6.2 Comunicaciones entre vehículos
6.2.3 Reflexión en la superficie de la carretera
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como por el día. Las luces largas se utilizan para la visibilidad con distancias largas y sin coches alrededor, ya que deslumbrarían. Las luces de alcance proporcionan una iluminación delantera y lateral mientras minimizan el deslumbramiento de los coches de alrededor. Los faros de cruce proporcionan un patrón asimétrico diseñado para ofrecer la iluminación adecuada evitando el deslumbramiento [135].
La iluminancia E en la superficie de la carretera viene dada por la siguiente expresión:
𝐸 =𝑑𝜙 𝑑𝐴= 𝑑𝜙 𝑑𝜔 𝑑𝜔 𝑑𝐴= 𝐼(𝛼, 𝛽) 𝑑𝜔 𝑑𝐴 = 𝐼(𝛼, 𝛽) 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑟2 , (6–1)
donde dϕ es el flujo luminoso, dA es el área de la superficie de la carretera donde incide la luz, dω es el ángulo sólido, I(α, β) es la intensidad luminosa, r es la distancia entre el transmisor y el área y θ es el ángulo que hay entre la superficie normal a la carretera y la dirección incidente.
6.2.2 Problemas
Los principales problemas causados son la luz solar, la saturación del fotodetector y la distancia de transmisión.
En los sistemas VLC V2V hay dos fuentes de ruido adicionales debido a la luz ambiental. La primera de ellas es la radiación de la luz solar y la otra es la luz artificial, como farolas, otros vehículos, letreros de neón, etc. La luz solar se compone de la radiación directa y dispersa. La radiación directa compone la fuente de ruido dominante, pero hay que tener en cuenta que la intensidad de la radiación solar en la superficie terrestre depende de las condiciones atmosféricas, la hora del día y del periodo del año. La radiación por dispersión no es tan sencilla de modular de acuerdo con el ambiente circundante. La radiación solar se puede considerar como una corriente continua que se puede eliminar sencillamente mediante acoplamiento AC. Sin embargo, el ruido shot inducido por la radiación seguirá siendo la principal fuente de ruido para comunicaciones V2V en sistemas VLC durante el día [133].
La luz artificial induce interferencias de menor intensidad que la luz solar con el espectro de frecuencias en la región de baja frecuencia. Sin embargo, la interferencia provocada por luz artificial es el ruido dominante en estos sistemas durante la noche.
VLC generalmente utiliza modulación IM/DD, pero tiene el inconveniente de que en comunicaciones exteriores durante el día causa problemas de saturación en el fotodetector. Para superar este problema, se utiliza una pantalla de luz y un filtro. El ruido procedente de la luz solar tiene decenas de miles de lux mientras que la luz emitida por el LED tendrá sólo unas decenas de lux. Además el fotodetector está funcionando correctamente en el área del LED. Por lo tanto, el fotodetector quiere detectar la luz de la señal durante el día y para ello opera en la zona de saturación. Para superar el ruido de la luz solar y la saturación del PD, se transmite una señal con frecuencia portadora de 500 kHz, que será recibida y analizada por el dispositivo de espectro de radiofrecuencia [133].
A pesar de la importancia de los problemas anteriores, si la señal no llega al receptor, la señal no se podría reconocer y, por lo tanto, la comunicación sería imposible. Para resolver este problema de reconocimiento se diseña una lente óptica tanto para el transmisor como para el receptor. Para encontrar la distancia óptima que puede haber entre el transmisor y receptor hay que encontrar la posición adecuada de la lente del receptor y la distancia al fotodetector. Aplicando un diseño correcto a las lentes se mejora la distancia de comunicación llegando a alcanzar hasta 20 metros durante el día [135].
6.2.3 Reflexión en la superficie de la carretera
En un escenario V2V VLC, la potencia óptica recibida está generalmente compuesta por enlaces LOS y Non-LOS. Se considera que el patrón de reflexión de la superficie de la carretera es lambertiano. Se asume que m=1, por lo tanto la intensidad radiante reflejada, R(ϕ) se define como [134]:
Aplicaciones VLC 86 86 𝑅(𝜙) = 𝜌𝑐𝑜𝑠𝜙 𝜋 , (6–2)
donde ρ es la reflectividad difusa que depende del material del pavimento y ϕ es el ángulo polar de la dispersión de la luz. La Figura 6-4 muestra un enlace VLC para sistemas V2V, junto con el patrón de luz de cruce en la superficie de la carretera. Con el fin de tener una imagen más clara, sólo están dibujados los rayos emitidos por el foco delantero derecho. Hay que tener en cuenta que el fotodetector recibe la luz de ambos lados.
Como ambos lados tienen prácticamente la misma distribución de luz, se realizará el análisis matemático sólo para el lado derecho.
Figura 6-4. Superficie de la carretera [134].
De acuerdo con (6-2) la iluminancia vertical en la localización A con área dS, se expresa como:
𝐸𝑅𝐴=𝐼𝑅(𝛼𝐴, 𝛽𝐴)𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑑𝑇2 , (6–3)
donde θ es el ángulo entre la dirección normal de la superficie de la carretera y la dirección incidente, I(αA,βA) es la intensidad luminosa del lado derecho desde la dirección (αA,βA) y dT es la distancia que hay entre el foco y el punto A.
Teniendo en cuenta que la eficiencia luminosa de radiación, LER (Luminaire Efficacy Rating), se tiene que para el foco derecho, el flujo radiante vertical dPRf en el punto A viene dado por [134]:
𝑑𝑃𝑅𝑓=𝐸𝑅𝐴𝑑𝑆
𝐿𝐸𝑅 =
𝐼𝑅(𝛼𝐴, 𝛽𝐴)𝑠𝑒𝑛𝜃
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Por lo tanto, la potencia óptica recibida desde un único camino reflejado en el fotodetector que está situado en el punto B, viene dada por:
𝑑𝑃𝑅𝑟𝑁𝐿𝑂𝑆=𝑑𝑃𝑅𝑓𝑅(𝜙)𝐴𝑟𝑐𝑜𝑠𝜓
𝑑2+ ℎ2 =𝐼𝑅(𝛼𝐴, 𝛽𝐴)𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑑𝑆 𝐴𝑟 𝜌 𝑐𝑜𝑠𝜙 𝑐𝑜𝑠𝜓 𝐿𝐸𝑅 𝑑𝑇2 𝜋(𝑑2+ ℎ2) ,
(6-5)
donde Ar y h son el área y la altura del fotodetector, respectivamente, y d es la distancia del camino entre A y la proyección del fotodetector. Por lo tanto, para el foco derecho, la potencia óptica total recibida, 𝑃𝑅𝑟𝑁𝐿𝑂𝑆, del camino reflejado, se expresa mediante [134]:
𝑃𝑅𝑟𝑁𝐿𝑂𝑆= {∬ 𝑑𝑆 𝑃𝑅𝑟𝑁𝐿𝑂𝑆𝑑𝑆 0 ≤ 𝜓 ≤ Ψ 0 𝜓 > Ψ ,
(6-6)
donde Ψ es la mitad del ángulo del campo de visión del fotodetector y S es el área total de la superficie de la carretera que está iluminada. La potencia óptica recibida desde el foco derecho para la ruta LOS se expresa:
𝑃𝑅𝑟𝐿𝑂𝑆= {𝐼𝑅(𝛼0 𝜓 > Ψ 𝐵, 𝛽𝐵)𝐴𝑟cos (𝜃𝐵) 0 ≤ 𝜓 ≤ Ψ , (6-7)
donde 𝐼𝑅(𝛼𝐵, 𝛽𝐵) es la intensidad luminosa, 𝜃𝐵 es el ángulo entre la superficie normal del fotodetector y la dirección incidente. Por lo tanto, la potencia óptica total recibida, PRr, del foco derecho se expresa mediante:
𝑃𝑅𝑟 = 𝑃𝑅𝑟𝐿𝑂𝑆+ 𝑃𝑅𝑟𝑁𝐿𝑂𝑆 (6-8)
Consecuentemente, la potencia óptica recibida total se expresa por:
𝑃𝑟 = 𝑃𝑅𝑟+ 𝑃𝐿𝑟, (6-9)
donde PLr es la potencia óptica recibida del foco izquierdo. Tiene la misma fórmula matemática que PRr, lo único que les diferencia es el lado en el que se encuentran [134].
6.3 Posicionamiento
Los sistemas de posicionamiento basados en VLC determinan la posición de un dispositivo móvil a través de señales recibidas desde estaciones base cercanas, en este caso, una fuente de luz. Esta señal visible puede contener el identificador y las coordenadas de la estación base u otro tipo de información que sea útil.
Como en VLC se puede utilizar como receptor un fotodiodo, o también un sensor de imagen. Las ventajas que un tipo de receptor tiene sobre el otro determina la técnica que se utilizará para posicionamiento. Según las
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características de estos, se utilizarán en un método u otro [136].
Fotodiodo: Tanto en sistemas VLC como en sistemas infrarrojos, los fotodiodos convierten cualquier flujo luminoso en una corriente y no pueden separar señales de diferentes fuentes de luz. Los fotodiodos tienen un tiempo de respuesta alto que hace posible medir tiempos pequeños de señal de llegada. Por lo tanto, los fotodiodos se suelen usar en técnicas de posicionamiento que muden tiempo. Sensor de imagen: Además de los fotodiodos, los sensores de imagen también se utilizan como
receptores en VLC. La velocidad del fotograma es bastante lenta en comparación con el tiempo de respuesta del fotodiodo. Sin embargo, la capacidad del sensor de imagen para capturar imágenes del ángulo y la distancia de la fuente de luz y otra información puede ser derivada. También tiene la posibilidad de separar señales procedentes de diferentes fuentes de luz.
El posicionamiento con alta precisión y rendimiento fiable es una necesidad urgente que se ha convertido en los últimos años en una de las características más destacables en sistemas inalámbricos. Los sistemas de localización GPS no son precisos ni fiables en ciertas áreas como en ambientes interiores, debido a la fuerte absorción de la onda portadora por los materiales, y en entornos urbanos ya que los edificios altos provocan una obstrucción en el enlace. En estos escenarios, los sistemas de comunicación por luz visible pueden ayudar a obtener información de la posición en tiempo real a los usuarios móviles gracias a que las fuentes de la señal de las infraestructuras locales de luz no están afectadas por el entorno [136].