Технология передачи данных VLC

Обновлено: 02.07.2024

В этом документе проводится всесторонний обзор перспектив внедрения VLC для IoT, исследуются существующие и предлагаемые подходы, реализованные в приложении, и определяются будущие направления исследований в области внедрения. Развернуть

Эта работа исследует с помощью ряда экспериментов по связи в помещении на основе имеющихся в продаже продуктов, как различные условия окружающей среды и режимы использования влияют на производительность системы оптической беспроводной локальной сети с учетом присутствия нескольких пользователей, положения и мобильности мобильного устройства. устройств, хендовер между соседними ячейками и эффект фонового освещения. Развернуть

Симпозиум по приложениям фотоники в астрономии, связи, промышленности и экспериментам по физике высоких энергий (WILGA)

Эта работа посвящена тестированию производительности форматов модуляции QAM с несколькими состояниями при переменной интенсивности дождя и ее влиянию на основные параметры связи (EVM, BER, скорость передачи). Развернуть

Разработан и установлен тренажер KNX для обучения студентов инженерных специальностей системам «умный дом», а также объяснены модули симулятора и программного средства программирования KNX ETS. Развернуть

Система управления освещением, которой можно управлять с помощью речи, которая реализует функцию идентификации в дальней зоне и связи управления, избавляясь при этом от зависимости от мобильных телефонов, а режим управления освещением более гуманизирован. Развернуть

Дается обзор интеллектуальных систем освещения и потенциальных преимуществ, связанных с ними, а также несколько примеров использования, чтобы показать, как интеллектуальное освещение может снизить затраты на электроэнергию и улучшить операционные процессы в промышленных компаниях. Развернуть

Целью данной статьи является представление современного уровня знаний об интеллектуальных системах освещения и выявление потенциала таких систем для производственных и логистических объектов. Развернуть

Новое предложение по прогнозированию курса CO2 и распознаванию занятости в интеллектуальных зданиях в рамках IoT

Новый метод косвенного контроля занятости с использованием CO2, температуры и относительной влажности, измеренных с помощью стандартных рабочих измерений с использованием технологии KNX (Konnex (стандарт EN 50090, ISO/IEC 14543)) для контроля занятости лабораторного помещения в интеллектуальном строительство в рамках Интернета вещей (IoT). Развернуть

Узнайте, что такое коммуникация видимым светом, как она работает и как может облегчить вашу жизнь.

Связь в видимом свете (VLC) – это беспроводной метод, обеспечивающий высокоскоростную передачу данных с помощью видимого света. Эти данные передаются путем модуляции интенсивности света, излучаемого источником света. Сигнал принимается фотодиодным устройством, которое преобразует данные в форму, удобную для чтения и использования конечными пользователями.

Использование видимого света для передачи данных

При обсуждении света это обычно означает весь электромагнитный спектр, который включает в себя все, от гамма-лучей до радиоволн. Человеческий глаз может видеть лишь небольшую часть всего электромагнитного спектра, которую метко называют видимым светом.

Использование видимого света для передачи данных имеет много различных ключевых преимуществ по сравнению с технологиями, использующими радиочастоты. Его самым большим преимуществом является размер всего спектра видимого света, который в 10 000 раз больше, чем весь радиоспектр, который также слишком перегружен из-за его чрезмерного использования. Ожидается, что к 2021 году мобильный трафик вырастет в семь раз, а огромный спектр видимого света, обеспечивающий 300 ТГц безлицензионной полосы пропускания на видимых длинах волн, безусловно, делает VLC жизнеспособным вариантом.

Помимо размера спектра видимого света, свет распространяется со скоростью 186 000 миль в секунду, что намного быстрее, чем 344 метра в секунду, которые распространяются радиоволнами в воздухе. Это означает, что связь с использованием света происходит практически мгновенно, что также делает VLC самым быстрым средством связи среди коммерчески доступных на рынке.

Данные передаются в системах VLC путем модуляции света. На низких скоростях это будет выглядеть как постоянное мерцание света, разбивающее данные на систему единиц и нулей, которые будут преобразованы в расходуемые данные через приемопередатчик. Однако скорость передачи данных сильно зависит от скорости мерцания. По этой причине в качестве основного источника света в системах VLC используются светоизлучающие диоды (LED). Светодиодные лампы — это полупроводники, поэтому они способны справляться со сверхбыстрой модуляцией света, происходящей со скоростью, неразличимой человеческим глазом.

Подпишитесь на нашу новостную рассылку и будьте в курсе всего, что связано с LiFi

Подписывайтесь на обновления новостей LiFi и БЕСПЛАТНО участвуйте в розыгрышах продуктов LiFi.

Характеристики VLC

Есть некоторые характеристики, уникальные для VLC. Эти характеристики включают:

Удержание сигнала

Природа света такова, что он не может проходить сквозь непрозрачные стены. Это упрощает локализацию сигналов в пределах одной комнаты, что повышает уровень безопасности сети.

Вне прямой видимости

Многие считают, что, поскольку системы VLC используют свет, любая блокировка может серьезно затруднить передачу данных. Это определенно не так, поскольку это не зависит от прямой видимости. На самом деле, исследования показали, что они все еще могут выступать в помещениях с серьезными препятствиями.

Безопасность в опасных средах

VLC можно использовать в качестве практической альтернативы для областей, где радиочастотные сигналы воспринимаются как опасные. Помимо использования нерадиочастотной технологии для доставки данных, источник света, используемый в этих системах, излучает низкую энергию, что обеспечивает их безопасное использование. К таким «опасным» средам относятся больницы, самолеты или шахты.

Архитектура систем VLC

В системах VLC есть две неотъемлемые части: передатчик и приемник. Эти части состоят из трех общих уровней: физического уровня, уровня MAC и прикладного уровня. В рамках данного обсуждения для простоты будут обсуждаться только два слоя.

Передатчик

Передатчики VLC в основном означают источник света. Развитие светодиодного освещения сделало эту технологию возможной и сделало твердотельное освещение — освещение, в котором не используются нити накала, плазма или газ. Это связано с тем, что светодиоды намного превосходят лампы накаливания и люминесцентные источники света с точки зрения надежности, потребляемой мощности и светоотдачи. Эффективность светодиодов, а также излучаемый ими белый свет и преобразователи длины волны делают светодиоды лучшим выбором для источника света VLC.

Существует множество различных спектров, в которых белый свет создается светодиодным светом. Наиболее часто используемый метод получения белого света — трехцветный (красный, зеленый и синий), более известный как RGB. Их преимущество заключается в том, что они могут обеспечивать высокую пропускную способность, обеспечивая более высокие скорости передачи данных. Однако они очень сложны и их трудно модулировать. Другими методами генерации белого света являются дихроматический (синий и желтый) и тетрахроматический (синий, голубой, зеленый и красный) цвета.

Получатель

Приемники для систем VLC обычно состоят из оптического фильтра, оптических концентраторов и схемы усиления. Свет излучается передатчиком VCL для передачи данных. Однако этот свет обычно слаб из-за расходимости луча, поскольку светодиоды обычно освещают большие пространства. Этот более слабый сигнал улавливается оптическим концентратором и усиливает сигнал. Затем сигнал обнаруживается и улавливается фотодиодом, который преобразуется в фототок. В системах VLC используются кремниевые фотодиоды, PIN-диоды и лавинные фотодиоды.

Метаморворкс / Getty Images

Системы связи в видимом свете (VLC) являются альтернативой беспроводным сетям на основе радиоканалов и служат двойной цели: они обеспечивают освещение внутри зданий и используют световые волны для передачи данных. VLC использует модулированный свет в качестве носителя данных, а свет обеспечивает видимый спектр.

Использование VLC для передачи данных имеет некоторые преимущества. Он предлагает достойную пропускную способность; он обеспечивает безопасность, поскольку стены, полы и крыши блокируют длины волн, передающих данные, что снижает риск подслушивания; и он недорогой, так как его просто встраивают в осветительные приборы или, в новых разработках, встраивают в дисплеи и другие поверхности.

На сегодняшний день в устройствах VLC обычно используются светоизлучающие диоды (LED), главным образом потому, что светодиоды являются мощными источниками света. Однако теперь некоторые исследователи считают, что органический вариант светодиода, OLED, был бы лучшим вариантом. OLED дешевле и их легче распространять. Например, их можно распылять или наносить с помощью струйной технологии.

По данным британского Университета Ньюкасла, двухточечные соединения с использованием устройств, сделанных из органического вещества, могут решить некоторые проблемы устойчивого развития.

Индустрия высоких технологий уже давно задалась вопросом, как поощрять и делать экономичной переработку трудно ломаемой традиционной электроники. Например, светодиоды полны тяжелых металлов. Все более быстрые обновления жизненного цикла усугубляют проблемы, и по мере расширения развертывания Интернета вещей эти вопросы могут стать еще более актуальными.

OLED-дисплеи могли бы стать решением, но скорость передачи данных не была такой высокой — они не такие мощные. Исследователи из Университета Ньюкасла считают, что новый тип OLED может обеспечить более высокую скорость передачи данных, необходимую в коммуникационной сети IoT, управляемой VLC.Примечательно, что OLED-дисплеи будут экологически безопасными, поскольку они являются натуральными, органическими и не содержат вредных для окружающей среды тяжелых металлов.

Скорости OLED-дисплеев достигают около 10 Мбит/с благодаря дополнительным алгоритмам выравнивания и мультиплексированию с разделением по длине волны, в то время как экологически небезопасные светодиоды обеспечивают скорость 35 Гбит/с. Выравнивание – это процесс, при котором энергия определенной полосы увеличивается или уменьшается, чтобы выровнять ситуацию и улучшить скорость передачи данных и пропускную способность.

OLED-дисплеи Университета Ньюкасла обеспечивают скорость 2,2 Мбит/с, что достаточно для многих типов датчиков Интернета вещей. Примечательно, что технология выполняет передачи без энергоемкого и громоздкого процесса выравнивания. Исследователи из университета заявили, что они используют новые методы модуляции информации, которые они разработали сами для OLED-дисплеев из диапазона от красного до ближнего инфракрасного (NIR).

"В последние годы растущий спрос на более высокие скорости передачи данных сместил внимание исследователей с радиотехнологий с ограниченной полосой пропускания на системы оптической беспроводной связи, которые предлагают "практически" неограниченную полосу пропускания", — говорится в пресс-релизе исследователей. .

По словам ученых, одним из возможных вариантов использования является биозондирование, при котором датчики Интернета вещей имплантируются для активного медицинского мониторинга в режиме реального времени. Органические, полимерные устройства также могут легко оказаться в каналах доступа 5G на основе VLC и двухточечной связи для технологии отображения, предполагают команды в статье, опубликованной в журнале Nature's Light: Science and Applications.

«… использование органических светоизлучающих диодов (OLED) представляет собой достойную альтернативу, которая привлекает значительное внимание VLC», — пишет команда.

"Это самые высокие показатели, когда-либо зарегистрированные для онлайн-ссылок VLC без выравнивания на основе OLED-дисплеев, обработанных раствором", – утверждают исследователи.

Присоединяйтесь к сообществам Network World на Facebook и LinkedIn, чтобы комментировать самые важные темы.

Патрик Нельсон был редактором и издателем профессионального издания о музыкальной индустрии Producer Report, а также писал статьи для ряда блогов, посвященных технологиям. Нельсон написал культовый роман «Разрастание».

Общение — одна из важнейших основ Интернета вещей. Хотя некоторые передовые технологии, такие как 5G, значительно расширили возможности периферийных вычислений, электромагнитные помехи и загрязнение окружающей среды делают их непрактичными во многих средах. Связь в видимом свете (VLC) — это новый тип технологии беспроводной связи с привлекательными преимуществами, которых нет в радиосвязи. VLC позволяет лампе или другому источнику света не только служить источником света, но и одновременно передавать данные. Хотя традиционные технологии мультиплексирования VLC позволяют достичь высокой скорости передачи данных, они требуют, чтобы все приемники использовали одни и те же средства модуляции. Во многих сценариях сосуществуют приемники различных типов; включение нескольких отправителей для реализации адаптивного распространения контента в службах по требованию обходится дорого. В этой статье мы предлагаем новый тип системы мультиплексирования VLC, которая реализует передачу данных по конечному фронту посредством позиционно-импульсной модуляции (PPM), широтно-импульсной модуляции (PWM) и амплитудно-импульсной модуляции (PAM) одновременно. Таким образом, один пограничный сервер может без помех обслуживать несколько типов конечных пользователей. Чтобы оценить производительность системы, мы проводим эксперименты с различными настройками расстояния связи, угла связи и различных условий освещения окружающей среды. Для трех видов модуляции предлагаемая система может обеспечить скорость передачи в три раза выше, чем для одной модуляции, и достичь уровня точности до 99% в пределах надлежащего диапазона связи.

1. Введение

Наряду с невероятным ростом числа мобильных устройств в Интернете вещей (IoT) и взрывным ростом спроса на энергоемкие и ресурсоемкие приложения, такие как онлайн-покупки [1], потоковое видео [2], обработка данных [3 ], совместное использование данных [4] и связь космос-воздух-земля [5], пограничные вычисления с множественным доступом демонстрируют возможность предоставления инфраструктуры, платформы и программного обеспечения в качестве услуги для конечных пользователей с пограничных серверов с фиксированной или беспроводной сетью. связь [6]. Во многих случаях пограничному серверу может потребоваться одновременное обслуживание нескольких конечных пользователей, где перегрузка и задержка могут быть очень высокими из-за проблемы нехватки спектра беспроводной связи. Только расширение ресурсов спектра не может эффективно решить проблему передачи данных на конечной границе [7]. Таким образом, чтобы уменьшить задержку беспроводной передачи между конечными пользователями и пограничными серверами, будущая беспроводная связь с различными технологиями радиодоступа, транспортными линиями передачи и сегментами сети оценивается в зарождающейся парадигме граничных вычислений [8].

В отличие от появляющейся системы радиосвязи, которая требует сложной обработки сигналов и средств измерения спектра [9], связь видимым светом (VLC) использует недорогие, энергосберегающие и эффективные светодиоды (LED) для кодирования. данные в высокочастотные изменения интенсивности света, которые не воспринимаются человеческим глазом [10]. Различные оптические датчики (фотодиоды) могут демодулировать данные, отслеживая изменение интенсивности света. Во многих случаях для реализации передачи данных на основе освещения можно использовать готовое оборудование [11]. VLC работает в нерегулируемом диапазоне спектра, а полоса пропускания в 10 4 раз превышает RF [12]. Кроме того, он свободен от электромагнитных помех и загрязнения; поэтому его можно применять в чувствительной к электромагнетизму среде, например, внутри самолетов, больниц и научного оборудования. Еще одним важным преимуществом VLC является возможность обеспечить лучшую безопасность и конфиденциальность в некоторых сценариях, поскольку свет не может проникать через стены и требует прямой видимости контакта с приемником [13]. По этим причинам VLC может предоставить возможности связи между конечными пользователями и пограничными серверами, которые характеризуются малой задержкой, низкой стоимостью, хорошей масштабируемостью и защитой конфиденциальности.

Экземпляры связи «один ко многим» очень распространены в периферийных вычислениях, таких как службы задач для конкретных пользователей и персонализированная доставка информации [14]. В таком сценарии мультиплексирование, которое относится к использованию среды передачи для достижения многоканальной передачи сигналов, такой как MIMO [15] (множество входов и выходов), может улучшить использование канала и обеспечить связь в пакетном режиме [16]. ]. В системах VLC распространенные технологии мультиплексирования включают WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны), SDM (мультиплексирование с пространственным разделением), TDM (мультиплексирование с временным разделением) и FDM (мультиплексирование с частотным разделением) [17]. WDM и SDM должны использовать несколько светодиодов в качестве передатчиков для формирования системы MIMO. TDM снизит скорость передачи при тех же аппаратных условиях. FDM очень сложно реализовать, а аппаратное оборудование дороже, что не подходит для простой передачи текстовых данных. Скорость передачи этих очень сложных VLC-устройств может достигать Гбит/с, но пока ни одно из них не введено в эксплуатацию. Поэтому наша цель — использовать один светодиод и существующее недорогое оборудование для разработки простой мультиплексной системы передачи данных VLC и повышения пропускной способности системы, когда несколько конечных пользователей совместно используют канал связи.

В этой статье мы предлагаем мультиплексную систему передачи данных, основанную на позиционно-импульсной модуляции (PPM) [18], широтно-импульсной модуляции (PWM) [19] и амплитудно-импульсной модуляции (PAM) [20]. Основная идея состоит в том, чтобы использовать эти три метода модуляции для кодирования трех групп данных соответственно, затем объединять три сигнала в один сигнал и отправлять поток данных через один светодиод одновременно трем категориям конечных пользователей. Каждый конечный пользователь использует свое правило демодуляции для получения информации о своих данных с перекрытием по времени. Это очень полезно во многих сценариях, особенно в динамической среде, где конечные пользователи часто приходят и уходят. Они могут ожидать различного содержания сообщений в зависимости от группы, к которой они принадлежат. Объединив несколько методов модуляции в один сигнал, отправитель может транслировать различное содержимое разным конечным пользователям одновременно без помех.

Например, предлагаемая система VLC может быть развернута в автомобильной среде, где мобильность является основной проблемой в автомобильных граничных вычислениях [21, 22]. Свободное место в частотном спектре для всех нормальных спецификаций связи очень полно. Поэтому при использовании беспроводной радиосвязи для передачи информации могут возникать помехи от других беспроводных сигналов, что может привести к дорожно-транспортному происшествию для транспортных средств. Как видно из рисунка 1, три автомобиля имеют перекрывающуюся дальность связи (показаны разными цветами), что может привести к конфликтам. Если необходимо передать персонализированную информацию, время необходимо разделить на небольшие интервалы. Поэтому важно использовать новые технологии, чтобы этого не произошло. Кроме того, система мультиплексирования VLC обеспечивает лучшую и дешевую конфиденциальность, поскольку каждая группа пользователей использует свою схему кодирования. Что касается беспроводного мультиплексирования, применение разных ключей шифрования является распространенным решением. Предлагаемая система VLC подходит для этой задачи. Кроме того, он энергоэффективен, поскольку основан на светодиодах, и очень полезен для человека, поскольку изменение освещения незаметно для глаз.

Остальная часть статьи организована следующим образом. Сначала мы кратко представим последние публикации о передаче данных в граничных вычислениях и исследованиях, связанных с VLC. Затем мы рисуем общую картину системы в целом.После этого подробно описывается конструкция системы, включая модуляцию, демодуляцию, аппаратную реализацию и кодирование программного обеспечения, а затем результаты экспериментов и анализ производительности. Наконец, мы завершаем документ и предлагаем некоторые открытые вопросы для будущей работы.

2. Похожие работы

2.1. Коммуникации в периферийных и промышленных вычислениях

Коммуникация — это ключевая основа периферийных и промышленных вычислений, с помощью которой должны осуществляться разгрузка задач и передача данных. Для расширения возможностей связи MIMO часто используется в IIoT [23], где установлено несколько антенн. В [24] QoE (качество опыта) архитектуры пограничного облака улучшено путем принятия кодирования на уровне приложений (например, транскодирование, управление скоростью) для соответствия расчетной пропускной способности на нисходящем радиоканале. В системе Edge Computing-Internet of Vehicles рассматриваются две модели связи между пограничными серверами и пользователями, т. е. связь с одним переходом и связь с несколькими переходами [25]. Задачи с транспортных средств пользователей могут быть выгружены на базовые станции 5G для обработки. 5G может обеспечить быструю и надежную передачу данных между базовыми станциями и облачными серверами; однако управление помехами беспроводной связи внутри базовой станции заслуживает дальнейшего изучения, не говоря уже о проблеме безопасности связи для дронов [26]. В другом сценарии, когда сервисные роботы развернуты для здравоохранения, данные собираются от людей и отправляются в облако. Роботы также действуют как пограничные серверы, чтобы облегчить нагрузку на облако, а также уменьшить задержку [27]. Обмен результатами граничных вычислений осуществляется посредством быстрой связи между машинами. Недорогая крупномасштабная связь также очень важна для мобильных граничных вычислений в морском Интернете вещей, где проблемы распределения каналов и распределения мощности являются двумя основными средствами оптимизации политики разгрузки [28]. При быстром росте федеративного обучения в end-edge-cloud оркестре в большинстве случаев может страдать большое количество раундов до конвергенции, что приводит к высоким затратам на связь. В одной из работ [29] предлагаются новые методы сжатия, называемые FedAvg, для повышения эффективности связи.

2.2. Система VLC и мультиплексирование

Первое исследование VLC было инициировано группой под руководством Накагавы из Японии. Они предусмотрели комбинацию VLC и PLC для обеспечения внутренней сетевой связи [30] и сначала изучили экологические характеристики распространения VLC внутри помещений [10]. С тех пор увеличение скорости связи стало основным направлением исследований VLC, включая фильтрацию желтого света [31], разработку сложных схем модуляции (например, CSK [32]) и использование нескольких входов и нескольких выходов для реализации параллельной передачи потока данных. [33]. В настоящее время самая быстрая система связи VLC может достигать скорости 10 Гбит/с.

Профессор Чи Нан из Университета Фудань представил использование нескольких традиционных технологий мультиплексирования в VLC и проверил возможность использования технологии мультиплексирования для повышения пропускной способности системы VLC [12]. Технологии мультиплексирования, которые можно использовать, включают мультиплексирование с разделением по длине волны, мультиплексирование с пространственным разделением, мультиплексирование с поляризацией и мультиплексирование с частотным разделением [12]. Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) относится к использованию видимого света с разными длинами волн в качестве несущих для модуляции сигналов. Для RGB-LED красный, зеленый и синий видимый свет с разными длинами волн можно использовать для модуляции разных сигналов соответственно. Мультиплексирование с пространственным разделением использует несколько передатчиков для отправки данных и несколько приемников для одновременного приема данных, чтобы реализовать параллельную передачу пространственного мультиплексирования. Поляризационное мультиплексирование заключается в модуляции сигнала линейно поляризованного света в различных направлениях с помощью видимого поляризатора и в осуществлении многоканальной параллельной передачи. Мультиплексирование с частотным разделением (FDM) предназначено для реализации многоклиентской параллельной передачи по частоте с использованием сигналов модуляции поднесущей с разными центральными частотами светодиодов. Скорость передачи этих традиционных технологий мультиплексирования может достигать гигабит в секунду.

В настоящее время проводится множество исследований методов модуляции VLC. Мы можем разделить его на две категории: (1) механизм модуляции одной несущей [34], такой как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), амплитудно-импульсная модуляция (ПАМ) и модуляция положения импульса (ППМ); (2) механизм модуляции с несколькими несущими [35], который требует более сложной аппаратной поддержки, такой как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM). В отличие от существующих исследований, мы разработали новую систему мультиплексирования VLC для приложений с низкой скоростью передачи данных и чувствительных к стоимости приложений.

3. Модель системы

Общая схема базовой системы мультиплексирования VLC с перекрытием во времени показана на рисунке 2.Для разных применений светодиоды могут различаться по мощности, и схема драйвера должна быть разработана соответствующим образом. Предлагаемая система связи может поддерживать до трех категорий конечных пользователей в одном направлении. Каждая категория может иметь несколько конечных пользователей. На рисунке каждая категория представлена одним конечным пользователем. Пограничный сервер используется для передачи потока данных на микроконтроллер агента. Микроконтроллер модулирует отправляемые данные, использует модулированный сигнал для управления MOSFET и загружает его в светодиодный источник света. Под управлением МОП-транзистора быстро загорается светодиод, и, наконец, видимый свет передается по каналу связи с распространением данных. На приемном конце быстрое изменение интенсивности светодиода будет фиксироваться фотодиодами. Каждый фотодиод преобразует оптический сигнал, содержащий информацию, в электрический сигнал, а затем использует микроконтроллер, соединенный с фотодиодом, для выборки электрического сигнала, генерируемого фотодиодом. Наконец, каждый конечный пользователь будет обрабатывать данные выборки в соответствии со своим специальным правилом демодуляции, восстанавливая исходную информацию в том виде, в каком она была отправлена.

4. Дизайн системы

Система мультиплексной передачи данных VLC кодирует данные разных категорий, а затем одновременно отправляет данные каждому конечному пользователю в режиме модуляции PPM, PWM и PAM. Каждый конечный пользователь использует разные методы демодуляции для получения своих данных. Каждый конечный пользователь не мешает другому конечному пользователю, не влияет друг на друга и не может извлекать данные, принадлежащие другим конечным пользователям.

4.1. Модель канала

Предположим, что предлагаемая система связи видимого света состоит из светодиодных передатчиков и конечных пользователей. Затем полученный сигнал можно рассматривать как уравнение (1) [36]:

Читайте также: