Введение

Использование света в видимом спектре в качестве средства телекоммуникаций

В телекоммуникациях видимая световая связь (VLC) – это использование видимого света (с частотой 400–800 ТГц / длиной волны 780–375 нм) в качестве среды передачи. VLC является подмножеством 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 – до 500 Мбит/с на короткие расстояния. Системы, такие как RONJA, могут передавать данные на полной скорости Ethernet (10 Мбит/с) на определенных расстояниях. Для приема сигналов от источников света обычно используются специально разработанные электронные устройства, содержащие фотодиоды, хотя в некоторых случаях может быть достаточно камеры мобильного телефона или цифровой камеры. Изобразительный сенсор, используемый в этих устройствах, фактически представляет собой матрицу фотодиодов (пикселей), и в некоторых приложениях его использование может быть предпочтительнее, чем использование одного фотодиода. Такой сенсор может обеспечивать многоканальность (вплоть до 1 пикселя = 1 канал) или пространственное определение местоположения нескольких источников света. Перспективным применением VLC является система внутреннего позиционирования (IPS), аналог GPS, предназначенный для работы в закрытых помещениях, где сигналы GPS-спутников недоступны. Например, коммерческие здания, торговые центры, парковки, а также метро и туннельные комплексы – все это потенциальные области применения систем внутреннего позиционирования на основе VLC. Кроме того, поскольку лампы VLC способны одновременно обеспечивать освещение и передачу данных, они могут просто заменить традиционные лампы с одной функцией. Другие области применения VLC включают связь между устройствами умного дома или офиса. С ростом числа устройств, поддерживающих IoT, подключение через традиционные радиоволны может быть подвержено помехам. Лампы с поддержкой VLC могут передавать данные и команды для таких устройств.

История

История связи с видимым светом восходит к 1880-м годам в Вашингтоне, округ Колумбия, когда ученый шотландского происхождения Александр Грэм Белл изобрел фотофон, который передавал речь на модулированном солнечном свете на расстояние в несколько сотен метров. Это предшествовало передаче речи по радио. Более поздние работы начались в 2003 году в лаборатории Накагава при Университете Кейо в Японии с использованием светодиодов для передачи данных видимым светом. С тех пор было проведено множество исследований, посвященных VLC. В 2006 году исследователи из CICTR при Университете штата Пенсильвания предложили объединить связь по линиям электропередач (PLC) и светодиоды белого света для обеспечения широкополосного доступа в помещениях. Это исследование показало, что VLC может быть развернут как идеальное решение для «последней мили» в будущем. В январе 2010 года команда исследователей из Siemens и Института Fraunhofer по телекоммуникациям, Института Генриха Герца, в Берлине, продемонстрировала передачу данных со скоростью 500 Мбит/с с использованием белого светодиода на определенном расстоянии и 100 Мбит/с на большем расстоянии с использованием пяти светодиодов. Процесс стандартизации VLC ведется в рамках рабочей группы IEEE 802.15.7. В декабре 2010 года город Сент-Клауд, штат Миннесота, подписал контракт с LVX Minnesota и стал первым, кто коммерчески внедрил эту технологию. В июле 2011 года на презентации TED Global была продемонстрирована прямая трансляция видео высокой четкости, передаваемого со стандартной светодиодной лампы, и предложен термин Li-Fi для обозначения подмножества технологии VLC. В последнее время системы внутреннего позиционирования на основе VLC стали привлекательной темой. Исследования ABI прогнозируют, что это может стать ключевым решением для раскрытия потенциала рынка внутреннего позиционирования объемом 5 миллиардов долларов. Публикации поступали из лаборатории Накагава, ByteLight подала заявку на патент на систему позиционирования с использованием светодиодов и цифрового распознавания импульсов в марте 2012 года. Также исследования проводились в COWA при Университете штата Пенсильвания и другими исследователями по всему миру. Еще одно недавнее применение – в мире игрушек, благодаря экономически эффективной и простой реализации, требующей только одного микроконтроллера и одного светодиода в качестве оптического интерфейса. VLC можно использовать для обеспечения безопасности, особенно в сетях датчиков тела и персональных сетях. В последнее время органические светодиоды (OLED) используются в качестве оптических приемопередатчиков для создания каналов связи VLC со скоростью до 10 Мбит/с. В октябре 2014 года Axrtek выпустила коммерческую двунаправленную RGB LED VLC систему под названием MOMO, которая передает данные в обоих направлениях со скоростью 300 Мбит/с и на расстоянии 25 футов. В мае 2015 года Philips сотрудничала с сетью супермаркетов Carrefour для предоставления услуг определения местоположения на основе VLC на смартфоны покупателей в гипермаркете в Лилле, Франция. В июне 2015 года две китайские компании, Kuang Chi и Ping An Bank, объединили усилия для выпуска платежной карты, передающей информацию через уникальный видимый свет. В марте 2017 года Philips внедрила первую систему определения местоположения на основе VLC для смартфонов покупателей в Германии. Установка была представлена на выставке EuroShop в Дюссельдорфе (5–9 марта). В Германии первым супермаркетом, использующим эту систему, стал супермаркет Edeka в Дюссельдорфе-Бильк, обеспечивающий точность позиционирования в 30 сантиметров, что соответствует особым требованиям розничной торговли продуктами питания. Системы внутреннего позиционирования на основе VLC могут использоваться в таких местах, как больницы, дома престарелых, склады и большие офисы открытой планировки для определения местоположения людей и управления внутридомовыми роботизированными транспортными средствами. Существует беспроводная сеть, использующая видимый свет для передачи данных и не использующая модуляцию интенсивности оптических источников. Идея заключается в использовании генератора вибрации вместо оптических источников для передачи данных.

Методы модуляции

Для передачи данных необходима модуляция света. Модуляция – это способ изменения светового сигнала для представления различных символов, что необходимо для декодирования данных. В отличие от радиосвязи, модуляция в VLC требует, чтобы световой сигнал изменялся относительно положительного постоянного напряжения, обеспечивающего освещение лампы. Таким образом, модуляция представляет собой переменный сигнал, колеблющийся вокруг этого положительного уровня постоянного напряжения с достаточно высокой частотой, чтобы быть незаметной для человеческого глаза. Из-за такого совмещения сигналов, реализация VLC-передатчика обычно требует высокоэффективного, мощного, но медленного DC-преобразователя, обеспечивающего смещение светодиода для освещения, а также менее эффективного, менее мощного, но более быстрого усилителя для синтеза необходимой AC-модуляции. Существует несколько методов модуляции, которые можно разделить на три основные группы: модуляция с одной несущей (SCMT), модуляция с множеством несущих (MCMT) и импульсная модуляция (PBT).

Модулированная однонесущая трансмиссия

Модулированная передача на одном носителе включает в себя методы модуляции, разработанные для традиционных видов передачи, таких как радиосвязь. К уровню постоянного тока освещения добавляется синусоидальная волна, что позволяет кодировать цифровую информацию в характеристиках этой волны. Передавая символы, соответствующие каждому значению, по световой линии, можно переключаться между двумя или несколькими различными значениями данной характеристики. Возможные методы – это амплитудная манипуляция (ASK), фазовая манипуляция (PSK) и частотная манипуляция (FSK). Из этих трех, FSK позволяет достичь более высокой скорости передачи данных, поскольку обеспечивает более легкую дифференциацию большего количества символов при переключении частоты. Также был предложен дополнительный метод – квадратурная амплитудная модуляция (QAM), при которой одновременно изменяются амплитуда и фаза синусоидального напряжения для увеличения возможного количества символов. Этот тип модуляции является одним из самых сложных в реализации и декодировании. Однако он обладает преимуществом в условиях многолучевого распространения, когда приемник не имеет прямой видимости передатчика, и передача зависит от отражения света от различных препятствий.

Импульсная передача

Импульсная передача охватывает методы модуляции, в которых данные кодируются не на синусоидальной волне, а на импульсной. В отличие от синусоидальных сигналов переменного тока, в которых периодическое среднее значение всегда равно нулю, импульсные волны, основанные на уровнях высокого и низкого напряжения, имеют собственные средние значения. Это дает два основных преимущества для модуляции с импульсной передачей: она может быть реализована с использованием одного мощного, высокоэффективного DC-преобразователя с медленным временем отклика и дополнительного силового переключателя, работающего на высокой скорости, для подачи тока на светодиод в определенные моменты времени. Поскольку среднее значение зависит от ширины импульса сигнала данных, тот же переключатель, который обеспечивает передачу данных, может также осуществлять регулировку яркости, значительно упрощая DC-преобразователь. Благодаря этим важным преимуществам реализации, эти модуляции с возможностью регулировки яркости были стандартизированы в IEEE 802.15.7, где описаны три метода модуляции: включение-выключение (OOK), модуляция с переменной длительностью импульса (VPPM) и модуляция с переключением цвета (CSK).

Включение и выключение

При использовании метода "включения-выключения" светодиод многократно включается и выключается, а символы различаются по ширине импульса: более широкий импульс представляет логическую единицу "1", а более узкий – логический ноль "0". Поскольку данные кодируются шириной импульса, отправляемая информация может влиять на уровень яркости, если это не компенсировать. Например, последовательность битов, содержащая несколько единиц "1", будет выглядеть ярче, чем последовательность, содержащая несколько нулей "0". Для устранения этой проблемы модуляция требует добавления компенсационного импульса, который вставляется в период передачи данных при необходимости для поддержания постоянной яркости. Отсутствие этого компенсационного импульса может привести к воспринимаемому мерцанию, что нежелательно. Из-за необходимости добавления компенсационного импульса модуляция этого сигнала немного сложнее, чем модуляция VPPM. Однако, информация, закодированная шириной импульса, легко различается и декодируется, поэтому сложность передатчика компенсируется простотой приемника.

Модуляция позиции с переменным импульсом

Переменная позиция импульса также включает и выключает светодиод многократно, но кодирует символы, определяя позицию импульса внутри периода данных. Если импульс расположен непосредственно в начале периода данных, передаваемый символ стандартизируется как логический ноль "0", а логическая единица "1" формируется импульсами, заканчивающимися в конце периода данных. Поскольку информация кодируется положением импульса внутри периода данных, оба импульса могут иметь одинаковую ширину, что исключает необходимость в компенсационном импульсе. Регулировка яркости осуществляется передающим алгоритмом, который соответствующим образом выбирает ширину импульсов данных. Отсутствие компенсационного импульса делает кодирование VPPM немного проще по сравнению с OOK. Однако, несколько более сложная демодуляция компенсирует эту простоту в технике VPPM. Эта сложность декодирования в основном связана с тем, что информация кодируется на разных фронтах импульса для каждого символа, что затрудняет выбор момента отсчета в микроконтроллере. Кроме того, для определения положения импульса внутри периода данных приемнику необходимо быть синхронизированным с передатчиком, точно зная момент начала и продолжительность периода данных. Эти особенности делают демодуляцию сигнала VPPM немного более сложной в реализации.

Колесо сдвига

Цветовое сдвиговое кодирование (CSK), описанное в IEEE 802.15.7, является схемой модуляции, основанной на интенсивной модуляции для VLC. CSK основан на интенсивности, поскольку модулированный сигнал принимает мгновенный цвет, равный физической сумме мгновенных интенсивностей трех (красного, зеленого и синего) светодиодов. Этот модулированный сигнал мгновенно переключается от символа к символу между различными видимыми цветами; следовательно, CSK можно рассматривать как форму частотной модуляции. Однако это мгновенное изменение передаваемого цвета не воспринимается человеком из-за ограниченной временной чувствительности человеческого зрения – "критического порога слияния мерцания" (CFF) и "критического порога слияния цветов" (CCF), которые не способны различать временные изменения короче 0,01 секунды. Таким образом, передача светодиодов предварительно устанавливается для усреднения по времени (в пределах CFF и CCF) до определенного постоянного цвета. Люди, таким образом, воспринимают только этот заданный цвет, который кажется постоянным во времени, но не воспринимают мгновенный цвет, который быстро меняется во времени. Иными словами, передача CSK поддерживает постоянный средний по времени световой поток, даже если последовательность символов быстро меняется в цветовой гамме.