CC BY
95
АНАЛИЗ БЕСПРОВОДНЫХ КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В
ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ СВЕТА
Б.А. Швырев1, канд. физ.-мат. наук, главный научный сотрудник Д.А. Тимонов2, аспирант
1ФКУ Научно-исследовательский институт ФСИН России 2Кубанский государственный технологический университет
1(Россия, г. Москва)
2
2(Россия, г. Краснодар)
DOI: 10.24411/2500-1000-2020-10700
Аннотация. Рассматриваются перспективные и быстро развиваемые в настоящее время технологии передачи информации в видимом диапазоне света за счет модуляции светового потока по интенсивности излучаемого светодиодными лампами. Приводится сравнительный анализ перспективной технологии передачи информации посредствам модуляции видимого света VLC, Li-Fi и традиционной технологии Wi-Fi. Отмечается перспективность развития передачи информации в видимом диапазоне света.
Ключевые слова: VLC, Li-Fi, Wi-Fi, светодиод, фотодетектор, модуляция видимого света.
Спектр видимого света. Спектр видимого света является одним из диапазонов спектра электромагнитных волн, ширина полосы которого варьируется от 400 до 700 нм. С каждым годом количество электронных устройств увеличивается. Это приведет к перегруженности беспроводных сетей. Поскольку спектр видимого света намного больше диапазона радиочастот, его можно использовать для связи [1-8].
По мере приближения к правой стороне электромагнитного спектра длина волны сигналов уменьшается. Сигнал с уменьшенной длиной волны имеет ограниченную зону покрытия. По мере увеличения разброса частота ошибок увеличивается. Следовательно, технология VLC предназначена для приложений малого радиуса действия, которые требуют высокой скорости передачи данных.
Покрытие сигнала этой технологии ограничено небольшой географической областью. Данные в технологии VLC передаются с использованием светодиодной лампы. Быстрое переключение светодиодного освещения позволяет передавать данные от отправителя к получателю. Переключение светодиодов не видно невооруженным глазом. Это свойство выделяет светодиоды из других видов ламп. Это
свойство позволяет кодировать данные на стороне отправителя и декодировать на стороне получателя. Так мы можем использовать светодиоды как для освещения, так и для связи. В настоящее время радиочастотный спектр сталкивается с проблемой нехватки пропускной способности.
Поскольку спектр видимого света не имеет лицензии и доступен, его можно использовать в качестве идеальной замены РЧ-волн. Также возможно внедрить методы MAC и схемы множественного доступа в технологию VLC. Это будет способствовать идентификации отправителя с использованием технологии VLC.
Технология VLC. VLC использует белые светодиоды для передачи данных. Обнаруженная интенсивность света преобразуется в электрический сигнал с помощью фотодетектора. Фотодетекторы в VLC используют технику прямого обнаружения.
Передатчик. Данные передаются с использованием светодиодных ламп. Простая модуляция при включении-выключении выполняется до передачи. Это достигается благодаря свойству мерцания светодиодов. При включении-выключении считается, что излучаемый свет содержит двоичные 0 и 1.
Белые светодиоды могут использоваться в качестве модулятора в цепи передат-
чика. Преимущества белого светодиода включают в себя: больший срок службы, высокую яркость и низкое энергопотребление. Светодиоды обеспечивают яркость наряду с передачей данных. Следовательно, это эффективно для внутреннего общения.
Существует два вида светодиодов, обеспечивающих белый свет: светодиоды RGB и светодиоды на основе фосфора. Светодиоды RGB производят три цвета, красный, зеленый и синий, и дают комбинацию белого света в комбинации этих трех источников света.
Приемник. Приемник состоит из фотодиода и схемы для демодуляции принятого сигнала. Контур компаратора можно использовать для регенерации единиц и нулей. Из оптического канала оптический сигнал поступает в приемник VLC. Приемник VLC, используемый здесь, является фотодетектором. Фотодиоды могут быть использованы в качестве фотодетектора. Фотодиод преобразует полученный оптический сигнал в электрический сигнал.
VLC был задуман как метод передачи данных точка-точка - по сути, как замена кабеля. Это привело к ранней деятельности по стандартизации VLC как части IEEE 802.15.7. Этот стандарт, однако, в настоящее время пересматривается, чтобы включить Li-Fi. Li-Fi, напротив, описывает полную систему беспроводной сети. Это включает в себя двунаправленную многопользовательскую связь, то есть двухточечную и многоточечную связь. Li-Fi также включает в себя несколько точек доступа, образующих беспроводную сеть из очень маленьких оптических сот с ровной передачей обслуживания. Это означает, что Li-Fi обеспечивает полную мобильность пользователя и, следовательно, формирует новый уровень в существующих гетерогенных беспроводных сетях. Тот факт, что светодиоды являются естественными формирователями луча, позволяет локально удерживать сигналы Li-Fi, а из-за блокировки сигналов непрозрачными стенками можно эффективно управлять интерференцией по совмещенному каналу и повысить безопасность физического уровня. Разница между Li-Fi и Wi-Fi за-
ключается в том, что Li-Fi использует свет для передачи данных, в то время как Wi-Fi использует электромагнитные волны на радиочастотах для передачи данных. Из-за меньших помех, создаваемых светом, по сравнению с радиоволнами, он используется в более плотных средах.
Li-Fi технология Li-Fi (Light Fidelity) -это двунаправленная, высокоскоростная беспроводная коммуникационная технология. Термин был придуман Харальдом Хаасом. Данный вид передачи данных использует видимый свет в открытом пространстве без волновода, как канал связи (в отличие от радиоволн в Wi-Fi).
В системах Li-Fi используются специфические схемы модуляции. Чтобы предоставить дополнительные возможности для модуляции и определения сигнала в системе Li-Fi можно использовать лампы, оборудованные многоцветными светодио-дами.
Li-Fi может обеспечить одновременный доступ к сети множеству пользователей, так как является широкополосной беспроводной технологией. В технологии Li-Fi может быть реализована схема оптического множественного доступа с пространственным разделением (Space Division Multiple Access, SDMA).
LiFi может быть намного быстрее, чем WiFi, но у него есть некоторые критические ограничения. LiFi был представлен в начале 2013 года. Исследователи из Великобритании смогли передавать данные на скорости до 10 Гбит/с с помощью свето-диодов. Светодиодные лампы обеспечивают стабильную мощность при постоянном токе. Ток может изменить свечение светодиодов. Изготовление ламп LiFi из полупроводникового устройства, позволяет изменить свечение с невероятно высокой скоростью. Затем информация считы-вается фотодетекторами и преобразуется обратно в обычный электрический ток.
Несколько ограничений по Li-Fi:
- Передача данных не может быть использована без источника света. Так это может ограничить зоны и ситуации в которых Li-Fi может быть использована.
- Li-Fi используется в видимом свете, а свет не может проникать сквозь стены,
дальность сигнала ограничена физическими барьерами.
- Другие источники света могут создавать помехи для сигнала.
- Одним из самых больших потенциальных ограничений является перехват сигнала на улице. Солнечный свет будет ограничивать сигналы и в результате прерывается передача данных.
- Для Li-Fi необходимо построить совершенно новую инфраструктуру.
Основные компоненты базовой системы Li-Fi содержат:
1. Белый светодиод высокой яркости, который служит источником передачи.
2. Кремниевый фотодиод с хорошим откликом на видимый свет в качестве приемного элемента.
Архитектура системы LIFI представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Архитектура системы LI-FI
Области применения:
1. Военная промышленность. Покрытие Li-Fi может быть ограничено небольшой освещенной областью, например такой, как палатка. Таким образом, это может ограничивать доступ к конфиденциальной информации при определенных условиях и в тех местах, где мобильные телефоны не могут быть использованы, например, на складах боеприпасов.
2. Подводная связь. Подводное интернет-соединение - это то, что отличает Wi-Fi и Li-Fi. Свет, в отличие от радиосигналов Wi-Fi, может распространяться в воде. Это может в корне изменить способ коммуникации подводных аппаратов.
3. Интернет вещей. Благодаря своей впечатляющей скорости, Li-Fi может оказать огромное влияние на Интернет вещей. Учитывая то, что данные передаются на гораздо более высоком уровне, еще большее число подключенных к интернету
устройств смогут взаимодействовать друг с другом.
4. Информационная безопасность. У Li-Fi радиус действия меньше, чем у Wi-Fi, и поэтому он более безопасен в этом плане. Хотя этот параметр и был учтен в минусах, стоит отметить, что с точки зрения безопасности передачи данных, меньший радиус действия можно рассматривать и как положительную сторону. Это может быть очень полезно в отраслях, которые обрабатывают большое количество конфиденциальных данных, например, в здравоохранении.
Принцип работы системы Li-Fi.
Система содержит: передатчик и приемник. На стороне передатчика данные сначала преобразуются в двоичный код через АЦП, а затем поступают в схему управления светодиодом, которая управляется процессором сигналов. Драйвер светодиода работает на модуляции вклю-
чения-выключения. После этого светодиод данные с использованием компаратора. высокой яркости мигает с высокой скоро- Светодиодные индикаторы будут подклю-стью и передает данные в виде оптических чены к сети, поэтому несколько пользова-импульсов по беспроводному каналу. Со телей могут получать доступ к данным с стороны приемника эти оптические им- помощью одного светодиодного индика-пульсы интерпретируются фотодетекто- тора или переходить от одного светодиод-ром в электрический сигнал, который уси- ного индикатора к другому, не влияя на их ливается трансимпедансным усилителем, а доступ. затем преобразуется обратно в двоичные
Библиографический список
1. Kwon J.K. Inverse source coding for dimming in visible light communications using NRZ-OOK on reliable links // IEEE Photon. Technol. Lett. - 2010, 1 Oct. - Vol. 22 (19). - P. 14551457.
2. Ahn K.-I. Capacity analysis of M-PAM inverse source coding in visible light communications / K.-I. Ahn, J.K. Kwon // IEEE/OSA J. Lightw. Technol. - 2012, 15 May. - Vol. 30 (10). -P. 1399-1404.
3. Comprehensive Summary of Modulation Techniques for LiFi. - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: www.lifi.eng.ed.ac.uk. (дата обращения 22.04.2019).
4. Harald Haas: Wireless data from every light bulb. ted. com.: Archived from the original on 8 June 2017.
5. Barry J.R. Wireless Infrared Communications. - Boston, MA: Kluwer Academic Press, 1994.
6. Toshihiko Komine. Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System using LED Lights / Toshihiko Komine, Masao Nakagawa // IEEE Transactions on Consumer Electronics. - 2004. - Vol. 50, №1.
7. Shamsudheen P. Performance Analysis of Visible Light Communication System for Free Space Optical Com- munication Link / P. Shamsudheen, E. Sureshkumar, Chunkath Job // Procedia Technology. - 2016. - Vol. 24. - P. 827-833.
8. Latif Ullah Khan. Visible light communication: applications, architecture, standardization and research challenges // Digital Communications and Networks. - 2017. - Vol. 3. - P. 78-88.
ANALYSIS OF WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGIES IN THE VISIBLE
LIGHT RANGE
B.A. Shvyrev1, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Chief Researcher D.A. Timonov , Postgraduate
1FKU Research Institute of the Federal penitentiary service of Russia
2
2Kuban State Technological University
1(Russia, Moscow) 2
2(Russia, Krasnodar)
Abstract. We consider promising and rapidly developing technologies for transmitting information in the visible range of light due to the modulation of the light flux by the intensity emitted by LED lamps. A comparative analysis of a promising technology for transmitting information through the modulation of visible light VLC, Li-Fi and traditional Wi-Fi technology is presented. The promising development of the transmission of information in the visible range of light is noted.
Keywords: VLC, Li-Fi, Wi-Fi, LED, photo detector, modulation of visible light.
