах, на самом деле представляет собой массив фотодиодов (пикселей), и в некоторых приложениях его использование может быть предпочтительнее, чем использование одного фотодиода. Такой датчик может обеспечивать либо многоканальное (до 1 пикселя = 1 канал), либо пространственную осведомленность о нескольких источниках света. [1]

VLC можно использовать в качестве средства связи для повсеместной обработки данных , поскольку светоизлучающие устройства (например, внутренние и наружные лампы, телевизоры, дорожные знаки, коммерческие дисплеи и автомобильные фары/задние фонари [3] ) используются повсеместно. [2]

Использует

Одной из основных характеристик VLC является неспособность света преодолевать физические непрозрачные барьеры. Эту характеристику можно считать слабым местом VLC из-за восприимчивости к помехам от физических объектов, но это также одна из его многочисленных сильных сторон: в отличие от радиоволн, световые волны ограничены закрытыми пространствами, в которых они передаются, что обеспечивает физический барьер безопасности, требующий от приемника этого сигнала физического доступа к месту, где происходит передача. [4]

Перспективным применением VLC является система позиционирования в помещении (IPS), аналог GPS, который создан для работы в закрытых помещениях, куда не могут доходить спутниковые передачи GPS. Например, коммерческие здания, торговые центры, парковки, а также метро и туннельные системы — все это возможные применения для систем позиционирования в помещении на основе VLC. Кроме того, как только лампы VLC смогут выполнять освещение одновременно с передачей данных, они могут просто занять место установки традиционных однофункциональных ламп.

Другие приложения VLC включают связь между устройствами умного дома или офиса. С ростом числа устройств с поддержкой IoT связь через традиционные радиоволны может подвергаться помехам. [5] Лампочки с возможностями VLC могут передавать данные и команды для таких устройств.

История

История видимой световой связи восходит к 1880-м годам в Вашингтоне, округ Колумбия , когда шотландский ученый Александр Грэхем Белл изобрел фотофон , который передавал речь на модулированном солнечном свете на несколько сотен метров. Это предшествовало передаче речи по радио.

Более поздняя работа началась в 2003 году в лаборатории Накагава в Университете Кейо , Япония , с использованием светодиодов для передачи данных с помощью видимого света. С тех пор было проведено множество исследований, сосредоточенных на VLC.

В 2006 году исследователи из CICTR в Университете штата Пенсильвания предложили комбинацию связи по линиям электропередач (PLC) и светодиодов белого света для обеспечения широкополосного доступа для внутренних приложений. [6] Это исследование показало, что VLC может быть развернута как идеальное решение последней мили в будущем.

В январе 2010 года группа исследователей из Siemens и Института телекоммуникаций Фраунгофера, Института Генриха Герца в Берлине продемонстрировала передачу данных со скоростью 500 Мбит/с с помощью белого светодиода на расстояние 5 метров (16 футов) и 100 Мбит/с на большее расстояние с использованием пяти светодиодов. [7]

Процесс стандартизации VLC проводится в рамках рабочей группы IEEE 802.15.7 .

В декабре 2010 года Сент-Клауд, штат Миннесота , подписал контракт с LVX [1] Minnesota и стал первым, кто применил эту технологию в коммерческих целях. [8]

В июле 2011 года на презентации TED Global [9] была проведена живая демонстрация передачи видео высокой четкости с помощью стандартной светодиодной лампы, а также был предложен термин Li-Fi для обозначения подмножества технологии VLC.

В последнее время системы позиционирования внутри помещений на основе VLC стали привлекательной темой. Исследование ABI прогнозирует, что это может стать ключевым решением для выхода на рынок «внутреннего позиционирования» стоимостью 5 миллиардов долларов. [10] Публикации поступают из Nakagawa Laboratory, [11] ByteLight подала патент [12] на систему позиционирования света с использованием распознавания цифровых импульсов светодиодов в марте 2012 года. [13] [14] COWA в Penn State [15] [16] и другие исследователи по всему миру. [17] [18]

Еще одно недавнее применение — мир игрушек, благодаря экономичной и простой реализации, для которой требуется только один микроконтроллер и один светодиод в качестве оптического интерфейса. [19]

VLC могут использоваться для обеспечения безопасности. [20] [21] Они особенно полезны в сетях датчиков тела и персональных сетях.

Недавно органические светодиоды ( OLED ) стали использоваться в качестве оптических трансиверов для создания каналов связи VLC со скоростью до 10 Мбит/с. [22]

В октябре 2014 года компания Axrtek запустила коммерческую двунаправленную систему VLC на базе RGB-светодиодов под названием MOMO, которая передает данные вниз и вверх со скоростью 300 Мбит/с и на расстояние до 25 футов. [23]

В мае 2015 года Philips сотрудничала с компанией супермаркетов Carrefour для предоставления услуг VLC на основе определения местоположения для смартфонов покупателей в гипермаркете в Лилле, Франция . [24] В июне 2015 года две китайские компании, Kuang-Chi и Ping An Bank , объединились для представления платежной карты, которая передает информацию с помощью уникального видимого света. [25] В марте 2017 года Philips создала первые услуги VLC на основе определения местоположения для смартфонов покупателей в Германии. Установка была представлена ​​на выставке EuroShop в Дюссельдорфе (5–9 марта). В качестве первого супермаркета в Германии супермаркет Edeka в Дюссельдорф-Билк использует систему, которая обеспечивает точность позиционирования в 30 сантиметров, что соответствует особым требованиям в розничной торговле продуктами питания. [26] [27] Системы позиционирования внутри помещений на основе VLC [28] могут использоваться в таких местах, как больницы, дома престарелых, склады и большие открытые офисы для определения местоположения людей и управления внутренними роботизированными транспортными средствами.

Существует беспроводная сеть, которая для передачи данных использует видимый свет, а не использует модуляцию интенсивности оптических источников. Идея заключается в том, чтобы использовать генератор вибрации вместо оптических источников для передачи данных. [29]

Методы модуляции

Для отправки данных требуется модуляция света. Модуляция — это форма, в которой световой сигнал изменяется для представления различных символов. Для того, чтобы данные были декодированы. В отличие от радиопередачи , модуляция VLC требует, чтобы световой сигнал был модулирован вокруг положительного значения постоянного тока, отвечающего за световой аспект лампы. Таким образом, модуляция будет представлять собой переменный сигнал вокруг положительного уровня постоянного тока с достаточно высокой частотой, чтобы быть незаметным для человеческого глаза. [30]

Из-за этой суперпозиции сигналов реализация передатчика VLC обычно требует высокоэффективного, мощного и медленно реагирующего преобразователя постоянного тока, отвечающего за смещение светодиода, который будет обеспечивать освещение, а также усилителя с меньшей эффективностью, меньшей мощностью, но более высокой скоростью отклика для синтеза необходимой модуляции переменного тока.

Существует несколько методов модуляции, которые образуют три основные группы: [31] передача с модуляцией на одной несущей (SCMT), передача с модуляцией на нескольких несущих (MCMT) и импульсная передача (PBT).

Модулированная передача с одной несущей

Single-Carrier Modulated Transmission включает в себя методы модуляции, установленные для традиционных форм передачи, таких как радио. Синусоидальная волна добавляется к уровню постоянного тока освещения, что позволяет кодировать цифровую информацию в характеристиках волны. Путем ввода между двумя или несколькими различными значениями заданной характеристики символы, приписываемые каждому значению, передаются по световой линии связи.

Возможные методы: амплитудная коммутация (ASK), фазовая коммутация (PSK) и частотная коммутация (FSK). Из этих трех FSK способна передавать большие битрейты, поскольку она позволяет легко различать больше символов при переключении частоты. Также была предложена дополнительная техника, называемая квадратурной амплитудной модуляцией (QAM), где и амплитуда, и фаза синусоидального напряжения коммутируются одновременно, чтобы увеличить возможное количество символов. [30]

Модулированная передача с несколькими несущими

Многочастотная модулированная передача работает по тому же принципу, что и методы одночастотной модулированной передачи, но встраивает две или более синусоидальных волн, модулированных для передачи данных. [32] Этот тип модуляции является одним из самых сложных и сложных для синтеза и декодирования. Однако он имеет преимущество в превосходстве при многолучевой передаче, когда приемник не находится в прямой видимости передатчика и, следовательно, делает передачу зависящей от отражения света в других барьерах.

Передача на основе импульсов

Импульсная передача охватывает методы модуляции, в которых данные кодируются не на синусоидальной волне, а на импульсной волне. В отличие от синусоидальных чередующихся сигналов, в которых периодическое среднее всегда будет равно нулю, импульсные волны, основанные на состояниях «высокий-низкий», будут представлять наследуемые средние значения. Это дает два основных преимущества для модуляций импульсной передачи:

Его можно реализовать с помощью одного мощного, высокоэффективного преобразователя постоянного тока с медленным откликом и дополнительного силового переключателя, работающего на высоких скоростях для подачи тока на светодиод в определенные моменты. Поскольку среднее значение зависит от ширины импульса сигнала данных, тот же переключатель, который управляет передачей данных, может обеспечить управление затемнением, что значительно упрощает преобразователь постоянного тока.

Благодаря этим важным преимуществам реализации эти модуляции с возможностью регулировки яркости были стандартизированы в IEEE 802.15.7 , в котором описаны три метода модуляции: двухпозиционная манипуляция (OOK), переменная импульсная модуляция (VPPM) и цветовая манипуляция (CSK).

Вкл.-выкл. манипуляция

При использовании техники On-Off Keying светодиод многократно включается и выключается, а символы различаются по ширине импульса: более широкий импульс представляет логическую высокую «1», а более узкие импульсы представляют логическую низкую «0». Поскольку данные кодируются по ширине импульса, отправленная информация повлияет на уровень затемнения, если ее не скорректировать: например, поток битов с несколькими высокими значениями «1» будет казаться ярче, чем поток битов с несколькими низкими значениями «0». Чтобы решить эту проблему, модуляция требует компенсационного импульса, который будет вставляться в период данных всякий раз, когда это необходимо для выравнивания яркости в целом. Отсутствие этого компенсационного символа может привести к воспринимаемому мерцанию, что нежелательно.

Из-за дополнительного компенсационного импульса модуляция этой волны немного сложнее модуляции VPPM. Однако информация, закодированная на ширине импульса, легко дифференцируется и декодируется, поэтому сложность передатчика уравновешивается простотой приемника.

Переменная модуляция положения импульса

Variable Pulse Position также многократно включает и выключает светодиод, но кодирует символы в позиции импульса внутри периода данных. Всякий раз, когда импульс находится в непосредственном начале периода данных, передаваемый символ стандартизируется как логический низкий «0», а логический высокий «1» состоит из импульсов, которые заканчиваются периодом данных. Поскольку информация кодируется в месте расположения импульса внутри периода данных, оба импульса могут и будут иметь одинаковую ширину, и, таким образом, символ компенсации не требуется. Затемнение выполняется передающим алгоритмом, который соответствующим образом выбирает ширину импульсов данных.

Отсутствие компенсационного импульса делает VPPM немного более простым для кодирования по сравнению с OOK. Однако немного более сложная демодуляция компенсирует эту простоту в технике VPPM. Эта сложность декодирования в основном возникает из-за того, что информация кодируется на разных нарастающих фронтах для каждого символа, что затрудняет выборку в микроконтроллере. Кроме того, для того, чтобы декодировать местоположение импульса в пределах периода данных, приемник должен быть каким-то образом синхронизирован с передатчиком, точно зная, когда начинается период данных и как долго он длится. Эти характеристики делают демодуляцию сигнала VPPM немного более сложной для реализации.

Цветовая манипуляция смещением

Цветовая манипуляция смещением (CSK), описанная в IEEE 802.15.7, представляет собой схему модуляции на основе модуляции интенсивности для VLC. CSK основана на интенсивности, поскольку модулированный сигнал принимает мгновенный цвет, равный физической сумме трех (красный/зеленый/синий) мгновенных интенсивностей светодиодов. Этот модулированный сигнал мгновенно переходит от символа к символу через различные видимые цвета; следовательно, CSK можно толковать как форму сдвига частоты. Однако это мгновенное изменение передаваемого цвета не должно быть воспринято человеком из-за ограниченной временной чувствительности человеческого зрения — «критического порога слияния мерцаний » (CFF) и «критического порога слияния цветов» (CCF), оба из которых не могут разрешить временные изменения короче 0,01 секунды. Таким образом, передачи светодиодов предварительно настроены на усреднение по времени (по CFF и CCF) для определенного постоянного во времени цвета. Таким образом, люди могут воспринимать только этот предустановленный цвет, который кажется постоянным с течением времени, но не могут воспринимать мгновенный цвет, который быстро меняется во времени. Другими словами, передача CSK поддерживает постоянный усредненный по времени световой поток, даже если его последовательность символов быстро меняется по цветности . [33]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Связь с датчиком изображения". Консорциум VLC.[ мертвая ссылка ]
  2. ^ ab "О связи с помощью видимого света". Консорциум VLC. Архивировано из оригинала 3 декабря 2009 г.
  3. ^ "Интеллектуальная транспортная система – связь с помощью видимого света". Консорциум VLC. Архивировано из оригинала 28 января 2010 г.
  4. ^ Димитров, Свилен; Хаас, Харальд (2015). Принципы светодиодных световых коммуникаций: на пути к сетевому Li-Fi. Кембридж: Cambridge University Press. doi : 10.1017/cbo9781107278929. ISBN 978-1-107-04942-0.
  5. ^ "Ежегодный отчет Cisco по Интернету - Ежегодный отчет Cisco по Интернету (2018–2023) Белая книга". Cisco . Получено 21 октября 2020 г. .
  6. ^ M. Kavehrad, P. Amirshahi, «Гибридные линии электропередач MV-LV и белые светодиоды для широкополосного доступа Triple-Play», IEC Comprehensive Report on Achieving the Triple Play: Technologies and Business Models for Success, ISBN 1-931695-51-2 , стр. 167-178, январь 2006 г. См. публикацию здесь Архивировано 04.03.2016 в Wayback Machine 
  7. ^ "500 Megabits/Second with White LED Light" (пресс-релиз). Siemens. 18 января 2010 г. Архивировано из оригинала 29 сентября 2012 г. Получено 21 июня 2012 г.
  8. ^ "Сент-Клауд первым подписался на новую технологию" (пресс-релиз). St. Cloud Times. 19 ноября 2010 г.
  9. ^ «Беспроводные данные от каждой лампочки». 2 августа 2011 г.
  10. ^ «Светодиодная и видимая световая связь может стать ключом к открытию рынка локаций в помещениях стоимостью 5 миллиардов долларов». www.abiresearch.com .
  11. ^ Ёсино, М.; Харуяма, С.; Накагава, М.; «Высокоточная система позиционирования с использованием видимых светодиодных ламп и датчика изображения», Симпозиум по радио и беспроводной связи, 2008 IEEE, т., №., стр. 439-442, 22-24 января 2008 г.
  12. ^ «Система позиционирования света с использованием цифрового распознавания импульсов».
  13. ^ Ёсино, Масаки; Харуяма, Шиничиро; Накагава, Масао (1 января 2008 г.). «Высокоточная система позиционирования с использованием видимых светодиодных ламп и датчика изображения». Симпозиум IEEE по радио и беспроводной связи 2008 г. С. 439–442. doi :10.1109/RWS.2008.4463523. ISBN 978-1-4244-1462-8. S2CID  1023383 – через IEEE Xplore.
  14. ^ С. Хорикава, Т. Комине, С. Харуяма и М. Накагава, «Проникающая система позиционирования видимого света с использованием белого светодиодного освещения», IEICE, CAS2003-142, 2003.
  15. ^ Чжан, В.; Кавеград, М. (2012). «Система двухмерной внутренней локализации на основе светодиодов видимого света». Серия летних тематических встреч IEEE Photonics Society 2012 г. С. 80–81. doi :10.1109/PHOSST.2012.6280711. ISBN 978-1-4577-1527-3. S2CID  10835473.
  16. ^ Ли, Йонг Ап; Кавехрад, Мохсен (2012). «Проект гибридной системы локализации в помещении на большом расстоянии с видимой световой связью и беспроводной сетью». Серия летних тематических встреч IEEE Photonics Society 2012 г. С. 82–83. doi :10.1109/PHOSST.2012.6280712. ISBN 978-1-4577-1527-3. S2CID  43879184.
  17. ^ Панта, К.; Армстронг, Дж. (2012). «Локализация в помещении с использованием белых светодиодов». Electronics Letters . 48 (4): 228. Bibcode : 2012ElL....48..228P. doi : 10.1049/el.2011.3759.
  18. ^ Ким, Хён-Сын; Ким, Док-Рэ; Ян, Се-Хун; Сон, Ён-Хван; Хан, Сан-Кук (2011). «Система позиционирования в помещении на основе связи с распределением носителей в видимом свете». 2011 Международная конференция по квантовой электронике (IQEC) и конференция по лазерам и электрооптике (CLEO) Тихоокеанского региона, включающая Австралазийскую конференцию по оптике, лазерам и спектроскопии и Австралийскую конференцию по оптоволоконной технологии . стр. 787–789. doi :10.1109/IQEC-CLEO.2011.6193741. ISBN 978-0-9775657-8-8. S2CID  23878390.
  19. ^ Giustiniano, Domenico; Tippenhauer, Nils Ole; Mangold, Stefan (2012). «Сети видимого света низкой сложности с коммуникацией между светодиодами». IFIP Wireless Days 2012. стр. 1–8. doi :10.1109/WD.2012.6402861. ISBN 978-1-4673-4404-3. S2CID  14931354.
  20. ^ Синь Хуан; Бангдао Чен; AW Роско; «Многоканальные протоколы распределения ключей с использованием видимой световой связи в сетях датчиков тела», Студенческая конференция по информатике 2012 г., (стр. 15), ноябрь 2012 г., см. публикацию здесь
  21. ^ Хуан, X.; Го, S.; Чен, B.; Роско, AW (2012). Начальная загрузка сетей датчиков тела с использованием каналов светодиодной камеры, контролируемых человеком. стр. 433–438. ISBN 978-1-4673-5325-0.
  22. ^ Хейг, Пол Энтони; Бауси, Франческо; Гассемлой, Забих; Папаконстантину, Иоаннис; Ле Мин, Хоа; Флешон, Шарлотта; Качиалли, Франко (2014). «Связь в видимом свете: связь в реальном времени со скоростью 10 Мбит/с с полимерным светоизлучающим диодом с низкой пропускной способностью». Optics Express . 22 (3): 2830–8. Bibcode : 2014OExpr..22.2830H. doi : 10.1364/OE.22.002830 . PMID  24663574.
  23. ^ Axrtek MOMO Axrtek, Inc.
  24. ^ «Где скидки? Светодиодное освещение супермаркетов Carrefour от Philips поможет вам» (пресс-релиз). Philips. 21 мая 2015 г.
  25. ^ Чэнь, Гоцзин (28 июня 2015 г.). «Коммерческие банки присматриваются к инновациям в области мобильных платежей». China Economic Net . Архивировано из оригинала 3 октября 2018 г.
  26. ^ «Еще два проекта по позиционированию в помещениях зарождаются в европейских супермаркетах». www.ledsmagazine.com . 2017-03-08.
  27. ^ «Favendo сотрудничает с Philips Lighting» (PDF) .
  28. ^ "Видимая световая связь". www.ntu.edu.sg . Получено 24.12.2015 .
  29. ^ Бодренко, А.И. (2018). «Новые беспроводные технологии, не охваченные существующими стандартами IEEE 2017 года». Международный исследовательский журнал . 4 (70). doi :10.23670/IRJ.2018.70.022.
  30. ^ ab Родригес, Хуан; Ламар, Диего Г.; Аллер, Даниэль Г.; Миаха, Пабло Ф.; Себастьян, Хавьер (апрель 2018 г.). «Эффективные передатчики видимой световой связи на основе импульсных преобразователей постоянного тока». Датчики . 18 (4): 1127. Bibcode : 2018Senso..18.1127R. doi : 10.3390/s18041127 . PMC 5948605. PMID  29642455 . 
  31. ^ Себастьян, Хавьер; Ламар, Диего Г.; Аллер, Даниэль Г.; Родригес, Хуан; Миаха, Пабло Ф. (сентябрь 2018 г.). «О роли силовой электроники в связи с использованием видимого света». IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics . 6 (3): 1210–1223. doi : 10.1109/JESTPE.2018.2830878. hdl : 10651/46845 . ISSN  2168-6777. S2CID  19092607.
  32. ^ Родрегес, Хуан; Ламар, Диего Г.; Аллер, Даниэль Г.; Миаха, Пабло Ф.; Себастьян, Хавьер (июнь 2018 г.). «Энергоэффективный передатчик VLC, способный воспроизводить схемы модуляции с несколькими несущими, используя пульсацию выходного напряжения драйвера HB-LED». 19-й семинар IEEE 2018 г. по управлению и моделированию для силовой электроники (COMPEL) . Падуя: IEEE. стр. 1–8. doi : 10.1109/COMPEL.2018.8460175. hdl : 10651/48039 . ISBN 978-1-5386-5541-2. S2CID  52289901.
  33. ^ Азиз, Амена Эджаз; Вонг, Кайнам Томас; Чен, Джунг-Чие (2017). «Цветовая манипуляция — как ее наиболее достижимое «минимальное расстояние» зависит от ее предустановленной рабочей цветности и размера созвездия». Журнал Lightwave Technology . 35 (13): 2724–2733. Bibcode : 2017JLwT...35.2724A. doi : 10.1109/JLT.2017.2693363. hdl : 10397/76267 . S2CID  13698944.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки