Los LED transmiten datos estables bajo la luz solar

Idea brillante: LED que se comunican bajo la luz solar

En una tarde despejada, cuando la luz solar directa supera los 90.000 lux, la luz suele ser el enemigo de las comunicaciones ópticas. Sin embargo, un pequeño equipo de la Tokyo Polytechnic University ha construido un enlace de luz visible funcional que sigue comunicándose exactamente en esas condiciones. Combinando hardware estándar —una Raspberry Pi y una FPGA que ejecuta una lógica personalizada de serializador/deserializador (SerDes)— con un código de línea diseñado específicamente llamado 8B13B, los investigadores demostraron una transmisión de datos estable en exteriores a velocidades de hasta 3,48 Mbit/s a lo largo de unos tres metros, con tasas de pérdida de paquetes del orden de 10⁻⁴–10⁻⁵ para paquetes de 893 bits.

Ingeniería de la señal para sobrevivir a la luz solar

La comunicación por luz visible (VLC), a veces comercializada como Li-Fi, ha prometido durante mucho tiempo enlaces inalámbricos que aprovechan la iluminación. Pero el verdadero desafío en exteriores es doble: la luz ambiental puede saturar los fotodetectores, y el comportamiento eléctrico y óptico intrínseco de los LED distorsiona las formas de onda utilizadas para codificar los datos. El nuevo trabajo aborda estos problemas tanto en software como en hardware. El código de línea 8B13B que el equipo diseñó utiliza un formato de retorno a cero y obliga a un número equilibrado de unos y ceros lógicos para suprimir el parpadeo visible y mantener la sincronización estable. Crucialmente, la lógica del receptor se centra en los flancos de subida de los pulsos ópticos en lugar de depender de los anchos de pulso, que son propensos a la contracción dependiente de los datos causada por la física de los LED. Este cambio hace que el enlace sea robusto frente al tipo de distorsión de pulso que arruina muchos prototipos de VLC para exteriores.

En el frente óptico, los investigadores emparejaron múltiples fotodiodos con un filtro óptico de banda estrecha en el receptor para reducir el ruido de banda ancha de la luz solar. Esa combinación —codificación cuidadosa, temporización por flanco de subida y filtrado óptico— permite que una simple lámpara LED actúe como un transmisor de datos de velocidad moderada en condiciones que antes requerían hardware altamente especializado. Todos los componentes eléctricos clave, incluidos el controlador LED, los fotodetectores y la placa FPGA, están disponibles comercialmente, lo que hace que el experimento sea sencillo de reproducir.

La implementación combina computación de bajo coste y lógica programable. Una Raspberry Pi genera el flujo de datos y lo envía a la FPGA a través de una interfaz periférica serie (SPI) estándar; la FPGA implementa el SerDes y el codificador/decodificador 8B13B en Verilog. Esa arquitectura mantiene la simplicidad del transmisor mientras delega las tareas sensibles a la temporización a la FPGA. Los investigadores también publicaron su código fuente SerDes, lo que reduce la barrera para que otros laboratorios y equipos de estudiantes reproduzcan y mejoren el resultado.

La publicación tanto de los diagramas de circuitos como del código de la FPGA es una parte importante para convertir la VLC en una plataforma experimental accesible, en lugar de una tecnología cerrada y patentada. Permite que grupos académicos, aficionados y laboratorios de transporte prueben escenarios del mundo real rápidamente y comparen enfoques sobre una base común. Para una tecnología que a menudo se demuestra en entornos interiores estrictamente controlados, una apertura como esta es exactamente lo que el campo necesita para avanzar hacia los ensayos operativos.

Dónde se sitúa esto en el panorama inalámbrico

Las demostraciones de VLC de alta velocidad han existido durante algún tiempo: los sistemas de laboratorio que utilizan esquemas de modulación avanzados y emisores especializados pueden alcanzar gigabits por segundo en distancias cortas. Pero esos experimentos suelen ocurrir en la oscuridad o en interiores y dependen de ópticas y LED diseñados específicamente para comunicaciones en lugar de para iluminación general. El prototipo de la Tokyo Polytechnic toma un rumbo diferente: sacrifica la velocidad máxima en favor de la robustez, la reproducibilidad y el coste. A 3,48 Mbit/s a través de unos pocos metros, el enlace es más lento que muchas demostraciones de Li-Fi en interiores, pero destaca por su estabilidad bajo la luz solar directa.

La luz visible tiene fortalezas complementarias a la radio. No interfiere con equipos sensibles a la radiofrecuencia (RF), ofrece un espectro sin usar muy amplio alrededor de las longitudes de onda visibles y puede restringirse espacialmente mediante el haz de iluminación. Eso hace que la VLC sea atractiva como canal adicional para mensajería de vehículo a infraestructura (V2I), descarga de sensores de corto alcance o balizas de información integradas en farolas y señales de tráfico. Investigadores que modelan sistemas híbridos han propuesto combinar VLC con otras bandas —incluyendo enlaces de terahercios— para que cada medio cubra las debilidades del otro. Esos enfoques híbridos resaltan que los despliegues prácticos probablemente combinarán tecnologías en lugar de elegir un único ganador.

Posibles casos de uso y obstáculos prácticos

El equipo de la Tokyo Polytechnic enmarca su trabajo con los sistemas de transporte inteligente (ITS) en mente: semáforos, farolas o unidades a pie de carretera podrían transmitir el estado de las intersecciones, imágenes de cámaras o advertencias de puntos ciegos directamente a las cámaras o matrices de fotodiodos de los vehículos. Un canal de difusión basado en luz podría ofrecer telemetría de alta fidelidad y baja latencia a receptores cercanos sin ocupar las congestionadas bandas de RF. Dado que el prototipo es económico y utiliza piezas ampliamente disponibles, los municipios y fabricantes de automóviles podrían probar la idea sin necesidad de programas de infraestructura multimillonarios.

Sin embargo, persisten obstáculos significativos. La luz visible requiere línea de visión o casi línea de visión, por lo que las posiciones de montaje, la oclusión de los vehículos y la orientación del haz se convierten en problemas de ingeniería. El clima y la dispersión atmosférica (lluvia, niebla, polvo) atenúan los enlaces ópticos; si bien el filtrado de banda estrecha contrarresta la luz solar, no elimina la niebla ni la dispersión por partículas. El enlace de subida sigue siendo una cuestión de diseño abierta: los coches y dispositivos necesitarían transmisores o aprovechar otros canales (RF, infrarrojos o reflectancia basada en cámaras) para devolver los datos. Y la ampliación a una cobertura urbana completa requiere una multiplexación, direccionamiento y control de acceso al medio robustos que aún son problemas de investigación activos.

Caminos a seguir: óptica, modulación y estándares

Existen rutas técnicas claras para mejorar el alcance y el rendimiento. La óptica (lentes y concentradores) puede aumentar la potencia de la señal recibida sin incrementar las corrientes de accionamiento del emisor. La modulación y multiplexación avanzadas —OFDM, WDM o multiplexación espacial (MIMO)— pueden multiplicar la capacidad pero añaden complejidad. El trabajo en materiales para obtener LED y OLED más rápidos ya ha impulsado los enlaces de laboratorio hacia velocidades de gigabit; combinar mejores emisores con el tipo de codificación robusta utilizada en el sistema 8B13B podría cerrar la brecha entre la velocidad de laboratorio y la fiabilidad en exteriores. Las pruebas de campo que combinen el enfoque de bajo coste del prototipo con ópticas especializadas e integración en vehículos mostrarán si la idea escala más allá de la prueba de concepto.

Igualmente importantes son los estándares y la interoperabilidad. Para los usos en ITS, un canal de difusión basado en luz necesitará formatos de mensaje acordados y comportamientos de conmutación por error orientados a la seguridad, de modo que la pérdida del enlace óptico no cause una interpretación errónea peligrosa. La actitud de código abierto y reproducible que adoptó el equipo es un comienzo prometedor: permite que consorcios, laboratorios municipales y socios industriales iteren juntos sobre el hardware y los protocolos en lugar de reinventar los bloques básicos.

El resultado de la Tokyo Polytechnic no es una respuesta definitiva a la congestión inalámbrica urbana ni a las redes de vehículos autónomos, pero es un paso práctico hacia la VLC del mundo real: un kit claramente descrito y reproducible que sobrevive a la luz solar y que puede ser construido por estudiantes o ingenieros con un presupuesto modesto. Si la comunidad adopta el código abierto y los diseños de circuitos, cabe esperar pruebas de seguimiento que aumenten el alcance, la robustez y la integración en vehículos y sistemas de tráfico durante los próximos dos años.

Fuentes

• Electronics and Signal Processing (revista) — "A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code"
• Tokyo Polytechnic University — Graduate School of Engineering (investigadores Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — investigaciones y demostraciones tempranas de Li-Fi