妙案：太陽光の下で通信するLED
雲ひとつない午後の、直射日光が9万ルクスを超えるような状況では、光は通常、光通信にとって敵となる。しかし、東京工芸大学の少人数チームが、まさにそのような条件下でも通信を継続できる実用的な可視光リンクを構築した。市販のハードウェア（Raspberry Pi、カスタムのシリアライザ/デシリアライザ・ロジックを実行するFPGA）と、8B13Bと呼ばれる専用設計の行符号を組み合わせることで、研究チームは約3メートルの距離で最大3.48 Mbit/sの安定した屋外データ伝送を実証した。893ビットのパケットにおけるパケット損失率は10−4～10−5のオーダーであった。
太陽光に耐えうる信号のエンジニアリング
Li-Fiとして市販されることもある可視光通信（VLC）は、照明に相乗りする無線リンクとして古くから期待されてきた。しかし、屋外における真の課題は二重にある。周囲の光が光検出器を飽和させてしまうこと、そしてLED固有の電気的および光学的挙動が、データのエンコードに使用される波形を歪ませてしまうことだ。今回の研究は、ソフトウェアとハードウェアの両面からこれらの問題に取り組んでいる。チームが設計した8B13B行符号は、リターン・トゥ・ゼロ（RZ）形式を使用し、論理的な「1」と「0」の数を均衡させることで、目に見えるちらつきを抑え、同期の安定性を維持している。極めて重要なのは、受信ロジックがパルス幅ではなく光パルスの立ち上がりエッジに焦点を当てている点だ。パルス幅は、LEDの物理的特性に起因するデータ依存の収縮（シュリンケージ）を起こしやすい。この転換により、多くの屋外VLCプロトタイプを動作不能にさせてきたパルス歪みに対して、リンクの堅牢性が確保されている。
光学面では、研究チームは受信機に複数のフォトダイオードと狭帯域光学フィルタを組み合わせることで、太陽光によるブロードバンド・ノイズを低減した。綿密なコーディング、立ち上がりエッジのタイミング制御、および光学フィルタリングというこの組み合わせにより、かつては高度に専門化されたハードウェアを必要とした条件下で、シンプルなLEDランプを中速データ送信機として機能させることが可能になった。LEDドライバ、光検出器、FPGAボードを含む主要な電気コンポーネントはすべて市販品であり、実験の再現は容易である。
実装には、安価なコンピューティングとプログラマブル・ロジックが融合されている。Raspberry Piがデータストリームを生成し、標準的なシリアル・周辺機器インターフェース（SPI）を介してFPGAに送信する。FPGAは、Verilogで実装されたSerDesと8B13Bエンコーダ/デコーダを実行する。このアーキテクチャにより、タイミングに敏感な処理をFPGAにオフロードしつつ、送信機をシンプルに保っている。研究チームはSerDesのソースコードも公開しており、他の研究室や学生チームが結果を再現し、それを基に発展させるための障壁を低くしている。
回路図とFPGAコードの両方を公開することは、VLCを閉鎖的で独占的な技術ではなく、利用しやすい実験的プラットフォームにするための重要な取り組みである。これにより、学術グループ、趣味の愛好家、交通研究室などが、現実世界のシナリオを迅速にテストし、共通の基準で手法を比較できるようになる。厳密に制御された屋内環境でデモンストレーションされることが多い技術において、このような開放性は、分野が実用試験へと進むためにまさに必要とされているものである。
無線環境における位置付け
高速VLCのデモンストレーションは以前から存在しており、高度な変調方式と特殊な発光体を使用した研究室システムでは、短距離で数ギガビット/秒を達成できる。しかし、それらの実験は通常、暗闇や屋内で行われ、一般的な照明用ではなく通信専用に設計された光学部品やLEDに依存している。東京工芸大学のプロトタイプは異なるアプローチをとっており、最高速度を犠牲にする代わりに、堅牢性、再現性、およびコストを重視している。数メートルで3.48 Mbit/sという速度は、多くの屋内Li-Fiデモよりも遅いものの、直射日光下での安定性においては特筆すべきものがある。
可視光は無線通信（RF）を補完する強みを持っている。RFに敏感な機器と干渉せず、可視波長周辺の非常に広大な未使用スペクトルを提供し、照明ビームによって空間的に制限することができる。これにより、VLCは路車間（V2I）通信、短距離センサのデータ転送、あるいは街灯や交通信号に埋め込まれた情報ビーコンのための追加チャネルとして魅力的なものとなっている。ハイブリッド・システムをモデル化している研究者は、VLCをテラヘルツリンクなどの他の帯域と組み合わせることで、各媒体が互いの弱点を補い合うことを提案している。こうしたハイブリッド・アプローチは、実用的な展開においては単一の勝者を選ぶのではなく、複数の技術を融合させることになるだろうという点を浮き彫りにしている。
潜在的なユースケースと実用上の障害
東京工芸大学のチームは、高度道路交通システム（ITS）を念頭に置いて研究を構成している。信号機、街灯、あるいは路側機が、交差点の状態、カメラ映像、または死角の警告を、車両に搭載されたカメラやフォトダイオード・アレイに直接放送することができる。光ベースの放送チャネルは、混雑したRF帯域を消費することなく、高忠実度で低遅延のテレメトリを近傍の受信機に届けることができる。プロトタイプは安価で広く入手可能な部品を使用しているため、自治体や自動車メーカーは、数百万ユーロ規模のインフラ計画を立てずとも、このアイデアを試行することができる。
しかし、大きな障害も残っている。可視光は視認性（ライン・オブ・サイト）またはそれに近い条件を必要とするため、取り付け位置、車両による遮蔽、およびビームステアリングが工学的な課題となる。天候や大気散乱（雨、霧、埃）は光リンクを減衰させる。狭帯域フィルタリングは太陽光に対抗できるが、霧や微粒子による散乱を排除することはできない。アップリンクも未解決の設計課題であり、車両やデバイスがデータを送り返すためには、送信機を搭載するか、他のチャネル（RF、赤外線、またはカメラベースの反射）を活用する必要がある。また、都市全域のカバー範囲に拡張するには、堅牢な多重化、アドレッシング、および媒体アクセス制御が必要であり、これらは依然として活発な研究課題である。
今後の展望：光学、変調、および標準化
通信距離とスループットを向上させるための明確な技術的ルートが存在する。光学系（レンズや集光器）は、発光体の駆動電流を増やすことなく受信信号強度を高めることができる。OFDM、WDM、または空間多重化（MIMO）などの高度な変調および多重化技術は、容量を倍増させることができるが、複雑さも増す。より高速なLEDやOLEDに関する材料研究により、研究室のリンクはすでにギガビット速度に達している。より優れた発光体と、8B13Bシステムで使用されているような堅牢なコーディングを組み合わせることで、研究室レベルの速度と屋外での信頼性のギャップを埋めることができるだろう。プロトタイプの低コストなアプローチと、光学部品や車両への統合を組み合わせたフィールドテストが行われれば、このアイデアが概念実証を超えて拡張可能かどうかが明らかになるだろう。
同様に重要なのが、標準化と相互運用性である。ITS用途では、光ベースの放送チャネルにおいて、メッセージフォーマットと安全性を重視したフェイルオーバー動作について合意が必要であり、光リンクの喪失が危険な誤認を引き起こさないようにしなければならない。チームが採用した再現可能でオープンソースな姿勢は、有望なスタートである。これにより、コンソーシアム、都市研究室、および産業パートナーが、基本的な構成要素を再発明するのではなく、ハードウェアやプロトコルを共同で反復改良していくことが可能になる。
東京工芸大学の成果は、都市部の無線混雑や自動運転車両のネットワーク化に対する最終的な答えではないが、実世界のVLCに向けた実用的な一歩である。それは、太陽光の下でも機能し、学生やエンジニアがわずかな予算で構築できる、明確に記述され再現可能なキットである。コミュニティが公開されたコードと回路設計を取り入れれば、今後2年間で、通信距離や堅牢性を高め、車両や交通システムへの統合を進める追試が行われることが期待される。
出典
- Electronics and Signal Processing (ジャーナル) — "A study of SerDes logic for 可視光通信 using 8B13B code"
- 東京工芸大学 — 大学院工学研究科（研究者：Tokio Yukiya、Nobuo Nishimiya、Takayuki Uchida）
- エディンバラ大学 — 初期のLi-Fi研究とデモンストレーション
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