Leds verzenden stabiele data in direct zonlicht

Slim idee: LED's die praten in zonlicht

Op een onbewolkte middag, wanneer direct zonlicht meer dan 90.000 lux bedraagt, is licht meestal de vijand van optische communicatie. Toch heeft een klein team van de Tokyo Polytechnic University een werkende zichtbaar-lichtverbinding gebouwd die onder exact die omstandigheden blijft communiceren. Door standaardhardware te combineren — een Raspberry Pi, een FPGA met aangepaste serializer/deserializer-logica — en een speciaal ontworpen lijncode genaamd 8B13B, demonstreerden de onderzoekers een stabiele dataoverdracht in de buitenlucht tot 3,48 Mbit/s over ongeveer drie meter, met pakketverliesratio's in de orde van 10⁻⁴–10⁻⁵ voor pakketten van 893 bits.

Het signaal technisch bestand maken tegen zonlicht

Visible-light communication (VLC), soms op de markt gebracht als Li-Fi, belooft al lang draadloze verbindingen die meeliften op verlichting. Maar de echte uitdaging buiten is tweeledig: omgevingslicht kan fotodetectoren overbelasten, en het intrinsieke elektrische en optische gedrag van LED's vervormt de golfvormen die worden gebruikt om data te coderen. Het nieuwe werk pakt deze problemen aan in software en hardware. De 8B13B-lijncode die het team ontwierp, maakt gebruik van een return-to-zero-formaat en dwingt een gebalanceerd aantal logische enen en nullen af om zichtbare flikkering te onderdrukken en de synchronisatie stabiel te houden. Cruciaal is dat de ontvangerlogica zich richt op de stijgende flanken van optische pulsen in plaats van te vertrouwen op pulsbreedtes, die gevoelig zijn voor data-afhankelijke krimp veroorzaakt door LED-fysica. Die verschuiving maakt de verbinding robuust tegen de soort pulsvervorming die veel VLC-prototypes voor buiten de das ommaakt.

Op optisch vlak combineerden de onderzoekers meerdere fotodiodes met een smalbandig optisch filter bij de ontvanger om de breedbandruis van zonlicht te verminderen. Die combinatie — zorgvuldige codering, timing op basis van stijgende flanken en optische filtering — stelt een eenvoudige LED-lamp in staat om te fungeren als een datazender met gemiddelde snelheid onder omstandigheden waarvoor voorheen zeer gespecialiseerde hardware nodig was. Alle belangrijke elektrische componenten, inclusief de LED-driver, fotodetectoren en het FPGA-bord, zijn commercieel verkrijgbaar, waardoor het experiment eenvoudig te reproduceren is.

De implementatie combineert goedkope computerkracht met programmeerbare logica. Een Raspberry Pi genereert de datastroom en stuurt deze naar de FPGA via een standaard Serial Peripheral Interface (SPI); de FPGA implementeert de SerDes en de 8B13B-encoder/decoder in Verilog. Deze architectuur houdt de zender eenvoudig terwijl timinggevoelige taken worden gedelegeerd aan de FPGA. De onderzoekers publiceerden ook hun SerDes-broncode, wat de drempel voor andere laboratoria en studententeams verlaagt om het resultaat te reproduceren en erop voort te bouwen.

Het publiceren van zowel schakelschema's als FPGA-code is een belangrijk onderdeel van het maken van VLC tot een toegankelijk, experimenteel platform in plaats van een gesloten, gepatenteerde technologie. Het stelt academische groepen, hobbyisten en transportlaboratoria in staat om snel praktijkscenario's te testen en benaderingen te vergelijken op basis van een gemeenschappelijke uitgangspositie. Voor een technologie die vaak wordt gedemonstreerd in streng gecontroleerde binnenomgevingen, is dit soort openheid precies wat het vakgebied nodig heeft om richting operationele tests te gaan.

De plaats in het draadloze landschap

Er bestaan al langer snelle VLC-demonstraties: laboratoriumsystemen die gebruikmaken van geavanceerde modulatieschema's en gespecialiseerde emitters kunnen gigabits per seconde halen over korte afstanden. Maar die experimenten vinden doorgaans plaats in het donker of binnenshuis en vertrouwen op optica en LED's die specifiek zijn ontworpen voor communicatie in plaats van algemene verlichting. Het prototype van de Tokyo Polytechnic University kiest een andere koers: het offert topsnelheid op voor robuustheid, reproduceerbaarheid en kosten. Met 3,48 Mbit/s over enkele meters is de verbinding trager dan veel Li-Fi-demo's voor binnen, maar hij is opmerkelijk vanwege zijn stabiliteit onder direct zonlicht.

Zichtbaar licht heeft complementaire sterktes ten opzichte van radio. Het interfereert niet met RF-gevoelige apparatuur, biedt een zeer groot ongebruikt spectrum rond zichtbare golflengten en kan ruimtelijk worden begrensd door de verlichtingsbundel. Dat maakt VLC aantrekkelijk als extra kanaal voor voertuig-naar-infrastructuurberichten, het uitlezen van sensoren op korte afstand of informatiebakens ingebed in straatverlichting en verkeerslichten. Onderzoekers die hybride systemen modelleren, hebben voorgesteld om VLC te combineren met andere banden — inclusief terahertz-verbindingen — zodat elk medium de zwaktes van het andere dekt. Die hybride benaderingen benadrukken dat praktische toepassingen waarschijnlijk technologieën zullen mengen in plaats van één enkele winnaar te kiezen.

Mogelijke toepassingen en praktische hindernissen

Het team van de Tokyo Polytechnic University kadert hun werk met intelligente transportsystemen (ITS) in het achterhoofd: verkeerslichten, lantaarnpalen of wegkantunits zouden de status van kruispunten, camerabeelden of dodehoekwaarschuwingen rechtstreeks kunnen uitzenden naar camera's of fotodiode-arrays op voertuigen. Een op licht gebaseerd uitzendkanaal zou hoogwaardige telemetrie met lage latentie kunnen leveren aan nabijgelegen ontvangers zonder de overbelaste RF-banden aan te spreken. Omdat het prototype goedkoop is en gebruikmaakt van algemeen verkrijgbare onderdelen, zouden gemeenten en autofabrikanten het idee kunnen testen zonder infrastructuurprogramma's van vele miljoenen euro's.

Maar er blijven aanzienlijke hindernissen. Zichtbaar licht vereist een line-of-sight of bijna-line-of-sight, waardoor montageposities, voertuigblokkades en bundelsturing technische uitdagingen worden. Weersomstandigheden en atmosferische verstrooiing (regen, mist, stof) dempen optische verbindingen; hoewel smalbandfiltering zonlicht tegengaat, elimineert het mist of verstrooiing door deeltjes niet. De uplink blijft een open ontwerpvraag: auto's en apparaten zouden zenders nodig hebben of andere kanalen (RF, infrarood of op camera gebaseerde reflectie) moeten benutten om data terug te sturen. En opschaling naar stadsgelijke dekking vereist robuuste multiplexing, adressering en medium-access control, wat nog steeds actieve onderzoeksgebieden zijn.

Toekomstpaden: optica, modulatie en standaarden

Er zijn duidelijke technische routes om het bereik en de doorvoer te verbeteren. Optica (lenzen en concentratoren) kunnen het ontvangen signaalvermogen verhogen zonder de stroomsterkte van de emitter te verhogen. Geavanceerde modulatie en multiplexing — OFDM, WDM of ruimtelijke multiplexing (MIMO) — kunnen de capaciteit vermenigvuldigen, maar voegen complexiteit toe. Materiaalonderzoek naar snellere LED's en OLED's heeft laboratoriumverbindingen al richting gigabitsnelheden geduwd; het combineren van betere emitters met de robuuste codering zoals gebruikt in het 8B13B-systeem zou de kloof tussen laboratoriumsnelheid en betrouwbaarheid buiten kunnen dichten. Praktijktests die de goedkope aanpak van het prototype koppelen aan optische lenzen en voertuigintegratie, zouden aantonen of het idee verder reikt dan een proof-of-concept.

Even belangrijk zijn standaarden en interoperabiliteit. Voor ITS-toepassingen zal een op licht gebaseerd uitzendkanaal overeengekomen berichtformaten en veiligheidsgerichte failover-mechanismen nodig hebben, zodat het verlies van de optische verbinding geen gevaarlijke verkeerde interpretaties veroorzaakt. De reproduceerbare, open-source houding die het team aannam, is een veelbelovend begin: het stelt consortia, stadslaboratoria en industriële partners in staat om samen te itereren op hardware en protocollen in plaats van basisbouwstenen opnieuw uit te vinden.

Het resultaat van de Tokyo Polytechnic University is geen definitief antwoord op draadloze congestie in de stad of netwerken voor autonome voertuigen, maar het is een praktische stap richting real-world VLC: een duidelijk beschreven, reproduceerbare kit die zonlicht overleeft en gebouwd kan worden door studenten of ingenieurs met een bescheiden budget. Als de gemeenschap de open code en de schakelschema's oppikt, kunnen we vervolgtests verwachten die het bereik, de robuustheid en de integratie in voertuigen en verkeerssystemen in de komende twee jaar verder pushen.

Bronnen

• Electronics and Signal Processing (tijdschrift) — "A study of SerDes logic for zichtbaar-lichtcommunicatie using 8B13B code"
• Tokyo Polytechnic University — Graduate School of Engineering (onderzoekers Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — vroeg Li‑Fi-onderzoek en demonstraties