Tecnología VLC y antecedentes

Hoy en día, hay un número creciente de aplicaciones en escenarios domésticos de las casas, semáforos, hospitales, hoteles, etc – en caso de dispositivos de iluminación basados en LED visibles lámparas se utilizan. Este interés no sólo motivado por razones económicas (como el precio de las lámparas individuales es aún mayor que la de los tradicionales, a pesar de que se está convirtiendo en más y más barato), pero por consideraciones energéticas o ambientales. Estas lámparas combinan muy bajo consumo con una vida útil extremadamente larga, el mantenimiento durante toda su operación de la misma cromaticidad sin cambios significativos. Lámparas de LED pueden ser también utilizados como emisores de comunicaciones sin perder su funcionalidad principal como fuentes de iluminación. Esta técnica (conocida como Comunicaciones luz visible o VLC) no sólo mantener las capacidades inalámbricas habituales de transceptores ópticos (robustez frente a interferencias EM, la ausencia de restricciones de compatibilidad EM y transmisiones seguras como la radiación está confinado por las paredes), pero también es seguro para la vista ( , ya que utiliza longitudes de onda visibles). Además, ya que se utilizan como lámparas, la cantidad de potencia óptica emitida es suficiente para proporcionar una cobertura de transmisión total sobre una habitación de tamaño regular. Así que tenemos una enorme cantidad de COTS de bajo costo (Commercial Off-the-shelf) emisores ópticos disponibles que se pueden utilizar dondequiera que necesitamos para proporcionar iluminación y transmitir datos en forma conjunta.  

En los últimos años, han aparecido soluciones tecnológicas tanto en el diseño de las lámparas de estado sólido (SSL), como en los circuitos receptores ópticos, que los han hecho más asequibles y por tanto competitivos en el mercado de los sistemas de iluminación. Al mismo tiempo la creciente demanda de ancho de banda de conexión crea problemas de saturación en los accesos, manteniéndose también ciertos entornos de trabajo en los que nos es posible, por motivos legales o técnicos, usar tecnologías RF convencionales. En estos nichos de aplicación el uso de sistemas ópticos en espectro visible (VLC, por Visible Light Communications) basados en lámparas convencionales de iluminación puede ser una alternativa interesante para enlaces de datos, como atestiguan las iniciativas industriales en este campo. El uso de comunicaciones VLC ofrece un nuevo canal con gran ancho de banda y sin regulación, que puede combinarse con las alternativas más clásicas (fibra óptica, enlaces PLC, redes inalámbricas, RFID…..) para dar acceso tanto en interiores como en exteriores. En este proyecto se exploran técnicas para la mejora de estos sistemas tanto para redes en exteriores como en interiores, y para el acceso de sistemas de alta velocidad (como redes en broadcasting o accesos de red asimétricos) como para múltiples accesos asíncronos de baja velocidad, como los que se usan en redes de sensores.  

Esto se combina por el ya mencionado interés en el empleo de lámparas LED como fuente de iluminación, tanto por su larga vida útil como por su menor consumo eléctrico (debida a la eficiente conversión electro‐óptica de este tipo de materiales). La idea de usar sistemas de iluminación como fuente de comunicación no es nueva, sin embargo, hasta la llegada de estas lámparas LED (también conocidas como lámparas de estado sólido o Solid‐State Lighting‐SSL) los anchos de banda disponibles no eran suficientes para un enlace práctico. Este tipo de lámparas presentan algunas características que los hacen muy interesante para su uso en entornos donde se hace un uso intensivo de la iluminación artificial:  

Una vida útil por lámpara que se mide, al menos, en años (muchas veces los fabricantes ofrecen incluso una garantía de tiempo de uso ilimitada)  

La luz que producen es en gran medida uniforme, no produciéndose cambios de intensidad ni color de luz emitida a lo largo de su vida útil  

El consumo por lámpara es al menos un orden de magnitud más bajo que el de las lámparas incandescentes (incluso de las llamadas de bajo consumo) y mucho menor que las lámparas de gran intensidad (lámparas halógenas, de xenon, etc.)  

Los fabricantes presentan formatos que pueden acoplarse a los puntos de conexión convencionales sin necesidad de revisar ni modificar las instalaciones eléctricas  

Si bien actualmente el precio por lámpara es aún mucho mayor que el de sus alternativas convencionales, este ha venido decayendo de forma acelerada a medida que se ven implantando en nuevas aplicaciones (iluminación de hoteles, señalización urbana….) o se introducen en estándares de uso (faros o intermitentes de vehículos etc.)  

Una premisa a mantener en este desarrollo es que las lámparas deben seguir manteniendo su funcionalidad como sistema de iluminación, esto implica:  

Que el formato de datos debe ser tal que no afecte a la intensidad de luz percibida por el usuario. Adicionalmente debe permitirse introducir técnicas de dimming (e incluso en algunos casos controlar su temperatura de color) sin afectar a la funcionalidad del sistema de comunicaciones.  

Idealmente, el sistema debe funcionar tanto cuando la iluminación está encendida como cuando está apagada, entendiendo como “apagado” emitiendo cerca del nivel de sensibilidad del ojo humano.  

Se han publicado numerosos artículos que describen de forma teórica sus posibles capacidades como emisores en sistemas de comunicaciones (como ejemplos pueden citarse [O’Brien06] [LeMinh07] y [Sylvester07]). Un primer entorno de aplicación (sistemas en interiores) puede verse en la figura siguiente. Se parte de una serie de arrays de LED usados como fuentes de iluminación y comunicaciones y situados en el techo en las paredes. Estos emisores envían señales lumínicas a receptores están situados en una serie de equipos (como pueden ser televisores, ordenadores o terminales móviles). Estos canales de datos pueden ser de alta velocidad (por ejemplo para distribución de video a televisores o como retorno de una cámara de seguridad) o múltiples canales simultáneos de baja velocidad (por ejemplo para conectar sensores domóticos en viviendas u hoteles, o para redes de sensores en general). Finalmente, frente a otras alternativas ópticas que no han alcanzado su desarrollo comercial, los sistemas VLC proporcionan mucha más potencia emitida, seguridad para el usuario y la posibilidad de usar sistemas ya instalados.  

En el estado actual, la emisión luminosa de los LED comerciales ya permite su uso en sistemas de alta luminosidad como faros de vehículos, semáforos o farolas de iluminación. Los dispositivos comerciales emplean dos tecnologías para iluminación:  

LED azul cubierto con un fósforo amarillo  

LED multichip tricolor (RGB), o cuatricolor RGB+ámbar (véase figura 1)  

Ambos sistemas tienen ventajas e inconvenientes. En general, los primeros son más eficientes y sencillos –y baratos–, tanto en su fabricación, como en la circuitería electrónica asociada, aunque adolecen de un espectro de emisión fijo (que algunos consideran como luz “muy fría”). Los segundos ofrecen la posibilidad de crear distintos ambientes luminosos –en tiempo o espacio– y un mayor control sobre su temperatura de color, a costa de una mayor complejidad en su alimentación. Respecto de los esquemas de modulación y codificación, la mayor parte de los sistemas que se están desarrollando usan modulaciones PPM (y de hecho es la opción elegida en el estándar IEEE 802.15.7) o alguna de sus variantes, dado que permite de forma sencilla mantener el nivel de iluminación (encendido o apagado) y es resistente a la ISI producida por la respuesta temporal del fósforo amarillo.