Кіріспе

Телекоммуникация саласында көрінетін жарық байланысы (VLC) – көрінетін жарықты (жиілігі 400–800 ТГц/толқын ұзындығы 780–375 нм) тарату ортасы ретінде пайдалану. VLC – оптикалық сымсыз байланыс технологияларының бір бөлігі. Бұл технология сигналдарды 10 кбит/с жылдамдықпен немесе LED шамдар арқылы 500 Мбит/с жылдамдыққа дейін қысқа қашықтыққа жеткізу үшін люминесцентті шамдарды (қалыпты шамдар, арнайы байланыс құрылғылары емес) қолданады. RONJA сияқты жүйелер толық Ethernet жылдамдығымен (10 Мбит/с) хабар алмаса алады. Әдетте фотодиодтан тұратын арнайы электрондық құрылғылар жарық көздерінен сигналдарды қабылдайды, бірақ кейбір жағдайларда ұялы телефон камерасы немесе цифрлық камера да жеткілікті болуы мүмкін. Бұл құрылғылардағы бейне сенсор – фотодиодтардан (пиксельдерден) тұратын массив, және кейбір қолданымдарда бір фотодиодқа қарағанда оның қолданылуы тиімдірек болуы мүмкін. Мұндай сенсор көп арналы (1 пиксел = 1 арнаға дейін) немесе бірнеше жарық көздерін кеңістікте анықтау мүмкіндігін ұсына алады. VLC-нің перспективті қолданысы – ішкі орналасу жүйесі (IPS), ол GPS спутниктік сигналдары жетпейтін жабық кеңістіктерде жұмыс істеуге арналған GPS-ке ұқсас жүйе. Мысалы, коммерциялық ғимараттар, сауда орталықтары, тұрақтар, метро және туннельдер VLC негізіндегі ішкі орналасу жүйелерін қолдануға болатын орындар. Сонымен қатар, VLC шамдары бір уақытта жарық берумен қатар деректерді де тасымалдай алса, дәстүрлі бір функциялы шамдарды орнатуды жеңілдетеді. VLC-нің басқа да қолданымдары – смарт үй немесе кеңсе құрылғылары арасындағы байланыс. IoT құрылғыларының көбеюіне байланысты, дәстүрлі радио толқындары арқылы байланыс кедергілерге ұшырауы мүмкін. VLC мүмкіндіктері бар шамдар мұндай құрылғыларға деректер мен командаларды жіберуге қабілетті.

Тарих

Көрінетін жарық байланысының тарихы 1880 жылдары Вашингтон қаласында, шотланд туған ғалым Александр Грэм Белл фотофонды ойлап тапқан кезде басталды. Ол бірнеше жүз метрге дейін модульденген күн сәулесі арқылы сөйлеуді жіберді. Бұл радио арқылы сөйлеудің пайда болуына дейінгі оқиға. Жақында, 2003 жылы Жапонияның Кейо университетіндегі Накагава зертханасында көрінетін жарық арқылы деректерді беру үшін LED-терді пайдалану жұмыстары басталды. Содан бері VLC-ге бағытталған көптеген зерттеулер жүргізілді. 2006 жылы Пенсильвания штатының CICTR зерттеушілері электр желісі арқылы байланыс (PLC) және ақ жарық LED-ті үй ішінде кеңжолақты қолжетімділікті қамтамасыз ету үшін ұсынды. Бұл зерттеулер VLC болашақта соңғы шақырымдағы тиімді шешім ретінде қолданылуы мүмкін екенін көрсетті. 2010 жылдың қаңтар айында Берлиндегі Siemens және Fraunhofer телекоммуникациялар институтының Heinrich Hertz институтындағы зерттеушілер тобы 500 Мбит/с жылдамдықпен ақ LED арқылы, ал бес LED-ті пайдалану арқылы 100 Мбит/с жылдамдықпен ұзақ қашықтықта деректерді жіберуді көрсетті. VLC стандарттау процесі IEEE 802.15.7 жұмыс тобының шеңберінде жүргізіледі. 2010 жылдың желтоқсан айында Миннесота штатындағы Сент-Клауд қаласы LVX Minnesota компаниясымен келісімшартқа қол қойып, осы технологияны коммерциялық тұрғыда алғаш рет енгізді. 2011 жылдың шілдесінде TED Global-да стандартты LED-лампадан берілетін жоғары сапалы бейне көрсетілді және VLC технологиясының бір бөлігін білдіретін Li-Fi термині ұсынылды. Соңғы уақытта VLC негізіндегі ішкі орналасу жүйелері қызығушылық тудырып отыр. ABI зерттеулері бұл 5 миллиард долларлық "ішкі орналасу нарығын" ашудың маңызды шешімі болуы мүмкін деп болжайды. Накагава зертханасынан жарияланымдар шығып келеді, ал ByteLight 2012 жылдың наурыз айында LED-дің цифрлық импульсын тану арқылы жарық орналасу жүйесіне патент алды. Penn State-тегі COWA және әлемнің басқа да зерттеушілері де жұмыс істеп жатыр. Тағы бір соңғы қолданылуы – ойыншықтар әлемі, себебі оның құны төмен және күрделілігі аз, тек бір микробасқарушы және оптикалық интерфейс ретінде бір LED қана керек. VLC қауіпсіздікті қамтамасыз ету үшін де қолданылуы мүмкін. Олар дене сенсорлық желілерде және жеке аумақтық желілерде ерекше пайдалы. Жақында, органиқалық LED (OLED) 10 Мбит/с жылдамдықпен VLC байланыс желілерін құру үшін оптикалық қабылдағыштар ретінде қолданылды. 2014 жылдың қазан айында Axrtek MOMO деп аталатын коммерциялық екі бағытты RGB LED VLC жүйесін іске қосты, ол 300 Мбит/с жылдамдықпен және 25 фут қашықтықта деректерді жібереді және қабылдайды. 2015 жылдың мамырында Philips Франциядағы Лилльдегі Carrefour гипермаркетінде сатып алушылардың смартфондарына VLC негізіндегі орналасу қызметтерін ұсыну үшін Carrefour супермаркет компаниясымен ынтымақтастық жасады. 2015 жылдың маусым айында екі қытай компаниясы, Kuang Chi және Ping An Bank, бірегей көрінетін жарық арқылы ақпарат жіберетін төлем картасын енгізу үшін серіктестік құрды. 2017 жылдың наурыз айында Philips Германиядағы сатып алушылардың смартфондарына VLC негізіндегі алғашқы орналасу қызметтерін іске қосты. Орнату Дюссельдорфтағы EuroShop көрмесінде (5-9 наурыз) көрсетілді. Германиядағы алғашқы супермаркет ретінде Дюссельдорфтағы Edeka супермаркеті бұл жүйені пайдаланады, ол 30 сантиметрлік орналасу дәлдігін қамтамасыз етеді, бұл азық-түлік саудасының ерекше талаптарына сай келеді. VLC негізіндегі ішкі орналасу жүйелерін ауруханаларда, қарттар үйлерінде, қоймаларда және үлкен кеңселерде адамдарды табу және ішкі роботты көліктерді басқару үшін пайдалануға болады. Сымсыз желі бар, ол деректерді жіберу үшін көрінетін жарықты пайдаланады және оптикалық көздердің интенсивтілігін модуляцияламайды. Бұл идея деректерді жіберу үшін оптикалық көздердің орнына тербеліс генераторын пайдалану болып табылады.

Модуляциялық техника

Деректерді жіберу үшін жарықты модуляциялау қажет. Модуляция – әртүрлі символдарды көрсету үшін жарық сигналының өзгеру түрі. Деректерді декодтау үшін бұл қажет. Радио байланысынан айырмашылығы, VLC модуляциясы жарық сигналының оң тұрақты ток (DC) деңгейінің шамасында модуляциялануын талап етеді, ол шамның жарық беру қасиеті үшін жауапты. Сондықтан модуляция – адам көзімен байқалмайтын жеткілікті жоғары жиілікте оң DC деңгейінің айналасында ауыспалы сигнал болады. Осы сигналдардың үстемеленуіне байланысты, VLC таратушысын іске асыру үшін әдетте жоғары тиімділікке, жоғары қуатқа және баяу жауап беретін DC түрлендіргіш қажет, ол LED-тің бейімделуіне жауапты болып, жарықтандыруды қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, қажетті айнымалы ток (AC) модуляциясын жасау үшін төмен тиімділікке, төмен қуатқа, бірақ жоғары жауап беру жылдамдығына ие күшейткіш қажет. Барлық модульдеу техникаларын үш негізгі топқа бөлуге болады: бір тасымалдағышпен модульдеу (SCMT), көп тасымалдағышпен модульдеу (MCMT) және импульстік модульдеу (PBT).

Бір тасымалдаушы модульді беріліс

Бір тасымалдаушы модуляцияланған беріліс радио сияқты дәстүрлі беріліс формалары үшін қалыптасқан модуляциялау техникаларын қамтиды. Жарықтандырудың тұрақты ток деңгейіне синусоидтық толқын қосылады, бұл цифрлық ақпаратты толқынның қасиеттеріне кодтауға мүмкіндік береді. Белгілі бір қасиеттің екі немесе бірнеше әртүрлі мәндері арасында ауыстыру арқылы, әр мәнге сәйкес келетін символдар жарық байланысы арқылы жіберіледі. Мүмкін болатын техникалар – амплитудалық қалыптау (ASK), фазалық қалыптау (PSK) және жиілік қалыптау (FSK). Осы үш техниканың ішінде FSK, жиіліктік ауыстыру арқылы символдарды оңай ажыратуға мүмкіндік бергенде, жоғары биттік жылдамдықпен беріліс жасауға қабілетті. Символдардың мүмкін болатын санын арттыру үшін синусоидтық кернеудің амплитудасы мен фазасы бір уақытта қалыптауға қолданылатын Квадратуралық амплитудалық модуляция (QAM) деп аталатын қосымша техника да ұсынылған. Бұл модуляция түрі синтездеу және декодтау үшін ең қиын және күрделі болып табылады. Дегенмен, ол көп жолды берілісте өте тиімді, онда қабылдағыш жібергіштің тікелей көру аймағында болмайды, сондықтан беріліс басқа кедергілердегі жарықтың шағылысуына байланысты болады.

Импульстік беріліс

Импульстік негіздегі беріліс – деректер синусоидты толқынға емес, импульстік толқынға кодталатын модуляция әдістерін қамтиды. Синусоидты айнымалы сигналдардан айырмашылығы, оларда периодтық орташа мән әрқашан нөлге тең болады, ал жоғары және төмен деңгейлерге негізделген импульстік толқындар мұрагерлік орташа мәндерге ие болады. Бұл импульстік беріліс модуляцияларына екі негізгі артықшылық береді: оны бір жоғары қуатты, жоғары тиімділікке ие, жауап беру жылдамдығы баяу DC (түзу ток) түрлендіргіші және LED-ке белгілі бір сәттерде ток жеткізу үшін жоғары жылдамдықпен жұмыс істейтін қосымша қуатты коммутатор арқылы іске асыруға болады. Деректер сигналының импульс еніне орташа мән байланысты болғандықтан, деректерді беруді басқаратын сол коммутатор жарықтың күшін реттеуді қамтамасыз ете алады, бұл DC түрлендіргішін едәуір жеңілдетеді. Осы маңызды іске асыру артықшылықтарының нәтижесінде, жарықтың күшін реттеуге қабілетті осы модуляциялар IEEE 802.15.7 стандартында стандартталды, онда үш модуляция техникасы сипатталған: On-Off Keying (OOK), Variable Pulse Position Modulation (VPPM) және Color Shift Keying (CSK).

Қосу-өшіру

On Off Keying әдісі бойынша LED бірнеше рет қосылып-өшіріледі, ал символдар импульс ені арқылы ажыратылады, кең импульс логикалық '1' жоғары деңгейін, ал тар импульстар логикалық '0' төмен деңгейін көрсетеді. Дерек импульс енінде кодталғандықтан, түзетілмесе жіберілген ақпарат жарықтың күңгірттеу деңгейіне әсер етеді: мысалы, көптеген '1' жоғары мәндері бар бит ағыны, көптеген '0' төмен мәндері бар бит ағынына қарағанда жарқырап көрінеді. Бұл мәселені шешу үшін модуляцияға жалпы жарықтықты теңестіру үшін қажет болған жағдайда дерек периодында қосылатын компенсациялық импульс қажет. Бұл компенсациялық символдың болмауы көзге көрінетін жыпылықтауға алып келуі мүмкін, бұл жағымсыз. Қосымша компенсациялық импульс болғандықтан, бұл толқынды модуляциялау VPPM модуляциясына қарағанда сәл күрделі. Дегенмен, импульс енінде кодталған ақпаратты ажырату және декодтау оңай, сондықтан жібергіштің күрделілігі қабылдағыштың қарапайымдылығымен өтелуі мүмкін.

Импульстің ауыспалы орналасуын модуляциялау

Импульстің өзгермелі орны да светодиодты (LED) қайта-қайта қосуды және өшіруді жүзеге асырады, бірақ дерек кезеңі ішінде импульстің орналасуы бойынша символдарды кодтайды. Егер импульс дерек кезеңінің басында орналасса, жіберілетін символ логикалық '0' ретінде қабылданады, ал логикалық '1' дерек кезеңінің соңында аяқталатын импульстерден тұрады. Ақпарат импульстің дерек кезеңіндегі орналасуы арқылы кодталғандықтан, екі импульстің де ені бірдей болуы мүмкін, сондықтан арнайы өтемақы символы қажет емес. Жіберу алгоритмі дерек импульстерінің енін сәйкес таңдайды, осы арқылы жарықтың күшін реттейді. Өтемақы импульсінің болмауы VPPM-ді OOK-қа қарағанда кодтауды сәл жеңілдетеді. Дегенмен, VPPM техникасының қарапайымдылығын толықтыратын күрделірек демодуляция қажет. Бұл күрделілік негізінен әр символ үшін ақпараттың әртүрлі өрбу жиегінде кодталуынан туындайды, бұл микроконтроллерде сынама алуды қиындатады. Сонымен қатар, импульстің дерек кезеңіндегі орнын анықтау үшін қабылдағыш жіберушімен синхрондалуы керек, дерек кезеңінің қашан басталатынын және оның ұзақтығын білуі тиіс. Осы ерекшеліктер VPPM сигналын демодуляциялауды жүзеге асыруды сәл қиындатады.

Түстер ауысуы

Түс ауысу кілті (CSK), IEEE 802.15.7 стандартында баяндалған, VLC үшін интенсивтік модуляцияға негізделген модуляция схемасы. CSK интенсивтік негіздес, себебі модульденген сигнал бірден үш (қызыл/жасыл/көк) LED шамдарының бір мезгілдегі интенсивтілігінің физикалық қосындысына тең түске ие болады. Бұл модульденген сигнал бірден символдан символға, түрлі көрінетін түстерге секіреді; сондықтан CSK жиіліктік өзгертудің бір түрі деп қарастыруға болады. Дегенмен, берілген түстің мұндай жылдам өзгеруін адам көзінің уақытқа сезімталдығының шектеулілігіне байланысты байқауға болмайды – "критикалық жыпылықтау бірігу шегі" (CFF) және "критикалық түс бірігу шегі" (CCF) екеуі де 0,01 секундтан кем уақытты өзгерістерді анықтай алмайды. Сондықтан, LED шамдарының берілісі CFF және CCF ескере отырып, белгілі бір уақыт тұрақтылығына дейін орташаланады. Адамдар осы алдын ала белгіленген, уақыт өте тұрақты болып көрінетін түсті ғана сезе алады, бірақ уақыт өте тез өзгеретін бірден түстерді байқамайды. Яғни, CSK берілісі символдар тізбегінің түстік қасиеттері жылдам өзгерсе де, тұрақты уақыт бойынша орташа жарық ағынын сақтайды.