Implementación y Modelado de Sistemas de Comunicación por Luz Visible (VLC/LiFi)

Motivación para Nuevas Tecnologías de Comunicación Inalámbrica

Limitaciones y Oportunidades

Todas las tecnologías presentan ventajas y desventajas. Las limitaciones actuales, como las interferencias, el ruido y la saturación del espectro RF (debido a la masificación de dispositivos, especialmente con el IoT), abren oportunidades para innovar con nuevas tecnologías como la Comunicación por Luz Visible (VLC).

Historia de la Comunicación Óptica

• Alexander Graham Bell: Inventó el fotófono, el primer dispositivo que utilizó la luz para transmitir sonido.
• Harald Haas: Introdujo el término LiFi, una tecnología que utiliza luz visible para la transmisión de datos.

Tecnologías de Comunicación Óptica Inalámbrica (OWC)

Tipos de OWC

La Comunicación Óptica Inalámbrica (OWC) engloba diversas técnicas que utilizan el espectro óptico para la transmisión de información:

• VLC (Visible Light Communication): Utiliza LEDs como transmisores y fotodiodos como receptores.
• FSO (Free Space Optic): Utiliza láseres como transmisores y fotodiodos como receptores.
• OCC (Optical Camera Communication): Emplea LEDs como transmisores y cámaras como receptores, donde cada color de LED puede funcionar como un canal de transmisión independiente.

Aplicaciones en Entornos

Entornos Exteriores

• FSO (para enlaces punto a punto de alta velocidad).
• V2V (Vehicle-to-Vehicle).
• VLC LiFi.
• OWC Submarina (UWOC).

Entornos Interiores

• Sistemas como IR WSN (Redes de Sensores Inalámbricos Infrarrojos).
• VLP (Visible Light Positioning).
• VLC-IoT.

Ventajas de la Comunicación Basada en LEDs

Velocidad de Transmisión

VLC puede alcanzar velocidades de hasta 224 Gbps, lo que la hace significativamente más rápida que las tecnologías WiFi convencionales.

Interferencia Electromagnética (EM) y Espectro

• VLC no interfiere con las redes WiFi.
• Posee un espectro de frecuencias 10.000 veces mayor que el espectro de radiofrecuencia.

Seguridad

La luz visible no atraviesa paredes, lo que incrementa la seguridad inherente de la comunicación en comparación con WiFi, ya que la señal está confinada al espacio iluminado.

Costos e Infraestructura

Se pueden utilizar las infraestructuras de iluminación LED existentes, reduciendo la necesidad de instalar cableado y antenas adicionales.

Aplicaciones Específicas

• Entornos Médicos: VLC es ideal en hospitales, ya que evita las interferencias electromagnéticas sensibles a equipos médicos.
• Comunicación Submarina: VLC puede propagarse eficientemente en el agua, donde las señales de RF no funcionan bien.
• Aviones: VLC es útil en aeronaves, donde las señales RF están limitadas o restringidas.

Transmisión Óptica en VLC/LiFi

Sistema Básico de Transmisión

Un sistema VLC/LiFi está compuesto fundamentalmente por un transmisor LED y un receptor fotodiodo. Los datos, que generalmente provienen de fuentes como Internet, son controlados mediante un Lamp Driver para modular la intensidad de la luz y evitar daños al LED.

Modulación y Codificación

Para convertir los datos digitales en variaciones de luz, se emplean diversas técnicas de modulación:

• OOK (On-Off Keying): El bit "1" se representa cuando el LED está encendido y el bit "0" cuando está apagado.
• PAM (Pulse Amplitude Modulation) y OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing): Técnicas que mejoran la eficiencia espectral y la velocidad de transmisión.
• Pre-distorsionador: Se utiliza para añadir una distorsión controlada a la señal de entrada, contrarrestando las imperfecciones no lineales de los LEDs.

Conceptos Adicionales de Transmisión

• Pulse Shaping: Técnica utilizada para reducir la Interferencia Inter-Simbólica (ISI).
• DC Biasing: Consiste en añadir una corriente continua (DC) a la señal de corriente alterna (AC) para asegurar que el LED permanezca encendido y responda correctamente a la modulación.

Recepción Óptica en VLC

Componentes del Receptor VLC

El receptor VLC incluye elementos esenciales para la conversión de luz a electricidad, tales como:

• Filtros ópticos.
• Concentradores de luz.
• Fotodiodos (PIN), que transforman la energía lumínica en una señal eléctrica.

Fuentes de Ruido

El rendimiento del receptor puede verse afectado por diversas fuentes de ruido:

• Ruido Térmico: Aumenta proporcionalmente con la frecuencia de operación.
• Ruido de Disparo (Shot Noise): Picos de voltaje generados por la naturaleza cuántica de la luz y la energización de los circuitos.
• Ruido Ambiental: Factores externos como la luz solar o la humedad pueden afectar el rendimiento del sistema.

Optimización de la Recepción

• Concentrador Óptico: Su función principal es enfocar la luz en el área sensible del fotodiodo para optimizar la recepción de la señal.
• Filtros Ópticos: Permiten el paso de ciertas longitudes de onda específicas y su eficiencia depende del ángulo de incidencia de la luz.

Modelo de Canal en VLC

Medios Físicos de Propagación

Medios Alámbricos

Incluyen la fibra óptica, los semiconductores y el cobre.

Medios Inalámbricos

Incluyen el aire, el vacío y el agua. Estos medios suelen presentar una mayor atenuación de la señal que los medios alámbricos.

Configuraciones de Transmisión/Recepción

• LoS (Line of Sight): Transmisión directa sin obstrucciones. Este es el escenario ideal para maximizar la potencia recibida.
• NLoS (Non-Line of Sight): La luz se refleja en superficies (paredes, techos) antes de llegar al receptor. Es la configuración más común en entornos interiores.

Modelo de Propagación LoS

Propagación Directa

La máxima intensidad de luz se logra cuando el ángulo del haz de luz es de 0° respecto a la normal. Cuanto mayor es el ángulo de emisión, más se dispersa la luz y menos concentrada llega al receptor.

Modelo de Detectores de Luz

La eficiencia de los detectores depende directamente del ángulo de incidencia de la luz. Un ángulo de 0° es el ideal para maximizar la recepción de la señal.

Procesamiento de Señales y Recepción

Etapas de Procesamiento

Una vez que la señal óptica ha sido convertida en una señal eléctrica por el fotodiodo, se requiere un procesamiento digital:

• Sincronización y Filtrado: La señal debe sincronizarse para ser muestreada correctamente. Los filtros adaptados son cruciales para eliminar el ruido residual.
• Conversión A/D y Ecualización: La señal se convierte de analógica a digital (A/D) y se aplica la ecualización para reducir la Interferencia Inter-Simbólica (ISI).

Métricas de Recepción

La calidad de la recepción se mide mediante tasas de error:

• BER (Bit Error Rate): Tasa de error de bits.
• SER (Symbol Error Rate): Tasa de error de símbolos.