Wykorzystanie oświetlenia LED do komunikacji bezprzewodowej

Każda przymocowana na stałe lampa LED mogłaby zostać podłączona do sieci szkieletowej, zapewniając komunikację bezprzewodową do każdego urządzenia w pomieszczeniu bez obciążania i tak już zatłoczonego pasma radiowego. Komunikacja za pomocą światła widzialnego jako nośnika danych (Visible Light Communications) jest obecnie udoskonalana przez przemysł, grupy standaryzacyjne oraz inicjatywy rządowe.

Rys. 1. Podobnie jak w przypadku świateł hamowania informujących kierowcę, że należy się zatrzymać, system VLC mógłby przesyłać taką samą informację do jednostek sterujących silnikiem odpowiedzialnych za unikanie przeszkód. Źródło: Boston University

Stawka jest bardzo wysoka, ponieważ według Strategies Unlimited, wartość rynku oświetlenia z wykorzystaniem LED w roku 2010 przekroczy miliard dolarów, a w roku 2014 - 7,3 mld dol. Oczywiście, priorytetem oświetlenia solid-state jest obniżenie emisji gazów cieplarnianych oraz rachunków za energię elektryczną, ponieważ lampy LED zużywają mniej energii niż dzisiejsze standardowe oświetlenie żarowe i fluorescencyjne.

Jednak bardzo duża wartość rynku była silnym bodźcem do rozwoju aplikacji VLC przez prawie wszystkie główne organizacje badawcze zajmujące się elektroniką. VLC nie ma na celu zastąpienia innych technologii bezprzewodowych, typu Bluetooth, Wi-Fi, WiMax czy LTE, jednak będzie skierowana na nisze, które nie są obecnie w wystarczający sposób wykorzystywane przez komunikację bezprzewodową.

Zaliczają się do nich szpitale i samoloty, w których transmisja radiowa mogłaby zakłócać działanie urządzeń decydujących o ludzkim życiu. Innym obszarem dla VLC są roboty, które mogłyby za pomocą oświetlenia pełniącego funkcję drogowskazu pokonywać korytarze w celu dostarczenia poczty, czy reklamy diodowe, które udostępniałyby dodatkowe informacje w chwili skierowania w ich stronę fotodiody w telefonie komórkowym.

Prace standaryzacyjne

Japończycy powołali stowarzyszenie do prac nad standardem opisującym komunikację VLC, w skład którego weszły m.in. takie firmy, jak Casio, NEC, Panasonic Electric Works, Samsung, Sharp czy NTT Dodomo. Odegrali oni znaczącą rolę w dodaniu do standardu IEEE 802.15 podpunktu ".7", który przyczyni się do wyrównania statusu komunikacji za pomocą światła widzialnego ze statusem fal radiowych oraz podczerwieni.

Rys. 2. Użycie LED jednocześnie do oświetlenia i komunikacji zapewniłoby wszechobecność techniki, z oddzielnymi strumieniami danych dla każdego urządzenia w pomieszczeniu

Komitet pracujący nad specyfikacją 802.15.7 zatwierdził obecny projekt bezprzewodowego standardu VLC na poziomie grupy roboczej, jednak - według Intel Labs - wciąż istnieje wiele kwestii wymagających rozwiązania. Bodźcem do zaangażowania IEEE w VLC jest wszechobecność LED. Technologia oświetlenia jest dostępna, jednak w obliczu rosnącego zainteresowania tym rynkiem przez branżę bezprzewodową, konieczna będzie standaryzacja wzajemnej współpracy trybu oświetlenia i trybu transmisji danych.

Prace nad specyfikacją rozpoczęły się w 2008 roku, a ich koniec spodziewany jest na rok 2011. Według Intel Labs, głównym celem prac nad standardem jest ustalenie najwyższego priorytetu dla oświetlenia, a niższego - dla transmisji danych. Komunikacja VLC jest realizowana za pomocą jedynego bezprzewodowego sygnału widzianego przez ludzkie oko, dlatego nie może być natrętna.

Taki rodzaj transmisji nie byłby odpowiedni w przypadku aplikacji zdalnego sterowania, ponieważ np. podczas oglądania telewizji w przyciemnionym pomieszczeniu niewskazane byłoby emitowanie światła przez pilota. LED używane do komunikacji nie mogą migać, więc VLC musi być przystosowane do regulowanego oświetlenia.

Tam, gdzie nie może Wi-Fi

Oczekuje się, że VLC będzie można wykorzystać w aplikacjach, które będą w sposób bezpieczniejszy i wygodniejszy realizowane za pomocą światła widzialnego niż poprzez Wi-Fi czy podczerwień. Na przykład działanie Wi-Fi może być utrudnione przez zakłócenia pochodzące od urządzeń radiowych znajdujących się w pobliżu, podczas gdy światło widzialne nie powoduje wielu problemów interferencyjnych - sąsiednie wiązki mogą nakładać się na siebie, dopóki ich lokalizacje docelowe są różne.

Rys. 3. Wykorzystanie LED do komunikacji mogłoby zmniejszyć liczbę kolizji naziemnych, jako że diody mogą zapewnić dodatkową sygnalizację wśród infrastruktury lotniska, pojazdów naziemnych oraz samolotów

Ze względów bezpieczeństwa użycie komunikacji RF jest zakazane w niektórych miejscach, takich jak szpitale czy samoloty. W tych obszarach VLC jest logiczną alternatywą, ponieważ oświetlenie za pomocą LED będzie już niebawem powszechne, a VLC nie zakłóci krytycznych sygnałów systemu i będzie charakteryzować się wysoką wydajnością. Według Intel Labs, komunikacja z wykorzystaniem światła widzialnego przyczyni się do powstania szerokiego spektrum nowych aplikacji.

Przykładem może być inteligentna reklama LED, która - po skierowaniu w jej stronę fotodiody telefonu komórkowego - umożliwi pobranie dodatkowych informacji o ofercie. Samsung eksperymentuje z komunikacją VLC w swoich płaskich wyświetlaczach LCD bazujących na LED, tak aby ich użytkownicy mogli pobierać informacje o produktach czy przeglądać strony internetowe. Firma przypuszcza, że komunikacja za pomocą podświetlaczy LCD jest jedną z najlepszych aplikacji dla VLC, ponieważ LCD są i tak zastępowane przez LED.

Grant badawczy

W 2008 roku, gdy IEEE rozpoczęła prace standaryzacyjne, amerykańska National Science Foundation uruchomiła badania nad VLC w ramach projektu Smart Lighting Engineering Research Center (SLERC). Jest to 10-letni program o wartości 18,5 mln dol., w którym bierze udział ponad 30 naukowców z takich uczelni, jak Rensselaer Polytechnic Institute z Nowego Jorku, Boston University oraz University of New Mexico.

Fot. 1. Prototyp lampy opracowany w Boston University

Według naukowców VLC przyczyni się do zwiększenia inteligencji całego systemu oświetleniowego, a przykładowym zastosowaniem może być oświetlenie znajdujące się wewnątrz pomieszczeń, które będzie komunikować się między sobą za pomocą sygnałów świetlnych o małej przepustowości, w celu zapewnienia jednolitego światła o znormalizowanym kolorze.

Badacze chcą też zapewnić możliwość sterowania wszystkimi elementami oświetlenia LED, w tym kolorem, intensywnością, zużyciem mocy, polaryzacją oraz modulacją, co byłoby przydatne w oświetleniu solid-state zapewniającym komunikację VLC do sterowania cyklem całodobowym lub zapewnienia najbardziej zdrowej formy światła dla ustalonej pory dnia. SLERC rozważa również zastosowanie światła widzialnego w biosensoryce, diagnostyce medycznej oraz lecznictwie.

Badacze pracują też nad użyciem VLC do tradycyjnej transmisji danych w miejscach nietypowych, takich jak np. samoloty. VLC zapewnia możliwość oddzielenia równoległych transmisji, poprzez różne wiązki światła lub multipleksowanie różnych częstotliwości światła widzialnego do postaci jednej wiązki. Zatem użycie VLC umożliwiłoby współdzielenie jednego połączenia przez osoby oglądające ten sam film, a oglądanie wielu różnych filmów wymagałoby przesłania oddzielnych strumieni danych do różnych urządzeń.

VLC pozwoliłoby robotom na skuteczne nawigowanie po magazynach fabryk, poprzez sprawdzanie swojej lokalizacji za pośrednictwem umieszczonego wysoko oświetlenia oraz poprzez komunikację między robotami w celu uniknięcia kolizji. W podobny sposób swoje położenie mogłyby ustalać samochody poprzez odczytywanie współrzędnych nadawanych przez sygnalizację świetlną. Ponadto, komunikacja VLC między samochodami mogłaby pomóc w zapobieganiu kolizji i przeciwdziałaniu korkom ulicznym.

Tab. 1. Porównanie komunikacji LED z technologią radiową wewnątrz pomieszczeń. Źródło: Boston University

Prace dotyczą sposobu niezawodnego przesyłania sygnału w sytuacji, w której nie ma bezpośredniego kontaktu w linii prostej między nadajnikiem i odbiornikiem, poprzez wykorzystanie sygnałów odbitych, jednak bez narażania się na intermodulacje. Jak zapewniają przedstawiciele Boston University, w którym stworzono już ponad 40 prototypów testowanych obecnie przez firmy partnerskie, celem jest uczynienie instalacji sieci tak prostą czynnością, jak wkręcenie żarówki. Laboratorium inteligentnego oświetlenia na Boston University przygotowało już kilka demonstracji przedstawiających wykorzystanie diod do jednoczesnego oświetlenia oraz pełnienia funkcji komunikacyjnych.

Grzegorz Michałowski