Diody LED przesyłają stabilne dane w świetle słonecznym

Jasny pomysł: diody LED, które „rozmawiają” w świetle słonecznym

W bezchmurne popołudnie, gdy bezpośrednie światło słoneczne przekracza 90 000 luksów, światło jest zazwyczaj wrogiem komunikacji optycznej. Mimo to niewielki zespół z Tokyo Polytechnic University zbudował działające łącze światła widzialnego, które utrzymuje łączność w dokładnie takich warunkach. Łącząc gotowe komponenty — Raspberry Pi, układ FPGA z niestandardową logiką serializatora/deserializatora (SerDes) — oraz specjalnie zaprojektowany kod liniowy o nazwie 8B13B, badacze zademonstrowali stabilną transmisję danych na zewnątrz z prędkością do 3,48 Mbit/s na dystansie około trzech metrów, przy wskaźniku utraty pakietów rzędu 10⁻⁴–10⁻⁵ dla 893-bitowych pakietów.

Inżynieria sygnału odpornego na światło słoneczne

Komunikacja światłem widzialnym (VLC), czasami promowana pod nazwą Li-Fi, od dawna obiecuje bezprzewodowe łącza wykorzystujące oświetlenie jako nośnik. Jednak prawdziwe wyzwanie na zewnątrz jest dwutorowe: światło otoczenia może zalewać fotodetektory, a wewnętrzne właściwości elektryczne i optyczne diod LED zniekształcają przebiegi falowe używane do kodowania danych. Nowa praca rozwiązuje te problemy zarówno w warstwie oprogramowania, jak i sprzętu. Zaprojektowany przez zespół kod liniowy 8B13B wykorzystuje format z powrotem do zera (RZ) i wymusza zrównoważoną liczbę logicznych jedynek i zer, aby stłumić widoczne migotanie i utrzymać stabilną synchronizację. Co najważniejsze, logika odbiornika skupia się na narastających zboczach impulsów optycznych, zamiast polegać na szerokości impulsów, które są podatne na skracanie zależne od danych, spowodowane fizyką diod LED. Ta zmiana sprawia, że łącze jest odporne na zniekształcenia impulsów, które uniemożliwiają działanie wielu prototypów VLC pracujących na zewnątrz.

W części optycznej badacze sparowali wiele fotodiod z wąskopasmowym filtrem optycznym w odbiorniku, aby zredukować szum szerokopasmowy pochodzący od światła słonecznego. Ta kombinacja — staranne kodowanie, synchronizacja do zbocza narastającego i filtrowanie optyczne — pozwala prostej lampie LED działać jako nadajnik danych o umiarkowanej prędkości w warunkach, które wcześniej wymagały wysoce wyspecjalizowanego sprzętu. Wszystkie kluczowe komponenty elektryczne, w tym sterownik LED, fotodetektory i płytka FPGA, są dostępne w sprzedaży, co sprawia, że eksperyment jest łatwy do odtworzenia.

Implementacja łączy niedrogie systemy obliczeniowe z programowalną logiką. Raspberry Pi generuje strumień danych i przesyła go do układu FPGA przez standardowy szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI); FPGA realizuje SerDes oraz koder/dekoder 8B13B w języku Verilog. Taka architektura pozwala zachować prostotę nadajnika, jednocześnie oddelegowując zadania wrażliwe na czas do układu FPGA. Badacze opublikowali również swój kod źródłowy SerDes, co obniża barierę dla innych laboratoriów i zespołów studenckich chcących odtworzyć i rozwinąć te wyniki.

Publikacja zarówno schematów obwodów, jak i kodu FPGA, jest istotnym krokiem w kierunku uczynienia z VLC dostępnej, eksperymentalnej platformy, a nie zamkniętej, zastrzeżonej technologii. Pozwala to grupom akademickim, hobbystom i laboratoriom transportowym na szybkie testowanie scenariuszy ze świata rzeczywistego i porównywanie podejść na wspólnej podstawie. W przypadku technologii często demonstrowanej w ściśle kontrolowanych warunkach wewnętrznych, taka otwartość jest dokładnie tym, czego ta dziedzina potrzebuje, aby przejść do prób operacyjnych.

Miejsce w krajobrazie technologii bezprzewodowych

Demonstracje szybkich systemów VLC istnieją od pewnego czasu: systemy laboratoryjne wykorzystujące zaawansowane schematy modulacji i wyspecjalizowane emitery mogą osiągać gigabity na sekundę na krótkich dystansach. Jednak te eksperymenty zazwyczaj odbywają się w ciemności lub wewnątrz budynków i opierają się na optyce oraz diodach LED zaprojektowanych specjalnie do komunikacji, a nie do ogólnego oświetlenia. Prototyp z Tokyo Polytechnic University przyjmuje inną strategię: poświęca maksymalną prędkość na rzecz wytrzymałości, powtarzalności i kosztów. Przy 3,48 Mbit/s na dystansie kilku metrów, łącze jest wolniejsze niż wiele wewnętrznych demonstracji Li-Fi, ale wyróżnia się stabilnością w bezpośrednim świetle słonecznym.

Światło widzialne ma zalety komplementarne względem fal radiowych. Nie zakłóca pracy urządzeń wrażliwych na częstotliwości radiowe (RF), oferuje bardzo szerokie, nieużywane widmo wokół długości fal widzialnych i może być ograniczone przestrzennie przez wiązkę światła. To czyni VLC atrakcyjnym jako dodatkowy kanał dla komunikacji pojazd-infrastruktura, przesyłania danych z czujników krótkiego zasięgu lub informacyjnych beaconów wbudowanych w latarnie uliczne i sygnalizację świetlną. Badacze modelujący systemy hybrydowe proponują łączenie VLC z innymi pasmami — w tym łączami terahercowymi — tak aby każde medium niwelowało słabości drugiego. Takie hybrydowe podejścia podkreślają, że praktyczne wdrożenia będą prawdopodobnie łączyć różne technologie, zamiast wybierać jednego zwycięzcę.

Potencjalne zastosowania i praktyczne przeszkody

Zespół z Tokyo Polytechnic University osadza swoją pracę w kontekście inteligentnych systemów transportowych (ITS): sygnalizacja świetlna, latarnie uliczne lub jednostki przydrożne mogłyby nadawać status skrzyżowania, obraz z kamer lub ostrzeżenia o martwym polu bezpośrednio do kamer lub matryc fotodiod w pojazdach. Kanał nadawczy oparty na świetle mógłby dostarczać wysokiej jakości telemetrię o niskich opóźnieniach do pobliskich odbiorników bez obciążania zatłoczonych pasm RF. Ponieważ prototyp jest niedrogi i wykorzystuje powszechnie dostępne części, gminy i producenci samochodów mogliby testować ten pomysł bez wielomilionowych programów infrastrukturalnych.

Jednak pozostają znaczące przeszkody. Światło widzialne wymaga widoczności w linii prostej (LOS) lub zbliżonej do niej, więc pozycje montażowe, zasłanianie przez inne pojazdy i sterowanie wiązką stają się problemami inżynieryjnymi. Pogoda i rozpraszanie atmosferyczne (deszcz, mgła, kurz) tłumią łącza optyczne; podczas gdy filtrowanie wąskopasmowe przeciwdziała światłu słonecznemu, nie eliminuje ono mgły ani rozpraszania na cząsteczkach. Kwestia łącza zwrotnego (uplink) pozostaje otwarta: samochody i urządzenia potrzebowałyby nadajników lub wykorzystania innych kanałów (RF, podczerwień lub odbicie rejestrowane przez kamerę), aby przesyłać dane z powrotem. Skalowanie do zasięgu całego miasta wymaga również solidnego multipleksowania, adresowania i kontroli dostępu do medium, co wciąż stanowi aktywne obszary badań.

Dalszy rozwój: optyka, modulacja i standardy

Istnieją wyraźne ścieżki techniczne do poprawy zasięgu i przepustowości. Optyka (soczewki i koncentratory) może zwiększyć moc odbieranego sygnału bez zwiększania prądu sterującego emiterami. Zaawansowana modulacja i multipleksowanie — OFDM, WDM lub multipleksowanie przestrzenne (MIMO) — mogą zwielokrotnić przepustowość, ale zwiększają złożoność. Prace materiałowe nad szybszymi diodami LED i OLED już pchnęły łącza laboratoryjne w stronę prędkości gigabitowych; połączenie lepszych emiterów z solidnym kodowaniem, takim jak system 8B13B, mogłoby zmniejszyć przepaść między prędkością laboratoryjną a niezawodnością na zewnątrz. Testy terenowe łączące niskokosztowe podejście prototypu z zaawansowaną optyką i integracją z pojazdami pokazałyby, czy pomysł ten skaluje się poza fazę dowodu koncepcji.

Równie ważne są standardy i interoperacyjność. W zastosowaniach ITS, kanał nadawczy oparty na świetle będzie wymagał uzgodnionych formatów komunikatów i zorientowanych na bezpieczeństwo mechanizmów failover, aby utrata łącza optycznego nie powodowała niebezpiecznych błędów w interpretacji. Godna naśladowania, otwarta postawa zespołu jest obiecującym początkiem: umożliwia konsorcjom, laboratoriom miejskim i partnerom przemysłowym wspólną iterację nad sprzętem i protokołami, zamiast ponownego opracowywania podstawowych elementów.

Wynik prac Tokyo Polytechnic University nie jest ostateczną odpowiedzią na przeciążenie sieci bezprzewodowych w miastach czy sieci pojazdów autonomicznych, ale stanowi praktyczny krok w kierunku rzeczywistych wdrożeń VLC: to jasno opisany, powtarzalny zestaw, który wytrzymuje światło słoneczne i może być zbudowany przez studentów lub inżynierów przy skromnym budżecie. Jeśli społeczność skorzysta z otwartego kodu i projektów obwodów, w ciągu najbliższych dwóch lat należy spodziewać się kolejnych testów zwiększających zasięg, odporność i integrację z pojazdami oraz systemami ruchu drogowego.

Źródła

• Electronics and Signal Processing (czasopismo) — „A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code”
• Tokyo Polytechnic University — Graduate School of Engineering (badacze Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — wczesne badania i demonstracje Li-Fi