Видимая световая связь
В телекоммуникациях / связь видимым светом ( VLC собой использование видимого света ( света с частотой 400–800 ТГц ) представляет длиной волны 780–375 нм ) в качестве среды передачи . VLC — это разновидность технологий оптической беспроводной связи .
В технологии используются 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 на полной скорости Ethernet (10 Мбит/с) на расстояния 1–2 километра (0,6–1,2 мили).
Специально разработанные электронные устройства, обычно содержащие фотодиод, принимают сигналы от источников света. [1] хотя в некоторых случаях камеры мобильного телефона или цифровой камеры . будет достаточно [2] Датчик изображения, используемый в этих устройствах, фактически представляет собой массив фотодиодов (пикселей), и в некоторых приложениях его использование может быть предпочтительнее, чем одиночный фотодиод. Такой датчик может обеспечивать либо многоканальность (до 1 пикселя = 1 канал), либо пространственную осведомленность о нескольких источниках света. [1]
VLC можно использовать в качестве средства связи для повсеместных вычислений , поскольку светоизлучающие устройства (такие как внутренние и наружные лампы, телевизоры, дорожные знаки, коммерческие дисплеи и автомобильные фары/задние фонари) [3] ) используются повсеместно. [2]
Использование
[ редактировать ]Одной из основных характеристик VLC является неспособность света преодолевать физические непрозрачные барьеры. Эту характеристику можно считать слабым местом VLC из-за восприимчивости к помехам со стороны физических объектов, но она также является одной из многих его сильных сторон: в отличие от радиоволн, световые волны ограничиваются закрытыми пространствами, в которых они передаются, что обеспечивает физическую барьер безопасности, который требует, чтобы рецептор этого сигнала имел физический доступ к месту, где происходит передача. [4]
Многообещающим применением VLC является система внутреннего позиционирования (IPS), аналог GPS, созданная для работы в закрытых помещениях, куда не могут дойти спутниковые передачи GPS. Например, коммерческие здания, торговые центры, гаражи, а также метро и туннельные системы — все это возможные применения систем внутреннего позиционирования на базе VLC. Кроме того, поскольку лампы VLC способны выполнять освещение одновременно с передачей данных, можно просто заменить установку традиционных однофункциональных ламп.
Другие приложения для VLC включают связь между устройствами умного дома или офиса. С увеличением количества устройств с поддержкой Интернета вещей связь посредством традиционных радиоволн может подвергаться помехам. [5] Лампочки с возможностями VLC могут передавать данные и команды для таких устройств.
История
[ редактировать ]История связи в видимом свете восходит к 1880-м годам в Вашингтоне, округ Колумбия , когда ученый шотландского происхождения Александр Грэм Белл изобрел фотофон , который передавал речь в модулированном солнечном свете на несколько сотен метров. Это предшествовало передаче речи по радио.
Более поздние работы начались в 2003 году в лаборатории Накагава в Университете Кейо , Япония , с использованием светодиодов для передачи данных в видимом свете. С тех пор было проведено множество исследований, посвященных VLC.
В 2006 году исследователи из CICTR в штате Пенсильвания предложили комбинацию линии электропередачи (ПЛК) и светодиодов белого света для обеспечения широкополосного доступа для внутренних приложений. [6] Это исследование показало, что VLC может быть использован в качестве идеального решения «последней мили» в будущем.
В январе 2010 года группа исследователей из Сименс и Института телекоммуникаций Фраунгофера, Института Генриха Герца в Берлине продемонстрировала передачу со скоростью 500 Мбит/с с помощью белого светодиода на расстоянии 5 метров (16 футов) и со скоростью 100 Мбит/с на расстоянии 5 метров (16 футов). большее расстояние с помощью пяти светодиодов. [7]
Процесс стандартизации VLC проводится в рабочей группе IEEE 802.15.7 .
В декабре 2010 года Сент-Клауд, штат Миннесота , подписал контракт с LVX [1] Миннесота и стал первым, кто начал коммерческое внедрение этой технологии. [8]
В июле 2011 года презентация на TED Global. [9] провел живую демонстрацию видео высокой четкости , передаваемого стандартной светодиодной лампой, и предложил термин Li-Fi для обозначения подмножества технологии VLC.
на базе VLC В последнее время системы позиционирования внутри помещений стали привлекательной темой. Исследование ABI прогнозирует, что это может стать ключевым решением для открытия «рынка внутренних локаций» стоимостью 5 миллиардов долларов. [10] Публикации поступали из лаборатории Накагава, [11] ByteLight подала патент [12] о системе позиционирования света с использованием светодиодного цифрового распознавания импульсов в марте 2012 года. [13] [14] COWA в Пенсильвании [15] [16] и другие исследователи по всему миру. [17] [18]
Еще одно недавнее применение - в мире игрушек, благодаря экономичной и простой реализации, для которой требуется только один микроконтроллер и один светодиод в качестве оптического интерфейса. [19]
VLC можно использовать для обеспечения безопасности. [20] [21] Они особенно полезны в сетях датчиков тела и персональных сетях.
Недавно органические светодиоды ( OLED ) стали использоваться в качестве оптических приемопередатчиков для создания каналов связи VLC со скоростью до 10 Мбит/с. [22]
В октябре 2014 года Axrtek выпустила коммерческую двунаправленную систему VLC с RGB-подсветкой под названием MOMO, которая осуществляет передачу вниз и вверх со скоростью 300 Мбит/с и на расстоянии 25 футов. [23]
В мае 2015 года Philips в сотрудничестве с компанией-супермаркетом Carrefour предоставила услуги определения местоположения VLC для смартфонов покупателей в гипермаркете в Лилле, Франция . [24] В июне 2015 года две китайские компании, Kuang-Chi и Ping An Bank , объединились, чтобы представить платежную карту, которая передает информацию посредством уникального видимого света. [25] В марте 2017 года Philips запустила первые службы определения местоположения VLC для смартфонов покупателей в Германии. Инсталляция была представлена на выставке EuroShop в Дюссельдорфе (5–9 марта). Супермаркет Edeka в Дюссельдорфе-Билке, первый супермаркет в Германии, использует систему, обеспечивающую точность позиционирования до 30 сантиметров, что отвечает особым требованиям розничной торговли продуктами питания. [26] [27] Системы внутреннего позиционирования на базе VLC [28] может использоваться в таких местах, как больницы, дома престарелых, склады и большие открытые офисы для обнаружения людей и управления роботизированными транспортными средствами внутри помещений.
Существует беспроводная сеть, которая для передачи данных использует видимый свет и не использует модуляцию интенсивности оптических источников. Идея состоит в том, чтобы использовать генератор вибрации вместо оптических источников для передачи данных. [29]
Методы модуляции
[ редактировать ]Для отправки данных необходима 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 модулировался 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 для реализации передатчика VLC обычно требуется высокоэффективный, мощный преобразователь постоянного тока с более медленным откликом, отвечающий за смещение светодиодов, которое будет обеспечивать освещение, наряду с более низким КПД, меньшей мощностью, но с более высокой скоростью отклика. усилитель для синтеза необходимой модуляции переменного тока.
Существует несколько методов модуляции, образующих три основные группы: [31] Модулированная передача с одной несущей (SCMT), модулированная передача с несколькими несущими (MCMT) и импульсная передача (PBT).
Модулированная передача с одной несущей
[ редактировать ]Модулированная передача с одной несущей включает методы модуляции, установленные для традиционных форм передачи, таких как радио. К уровню постоянного тока освещения добавляется синусоидальная волна, что позволяет кодировать цифровую информацию в характеристиках волны. Путем коммутации двух или нескольких различных значений заданной характеристики символы, соответствующие каждому значению, передаются по световой линии связи.
Возможными методами являются манипуляция с переключением амплитуды (ASK), манипуляция с переключением фазы (PSK) и манипуляция с переключением частоты (FSK). Из этих трех FSK обеспечивает передачу с большей скоростью передачи данных, поскольку позволяет легко различать больше символов при переключении частоты. Также был предложен дополнительный метод, называемый квадратурной амплитудной модуляцией (QAM), при котором одновременно обрабатываются как амплитуда, так и фаза синусоидального напряжения, чтобы увеличить возможное количество символов. [30]
Модулированная передача с несколькими несущими
[ редактировать ]Модулированная передача с несколькими несущими работает по тому же принципу, что и методы модулированной передачи с одной несущей, но включает в себя две или более синусоидальные волны, модулированные для передачи данных. [32] Этот тип модуляции является одним из самых сложных для синтеза и декодирования. Тем не менее, он дает преимущество в многолучевой передаче, когда рецептор не находится в прямой видимости передатчика и, следовательно, делает передачу зависимой от отражения света от других барьеров.
Импульсная передача
[ редактировать ]Импульсная передача включает методы модуляции, при которых данные кодируются не синусоидальной, а импульсной волной. В отличие от синусоидальных переменных сигналов, в которых периодическое среднее значение всегда будет нулевым, импульсные волны, основанные на состояниях высокого и низкого уровня, будут представлять собой наследуемые средние значения. Это дает два основных преимущества импульсной модуляции 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 времени. Поскольку среднее значение зависит от ширины импульса сигнала данных, тот же переключатель, который управляет передачей данных, может обеспечить управление яркостью, 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), модуляция с переменным импульсным положением (VPPM) и цветовая манипуляция (CSK). ).
Вкл.-Выкл.
[ редактировать ]При использовании метода двухпозиционной манипуляции светодиод включается и выключается неоднократно, а символы различаются по ширине импульса: более широкий импульс представляет высокий логический уровень «1», а более узкие импульсы представляют низкий логический уровень «0». Поскольку данные кодируются по ширине импульса, отправленная информация повлияет на уровень затемнения, если ее не исправить: например, битовый поток с несколькими высокими значениями «1» будет выглядеть ярче, чем битовый поток 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 общего выравнивания яркости. Отсутствие этого компенсационного символа может вызвать ощущение мерцания, что нежелательно.
Из-за дополнительного компенсационного импульса модулировать эту волну немного сложнее, чем модулировать VPPM. Однако информацию, закодированную в ширине импульса, легко дифференцировать и декодировать, поэтому сложность передатчика уравновешивается простотой приемника.
Модуляция с переменным положением импульса
[ редактировать ]Переменная позиция импульса также многократно включает и выключает светодиод, но кодирует символы положения импульса внутри периода данных. Всякий раз, когда импульс находится в самом начале периода данных, передаваемый символ стандартизируется как низкий логический «0», при этом высокий логический уровень «1» состоит из импульсов, заканчивающихся периодом данных. Поскольку информация кодируется в месте импульса внутри периода данных, оба импульса могут и будут иметь одинаковую ширину, и, следовательно, символ компенсации не требуется. Затемнение выполняется алгоритмом передачи, который соответствующим образом выбирает ширину импульсов данных.
Отсутствие компенсационного импульса делает кодирование VPPM немного проще по сравнению с OOK. Однако немного более сложная демодуляция компенсирует эту простоту метода VPPM. Эта сложность декодирования в основном связана с тем, что информация кодируется по разным нарастающим фронтам для каждого символа, что усложняет выборку в микроконтроллере. Кроме того, чтобы декодировать местоположение импульса в пределах периода данных, рецептор должен быть каким-то образом синхронизирован с передатчиком, точно зная, когда начинается период данных и как долго он длится. Эти характеристики несколько усложняют реализацию демодуляции сигнала VPPM.
Цветовая манипуляция
[ редактировать ]Цветовая манипуляция (CSK), описанная в IEEE 802.15.7, представляет собой схему модуляции на основе интенсивности для VLC. CSK основан 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 в разных видимых цветах; следовательно, CSK можно рассматривать как форму сдвига частоты. Однако это мгновенное изменение передаваемого цвета не должно быть ощутимо 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 длительностью менее 0,01 секунды. Таким образом, передача светодиодов предварительно настроена на усреднение по времени (по CFF и CCF) с определенным постоянным во времени цветом. Таким образом, люди могут воспринимать только этот заданный цвет, который кажется постоянным во времени, но не могут воспринимать мгновенный цвет, который быстро меняется во времени. Другими словами, передача CSK поддерживает постоянный усредненный по времени световой поток, даже несмотря на то, что последовательность символов быстро меняется в зависимости от времени. цветность . [33]
См. также
[ редактировать ]- Электрический маяк
- Волоконно-оптическая связь
- Оптика свободного пространства
- Оптическая связь в свободном пространстве
- IrDA используется инфракрасный свет. — тот же принцип, что и VLC, но вместо видимого света
- Ли-Фай
- Оптическая беспроводная связь
- РОНХА
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Связь с датчиком изображения» . Консорциум ВЛК. [ мертвая ссылка ]
- ^ Jump up to: а б «О видимой световой связи» . Консорциум ВЛК. Архивировано из оригинала 3 декабря 2009 года.
- ^ «Интеллектуальная транспортная система – видимая световая связь» . Консорциум ВЛК. Архивировано из оригинала 28 января 2010 года.
- ^ Димитров, Свилен; Хаас, Харальд (2015). Принципы связи светодиодными светильниками: на пути к сетевому Li-Fi . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/cbo9781107278929 . ISBN 978-1-107-04942-0 .
- ^ «Ежегодный отчет Cisco об Интернете — Ежегодный отчет Cisco об Интернете (2018–2023 гг.) Технический документ» . Циско . Проверено 21 октября 2020 г.
- ^ М. Кавехрад, П. Амиршахи, «Гибридные линии электропередачи среднего и низкого напряжения и белые светодиоды для широкополосной связи Triple-Play», Комплексный отчет IEC о достижении тройной игры: технологии и бизнес-модели для успеха, ISBN 1-931695-51-2 , стр. 167–178, январь 2006 г. См. Публикацию здесь. Архивировано 4 марта 2016 г. на Wayback Machine.
- ^ «500 мегабит в секунду с белым светодиодом» (пресс-релиз). Сименс. 18 января 2010. Архивировано из оригинала 29 сентября 2012 года . Проверено 21 июня 2012 г.
- ^ «Сент-Клауд первым подписал контракт на новую технологию» (пресс-релиз). Сент-Клауд Таймс. 19 ноября 2010 г.
- ^ «Беспроводные данные от каждой лампочки» . 2 августа 2011 г.
- ^ «Светодиодная и видимая световая коммуникация может стать ключом к открытию рынка внутренних локаций стоимостью 5 миллиардов долларов» . www.abiresearch.com .
- ^ Ёсино, М.; Харуяма, С.; Накагава, М.; «Высокоточная система позиционирования с использованием видимых светодиодов и датчика изображения», Симпозиум по радио и беспроводной связи, 2008 г., IEEE, том, №, стр. 439–442, 22–24 января 2008 г.
- ^ «Система позиционирования света с использованием цифрового распознавания импульсов» .
- ^ Ёсино, Масаки; Харуяма, Шиничиро; Накагава, Масао (1 января 2008 г.). «Высокоточная система позиционирования с использованием видимых светодиодов и датчика изображения». Симпозиум IEEE по радио и беспроводной связи , 2008 г. стр. 439–442. дои : 10.1109/RWS.2008.4463523 . ISBN 978-1-4244-1462-8 . S2CID 1023383 — через IEEE Xplore.
- ^ С. Хорикава, Т. Комине, С. Харуяма и М. Накагава, «Система позиционирования повсеместного видимого света с использованием белого светодиодного освещения», IEICE, CAS2003-142, 2003.
- ^ Чжан, В.; Кавеград, М. (2012). «Двумерная система локализации в помещении на основе светодиодов видимого света». Серия летних тематических встреч IEEE Photonics Society 2012 . стр. 80–81. дои : 10.1109/PHOSST.2012.6280711 . ISBN 978-1-4577-1527-3 . S2CID 10835473 .
- ^ Ли, Ён Ап; Кавеград, Мохсен (2012). «Проектирование внутренней гибридной системы локализации дальнего действия со связью в видимом свете и беспроводной сетью». Серия летних тематических встреч IEEE Photonics Society 2012 . стр. 82–83. дои : 10.1109/PHOSST.2012.6280712 . ISBN 978-1-4577-1527-3 . S2CID 43879184 .
- ^ Панта, К.; Армстронг, Дж. (2012). «Внутренняя локализация с помощью белых светодиодов». Электронные письма . 48 (4): 228. Бибкод : 2012ЭЛ....48..228П . дои : 10.1049/эл.2011.3759 .
- ^ Ким, Хён Сын; Ким, Деок-Рэй; Ян, Се Хун; Сон Ён Хван; Хан, Санг-Кук (2011). «Система внутреннего позиционирования, основанная на выделении несущей связи в видимом свете». 2011 Международная конференция по квантовой электронике (IQEC) и конференция по лазерам и электрооптике (CLEO) в Тихоокеанском регионе, включающая Австралазийскую конференцию по оптике, лазерам и спектроскопии и Австралийскую конференцию по оптическим волоконным технологиям . стр. 787–789. дои : 10.1109/IQEC-CLEO.2011.6193741 . ISBN 978-0-9775657-8-8 . S2CID 23878390 .
- ^ Джустиниано, Доменико; Типпенхауэр, Нильс Оле; Мангольд, Стефан (2012). «Простая сеть видимого света с связью между светодиодами». Дни беспроводной связи ИФИП 2012 . стр. 1–8. дои : 10.1109/WD.2012.6402861 . ISBN 978-1-4673-4404-3 . S2CID 14931354 .
- ^ Синь Хуан; Бандао Чен; А. В. Роско; «Многоканальные протоколы распределения ключей с использованием связи видимого света в сетях датчиков тела», Студенческая конференция по информатике 2012 г. (стр. 15), ноябрь 2012 г., см. публикацию здесь.
- ^ Хуанг, X.; Го, С.; Чен, Б.; Роско, AW (2012). Запуск сетей датчиков тела с использованием каналов светодиодных камер, управляемых человеком . стр. 433–438. ISBN 978-1-4673-5325-0 .
- ^ Хэй, Пол Энтони; Баузи, Франческо; Гассемлой, Забих; Папаконстантину, Иоаннис; Ле Минь, Хоа; Флешон, Шарлотта; Качиалли, Франко (2014). «Видимая световая связь: канал связи со скоростью 10 Мбит/с в реальном времени с использованием полимерного светодиода с низкой пропускной способностью» . Оптика Экспресс . 22 (3): 2830–8. Бибкод : 2014OExpr..22.2830H . дои : 10.1364/OE.22.002830 . ПМИД 24663574 .
- ^ Axrtek MOMO Axrtek, Inc.
- ^ «Где скидки? Светодиодное освещение супермаркетов Carrefour от Philips поможет вам» (пресс-релиз). Филипс. 21 мая 2015 г.
- ^ Чен, Гоцзин (28 июня 2015 г.). «Коммерческие банки следят за инновациями в области мобильных платежей» . Китайская экономическая сеть . Архивировано из оригинала 3 октября 2018 года.
- ^ «Еще два проекта внутреннего позиционирования прорастают в европейских супермаркетах» . www.ledsmagazine.com . 08.03.2017.
- ^ «Favendo сотрудничает с Philips Lighting» (PDF) .
- ^ «Видимая световая связь» . www.ntu.edu.sg. Проверено 24 декабря 2015 г.
- ^ Бодренко, А.И. (2018). «Новая беспроводная технология, не охваченная существующими стандартами IEEE 2017 года» . Международный исследовательский журнал . 4 (70). дои : 10.23670/IRJ.2018.70.022 .
- ^ Jump up to: а б Родригес, Хуан; Ламар, Диего Г.; Аллер, Дэниел Г.; Миаха, Пабло Ф.; Себастьян, Хавьер (апрель 2018 г.). «Эффективные передатчики связи видимого света на основе импульсных преобразователей постоянного тока» . Датчики . 18 (4): 1127. Бибкод : 2018Senso..18.1127R . дои : 10.3390/s18041127 . ПМК 5948605 . ПМИД 29642455 .
- ^ Себастьян, Хавьер; Ламар, Диего Г.; Аллер, Дэниел Г.; Родригес, Хуан; Миаха, Пабло Ф. (сентябрь 2018 г.). «О роли силовой электроники в видимой световой связи» . Журнал IEEE по новым и избранным темам силовой электроники . 6 (3): 1210–1223. дои : 10.1109/JESTPE.2018.2830878 . hdl : 10651/46845 . ISSN 2168-6777 . S2CID 19092607 .
- ^ Родрегес, Хуан; Ламар, Диего Г.; Аллер, Дэниел Г.; Миаха, Пабло Ф.; Себастьян, Хавьер (июнь 2018 г.). «Энергоэффективный передатчик VLC, способный воспроизводить схемы модуляции с несколькими несущими за счет использования пульсаций выходного напряжения драйвера HB-LED» . 19-й семинар IEEE по управлению и моделированию силовой электроники (COMPEL) , 2018 г. Падуя: IEEE. стр. 1–8. дои : 10.1109/COMPEL.2018.8460175 . hdl : 10651/48039 . ISBN 978-1-5386-5541-2 . S2CID 52289901 .
- ^ Азиз, Амена Эджаз; Вонг, Кайнам Томас; Чен, Юнг-Чье (2017). «Цветовая манипуляция — как наиболее достижимое «минимальное расстояние» зависит от предварительно установленной рабочей цветности и размера созвездия». Журнал световых технологий . 35 (13): 2724–2733. Бибкод : 2017JLwT...35.2724A . дои : 10.1109/JLT.2017.2693363 . hdl : 10397/76267 . S2CID 13698944 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Дэвид Г. Авив (2006): Лазерная космическая связь, ARTECH HOUSE. ISBN 1-59693-028-4 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- IEEE 802.15 WPAN Целевая группа 7 (TG7) Связь с использованием видимого света
