Научная статья на тему 'Оценка пропускной способности беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения'

Оценка пропускной способности беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1004
192
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
БЕСПРОВОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ / КОММУНИКАЦИОННАЯ ЛИНИЯ В ВИДИМОМ СВЕТЕ / ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ / СВЕТОДИОДЫ / ТЕХНОЛОГИЯ LI-FI

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Петрусь Иван Павлович, Неволин Дмитрий Германович

Постановка проблемы: оценка влияния различных факторов на пропускную способность каналов связи является необходимой частью процесса разработки и эксплуатации сетей передачи данных. В частности, анализ и нивелирование воздействия источников шумов на беспроводные оптические каналы связи на базе светодиодов видимого излучения позволяет повысить качество передачи данных, а также выявить пути усовершенствования организации сети. Одним из методов оценки пропускной способности является математическое моделирование. Методика: на базе теоремы Шеннона-Хартли разработана математическая модель для расчёта пропускной способности беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения, которая разъясняет, как вычислить полосу пропускания и соотношение сигнала и шума для данных сетей передачи данных. На основании предложенной модели представлены примеры расчётов пропускной способности канала связи, отражены основные источники помех и способ определения их количества, показано влияние этих помех на пропускную способность канала связи при различных конфигурациях локальной сети передачи данных. Результаты: установлено, что в экспериментальных условиях пропускная способность симплексного беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения теоретически может достигать 645,28 Гбит/с (~215 Гбит/с по каждой из трёх полос пропускания) на линии прямой видимости на расстоянии 20 м от источника излучения, при использовании мощной светодиодной лампы в дневное время в помещении, где освещённость соответствует санитарным нормам и правилам. В условиях приближенным к реальным, в офисном помещении использование технологии Li-Fi может позволить обеспечить пропускную способность в 10 Гбит/с на расстоянии до 9 м. Несмотря на то, что, казалось бы, освещённость окружающей среды должна сильно затруднять работу беспроводных оптический сетей передачи данных в видимом свете, сети Li-Fi обладают высокой пропускной способностью, которой они обязаны широкой полосе пропускания (в десятки тысяч раз шире, чем в радиочастотных беспроводных технологиях передачи данных), но, тем не менее, их эффективное использование возможно лишь в качестве локальных сетей передачи данных, либо для организации широковещания. Практическая значимость: результаты исследования опровергают заблуждение о невозможности эффективного использования беспроводных оптических каналов связи на базе светодиодов видимого излучения, отражают потенциал их использования и представляют метод оценки пропускной способности в них.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Петрусь Иван Павлович, Неволин Дмитрий Германович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Оценка пропускной способности беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения»

ОЦЕНКА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ БЕСПРОВОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ НА БАЗЕ СВЕТОДИОДОВ

ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Петрусь Иван Павлович,

Аспирант кафедры "Автоматика, телемеханика и связь" Уральского государственного университета путей сообщения,

г. Екатеринбург, Россия, petrus_ivan@mail.ru

Неволин Дмитрий Германович,

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой "Проектирование

и эксплуатация автомобилей" Уральского государственного университета путей сообщения, г. Екатеринбург, Россия, nevolin@usurt.ru

Ключевые слова: беспроводные оптические сети передачи данных, коммуникационная линия в видимом свете, пропускная способность сетей передачи данных, светодиоды, технология и^.

Постановка проблемы: оценка влияния различных факторов на пропускную способность каналов связи является необходимой частью процесса разработки и эксплуатации сетей передачи данных. В частности, анализ и нивелирование воздействия источников шумов на беспроводные оптические каналы связи на базе светодиодов видимого излучения позволяет повысить качество передачи данных, а также выявить пути усовершенствования организации сети. Одним из методов оценки пропускной способности является математическое моделирование. Методика: на базе теоремы Шеннона-Хартли разработана математическая модель для расчёта пропускной способности беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения, которая разъясняет, как вычислить полосу пропускания и соотношение сигнала и шума для данных сетей передачи данных. На основании предложенной модели представлены примеры расчётов пропускной способности канала связи, отражены основные источники помех и способ определения их количества, показано влияние этих помех на пропускную способность канала связи при различных конфигурациях локальной сети передачи данных. Результаты: установлено, что в экспериментальных условиях пропускная способность симплексного беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения теоретически может достигать 645,28 Гбит/с (~215 Гбит/с по каждой из трёх полос пропускания) на линии прямой видимости на расстоянии 20 м от источника излучения, при использовании мощной светодиодной лампы в дневное время в помещении, где освещённость соответствует санитарным нормам и правилам. В условиях приближенным к реальным, в офисном помещении использование технологии Li-Fi может позволить обеспечить пропускную способность в 10 Гбит/с на расстоянии до 9 м. Несмотря на то, что, казалось бы, освещённость окружающей среды должна сильно затруднять работу беспроводных оптический сетей передачи данных в видимом свете, сети Li-Fi обладают высокой пропускной способностью, которой они обязаны широкой полосе пропускания (в десятки тысяч раз шире, чем в радиочастотных беспроводных технологиях передачи данных), но, тем не менее, их эффективное использование возможно лишь в качестве локальных сетей передачи данных, либо для организации широковещания. Практическая значимость: результаты исследования опровергают заблуждение о невозможности эффективного использования беспроводных оптических каналов связи на базе светодиодов видимого излучения, отражают потенциал их использования и представляют метод оценки пропускной способности в них.

Для цитирования:

Петрусь И.П., Неволин Д.Г. Оценка пропускной способности беспроводного оптического канала связи на базе светодиодов видимого излучения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №3. - С. 56-62.

For citation:

Petrus I.P., Nevolin D.G. Assessment of channel capacity of optical wireless communication channel based on visible light light-emitting diodes. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.3, рр. 56-62. (in Russian)

Введение

Интенсивное развитие технологий беспроводной оптической передачи данных на базе светодиодов видимого излучения, таких как Li-Fi, требует выявления потенциальных возможностей пропускной способности сетей передачи данных, на базе этих технологий, и оценки влияния на канал передачи данных различных помех. Для расчёта пропускной способности данного канала связи, следует использовать теорему Шеннона - Хартли, которая позволяет определить верхнюю границу скорости передачи данных, при наличии гауссовского шума известной мощности и ограниченной мощности сигнала [3].

Вывод математической формулы для расчёта

пропускной способности сетей Li-Fi

Согласно теореме пропускная способность канала С, означающая теоретическую верхнюю границу скорости передачи данных, которые можно передать с данной средней мощностью сигнала S через аналоговый канал связи, подверженный аддитивному белому гауссовскому шуму (АБГШ) мощности N равна (1):

С = ВЛ og,(l + 4),

N

где С — пропускная способность канала, бит/с; В - полоса пропускания канала, Гц; S - полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт; N - полная шумовая мощность над полосой пропускания, Вт; S/N - частное от деления отношения сигнала к его шуму (SNR - signai-to-noise ratio, что в переводе с английского означает «отношение сигнал/шум») на гауссовский шум, выраженное как отношение мощностей [3].

В первую очередь, определим полосу пропускания канала передачи данных. В оптических каналах связи на базе светодиодов видимого излучения используются те светодиодные лампы, в которых получение белого света происходит за счёт смешивания света трёх цветов - синего, зелёного и красного [1]. При этом технология Li-Fi позволяет параллельно по каждому из спектральных каналов передавать данные, поэтому у нас имеются три полосы пропускания Вг, В■( и Bh-, соответствующие синему, зелёному и красному цвету, что повышает общую пропускную способность канала передачи данных [9]. Это можно выразить следующей формулой (2):

В=БС+В3+ВК.

Спекгр видимого света условно делится но цветам следующим образом: 790-680 ТГц фиолетовый свет, 680-620 ТГц синий свет, 620-600 ТГц голубой свет, 600-530 ТГц зелёный свет, 530-510 ТГц жёлтый свет, 510-480 ТГц оранжевый свет, 480-400 ТГц красный свет [5]. Из чего следует, что спектральные диапазоны частот синего, зелёного и красного цвета составляют 60, 70, 80 ТГц соответственно. Подставив эти значения в формулу 2, получим суммарную полосу пропускания (3):

г = 60+70+80 = гшгц.

Теперь гребуется определить соотношение сигнала и шума. Источником сигнала выступает светодиодная лампа.

T-Comm Vol.10. #3-2016

Мощность сигнала 5, то есть данном случае, световая мощность в соответствующем потоке излучения оценивается световым потоком Ф. Светодиодная лампа белого света LR6-10L компании Cree, которая, как заявлено, имеет начальный световой поток 1000 лм [10], близка по параметрам светодиодным лампам, которые использует, лидирующая в производстве оборудования Li-Fi, компания Риге Li-Fi [15], потому для примера за исходное значение светового потока Фи будет взято именно это значение (4):

S0 =ф0 =1000.7.1/,

где Sq - начальная мощность сигнала, Ф0 - начальное значение светового потока, лм.

Основными источниками помех, шумом в беспроводных оптических локальных сетях передачи данных на светодио-дах видимого излучения, является естественное и искусственное освещение, светимость {отражение света поверхностями, в том числе из-за интерференции света), загазованность и запыленность среды передачи данных [6]. Влияние этих шумов можно оценить по уровню освещённости Е. Освещённость численно равна световому потоку, падающему на участок поверхности малой единичной площади (5):

da

где, (т-участок поверхности [2].

Исходное значение светового потока Ф„ может быть выражено в люксах, как единица освещенности, так как 1 лк равен освещённости поверхности площадью 1 м2 при световом потоке падающего на неё излучения, равном 1 лм (6):

£(| = = 1 ОООлк,

где Е() - начальное значение освещённости, лк.

Освещённость прямо пропорциональна силе свеча источника света. При удалении источника света от освещаемой поверхности, её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, согласно закону обратных квадратов [4]. При падении лучей света наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей. I [оэтому, освещённость Е от точечного источника можно измерить по формуле (7):

£=4-cos(0, г'

где / - сила света, кд; г - расстояние до источника света, м; i - угол падения лучей света относительно нормали к поверхности, рад.

Зная исходное значение светового потока можно определить силу света. Из определения силы света известно, что это отношение светового потока к телесному углу, в котором этот поток распределяется [4] (8);

Ф

Со

где со - телесный угол, ср. Также известно, что телесный угол при вершине прямого кругового конуса с углом раствора а равен [14] (9):

со = 2тг ■ (1 — cos(<2)),

г де а — угол раствора конуса, В нашем случае это угол раствора светового конуса, или иными словами - угол рассеивания света. В качестве него в светодиодной светотехнике для оценки силы света в канделах, из-за особенностей светового пучка еветодиодов, принято использовать, так называемый "угол половинной яркости" (beam angle или FWHM (full width at half maximum) — в англоязычной литературе, который зачастую указывается производителем для классификации ламп), подразумевая угол, при котором сила света с вето диода соответствует 50% от его максимальной силы света (а не яркости, потому терминологически на русском языке понятие совершенно не верно). Тем самым, оценивая силу света свегодиода или светодиодной лампы в области его "концентрации", в области светового конуса, что вносит погрешность в расчёты, так как часть света распространяется и за его пределы, потому, при возможности, целесообразно использовать измеренную, а не рассчитанную силу свеча. В итоге, подставляя значения формулы 9 в формулу 8, мы получаем следующую формулу для приблизительного выражения силы света в канделах {10):

N ^ОКР ЕЕСТ + ^ИСК + ^ОТР

/=-

фл

1 ЕСТ

1

L

eos (í/rr ) + ^-COS(/„CA- ) + -^f-С05((„ГД

2Л--(1-С05(«))

При этом, следует учесть, что для источников света, у которых световой поток распространяется равномерно во все стороны, то есть имеющих ламбертовскую диаграмму направленности излучения, телесный угол составляет 4-гг ср. В нашем примере, для более точного расчёта, будет использована измеренная сила с веча выбранной светодиодной лампы, которая составляет 597 кд на линии прямой видимости 112].

Таким образом, можно определить зависимость мощности света передатчика данных Ы-р| в той или иной точке, от расстояния и угла до принимающего оборудования по формуле (11):

4=—'<^(4)

где г„ - расстояние между передатчиком и приемником Ы-р1, м; г'„ - угол падения лучей света относительно нормали передатчика к приемнику ЦгИ, рад; п - номер эксперимента, соответствующей определенным заранее условиям среды передачи данных.

Уровень загазованности и запыленности является не существенным и не может оказать заметного влияния на качество передачи данных но оптическим каналам связи, при соблюдении санитарно-гигиенических условии труда в помещениях, пределы ю-допустимых концентраций пыли и газа в частности. Потому, мощность шума N в данном случае может оцениваться как окружающая освещённость Е(ЖР которая содержит в себе не только естественную ЕЕСт и искусственную Ецск освещённость, ею и светимость объектов, иными словами отражённую освещённость ЕатР, которую принципиально важно включить в формулу для того, чтобы учесть многолучевость за счёт рассеяния света на поверхностях помещения и объектов в нём (12):

где Еокр - освещённость от внешних источников, лк; Еест - освещённость от естественных источников света, лк; ЕцСК - освещённость от искусственных источников света, л к; Еатр - отражённая освещённость, л к; 1ЕСТ - сила света естественных источников света, кд; гЕСт~ расстояние до естественных источников света, м; 1ЕСТ - угол падения лучей естественных источников свеча относительно нормали к поверхности, рад; ¡иск - сила света искусственных источников света, кд; гиск - расстояние до искусственных источников света, м; ¡¡кк - угол падения лучей искусственных источников света относительно нормали к поверхности, рад; 10ТР — сила отражённого света, кд; гОТР - расстояние до источника отражённого света, м; ¡отр - угол падения лучей отражённого света относительно, нормали к поверхности, рад.

Для расчётов в качестве Енск могут быть использованы требуемые значения освещённости различных помещений, которые указаны в санитарных нормах и правилах [7, 8]. Также, согласно изложенным правилам и нормам, расчётное значение средневзвешенного коэффициента отражения внутренних поверхностей помещения следует принимать равным 0,5 [7, 8], что даёт нам основание, в нашем расчёте использовать в качестве отраженной освещённости, разделённое на два значение искусственной освещённости (13):

р _ иск ^отр 2

Таким образом, подставив данные из формулы 2, 11 и 12 в формулу 1, получаем (14):

С(1=(В£. + Я?+ЯА-).1о§2(1 +

! ■ CQS( /„ )

( ^ЕСТ Еиск + k(>Tp ) '

т)-

В нашем примере со светодиодной лампой белого свеча, в учебном кабинете высшего учебного заведения (где согласно нормативам обеспечено искусственное освещение силой 400 кд, и куда проникает естественное освещение силой 100 кд), на расстоянии 20 м по линии прямой видимости от данной лампы, теоретически можно достичь следующей пропускной способности (15):

С - (60+70+80) ■] О12 Tog,(l + = 645,Т&Гбшп / с,

597 ■ cos(0)

(100 + 400 + 200)-400

но в офисе мы бы использовали не столь мощную лампу, а, например, лампу Cree Soft White 40-Watl Replacement со световым потоком в 450 лм и ламбертовской диаграммой направленности света [11], которая даст следующую силу света (16):

/ =

Ф 450

4-я 4-л

= 35,81лт)

T-Comm Том 10. #3-2016

При этом, использовалось бы пе три спектральных капала параллельно, а лишь один канал полосой пропускания порядка 60 ТГц. Также, ноутбук с фотоприёмником может находиться в 3 м от передающей светодиодной лампы, и пе на линии прямой видимости, а на расстоянии в 1,5 м от этой линии, что, примерно, составит угол падения лучей света относительно нормали к поверхности а 30° (при расстоянии в -2,6 м от уровня высоты расположения фотоприёмника до уровня высоты подвеса, на котором находится излучающая лампа). Кроме того, офис может иметь коэффициент отражения внутренних поверхностей помещения равный !, в силу того, что. например, шкафы могут иметь стеклянные дверцы, пол может быть покрыт глянцевым паркетом, а потолок и стены могут быть покрыты светлыми пластиковыми панелями. В таком случае, мы получаем следующую пропускную способность (17):

С=60 ■ 10° • log,(l + 35'8bcOS(3Q) ) • 10"5 = 330, ПГбит / с. - (100 + 400+400)-9

Если соотносить эти расчёты с данными, которые были получены на практике при помощи измерений, то можно отметить, что на аналогичном расстоянии в 3 м удалось достичь агрегированной скорости передачи данных в 224 Гбит/с (37,4 Гбит/с по каждому из шести излучений на различных длинах волн) [12], При этом, свои ограничения на пропускную способность накладывают предельная скорость мерцания светодиодной лампы {то есть та, на которой светодиоды не перегорают) и скорость восприятия данных фотодиодами на принимающей стороне. Следует отметить, что на текущий момент на практике, в оборудовании лидирующей в этой отрасли компании Pure Li-Fi, при дуплексной связи ограничение пропускной способности канала сетей Li-Fi создаёт использование технологии Giga-IR (гигабитное инфракрасное излучение) для обратной связи [6, 15], которая обладает пропускной способностью в 1 Гбит/с [13].

Для оценки качественной оценки оптических сетей передачи данных на базе светодиодов видимого излучения, представим следующие зависимости пропускной способности в виде таблиц и графиков, рассчитанные на примере вышеназванных условий для офисного помещения:

Таблица 1

Зависимость пропускной способности от расстояния меж,1!) передатчиком и приемником Li-Fi

Г, M 3 4 5 6 7 S 9 10 11 12 13 14

С, Гбит/с 330.78 186 22 119.2Î 82.81 60,85 46.59 36,82 29,82 24.65 20,71 17.65 15.22

Г, M 16 17 18 14 20 21 22 23 24 25

с, reirr/c 13.26 11,65 11X32 921 8.26 7.46 6.76 6.16 5.64 5,18 4.77

Таблица 2

Зависимость пропускной способности от силы света передающей светодиодной лампы

Л КД 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

С, Гбит/с 277,20 323.32 369,41 415.47 461.51 507.53 553.52 599.49 645,43 691,35 737,24 783.11

Л кд 90 95 100 105 ПО 115 120 125 130 135 140

С, Гбит/с 828.% 874,78 920,5 В 966,35 ¡012.10 1057.82 1103,52 1149,2(1 1194,85 1240,48 1286.08

C.TSirrt

ыдаш

Рис. 1. Зависимость пропускной способности от расстояния между передатчиком и приемником Ы-Я, при значениях силы света передающей светодиодной лампы 30 кд (С 130), 65 кд (С165), 100 кд (С 100), 140 кд (С! 140)

Таблица 3

Зависимость пропускной способности от полосы пропускании канала

В, ТГи 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 МО 115

с, Гбит/с 330.78 358.35 385.92 413.48 441.05 468,61 496.18 523.74 551.31 578.87 606.44 634.00

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В, ТГц 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170

С Гбит/с 661,57 689,14 716,70 744.27 771,83 799,40 826,96 854.53 882,1*9 909,66 937,22

С. Г&п [ 1000,00

с II

Рис. 2. Зависимость пропускной способности от расстояния между передатчиком и приемником Li-Fi, при значениях полосы пропускания источника сигнала 60 ТГц (СВ60), 95 ТГц (СВ95), 130 ТГц (СВ130), 170 ТГц (СВ170)

клиентских точек непроницаемыми для свеча объектами, или удаление их на определённое расстояние между собой.

Также показано, что па пропускную способность сечей р| наибольшее влияние оказывает расстояние между передач-чиком и приемником излучения, что накладывает на них существенные ограничения по их использованию только в качестве локальных сетей передачи данных. Все остальные рассмотренные факторы имеют прямо пропорциональную зависимость с пропускной способностью беспроводного оптического канала связи. Потому, высокой пропускной способностью сети 1л-К обязаны именно полосе пропускания, которая может быть в десятки тысяч раз шире, чем в радиочастотных беспроводных технологиях передачи данных.

!. Абрамов B.C.. Щербаков Н.В.. Рыжиков И,В., Сушков В,П.. Юиовчч А.Э. Белые светодиоды || С вето диоды и лазеры. 2002. №1-2, С. 25-30.

2. Алексеев Д.М., Балдин A.M., Бонч-Бруевич A.M., Боровик-Романов A.C., Вайнштейн Б.К., Вонсовский C.B., Гапонов-Ррехов A.B., Герштейн С.С., Гуревич И.И., Гусев A.A., Ельяшевич М.А., Жаботинекий М.Е., Зубарев Д.Н., Кадомцев Б.Б., Шапиро И.С., [Цирков Д.В. Физическая энциклопедия / под общ. ред. A.M. Прохорова. - М,: Советская энциклопедия, 1992. - Т. 3. - С, 475.

3. Габидулин Э.М., Пилипчук Н.И. Лекции по теории информации. - М.: МФТИ, 2007. - 214 с.

4. Гуревич ММ. Фотометрия. Теория, методы и приборы, -2-е изд. - JÏ,: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. -272 с.

5. Гуревич М.М. Цвет и его измерение. - M.: - Л.: Изд-во АН СССР.1950.-267 с.

6. Петрусь И.П., Гузенкова Е.А. Аспекты практического использования беспроводной оптической технологии передачи данных // Интернет-журнал «Науковедение». 2014. №2 {21). http://naukovedenie.ru/PDP/85TVN214.pdf (дата обращения: 23.01.2016).

7. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий».

8. СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-!0 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий»».

9. Хаас X., Димитров С. Принципы светодиодных световых коммуникаций: па пути к сетевому Li-Fi. 2015. Cambridge University Press (UK). ISBN: 978-1107049420.

10. Crec LR6-10L Product Specifications. https://www.creelink.com/exLink.asp763710720M65S67I2625S744 (дата обращения: 23.01.2016).

11. Cree Soli White 40-Watt Replacement Data Sheet, ht t p ://c re cb u I b. со m /С о n te n t/do wn I oad к/ p rod u e tin fc/ 7 5 w6 0 w40 w1 Stan dardBulb_DateSheet.pdf (дата обращения: 23.01.2016).

12. Gomez A., Kai Shi, Quintana C., Sato M., Faulkner G., Thomsen B.C., O'Brien D. Beyond 100-Gb/s Indoor Wide Field-of-View Optical Wireless Communications // Photonics Technology Letters, IEEE. Vol, 27, Issue 4. DOMO.l I09/LPT.2014.2374995.

13. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks. Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Liglu (802.15.7-2011). https://siaiidards.ieee.org/fiiidstds/stan-dard/802.15.7-201 l.html (дата обращения: 30.11.2015).

14. Mazonka О. Solid Angle of Conical Surfaces, Polyhedral Cones, and Intersecting Spherical Caps. pp. 2-3. hltp://arxiv.org/abs/l 205.1396 (дата обращения: 29.01.2016).

15. What is Li-Fi? hltp://purelifi.com/wliat_is_li-fi/ (дата обращения: 23.01.2016).

Литератора

COMMUNICATIONS

ASSESSMENT OF CHANNEL CAPACITY OF OPTICAL WIRELESS COMMUNICATION CHANNEL

BASED ON VISIBLE LIGHT LIGHT-EMITTING DIODES

Petrus Ivan Pavlovich, post-graduate student, Department of Automatic, telemechanics and communication, Ural State University

of Railway Transport (USURT), Ekaterinburg, petrus_ivan@mail.ru

Nevolin Dmitriy Germanovin, DSc in Engineering, Professor, Head of the Department "Design and use of cars", Ural State University of Railway Transport (USURT), Ekaterinburg, nevolin@usurt.ru

Abstract

Purpose: Assessment of influence of various factors on the communication channels capacity is necessary part of process of development and operation of data transmission networks. Specifically, analysis and mitigation of the impact of the noise sources in the wireless optical communication channels based on visible light light-emitting diodes allows to increase quality of data transmission, and also to identify ways to improve network organization. One of methods of an assessment of channel capacity is mathematical modeling. Methods: On the basis of the theorem of Shannon - Hartley developed mathematical model to calculate the channel capacity of wireless optical communication channel based on visible light light-emitting diodes which explains how to calculate the bandwidth and signal-to-noise ratio for these data networks. On the basis of the proposed model shows examples of calculations of the channel capacity, reflected the main noise sources and a way of definition of their amount, shows the effect of these noise on channel capacity at various configurations of local data network. Results: It is established that in experimental conditions the channel capacity of a simplex wireless optical communication channel based on visible light light-emitting diodes can theoretically reach 645,28 Gbit/s (~2I5 Gbit/s on each wavelength) on the line of direct visibility at distance of 20 m from a radiation source, when using a powerful light-emitting diodes lamp during the day indoors where illumination complies sanitary standards and rules. In conditions close to real, in office room use of the Li-Fi technology is able to afford to provide channel capacity in 10 Gbit/s at over a distance of up to 9 m. In spite of the fact that, apparently, the illumination of environment should heavily complicate the work of wireless optical data transmission networks in visible light, the Li-Fi networks have a high channel capacity, which they are required to a wide bandwidth (tens of thousands times more widely, than in radio frequency wireless data transmission technologies), but, nevertheless, their effective use is possible only as local area networks, or to arrange multicast. Practical importance: Results of research disprove delusion about impossibility of effective use of wireless optical communication channels based on visible light light-emitting diodes, reflect the potential of their use and present a method for assessing the channel capacity in them.

Keywords: Wireless Optical Local Area Network, Visible Light Communication, Channel Capacity, Light-Emitting Diodes, Li-Fi Technology. References

1. Abramov V.S., Shcherbakov N.V., Ryzhikov I.V., Sushkov V.P., lunovich A.E. White LED. Svetodiody i lazery. 2002, vol. 1-2. pp. 25-30. (In Russian)

2. Alekseev DM., Baldin AM., Bonch-Bruevich AM., Borovik-Romanov A.S., Vainshtein B.K., Vonsovskii S.V., Gaponov-Grekhov A.V., Gershtein S.S., Gurevich I. I., Gusev A.A., Eliashevich M.A., Zhabotinskii M. E., Zubarev D.N., Kadomtsev B. B., Shapiro I.S., Shirkov D. V. Fizicheskaia entsiklo-pediia [Physical Encyclopedia]. Redacted by A. M. Prokhorova. Moskow, Sovetskaia entsiklopediia, 1992, Vol. 3. pp. 475. (In Russian)

3. Gabidulin, E.M., Pilipchuk, N.I. Lektsii po teorii informatsii [Information Theory Lectures]. Moskow, MFTI Publ., 2007. 214 p. (In Russian)

4. Gurevich MM. Fotometriia. Teoriia, metody i pribory [Photometry. Theory, methods and devices]. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1983. 272 p. (In Russian)

5. Gurevich MM. Tsvet i ego izmerenie [Color and his Measurement]. Moskow, Leningrad, AN SSSR Publ., 1950. 267 p. (In Russian)

6. Petrus I.P., Guzenkova E.A. Aspects of Practical Using of Wireless Optical Technology Data Transfer. Internet-zhurnal "Naukovedenie", 2014, vol. 2, no. 21. Available at: http://naukovedenie.ru/PDF/85TVN2I4.pdf (accessed 23 January 2016). (In Russian)

7. Sanitary Rules and Norms 2.2.I/2.I.I.I278-03 "Hygienic Requirements for Natural, Artificial and Combined Coverage of Residential and Public Buildings". (In Russian)

8. Sanitary Rules and Norms 2.2. I/2.1.1.2585-10 "Changes and Additions Vol. I for Sanitary Rules and Norms 2.2. I/2.1.1.1278-03 "Hygienic Requirements for Natural, Artificial and Combined Coverage of Residential and Public Buildings"". (In Russian)

9. Haas H., Dimitrov S. Principles of LED Light Communications: Towards Networked Li-Fi.20I5. Cambridge University Press (UK). ISBN: 978-II07049420.

10. Cree LR6-I0L Product Specifications. Available at: https://www.creelink.com/exLink.aspi637I072OM65S67I26255744 (accessed 23 January 20I6).

I I. Cree Soft White 40-Watt Replacement Data Sheet. Available at: http://creebulb.com/Content/downloads/product_info/ 75w60w40w_StandardBulb_DataSheet.pdf (accessed 23 January 20I6).

12. Gomez A., Kai Shi, Quintana C., Sato M., Faulkner G., Thomsen B.C., O'Brien D. Beyond I00-Gb/s Indoor Wide Field-of-View Optical Wireless Communications / Photonics Technology Letters, IEEE. Vol. 27, Issue 4. DOI:I0.II09/LPT.20I4.2374995.

13. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks. Part I5.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light (802.I5.7-20II). Available at: https://standards.ieee.org/findstds/standard/802.I5.7-20II.html (accessed 23 January 20I6).

14. Mazonka O. Solid Angle of Conical Surfaces, Polyhedral Cones, and Intersecting Spherical Caps. pp. 2-3. http://arxiv.org/abs/I205.I396 (accessed 29 January 20I6).

15. What is Li-Fi? Available at: http://purelifi.com/what_is_li-fi/ (accessed 23 January 20I6).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.