LED'ler Güneş Işığı Altında Kararlı Veri İletiyor

Parlak bir fikir: Güneş ışığında konuşan LED'ler

Açık bir öğleden sonrasında, doğrudan güneş ışığının 90.000 lüksü aştığı durumlarda, ışık genellikle optik iletişimin düşmanıdır. Buna rağmen, Tokyo Polytechnic University'den küçük bir ekip, tam da bu koşullarda iletişimi sürdüren çalışan bir görünür ışık bağlantısı kurdu. Araştırmacılar; bir Raspberry Pi ve özel bir serileştirici/seri-paralel dönüştürücü (SerDes) mantığı yürüten bir FPGA gibi hazır donanımları, 8B13B adı verilen amaca yönelik tasarlanmış bir hat koduyla birleştirerek, yaklaşık üç metre mesafede, 893 bitlik paketler için 10⁻⁴–10⁻⁵ mertebesinde paket kaybı oranlarıyla, 3,48 Mbit/s'ye kadar kararlı dış mekan veri iletimi gerçekleştirdiler.

Sinyalin güneş ışığında hayatta kalması için mühendislik

Bazen Li‑Fi olarak pazarlanan görünür ışıkla haberleşme (VLC), uzun zamandır aydınlatma üzerinden çalışan kablosuz bağlantılar vaat ediyor. Ancak dış mekandaki asıl zorluk iki yönlüdür: Ortam ışığı fotodedektörleri bastırabilir ve LED'lerin kendine özgü elektriksel ve optik davranışları, verileri kodlamak için kullanılan dalga formlarını bozar. Yeni çalışma, bu sorunları yazılım ve donanım ile ele alıyor. Ekibin tasarladığı 8B13B hat kodu, görünür titremeyi bastırmak ve senkronizasyonu kararlı tutmak için sıfıra dönüş (return‑to‑zero) formatını kullanıyor ve dengeli sayıda mantıksal bir ve sıfır sağlıyor. Kritik olarak, alıcı mantığı, LED fiziğinin neden olduğu verilere bağlı daralmaya meyilli olan darbe genişliklerine dayanmak yerine, optik darbelerin yükselen kenarlarına odaklanıyor. Bu değişim, bağlantıyı birçok dış mekan VLC prototipini devre dışı bırakan darbe bozulmalarına karşı dayanıklı hale getiriyor.

Optik cephede araştırmacılar, güneş ışığından kaynaklanan geniş bantlı gürültüyü azaltmak için alıcıda birden fazla fotodiyodu dar bantlı bir optik filtre ile eşleştirdiler. Dikkatli kodlama, yükselen kenar zamanlaması ve optik filtrelemeden oluşan bu kombinasyon, basit bir LED lambanın daha önce son derece özel donanım gerektiren koşullarda orta hızlı bir veri vericisi olarak görev yapmasını sağlıyor. LED sürücüsü, fotodedektörler ve FPGA kartı dahil tüm temel elektriksel bileşenler ticari olarak temin edilebilir durumdadır, bu da deneyi yeniden üretmeyi kolaylaştırmaktadır.

Uygulama, ucuz bilgi işlem ve programlanabilir mantığı harmanlıyor. Bir Raspberry Pi veri akışını oluşturur ve bunu standart bir seri çevresel arayüz (SPI) üzerinden FPGA'ya gönderir; FPGA ise SerDes ve 8B13B kodlayıcıyı/kod çözücüyü Verilog'da uygular. Bu mimari, vericiyi basit tutarken zamanlamaya duyarlı görevleri FPGA'ya aktarır. Araştırmacılar ayrıca SerDes kaynak kodlarını da yayınlayarak diğer laboratuvarların ve öğrenci ekiplerinin sonucu yeniden üretmeleri ve üzerine bir şeyler inşa etmeleri için bariyeri düşürdüler.

Hem devre şemalarının hem de FPGA kodunun yayınlanması, VLC'yi kapalı ve tescilli bir teknolojiden ziyade erişilebilir, deneysel bir platform haline getirmenin önemli bir parçasıdır. Bu, akademik grupların, hobi sahiplerinin ve ulaşım laboratuvarlarının gerçek dünya senaryolarını hızlı bir şekilde test etmelerine ve yaklaşımları ortak bir temel üzerinde karşılaştırmalarına olanak tanır. Genellikle sıkı bir şekilde kontrol edilen kapalı ortamlarda sergilenen bir teknoloji için bu tür bir açıklık, alanın operasyonel denemelere doğru ilerlemesi için tam da ihtiyaç duyduğu şeydir.

Kablosuz iletişim dünyasındaki yeri

Yüksek hızlı VLC gösterimleri bir süredir mevcuttur: Gelişmiş modülasyon şemaları ve özel yayıcılar kullanan laboratuvar sistemleri, kısa mesafelerde saniyede gigabit hızlarına çıkabilir. Ancak bu deneyler genellikle karanlıkta veya iç mekanlarda gerçekleşir ve genel aydınlatmadan ziyade özellikle iletişim için tasarlanmış optiklere ve LED'lere dayanır. Tokyo Polytechnic prototipi farklı bir yol izliyor: Dayanıklılık, yeniden üretilebilirlik ve maliyet için en üst hızdan feragat ediyor. Birkaç metre mesafede 3,48 Mbit/s hızındaki bu bağlantı, birçok iç mekan Li‑Fi demosundan daha yavaştır ancak doğrudan güneş ışığı altındaki kararlılığıyla dikkat çekicidir.

Görünür ışık, radyoya göre tamamlayıcı güçlere sahiptir. RF'ye duyarlı ekipmanlarla etkileşime girmez, görünür dalga boyları çevresinde çok büyük bir kullanılmamış spektrum sunar ve aydınlatma huzmesi ile mekansal olarak sınırlandırılabilir. Bu, VLC'yi araçtan altyapıya mesajlaşma, kısa menzilli sensör veri aktarımı veya sokak lambaları ile trafik sinyallerine gömülü bilgi işaretçileri (beacon) için cazip bir ek kanal haline getirir. Hibrit sistemleri modelleyen araştırmacılar, her bir ortamın diğerinin zayıf yönlerini kapatması için VLC'yi terahertz bağlantıları da dahil olmak üzere diğer bantlarla birleştirmeyi önermişlerdir. Bu hibrit yaklaşımlar, pratik uygulamaların tek bir kazanan seçmek yerine muhtemelen teknolojileri harmanlayacağını vurguluyor.

Potansiyel kullanım durumları ve pratik engeller

Tokyo Polytechnic ekibi, çalışmalarını akıllı ulaşım sistemlerini (ITS) göz önünde bulundurarak çerçeveliyor: Trafik ışıkları, sokak lambaları veya yol kenarı birimleri; kavşak durumunu, kamera görüntülerini veya kör nokta uyarılarını doğrudan araçlardaki kameralara veya fotodiyot dizilerine yayınlayabilir. Işık tabanlı bir yayın kanalı, kalabalık RF bantlarını işgal etmeden yakındaki alıcılara yüksek doğruluklu, düşük gecikmeli telemetri sağlayabilir. Prototip ucuz olduğu ve yaygın olarak bulunan parçaları kullandığı için belediyeler ve otomobil üreticileri, milyonlarca avroluk altyapı programlarına gerek kalmadan bu fikri deneyebilirler.

Ancak önemli engeller devam ediyor. Görünür ışık, görüş hattı veya görüş hattına yakınlık gerektirir, bu nedenle montaj konumları, araç engellemesi ve ışın yönlendirme mühendislik sorunları haline gelir. Hava durumu ve atmosferik saçılma (yağmur, sis, toz) optik bağlantıları zayıflatır; dar bantlı filtreleme güneş ışığına karşı koysa da sis veya partikül saçılmasını ortadan kaldırmaz. Veri gönderme (uplink) konusu hala açık bir tasarım sorusu olarak duruyor: Araçların ve cihazların veriyi geri göndermek için vericilere ihtiyacı olacaktır veya diğer kanallardan (RF, kızılötesi veya kamera tabanlı yansıma) yararlanması gerekecektir. Şehir çapında kapsama alanına ulaşmak ise hala aktif araştırma konuları olan sağlam çoklama, adresleme ve ortama erişim kontrolü gerektirir.

İleriye dönük yollar: optik, modülasyon ve standartlar

Menzili ve veri hızını artırmak için net teknik yollar mevcuttur. Optikler (lensler ve yoğunlaştırıcılar), yayıcı sürücü akımlarını artırmadan alınan sinyal gücünü artırabilir. Gelişmiş modülasyon ve çoklama—OFDM, WDM veya uzamsal çoklama (MIMO)—kapasiteyi katlayabilir ancak karmaşıklık ekler. Daha hızlı LED'ler ve OLED'ler üzerine yapılan malzeme çalışmaları laboratuvar bağlantılarını gigabit hızlarına çoktan yaklaştırdı; daha iyi yayıcıları 8B13B sisteminde kullanılan türden sağlam kodlama ile birleştirmek, laboratuvar hızı ile dış mekan güvenilirliği arasındaki boşluğu kapatabilir. Prototipin düşük maliyetli yaklaşımını optiklerle ve araç entegrasyonuyla birleştiren saha testleri, fikrin kavram kanıtlama aşamasının ötesine geçip geçemeyeceğini gösterecektir.

Standartlar ve birlikte çalışabilirlik de aynı derecede önemlidir. ITS kullanımları için, ışık tabanlı bir yayın kanalının, optik bağlantı kaybının tehlikeli yanlış yorumlamalara neden olmaması için üzerinde anlaşmaya varılmış mesaj formatlarına ve güvenlik odaklı yük devretme davranışlarına ihtiyacı olacaktır. Ekibin benimsediği yeniden üretilebilir, açık kaynaklı tutum gelecek vaat eden bir başlangıçtır: Konsorsiyumların, şehir laboratuvarlarının ve endüstri ortaklarının temel yapı taşlarını yeniden icat etmek yerine donanım ve protokoller üzerinde birlikte yineleme yapmalarına olanak tanır.

Tokyo Polytechnic'in sonucu, kentsel kablosuz yoğunluğu veya otonom araç ağ iletişimi için nihai bir cevap değil; ancak güneş ışığında ayakta kalan ve mütevazı bir bütçeyle öğrenciler veya mühendisler tarafından inşa edilebilen, açıkça tanımlanmış, yeniden üretilebilir bir kit olarak gerçek dünya VLC'sine doğru atılmış pratik bir adımdır. Eğer topluluk açık kodu ve devre tasarımlarını benimserse, önümüzdeki iki yıl içinde menzili, dayanıklılığı ve araçlar ile trafik sistemlerine entegrasyonu zorlayan takip testlerini görmeyi bekleyebiliriz.

Kaynaklar

• Electronics and Signal Processing (dergi) — "A study of SerDes logic for visible light communication using 8B13B code"
• Tokyo Polytechnic University — Mühendislik Enstitüsü (araştırmacılar Tokio Yukiya, Nobuo Nishimiya, Takayuki Uchida)
• University of Edinburgh — erken dönem Li‑Fi araştırmaları ve gösterimleri