LED-lampor överför stabil data i direkt solljus

Ljus idé: LED-lampor som kommunicerar i solljus

En klar eftermiddag, när det direkta solljuset överstiger 90 000 lux, är ljus vanligtvis fienden för optisk kommunikation. Trots detta har ett litet team vid Tokyo Polytechnic University byggt en fungerande länk för synligt ljus som fortsätter att kommunicera under exakt dessa förhållanden. Genom att kombinera standardhårdvara – en Raspberry Pi och en FPGA som kör anpassad serialiserar-/deserialiserarlogik – med en specialdesignad linjekod kallad 8B13B, demonstrerade forskarna stabil dataöverföring utomhus på upp till 3,48 Mbit/s över cirka tre meter, med paketförlustnivåer i storleksordningen 10⁻⁴–10⁻⁵ för paket på 893 bitar.

Konstruerar signalen för att överleva solljus

Kommunikation via synligt ljus (VLC), som ibland marknadsförs som Li-Fi, har länge lovat trådlösa länkar som integreras i befintlig belysning. Men den verkliga utmaningen utomhus är tvåfaldig: omgivande ljus kan överväldiga fotodetektorerna, och LED-lampors inbyggda elektriska och optiska beteende förvränger de vågformer som används för att koda data. Det nya arbetet angriper dessa problem i både mjukvara och hårdvara. Linjekoden 8B13B som teamet designat använder ett return-to-zero-format och upprätthåller ett balanserat antal logiska ettor och nollor för att undertrycka synligt flimmer och hålla synkroniseringen stabil. Avgörande är att mottagarlogiken fokuserar på de optiska pulsernas stigande flanker snarare än att förlita sig på pulsbredder, vilka är benägna att drabbas av databeroende krympning orsakad av LED-fysik. Denna förändring gör länken robust mot den typ av pulsdistorsion som förstör många prototyper för VLC utomhus.

På den optiska fronten parade forskarna ihop flera fotodioder med ett smalbandigt optiskt filter vid mottagaren för att reducera bredbandsbruset från solljuset. Denna kombination – noggrann kodning, tidsbestämning via stigande flanker och optisk filtrering – gör att en enkel LED-lampa kan fungera som en dataöverförare med medelhög hastighet under förhållanden som tidigare krävde högspecialiserad hårdvara. Alla viktiga elektriska komponenter, inklusive LED-drivkretsen, fotodetektorerna och FPGA-kortet, är kommersiellt tillgängliga, vilket gör experimentet enkelt att reproducera.

Implementeringen blandar billig datorkapacitet med programmerbar logik. En Raspberry Pi genererar dataströmmen och skickar den till FPGA:n via ett standardiserat seriellt gränssnitt (SPI); FPGA:n implementerar SerDes och 8B13B-kodaren/avkodaren i Verilog. Denna arkitektur håller sändaren enkel medan tidskritiska uppgifter flyttas till FPGA:n. Forskarna publicerade även sin källkod för SerDes, vilket sänker tröskeln för andra laboratorier och studentteam att reproducera och bygga vidare på resultatet.

Att publicera både kretsscheman och FPGA-kod är en viktig del i att göra VLC till en tillgänglig, experimentell plattform snarare än en sluten, proprietär teknologi. Det låter akademiska grupper, hobbyister och transportlaboratorier testa scenarier i den verkliga världen snabbt och jämföra metoder utifrån en gemensam baslinje. För en teknik som ofta demonstreras i strikt kontrollerade inomhusmiljöer är öppenhet som denna precis vad fältet behöver för att röra sig mot operativa tester.

Dess plats i det trådlösa landskapet

Höghastighetsdemonstrationer av VLC har funnits under en tid: laboratoriesystem som använder avancerade moduleringsscheman och specialiserade sändare kan nå gigabit-hastigheter per sekund över korta avstånd. Men dessa experiment sker vanligtvis i mörker eller inomhus och förlitar sig på optik och LED-lampor designade specifikt för kommunikation snarare än allmän belysning. Prototypen från Tokyo Polytechnic tar en annan väg: den offrar topphastighet för robusthet, reproducerbarhet och kostnad. Vid 3,48 Mbit/s över några meter är länken långsammare än många Li-Fi-demonstrationer inomhus, men den är anmärkningsvärd för sin stabilitet i direkt solljus.

Synligt ljus har styrkor som kompletterar radio. Det stör inte RF-känslig utrustning, erbjuder ett mycket stort oanvänt spektrum kring synliga våglängder och kan begränsas rumsligt av belysningsstrålen. Det gör VLC tilltalande som en extra kanal för meddelanden mellan fordon och infrastruktur, avlastning av kortdistanssensorer eller informationsfyrar inbyggda i gatubelysning och trafiksignaler. Forskare som modellerar hybridsystem har föreslagit att kombinera VLC med andra band – inklusive terahertz-länkar – så att varje medium täcker det andras svagheter. Dessa hybridmetoder understryker att praktiska implementeringar sannolikt kommer att blanda tekniker snarare än att välja en enda vinnare.

Potentiella användningsområden och praktiska hinder

Teamet vid Tokyo Polytechnic ramar in sitt arbete med intelligenta transportsystem (ITS) i åtanke: trafikljus, gatulyktor eller vägkantshårdvara skulle kunna sända ut korsningsstatus, kameraströmmar eller varningar för döda vinkeln direkt till kameror eller fotodiodmatriser på fordon. En ljusbaserad sändningskanal skulle kunna leverera telemetri med hög precision och låg latens till närliggande mottagare utan att belasta redan överbelastade RF-band. Eftersom prototypen är billig och använder allmänt tillgängliga delar skulle kommuner och biltillverkare kunna testa idén utan infrastrukturprogram för miljonbelopp.

Betydande hinder kvarstår dock. Synligt ljus kräver fri sikt eller nästan fri sikt, så monteringspositioner, skymning från fordon och lobstyrning blir tekniska utmaningar. Väder och atmosfärisk spridning (regn, dimma, damm) dämpar optiska länkar; även om smalbandig filtrering motverkar solljus, eliminerar det inte dimma eller partikelspridning. Upplänken förblir en öppen designfråga: bilar och enheter skulle behöva sändare eller utnyttja andra kanaler (RF, infrarött eller kamerabaserad reflektans) för att skicka tillbaka data. Dessutom kräver skalning till stadstäckande täckning robust multiplexering, adressering och medieåtkomstkontroll, vilket fortfarande är aktiva forskningsområden.

Vägen framåt: optik, modulering och standarder

Det finns tydliga tekniska vägar för att förbättra räckvidd och genomströmning. Optik (linser och koncentratorer) kan öka den mottagna signaleffekten utan att höja sändarens drivström. Avancerad modulering och multiplexering – OFDM, WDM eller spatial multiplexering (MIMO) – kan multiplicera kapaciteten men ökar komplexiteten. Materialforskning på snabbare LED- och OLED-komponenter har redan drivit laboratorielänkar mot gigabit-hastigheter; att kombinera bättre sändare med den typ av robust kodning som används i 8B13B-systemet skulle kunna överbrygga klyftan mellan laboratoriehastighet och tillförlitlighet utomhus. Fälttester som parar ihop prototypens lågkostnadsmetod med optik och fordonsintegration skulle visa om idén kan skalas bortom konceptstadiet.

Lika viktiga är standarder och interoperabilitet. För ITS-användning kommer en ljusbaserad sändningskanal att behöva överenskomna meddelandeformat och säkerhetsorienterade reservrutiner, så att en förlust av den optiska länken inte orsakar farliga feltolkningar. Den reproducerbara inställningen till öppen källkod som teamet antog är en lovande start: den gör det möjligt för konsortier, stadslaboratorier och industripartner att iterera på hårdvara och protokoll tillsammans snarare än att återuppfinna grundläggande byggstenar.

Resultatet från Tokyo Polytechnic är inte ett slutgiltigt svar på trängseln i städernas trådlösa nät eller nätverk för autonoma fordon, men det är ett praktiskt steg mot VLC i verkligheten: ett tydligt beskrivet, reproducerbart kit som överlever solljus och kan byggas av studenter eller ingenjörer med en blygsam budget. Om forskarsamhället anammar den öppna koden och kretsdesignerna kan vi förvänta oss uppföljande tester som pressar räckvidd, robusthet och integration i fordon och trafiksystem under de kommande två åren.

Källor

• Electronics and Signal Processing (tidskrift) — "A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code"
• Tokyo Polytechnic University — Graduate School of Engineering (forskarna Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — tidig Li-Fi-forskning och demonstrationer