Des LED transmettent des données stables en plein soleil

Une idée lumineuse : des LED qui communiquent sous la lumière du soleil

Par un après-midi dégagé, lorsque la lumière directe du soleil dépasse 90 000 lux, la luminosité est généralement l'ennemie des communications optiques. Pourtant, une petite équipe de la Tokyo Polytechnic University a mis au point une liaison en lumière visible fonctionnelle qui continue de transmettre dans ces conditions précises. En combinant du matériel standard — un Raspberry Pi, un FPGA exécutant une logique de sérialiseur/désérialiseur personnalisée — et un code de ligne conçu spécifiquement appelé 8B13B, les chercheurs ont démontré une transmission de données stable en extérieur jusqu'à 3,48 Mbit/s sur environ trois mètres, avec des taux de perte de paquets de l'ordre de 10⁻⁴ à 10⁻⁵ pour des paquets de 893 bits.

Ingénierie du signal pour résister à la lumière du soleil

La communication en lumière visible (VLC), parfois commercialisée sous le nom de Li-Fi, promet depuis longtemps des liaisons sans fil qui se greffent sur l'éclairage. Mais le véritable défi en extérieur est double : la lumière ambiante peut submerger les photodétecteurs, et le comportement électrique et optique intrinsèque des LED déforme les formes d'onde utilisées pour coder les données. Ces nouveaux travaux s'attaquent à ces problèmes tant au niveau logiciel que matériel. Le code de ligne 8B13B conçu par l'équipe utilise un format de retour à zéro et impose un nombre équilibré d'uns et de zéros logiques pour supprimer le scintillement visible et maintenir la stabilité de la synchronisation. Crucialement, la logique du récepteur se concentre sur les fronts montants des impulsions optiques plutôt que de s'appuyer sur la largeur des impulsions, laquelle est sujette à un rétrécissement dépendant des données causé par la physique des LED. Ce changement rend la liaison robuste face au type de distorsion d'impulsion qui neutralise de nombreux prototypes de VLC en extérieur.

Sur le plan optique, les chercheurs ont associé plusieurs photodiodes à un filtre optique à bande étroite au niveau du récepteur afin de réduire le bruit à large bande provenant de la lumière du soleil. Cette combinaison — codage méticuleux, synchronisation sur front montant et filtrage optique — permet à une simple lampe LED de servir de transmetteur de données à vitesse modérée dans des conditions qui nécessitaient auparavant du matériel hautement spécialisé. Tous les composants électriques clés, y compris le pilote de LED, les photodétecteurs et la carte FPGA, sont disponibles dans le commerce, ce qui rend l'expérience facile à reproduire.

L'implémentation mélange informatique peu coûteuse et logique programmable. Un Raspberry Pi génère le flux de données et l'envoie au FPGA via une interface périphérique série (SPI) standard ; le FPGA implémente le SerDes et l'encodeur/décodeur 8B13B en Verilog. Cette architecture maintient la simplicité de l'émetteur tout en déléguant les tâches sensibles au cadencement au FPGA. Les chercheurs ont également publié leur code source SerDes, abaissant ainsi la barrière pour que d'autres laboratoires et équipes d'étudiants puissent reproduire et exploiter ces résultats.

La publication des schémas de circuit et du code FPGA est une étape importante pour faire de la VLC une plateforme expérimentale accessible plutôt qu'une technologie fermée et propriétaire. Cela permet aux groupes académiques, aux passionnés et aux laboratoires de transport de tester rapidement des scénarios réels et de comparer les approches sur une base commune. Pour une technologie souvent démontrée dans des environnements intérieurs étroitement contrôlés, une telle ouverture est exactement ce dont le domaine a besoin pour passer aux essais opérationnels.

La place de cette technologie dans le paysage du sans-fil

Des démonstrations de VLC à haut débit existent depuis un certain temps : des systèmes de laboratoire utilisant des schémas de modulation avancés et des émetteurs spécialisés peuvent atteindre des gigabits par seconde sur de courtes distances. Mais ces expériences se déroulent généralement dans l'obscurité ou à l'intérieur et reposent sur des optiques et des LED conçues spécifiquement pour les communications plutôt que pour l'éclairage général. Le prototype de la Tokyo Polytechnic University adopte une approche différente : il sacrifie la vitesse de pointe au profit de la robustesse, de la reproductibilité et du coût. À 3,48 Mbit/s sur quelques mètres, la liaison est plus lente que de nombreuses démonstrations de Li-Fi en intérieur, mais elle se distingue par sa stabilité sous la lumière directe du soleil.

La lumière visible possède des atouts complémentaires à la radio. Elle n'interfère pas avec les équipements sensibles aux radiofréquences (RF), offre un spectre inutilisé très large autour des longueurs d'onde visibles et peut être contrainte spatialement par le faisceau d'éclairage. Cela rend la VLC attrayante comme canal supplémentaire pour la communication véhicule-à-infrastructure (V2I), le déchargement de données de capteurs à courte portée ou les balises d'information intégrées dans les lampadaires et les signaux de circulation. Des chercheurs modélisant des systèmes hybrides ont proposé de combiner la VLC avec d'autres bandes — y compris des liaisons térahertz — afin que chaque support compense les faiblesses de l'autre. Ces approches hybrides soulignent que les déploiements pratiques mélangeront probablement les technologies plutôt que de choisir un gagnant unique.

Cas d'utilisation potentiels et obstacles pratiques

L'équipe de la Tokyo Polytechnic University cadre son travail dans l'optique des systèmes de transport intelligents (STI) : les feux de signalisation, les lampadaires ou les unités de bord de route pourraient diffuser l'état des intersections, des flux de caméras ou des avertissements d'angle mort directement aux caméras ou aux réseaux de photodiodes des véhicules. Un canal de diffusion basé sur la lumière pourrait fournir une télémétrie haute fidélité et à faible latence aux récepteurs à proximité sans encombrer les bandes RF congestionnées. Parce que le prototype est peu coûteux et utilise des pièces largement disponibles, les municipalités et les constructeurs automobiles pourraient tester l'idée sans programmes d'infrastructure de plusieurs millions d'euros.

Cependant, des obstacles importants subsistent. La lumière visible nécessite une visibilité directe ou quasi directe, ce qui fait des positions de montage, de l'occlusion par les véhicules et de l'orientation du faisceau des problèmes d'ingénierie. La météo et la diffusion atmosphérique (pluie, brouillard, poussière) atténuent les liaisons optiques ; si le filtrage à bande étroite contrecarre la lumière du soleil, il n'élimine pas le brouillard ou la diffusion de particules. La liaison montante reste une question de conception ouverte : les voitures et les appareils auraient besoin d'émetteurs ou devraient exploiter d'autres canaux (RF, infrarouge ou réflectance basée sur caméra) pour renvoyer des données. Et le passage à une couverture à l'échelle de la ville nécessite un multiplexage, un adressage et un contrôle d'accès au support robustes, qui sont encore des problèmes de recherche actifs.

Pistes d'avenir : optique, modulation et normes

Il existe des voies techniques claires pour améliorer la portée et le débit. L'optique (lentilles et concentrateurs) peut augmenter la puissance du signal reçu sans augmenter les courants de commande des émetteurs. La modulation et le multiplexage avancés — OFDM, WDM ou multiplexage spatial (MIMO) — peuvent multiplier la capacité mais ajoutent de la complexité. Les travaux sur les matériaux pour des LED et OLED plus rapides ont déjà poussé les liaisons de laboratoire vers des vitesses de l'ordre du gigabit ; combiner de meilleurs émetteurs avec le type de codage robuste utilisé dans le système 8B13B pourrait combler l'écart entre la vitesse de laboratoire et la fiabilité en extérieur. Des tests sur le terrain associant l'approche à bas coût du prototype à des optiques de précision et à une intégration dans les véhicules montreraient si l'idée peut dépasser le stade de la preuve de concept.

Les normes et l'interopérabilité sont tout aussi importantes. Pour les usages STI, un canal de diffusion basé sur la lumière aura besoin de formats de messages convenus et de comportements de basculement axés sur la sécurité, afin qu'une perte de la liaison optique ne provoque pas d'interprétation erronée dangereuse. L'attitude de reproductibilité et d'open-source adoptée par l'équipe est un début prometteur : elle permet aux consortiums, aux laboratoires urbains et aux partenaires industriels d'itérer ensemble sur le matériel et les protocoles plutôt que de réinventer les briques de base.

Le résultat de la Tokyo Polytechnic University n'est pas une réponse finale à la congestion du sans-fil urbain ou à la mise en réseau des véhicules autonomes, mais c'est une étape concrète vers une VLC en conditions réelles : un kit clairement décrit et reproductible qui survit à la lumière du soleil et peut être construit par des étudiants ou des ingénieurs avec un budget modeste. Si la communauté s'empare du code ouvert et des conceptions de circuits, attendez-vous à voir des tests de suivi qui repoussent la portée, la robustesse et l'intégration dans les véhicules et les systèmes de circulation au cours des deux prochaines années.

Sources

• Electronics and Signal Processing (journal) — "A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code"
• Tokyo Polytechnic University — Graduate School of Engineering (chercheurs Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — premières recherches et démonstrations sur le Li‑Fi