Светодиоды обеспечивают стабильную передачу данных при солнечном свете

Светлая идея: светодиоды, способные «общаться» при солнечном свете

Ясным днем, когда освещенность прямым солнечным светом превышает 90 000 люкс, свет обычно становится врагом оптической связи. Тем не менее, небольшая группа исследователей из Токийского политехнического университета (Tokyo Polytechnic University) создала работающий канал связи в видимом диапазоне, который продолжает передавать данные именно в таких условиях. Объединив серийное оборудование — Raspberry Pi и FPGA с кастомной логикой сериализатора/десериализатора (SerDes) — и специально разработанный линейный код 8B13B, ученые продемонстрировали стабильную передачу данных на открытом воздухе со скоростью до 3,48 Мбит/с на расстоянии около трех метров, при этом уровень потери пакетов составил порядка 10⁻⁴–10⁻⁵ для 893-битных пакетов.

Разработка сигнала для работы на солнце

Связь по видимому свету (VLC), иногда продвигаемая под названием Li-Fi, давно обещает создание беспроводных каналов, использующих освещение для передачи данных. Но на открытом воздухе возникает двойная проблема: фоновый свет может перегружать фотодетекторы, а внутренняя электрическая и оптическая природа светодиодов искажает форму сигналов, используемых для кодирования данных. Новая работа решает эти проблемы на уровне программного и аппаратного обеспечения. Разработанный командой линейный код 8B13B использует формат с возвратом к нулю и обеспечивает сбалансированное количество логических единиц и нулей для подавления видимого мерцания и поддержания стабильной синхронизации. Что критически важно, логика приемника фокусируется на передних фронтах оптических импульсов, а не полагается на их длительность, которая подвержена сокращению из-за физических особенностей светодиодов. Этот переход делает канал связи устойчивым к искажениям импульсов, которые обычно губят многие прототипы уличных систем VLC.

В оптической части исследователи объединили несколько фотодиодов с узкополосным оптическим фильтром на приемнике, чтобы снизить широкополосный шум от солнечного света. Такое сочетание — тщательное кодирование, синхронизация по переднему фронту и оптическая фильтрация — позволяет обычной светодиодной лампе работать в качестве передатчика данных на умеренной скорости в условиях, которые ранее требовали узкоспециализированного оборудования. Все ключевые электрические компоненты, включая драйвер светодиода, фотодетекторы и плату FPGA, доступны в продаже, что делает эксперимент легко воспроизводимым.

Реализация сочетает в себе недорогие вычислительные мощности и программируемую логику. Raspberry Pi генерирует поток данных и отправляет его на FPGA через стандартный последовательный периферийный интерфейс (SPI); FPGA реализует SerDes и кодер/декодер 8B13B на языке Verilog. Такая архитектура позволяет сохранить простоту передатчика, перекладывая задачи, чувствительные к таймингам, на FPGA. Исследователи также опубликовали исходный код своего SerDes, что снижает барьер для других лабораторий и студенческих команд для воспроизведения и развития результата.

Публикация как принципиальных схем, так и кода для FPGA является важным шагом к тому, чтобы сделать VLC доступной экспериментальной платформой, а не закрытой проприетарной технологией. Это позволяет академическим группам, любителям и транспортным лабораториям быстро тестировать реальные сценарии и сравнивать подходы на общей базе. Для технологии, которую часто демонстрируют в строго контролируемых помещениях, такая открытость — именно то, что нужно отрасли для перехода к эксплуатационным испытаниям.

Место технологии в мире беспроводной связи

Высокоскоростные демонстрации VLC существуют уже некоторое время: лабораторные системы, использующие передовые методы модуляции и специализированные излучатели, могут передавать гигабиты в секунду на короткие расстояния. Но такие эксперименты обычно проводятся в темноте или в помещении и опираются на оптику и светодиоды, разработанные специально для связи, а не для общего освещения. Прототип Токийского политехнического университета выбирает иной путь: он жертвует предельной скоростью ради надежности, воспроизводимости и стоимости. При скорости 3,48 Мбит/с на расстоянии в несколько метров этот канал медленнее многих интерьерных демо-версий Li-Fi, но он примечателен своей стабильностью под прямыми солнечными лучами.

Видимый свет обладает преимуществами, дополняющими радиосвязь. Он не создает помех для чувствительного к радиочастотам оборудования, предлагает огромный неиспользуемый спектр в диапазоне видимых длин волн и может быть пространственно ограничен лучом освещения. Это делает VLC привлекательным дополнительным каналом для передачи сообщений между транспортными средствами и инфраструктурой (V2I), выгрузки данных с датчиков малого радиуса действия или информационных маяков, встроенных в уличные фонари и светофоры. Исследователи, моделирующие гибридные системы, предлагают сочетать VLC с другими диапазонами, включая терагерцевые каналы связи, чтобы каждая среда перекрывала недостатки другой. Такие гибридные подходы подчеркивают, что при практическом внедрении, скорее всего, будет использоваться сочетание технологий, а не какой-то один победитель.

Потенциальные сценарии использования и практические препятствия

Команда Токийского политехнического университета рассматривает свою работу в контексте интеллектуальных транспортных систем (ITS): светофоры, уличные фонари или придорожные блоки могут транслировать состояние перекрестка, видеопотоки или предупреждения о «слепых зонах» непосредственно на камеры или массивы фотодиодов на автомобилях. Широковещательный канал на основе света может доставлять высокоточную телеметрию с низкой задержкой ближайшим приемникам, не занимая перегруженные радиочастотные диапазоны. Поскольку прототип недорог и использует широко доступные детали, муниципалитеты и автопроизводители могли бы опробовать эту идею без многомиллионных инвестиций в инфраструктуру.

Однако остаются значительные препятствия. Для видимого света требуется прямая или почти прямая видимость, поэтому места установки, перекрытие обзора другими транспортными средствами и управление лучом становятся сложными инженерными задачами. Погода и атмосферное рассеяние (дождь, туман, пыль) ослабляют оптические каналы; хотя узкополосная фильтрация противодействует солнечному свету, она не устраняет рассеяние на частицах тумана. Обратный канал (uplink) остается открытым вопросом проектирования: автомобилям и устройствам потребуются передатчики или использование других каналов (РЧ, инфракрасный диапазон или отражение, фиксируемое камерой) для отправки данных обратно. А масштабирование до охвата целого города требует надежного мультиплексирования, адресации и управления доступом к среде, что все еще является предметом активных исследований.

Пути развития: оптика, модуляция и стандарты

Существуют четкие технические пути для увеличения дальности и пропускной способности. Оптика (линзы и концентраторы) может повысить мощность принимаемого сигнала без увеличения тока питания излучателя. Передовые методы модуляции и мультиплексирования — OFDM, WDM или пространственное мультиплексирование (MIMO) — могут многократно увеличить пропускную способность, но добавят сложности. Работы в области материалов для создания более быстрых светодиодов и OLED уже приблизили лабораторные каналы связи к гигабитным скоростям; сочетание улучшенных излучателей с надежным кодированием, подобным системе 8B13B, может сократить разрыв между лабораторными рекордами и надежностью на открытом воздухе. Полевые испытания, объединяющие недорогой подход прототипа с качественной оптикой и интеграцией в транспортные средства, покажут, масштабируется ли идея за пределы доказательства концепции.

Не менее важны стандарты и функциональная совместимость. Для использования в ITS широковещательному каналу на основе света потребуются согласованные форматы сообщений и отказоустойчивые механизмы, ориентированные на безопасность, чтобы потеря оптической связи не привела к опасным ошибкам в интерпретации данных. Подход команды к открытому исходному коду и воспроизводимости — многообещающее начало: это позволяет консорциумам, городским лабораториям и промышленным партнерам совместно совершенствовать оборудование и протоколы, а не изобретать заново базовые элементы.

Результат Токийского политехнического университета не является окончательным решением проблемы загруженности городских беспроводных сетей или сетевого взаимодействия автономных транспортных средств, но это практический шаг к реальному внедрению VLC: четко описанный, воспроизводимый комплект, который выдерживает солнечный свет и может быть собран студентами или инженерами при скромном бюджете. Если сообщество воспользуется открытым кодом и схемами, в ближайшие два года стоит ожидать последующих испытаний, направленных на увеличение дальности, надежности и интеграцию в транспортные и дорожные системы.

Источники

• Electronics and Signal Processing (журнал) — «A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code»
• Токийский политехнический университет — Высшая инженерная школа (исследователи Токио Юкия, Нобуо Нисимия, Такаюки Утида)
• Эдинбургский университет — ранние исследования и демонстрации Li-Fi