Juan Felipe Gutiérrez Gómez

(1)

Dise˜

no e implementacion de dos sistemas de

comunicaci´

on con luz visible mediante las

modulaciones OOK y CSK para an´

alisis de

desempe˜

no de transmisi´

on de datos e

iluminaci´

on

Juan Felipe Guti´

errez G´

omez

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingenier´ıa, Departamento de Ingenier´ıa de Sistemas e Industrial Bogot´a, Colombia

(2)

(3)

Dise˜

no e implementacion de dos sistemas comunicaci´

on

con luz visible mediante las modulaciones OOK y CSK

para an´

alisis de desempe˜

no de transmisi´

on de datos e

iluminaci´

on

Juan Felipe Guti´

errez G´

omez

Tesis o trabajo de grado presentada(o) como requisito parcial para optar al t´ıtulo de: Mag´ıster en Ingenier´ıa - Telecomunicaciones

Director(a):

PhD Ing. Jes´us Mar´ıa Quintero Quintero

L´ınea de Investigaci´on:

Comunicaciones Ópticas Inalámbricas Grupo de Investigación:

Grupo de Investigaci´on en el sector energ´etico colombiano - GRISEC

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingenier´ıa, Departamento de Ingenier´ıa de Sistemas e Industrial Bogot´a, Colombia

(4)

(5)

A mis padres y a mis hermanos, quienes a lo largo de toda mi formaci´on acad´emica han apoyado e incentivado en mi el gusto por el conocimiento.

When the people fear the government, there is tyranny. When government fears the people, there is liberty.

(6)

(7)

Agradecimientos

Al Light and Lighting Laboratory de la Universidad de Lovaina en la ciudad de Gante, Bélgica, quienes orientaron el desarrollo de este trabajo, as´ı como préstamo de los equipos e instalaciones. Al Laboratorio de Ensayos Eléctricos de la Univeridad Nacional quienes han apoyado el proceso formación durante el posgrado.

(8)

(9)

ix

Resumen

El uso de fuentes de luz LED en sistemas de alumbrado público e interior ha venido in-crementándose en los últimos años debido a las ventajas que ofrece con respecto a las tec-nolog´ıas tradicionales como la incandescente, fluorescente, sodio entre otras. Su capacidad de conmutación ha permitido generar transmisión de información, permitiendo cumplir la función de iluminación y transmisión de datos con una misma infraestructura, mejorando as´ı la eficiencia con respecto a los sistemas con infraestructuras independientes (ilumiaci´ on-internet) y el costo de implementación de nuevos sistemas.

A pesar de las diferentes ventajas que ofrece el uso de la comunicación con luz visible respecto a las actuales comunicaciones de radio frecuencia en aplicaciones de corto y mediano alcance, es importante determinar si existe algún impacto sobre los parámetros de desempeño de la luminaria en la calidad de iluminación y color. En este trabajo se implementó y evaluó el desempeño de transmisión de datos e iluminación dos sistemas de comunicación con luz visible utilizando las modulaciones Codificación On-Off y Codificación por Desplazamiento de Color definidas en la normatividad actual. Se obtuvieron los anchos de banda para cada canal cercanos a los 100kHz, as´ı como las probabilidades error de bits para la modulación OOK y la modulación 4CSK. Se diseñó e implementó un metodolog´ıa para la calibración de la luminaria con 16 puntos de cromaticidad.

Keywords: Comunicación Ópticas Inalámbricas, Modulación, Comunicación con Luz Visible, Diodos Emisores de Luz, Fotodetector, Calidad de Color, Sistemas de Ilumi-nación General, Luminaria.

Abstract

The use of the LED technology has been increasing the last years in indoor and outdoor spaces due to the advantages of this technology with respect to the current lighting technolo-gies, such as incadescent, fluorescent and sodium vapor lamps; one of these advantages is his rapid on-off commutation ability allowing the data transmissions using the light as channel, therefore, with the same infrastructure is made the information transmission and lightning, increasing the efficiency with respect to the current two independents infrastructures and decreasing implementing the cost for new systems.

Although there are advantages in the use of the visible light communication respect to the traditional radio frequency communications in short and medium range applications, is im-portant determine if this technology has an incidence in the performance of the luminaire in the light and color quality. In this work, was implemented and evaluated the performance of two visible light communication systems using the modulations On-Off Keying and Co-lor Shift Keying defined in the standard document. The bandwidths for each channel near 100kHz were characterized, as well as the symbol error rate for the OOK modulation and the

(10)

x

4CSK modulation. A methodology for the calibration of the luminaire with 16 chromaticity points was designed and implemented.

Keywords: Optical Wireless Communication, Modulation, Visible Light Communi-cation, Lightning Emmiting Diodes, Photodetector, Color Quality, General Lighting System, Luminaire.

(11)

Contenido

Agradecimientos VII Resumen IX Abreviaturas XIV 1. Introducci´on 1 1.1. OWC vs RF . . . 2

1.2. ´Areas de Aplicaci´on del VLC . . . 3

1.3. Recientes Desarrollos en VLC . . . 4 1.4. Desafios del VLC . . . 5 1.5. Objetivo de la Tesis . . . 6 1.5.1. Objetivos Espec´ıficos . . . 6 1.6. Contribuci´on de la Tesis . . . 7 2. Estudio de un sistema VLC 8 2.1. Modulador . . . 9

2.1.1. Codificaci´on On-Off OOK . . . 9

2.1.2. Modulación por Variación de Posición de Pulso VPPM . . . 9

2.1.3. Codificaci´on por Corrimiento de Color . . . 10

2.1.4. Modulaciones con M´ultiples Sub Portadoras . . . 10

2.2. Fuente de Luz . . . 11

2.3. Sistema ´Optico y Detector . . . 13

2.4. Canal ´Optico . . . 13

2.4.1. Ruido del Canal . . . 14

2.5. Norma IEEE 802.15.7 . . . 15

2.5.1. Descripciones Generales de la norma . . . 15

2.5.2. Descripci´on de la PHY . . . 16

2.5.3. PHY III: CSK . . . 16

3. Implementaci´on de la Estructura VLC 18 3.1. Implementaci´on del Transmisor . . . 18

3.1.1. Driver LED . . . 19

3.1.2. Control Digital . . . 20

(12)

xii Contenido

3.2. Implementaci´on del Receptor . . . 22

3.2.1. Sensor de Color RGB . . . 23

3.2.2. Microcontrolador . . . 23

3.2.3. Host-Decodificador . . . 25

4. Metodolog´ıa de Dise˜no de la Modulaci´on CSK 27 4.1. Estudio del Espacio CIExy . . . 27

4.2. Combinaci´on de Colores . . . 28

4.3. Definici´on de la Variable a Medir . . . 29

4.3.1. Combinaci´on de Colores para Luminancia . . . 30

4.4. Procedimiento de Laboratorio . . . 31

4.4.1. Montaje . . . 31

4.4.2. Metodolog´ıa . . . 32

5. Resultados y An´alisis 35 5.1. Desempe˜no del Driver y el Sensor de Color . . . 35

5.1.1. DRIVER-LED . . . 35

5.1.2. Sensor de Color RGB . . . 36

5.2. Desempeño Fotométrico y Colorimétrico VLC . . . 37

5.2.1. Estabilidad de Luminancia Luminaria VLC . . . 38

5.2.2. Fitting Luminaria RGBW . . . 38

5.2.3. Desempe˜no Constelaci´on 16-CSK . . . 39

5.2.4. Primeros Resultados de Desempeño Iluminación en Condiciones De Transmisión . . . 39

5.2.5. An´alisis de Componente Blanco en la Modulaci´on CSK . . . 40

5.2.6. Dise˜no e Implementaci´on de la CSK con Niveles de Blanco . . . 41

5.2.7. Resultados Finales de Desempeño Iluminación en Condiciones de Trans-misión . . . 41

5.3. Desempe˜no en Transmisi´on de Datos VLC . . . 42

5.3.1. Linealidad del Enlace . . . 42

5.3.2. Magnitud Respuesta en Frecuencia . . . 43

5.3.3. Tasa de Error de S´ımbolo . . . 44

6. Conclusiones y recomendaciones 46 6.1. Conclusiones . . . 46

6.2. Recomendaciones . . . 47

A. Anexo: Variables Fotom´etricas 48

B. Anexo: Reglas de Dise˜no y Mapeo CSK 49

C. Anexo: Software dise˜nado en Matlab para mediciones fotom´etricas. 51

(13)

Contenido xiii

E. Anexo: Figuras de resultados Fotom´etricos y Colorim´etricos 55

(14)

Abreviaturas

Abreviatura T´ermino

ADC Analog Digital Converter BER Bit Error Rate

CSK Color Shift Keying DAC Digital Analog Converter IR Infrared

V P P M Variable Pulse Position Modulation LED Light Emitting Diode

LOS Line of Sight

M SM Multi Carrier Modulation

OF DM Orthogonal Frequency Division Modulation OOK On Off Keying

OW C Optical Wireless Communication P h − LED Phosphor Light Emitting Diode RGB Red-Green-Blue

SER Symbol Error Rate U V Ultraviolet

V IS Visible

V LC Visible Light Communication W RGB White-Red-Green-Blue

(15)

1. Introducci´

on

Las comunicaciones opticas inalámbricas (OWC-Optical Wireless Communication) hacen referencia al uso de señales portadoras con longitudes de onda en el rango infra-rojo (IR), visible (VIS) y ultravioleta (UV) para la transmmisión de datos por un medio no guiado; este tipo de enlaces son también conocidos como comunicaciones ópticas en espacio libre (FOS-Free Optical Space) ya que el canal de propagación de la onda es aire o vac´ıo[1]. El uso del espectro óptico para comunicación no es una idea moderna, un ejemplo de esto fue la construcción de un dispositivo que utilizaba luz visible para la tranmisión de señales de voz desrrollado por Alexander Graham Bell en 1880 [2], pero no fue hasta la segunda mitad del siglo XX con surgieminto de lasers y diodos emisores de luz (LEDs) que las OWC comienzan a ser estudiadas como un método comercial para la tranmisión de información.

El rango de transmisión en el cual se utilicen la OWC clasifica el tipo de aplicación y el rango espectral que se utilice en la comunicación [3].

Ultra Corto Rango OWC : Se definen comunicaciones ópticas en rangos de mm y um. Este tipo de comunicaciones es utilizando en super ordenadores donde se requieren métodos no convencionales para la inter e intra conexión entre chips.

Corto Alcance OWC: Comunicaciones en el orden de decenas de cent´ımetros. Su apli-cación está enfocada a las redes inalambrica de área corporal (WBAN-Wireless Body Area Network) donde se requiere la conexión inalámbrica de biosensores a un orde-nador central, utilizando principalmente rangos V IS. Este tipo de rangos son apli-cados también a la comunicación en redes de área personal (WPAN-Wireless Perso-nal Area Network) con el objetivo de generar enlances tales como TV-SmartPhone o SmartPhone-SmartPhone.

Mediano Alcance OWC: Comunicaciones con enlaces en el orden de metros, son utili-zadas en redes de área local (WLAN-Wireless Local Area Network) tal como se realiza actualmente con el WiFi en radio frecuencia RF. La comunicación con luz visible (VLC-Visible Light Communication) es utililizada en este tipo de enlace debido a que se utiliza la infraestructura de iluminación ya existente para realizar la transmisión.

Largo Alcance OWC: Este tipo de enlaces OWC de largo alcance comprenden distancia de algunos kilómetros. Son enlaces de alta velocidad aplicados en la interconexión WLAN-WLAN, y actualmente son evaluados para la conexión entre el usuario final y la la infraestrucura de fibra óptica de alta capacidad.

(16)

2 1 Introducci´on

Ultra Largo Alcance OWC: Comunicaciones con enlaces mayores a 10,000km para conexiones Tierra-Satélite o Satélite-Satélite. La NASA implementó en 2013 este tipo de enlace con velocidades 622Mbps para una conexión Luna-Tierra a una distancia de 23900km [4].

El estudio en el campo de la iluminación ha permitido el mejoramiento de las tecnolog´ıa para fuentes de luz en aspectos como costo, bajo consumo, alta eficiencia lum´ınica, alta calidad de color y aumento de tiempos de vida. Las fuentes de luz basadas en dispositi-vos de estado sólido, LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode) y PLED(Polymer Light Emitting Diode), han demostrado ser tecnolog´ıas con alta proyección a futuro al presentar notables ventajas en su desempeño[5]. La iluminación LED es la tecno-log´ıa de estado sólido actualmente más utilizada y desarrollada, con aplicaciones en el campo industrial y domiciliario, en arquitecturas de interiores o exteriores, control de tráfico entre otras.Junto con su capacidad de conmutación a altas frecuencias, la masificación de la tecno-log´ıa LED ha generado el rápido crecimiento del VLC para enlaces de alcance corto y medio, en WPANs, conexiones maquina a máquina M2M (Machine to Machine), veh´ıculo a veh´ıculo V2V (Vehicle to Vehicle) y veh´ıculo a infraestructura V2I (Vehicle to Infraestructure).

1.1. OWC vs RF

La tecnolog´ıa VLC y en general las OWC en el rango IR presentan varias ventajas. Las comunicaciones RF trabajan en rangos de frecuencia entre 30kHz a 300GHz, mientras que las OWC ocupan un espectro entre 120THz (Infra rojo cercano) y 780THz (longitures de onda corta del espectro visible), ocupando aproximadamente 670THz del espectro [6]; se dispone de un espectro mucho mayor para las OWC. Espec´ıficamente para el VLC se dispone de 300THz. Disponer de una gran cantidad de espectro impone un espectro ilimitado para transmisiones de alta velocidad, siendo esta la principal ventaja de las OWC. Por otro lado, el espectro de RF es regulado y controlado por autoridades locales e internacionales, tal como los operadores celulares, televisión o enlaces punto a punto de microondas. El espectro de las comunicaciones ópticas no es licenciado, lo cual facilita el desarrollo de aplicaciones as´ı como la disminución de los costos de implementación de las mismas [7]. Los sistemas de comunicación basados en OWC presentan mayor robustez respecto a la interferencia electromagnética EMI (Electromagnetic Intereference), ya que en este rango no se presenta este fenómeno, por el contrario este fenómeno es un problema bien conocido en las comunicaciones RF [8, 9]. Las comunicaciones inalámbricas de RF no están limitadas por los diferentes materiales u objetos que estén entre el transmisor y el receptor debido a que estas ondas pueden atravesar estos obstáculos, aunque presentan una atenuación en la propagación de la misma. Para las OWC y espec´ıficamente en VLC, la comunicación está limitada y confinada al espacio iluminado, ya que en su mayor´ıa requieren l´ınea de vista LOS (Line of sight) para una buena comunicación. Para aplicaciones en interiores esto presenta dos ventajas, la disminución de interferencia entre dispositivos y un fácil control de los usuario que utilizan el enlace, esto ultimo mejora la seguridad de la tranmisión; ésta

(17)

1.2 ´Areas de Aplicaci´on del VLC 3

caracteristica limita las OWC ya que no son aplicables cuando se requieren servicios de movilidad.

El uso del VLC presenta una solución de bajo costo y disminución de consumo energético para proveer servicios de comunicación. Debido a que ya dispone de la infraestructura LED para la iluminación, no es necesario implementar o desarrollar nuevos dispositivos que cumplan la función de antenas, ya son las fuentes de luz quienes cumplirán esta tarea. La construcción de dispositivos para la modulación y demodulación de la señales de RF son más costosos, y requieren diseños mucho más especializados, mientras para el VLC pueden utilizarse LED y fotodetectores de bajo costo[10].

Tabla 1-1.: Comparaci´on entre la tecnolog´ıas VLC y RF

Property VLC RF

Ancho de Banda 300Thz Regulatory, Limited

EMI No Si

L´ınea de Vista Si No

Normatividad En desarrollo Consolidada Consumo de energ´ıa Bajo Medio Seguridad de visibilidad Si No Infraestructure Iluminaci´on LED AP

Movilidad Limitada Si

´

Area de cobertura Corta Amplia

1.2. Areas de Aplicaci´

´

on del VLC

Teniendo en cuenta que las comunicaciones VLC son utilizadas mayormente para enlaces de corto y medio enlace, varias área de aplicación han sido exploradas utilizando esta tecno-log´ıa. Los sistemas de posicionamiento tradicionales basados en GPS, IR, RFID, Bluethooth, WLAN y Ultrasonido, presentan problemas varios problemas en espacios interiores debido a la inestabilidad, largos tiempos de respuesta, baja exactitud y precisión, por lo tanto el VLC es una tecnolog´ıa emergente para estos sistemas de posicionamiento [11]. Comercialmente, la empresa Philips ha implementado en una tienda de autoservicio el uso del VLC para el posicionamiento de sus usuarios[12].

En las redes de área personal WPAN, la alta demanda de servicios móviles ha motivado el uso de la tecnolog´ıa VLC en Redes de área personal (WPAN). Su objetivo es aumentar el ancho de banda y por tanto la velocidad de transmisión de datos. En este tipo de red, la conexión puede ser entre dispositivos tales como computadoras, teléfonos, impresoras, tabletas entre otros. Esta misma demanda es requerida para redes de área local WLAN, lo cual ha llevado a generar diferentes demostraciones de alta velocidad de transmisión utilizando infraestructura LED de iluminación, proyectando al VLC como una tecnolog´ıa

(18)

4 1 Introducci´on

cohexistente al Wifi que permite suplir esta demanda y nuevos servicios para los pr´oximos a˜nos.

Con la introducción de la tecnolog´ıa LED en dispositivos de señalización de tráfico, lumina-rias para veh´ıculos, iluminación en v´ıas públicos y en general los sistemas de transporte, han comenzado a desarrollarse sistemas inteligentes de transporte. El objetvo de estos sistemas inteligentes es aumentar la seguridad de los conductores en las carreteras, ya que tanto como las señales, la infraestructura de iluminación y la comunicación entre veh´ıculos puede dar señales de alerta en situaciones de peligro, tal como curvas peligrosas, peligro de colisión, violación de limites de velocidad, entre otros, as´ı como aplicaciones de posicionamiento en carreteras [13, 14].

Las comunicaciones para dispositivos submarinos son actualmente realizadas utilizado ondas acústicas; este tipo de ondas presentan pequeños anchos de banda, bajas velocidades de tranmisión y atenuaciones. Las tecnolog´ıas de RF no son de uso práctico para ambientes bajo el agua debido a las fuertes atenuaciones presentadas en este medio de propagación. El VLC para longitudes de onda verde y azul presenta una una buena alternativa ya que su desempeño es considerablemente mejor respeto a las dificultades nombradas anteriormente [15]. El VLC puede ser utilizado en zonas donde actualmente no se permiten el uso de tecnolog´ıas RF, tal es el caso de hospitales donde la EMI puede afectar e inteferir en los intrumentos de monitoreo de pacientes [16], vuelos de avión donde se puede interferir con los sistemas de navegación de la aeronave, o áreas con riesgo de explosión [17].

1.3. Recientes Desarrollos en VLC

Durante los ultimos 15 años se han desarrollado trabajos academicos, productos comerciales, alianzas empresarias y documentos normativos referentes a VLC para aplicaciones en inte-riores. En Europa durante tres años (enero 2008-marzo 2011) el proyecto OMEGA ”hOME Gigabit Access”fue desarrollado [18]. En febrero de 2011, el proyecto presentó los resultados de su trabajo, que el cual concluyó con la exposición de dos sistemas usando VLC y IR, al-canzado la velocidades de transmisión de datos de 100 Mbit/s y 280Mbit/s, respectivamente, para la transmisión de una cadena de bits Ethernet de video en alta calidad (Video HQ). En enero de 2009, se realizó la reunión inaugural del IEEE 802.15 WPAN Grupo de Trabajo 7 dedicado a la estandarización del VLC donde se definen la capa f´ısica (PHY) y la capa de enlace (MAC) para enlaces de corto-mediano alcance [19].

Utilizando la modulación On-Off d definida en la IEEE 802.15.7 en [20] mediante ilumina-ción con LED de luz Blanca basada en materiales foto-luminiscente o fósforo (Ph-LED), se lograron velocidades de transmisión entre 0.1 y 10 Mpbs, una distancia de enlace de 0.5m, Tasas de Error de Bit bajas y con una frecuencia de portadora de 200MHz. En [21] se realiza la implementación de un sistema de transmisión paralela VLC utilizando la modulación MP-OOK (Multiphase On Off Keying) y los resultados del desempeño son comparados contra la modulación DCO-OFDM (DC-biased optical orthogonal frequency-division multiplexing).

(19)

1.4 Desafios del VLC 5

Se logró mejorar mediante MP-OOK en N veces la eficiencia en ancho de banda con respecto a la modulación OOK convencional siendo N el número de l´ıneas de LED que transmiten a una misma fase sin embargo no logra alcanzar las velocidades de transmisión que sistema DCO-OFDM. En [22] se desarrolla un sistema VLC con un ancho de banda de 85MHz y tasa de transmisión de 250Mbs y utilizando Ph-LED con Capa de Fósforo disponible comer-cialmente. Se implementó un circuito T de Polarización en el transmisor para controlar la corriente sobre el LED, y un Post Ecualizador en el receptor. En [23] los autores desarrollan un sistema de comunicación con luz visible utilizando OFDM, alcanzando velocidades de 1Gb/s y considerando efectos de la no linealidad del LED y el circuito de potencia de una luminaria LED. Se muestran tasas de transmisión alcanzadas de 680Mb/s con niveles de iluminancia bajos, del orden 10 Luxes. El diseño e implementación de una modulación CSK (Color Shift Keying) es presentado en [24], donde el autor realiza el diseño de la constela-ción de puntos sobre el espacio de color CIE 1936, realizando consideraciones de flujo para el diseño de contelaciones de mayor orden al definido en IEEE 802.15.7, la exploración de constelación utilizando un espacio de color tridimensional, as´ı como el estudio y modelación del canal de transmisión.

Otros trabajos han sido presentados en el estudio y puesta en marcha de dispositivos de de-tección; los fotodetectores para enlaces OWC y VLC son diseñados utilizando detectores de estado sólido tipo P-N, P-I-N o Avalancha, construidos con aleaciones de Silicio, Germanio y Arsenuro Indio Galio [25]. Estos tipos de detectores presentan una responsividad en todo el espectro visible con anchos de banda entre decenas de MHz a decenas de GHz. Estos dispo-sitivos han sido ampliamente estudiados en la implementación de sistemas de comunicación con fibra óptica. Recientes trabajos han estado enfocados a la implementación de camarás en teléfono móviles como receptores; en [26] se plantea un método para la decodificación de señáles luminosas on-off para niveles de luminancia imperceptibles por el ojo humano. En [27] se realiza la decodificación de una modulación por corrimiento de color (CSK) para multiple acceso de usuarios. En [28] se implementa la comunicación teléfono-teléfono utili-zando la pantalla de un dispositivo como transmisor y la cámara en el otro dispositivo como detector, logrand velocidades de tramisión cercanas a los 300kbps.

En noviembre de 2013, en Japón, se creo el Consorcio para la Comunicación con Luz Visible VLCC por sus sigas en inglés, establecido con el objetivo de investigar, desarrollar, plani-ficar, normalizar la aplicación de sistemas de comunicación con luz visible. Algunas de las empresas que conforman este consorcio son Panasonic Corporation, Toshiba Corporation, Casio Computer Co. LTD, Nakagawa Laboratories, Inc, Tamura Corporación [29].

1.4. Desafios del VLC

El ancho de banda del LED, el cual define en gran parte la velocidad de transmisión de datos, depende del tiempo de recombinación y emisión del fotón en el material activo, esto corresponde al tiempo requerido para que los portadores minoritarios puedan recombinarse, el cual se encuentra para LEDs InGaAsP entre 2-5 ns, lo cual corresponde a anchos de banda

(20)

6 1 Introducci´on

entre 50-140MHz[25]. Para LEDs con recubrimiento de fósforo PH-LEDs, la recombinación y exitación del material luminiscente l´ımita el ancho de banda a 2MHz; aunque este problema puede ser superado utilizando un filtro azul en el detector para utilizar el componente azul de estos LEDs [30].

La comunicación de datos con la luz visible se aplican principalmente en las aplicaciones broadcast, es decir transmisión de la fuente de luz al dispositivo de recepción, ya que los canales de VLC de forma natural solo existen para el canal de bajada. Esto quiere decir que al utilizar VLC la comunicación es simplex, en una sola dirección. Hay algunas maneras para generar comunicación dúplex, aislando el enlace ascendente y descendente a través de la longitud de onda, tiempo, o aislamiento óptico entre otras. Varias opciones han sido exploradas e implementadas, por ejemplo, el proyecto OMEGA [18] utilizó canales IR para el canal de subida.

La dimerización consiste en controlar el brillo o intensidad luminosa de la fuente de ilumi-nación de acuerdo con los requisitos del usuario. Un requisito principal para VLC es que la fuente de luz esté encendida. Sin embargo en la mayor´ıa de casos durante el d´ıa, el con-sumidor apaga el sistema de iluminación y el enlace de VLC desaparece. El soporte para dimerización es otra consideración importante para VLC. La dimerización permite mantener la comunicación VLC cuando la fuente de luz está apagada [10].

La idea básica para la transmisión de los datos es la conmutación de la señal de luz vi-sible radiada luminaria. Esta conmutación debe hacerse directamente sobre el circuito de potencia, el cual es alimentado de la red eléctrica y controlado desde el modulador. Las luminarias comercialmente utilizadas debe cumplir ciertos parámetros fotométricos, colo-rimétricos y eléctricos para su uso, por lo tanto la implementación del VLC puede hacer que estos parámetros no cumplan con un desempeño adecuado.

1.5. Objetivo de la Tesis

Diseñar e implementar dos sistemas de comunicación inalámbrica con luz visible mediante las modulaciones OOK y CSK, y analizar el desempeño de transmisión de datos e iluminación.

1.5.1. Objetivos Espec´ıficos

1. Diseñar los esquemas para cada sistema y la técnica de modulación.

2. Implementar el sistema de transmisi´on de datos utilizando modulaci´on OOK y CSK.

3. Estudiar y, seleccionar o implementar el driver adecuado para cada sistema de trans-misi´on.

4. Caracterizar los parámetros de desempeño de transmisión de datos para cada uno de los sistemas implementados.

(21)

1.6 Contribuci´on de la Tesis 7

5. Caracterizar los parámetros de desempeño de iluminación para cada uno de los sistemas implementados.

1.6. Contribuci´

on de la Tesis

La alta demanda de servicios de internet para dispositivos móviles en zonas urbanas ha incrementado significativamente los últimos años. Lo anterior implica un aumento en el ancho de banda y la velocidad de transmisión; la limitación de espectro RF ha llevado a buscar otras tecnolog´ıas complementarias a las actuales RF que ayuden a disminuir la carga a los sistemas wireless actuales. El VLC es la tecnolog´ıa que ha sido identificada como una potencial solución para la futura crisis en el espectro RF [6]. Como consecuecia se ha desarrollado el documento normativo IEEE 802.15.7 para esta tecnolog´ıa.

El pa´ıs debe estar preparado para implementar esta tecnolog´ıa, haciendo necesario generar estudios tanto a nivel tecnicológico, como a nivel económico y comercial. Actualmente no se tiene información del desarrollo en el pa´ıs de algún protitpo o estudio relacionado con esta tecnolog´ıa.

La principal contribución de este trabajo de maestr´ıa es el diseño e implementación de dos sistemas de comunicación con luz visible basados en las diferentes requerimientos en ilumi-nación interior y las consideraciones presentes en el documento normativo. Este prototipo abarcará:

Desarrollo de un driver con la capacidad de proveer servicios de iluminaci´on y tranmi-si´on de datos, para uso de LEDs comercialmente utilizados.

Desarrollo de un receptor VLC para el uso de las modulaciones on off y por corrimiento de color.

Desarrollo del sistema digital para la generaci´on de las modulaciones en el transmisor.

La segunda contribución es la exploración de la modulación por corrimiento de color CSK; debido a que los Ph-LEDs es la tecnolog´ıa prevalente para uso en iluminación general, los diferentes desarrollos VLC en la literatura han estado enfocados en estos LEDs. La modula-ción CSK no ha sido amplimente explorada, debido a que este tipo de modulación implica el uso LEDs RGB, sin embargo existen aplicaciones donde pueden utilizarse este tipo de LEDs y por ende la modulación CSK, la cual permite obtener mayores velocidades de tramisión ya que la transmisión es basada en una constelación de s´ımbolos.

La tercera contribución esta relacionada con el estudio de desempeño en iluminación de la luminaria cuando es utilizada para transmisión de datos; los resultados de este estudio per-mitieron determinar los diferentes procedimientos de laboratorio y los indicadores adecuados para determinar el impacto del VLC en el despempeño colimétrico y fotométrico.

(22)

2. Estudio de un sistema VLC

Un modelo básico de un sistema de comunicación esta compuesto por 5 elementos: una fuente de datos, un transmisor, un sistema de tranmisión, un receptor y un destino. La fuente de datos generará la información que se desea enviar, el transmisor convierte la señal y la códifica para ser enviada en alguna variable f´ısica. El sistema de tranmisión define el canal mediante el cual se enviará la información, el receptor convierte la señal f´ısica recibida en una forma que en el destino pueda ser interpretado. La comunicación inalámbrica con luz visible es un sistema de comunicaciones donde mediante una onda electromagnética en el rango visible que se transmite por el espacio libre. Un sistema VLC simple aplicado a iluminación en interiores es presentado en la figura 2-1.

Figura 2-1.: Modelo simple de un sistema VLC.

Un sistema óptico inalámbrico básico consiste en una fuente de luz, espacio libre como medio de propagación y un detector de luz. En el lado de env´ıo de datos, la información de entrada en forma de digital o señales analógicas, se ingresa a los circuitos electrónicos que modulan la fuente de luz. La luz pasa a través de una óptica tal como un filtro, lente o reflectores. La

(23)

2.1 Modulador 9

luz viaja en el espacio libre y nuevamente atraviesa sistemas ópticos como filtros de color, lentes concentradores o fltros de ruido. La señal de luz capturada se convierte mediante foto detectores a una señal eléctrica. Según el tipo de modulación, la señal eléctrica de entrada se amplifica y demodula [31].

El modelo anteriormente presentado es una forma muy sencilla de representar el VLC; esta tecnolog´ıa esta definida para funciones de capa f´ısica PHY y la subcapa de acceso al medio MAC según la norma IEEE 802.15.7 [19], por lo tanto el modelo de la figura 2-1 solo representa los componentes PHY. A continuación se presenta una descripción de cada uno de los elementos que componen el sistema VLC y de la revisión al documento IEEE 802.15.7 referente a esta tecnolog´ıa.

2.1. Modulador

El modulador es el encargado de leer una cadena de bits y representar los datos binarios controlando alguna algun parámetro en la onda electromagnética a transmitir, por lo tanto, el parámetro que se controle define el esquema de modulación. Existen diferentes esquemas de modulación compatibles con el VLC, tres de estos definidos en el documento [19]. A continuación se describen las modulaciones compatibles, haciendo énfasis en las modulaciones OOK y CSK.

2.1.1. Codificaci´

on On-Off OOK

Este esquema de modulación es el más sencillo, conocida como modulación de intensidad y dectección directa IM/DD. En esencia, este esquema representa el valor uno o cero con las presencia o ausencia de luz emitida por la luminaria (encendido o apagado ON-OFF). En comunicaciones ópticas los sistemas IM/DD son aquellos que emplean receptores de detección directa; consecuentemente, la modulación es aplicada sólo a la intensidad de la señal, es decir a su potencia [32].

Existen dos tipos de momdulación OOK, sin retorno a cero (non-return to zero) NRZ-OOK, y con retorno a cero (return to zero) RZ-OOK. En NRZ-OOK la duración de pulso de luz para representar un ’1’ ocupa un periodo del reloj ,y el mismo tiempo para para representar un ’0’. Para RZ-OOK la duración del pulso de luz para representar un ’1’ es menor a un periodo del clock. Un tipo de codificación unipolar RZ-OOK es la codificación Manchester. Este tipo de codificador representa un ’0’ con un pulso de luz alineado a la izquierda (primera mitad del periodo del reloj), y representa un ’1’ con u pulso de luz alineado a la derecha (segunda mitad del periodo del reloj).

2.1.2. Modulaci´

on por Variaci´

on de Posici´

on de Pulso VPPM

La modulación por variación de pulso VPMM (variable pulse position modulation) utiliza el principio básico de la RZ-OOK pero variando el ancho del pulso de luz; según sea la posición

(24)

10 2 Estudio de un sistema VLC

del pulso de luz se decodifica como un ’0’ o un ’1’ si el pulso esta alienado a derecha o a izquierda respectivamente. El ancho del pulso permite dimerizar la luminaria [33].

En la figura 2-2, se representan estas modulaciones.

Figura 2-2.: Representaci´on de modulaciones OOK y VPPM.

Tomado de: https://e2e.ti.com/group/launchyourdesign/m/msp430microcontrollerprojects/665142

2.1.3. Codificaci´

on por Corrimiento de Color

La modulación por corrimiento de color CSK (color shift keying) utiliza la combinación de tres componentes RGB para generar diferentes colores, de manera tal que pueda generarse constelaciones de mayor orden. Este hecho hace a la modulación CSK espectralmente eficiente respecto a las modulaciones OOK y VPPM. Otro aspecto importante es el hecho que cada color generado debe producir el mismo flujo luminoso, de manera tal que el ojo humano no detecte fluctuaciones en el mismo.

En la CSK, las cadenas de bits son mapeadas sobre puntos de color en el espacio CIE xy 1964 definido por la Commisión Internacional de Iluminación. Este espacio se deriva de las coordenadas XYZ (mayúsculas), las cuales cuantifican la energ´ıa recibida por los tres foto-receptores en longitudes de onda corta, media y larga. Una propiedad de este espacio es que puede generarse cualquier punto de color dentro del área delimitada por las tres coordena-das RGB en el espacio xy; en la figura 2-3 se muestra los vertices IJK correspodientes a las coordenadas de color xy de las componentes RGB.

2.1.4. Modulaciones con M´

ultiples Sub Portadoras

En las modulaciones con m´ultiples sub portadoras MSM (multiple sub carriers modulation) los datos son divididos y enviados en sub portadoras a diferentes frecuencias en todo el ancho espectral disponible. El env´ıo de las subportadoras se realiza de manera paralela, lo

(25)

2.2 Fuente de Luz 11

Figura 2-3.: ´Area generada por tres componentes en el espacio CIE xy 1964. Tomado de: https://es.wikipedia.org/wiki/Espacio de color CIE 1931

cual hace a estos esquemas espectralmente eficientes. La modulación por división de frecuen-cias ortogonales OFDM (orthogonal frequency division modulation) y la modulación por multitono discreto son los tipos de modulación con sub portadoras más utilizado en comu-nicaciones inalámbricas. Estos esquemas permiten alcanzar altas velocidades de tranmisión. Una de las desventajas de este tipo de esquemas, es la complejidad de implementación del modulador[31].

2.2. Fuente de Luz

Las fuentes de luz usadas en VLC son tecnolog´ıas basadas en estado sólido, tal como LED, OLED y PLED. La principal caracter´ıstica de este tipo de fuentes es la capacidad de con-mutación a altas velocidades; esta caractr´ıstica permite modular la intensidad de la fuente y enviar información utilizando la luz visible utilizada para iluminar un área espec´ıfica.

Para LED, la radiación electromagnética emitida por estos dispositivos es producida por la recombinación entre pares eletrón-hueco en la zona de deplexión de la juntura p-n, cuando esta juntura es polarizada en forma directa. Esta recombinación produce un fotón con una longitd una longitud de onda principal que depende del gap de energ´ıa (Eg) de la aleación utilzada para su construcción. Cada aleación tiene un valor de Eg determinado. La relación

(26)

Figura 2-4.: Distribuci´on espectral de tres LEDs rojo, verde y azul [5].

Figura 2-5.: Distribuci´on espectral de un led blanco con recubrimiento de fosforo [5].

entre la longitud de onda emitida y el gap de energ´ıa es presentada en la ecuación 2-1. Otra forma de emisión utilizada en tecnolog´ıa LED es basada en la absorción y re emisión de luz utilizando recubrientos de capas de forsforo. Estos recubrimientos son exitados con luz azul, para luego ser emitido en un amplio espectro.

λ = hc

Eg (2-1)

En sistemas de iluminación general se usan dos tipos de LED: LED blanco fosforescente Ph-WLED y LED RGB. Los Ph-WLED son la tecnolog´ıa más utilizada en el sistema de iluminación, ya que además de las ventajas de la tecnolog´ıa LED frente otras tecnolog´ıas en términos de tiempo de vida, bajo consumo de energ´ıa y baja generación de calor, el Ph-WLED presenta un buen desempeño en calidad de color[5] interior[34]. El LED blanco usa un material de fósforo para recubrir la luz azul luz y emitien una luz blanca de amplio espectro, de la misma manera que trabaja las bombillas fluorescentes. En la figuras 2-4 y 2-5 se muestran los espectros respuesta de los dos tipos de tencolog´ıas LED.

Para un sistema de comunicación inalambrica con luz visibe la fuente de luz LED puede ser vista como la antena del enlace, la cual convierte un señal eléctrica de control sobre el LED en radiación electromagnética entre 380nm y 780nm. De acuerdo con el modelamiento del LED, el flujo luminoso presenta una relación aproximadamente lineal respecto a la corriente de polarización, de manera tal que es coveniente para modular, realizar el control del flujo

(27)

2.3 Sistema ´Optico y Detector 13

radiométrico controlando la corriente a través del LED. El controlador del LED (Driver LED) es el circuito electrónico que permite modular la corriente en el LED desde una variable de control tal como voltaje o corriente.

2.3. Sistema ´

Optico y Detector

El sistema optico hace referencia al uso de diferentes materiales, reflectores, difusores, lentes, filtros entre otros, que sean utilizados para acondicionar la luz emitida por la fuente seg´un sea a aplicaci´on.

El detector óptico es un dispositivo de estado sólido que convierte la radiación electrómagn´ eti-ca en una corriente eléctrica. Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico en el cual un foto-diodo es capaz de generar un flujo de electrones cuando fotones indicendetes son absor-bidos en una juntura p-n.La responsividad de un fotodiodo es una medida de la sensibilidad a la luz, y se define como la relación de la fotocorriente y la potencia de luz incidente a una longitud de onda determinada. Es la medida de la efectividad de la conversión de la potencia de luminosa y la corriente eléctrica. Los fotodetectores semiconductores son fabricados de diferentes materiales semiconductores tales como silicio, germanio, arseniuro de indio galio, antimonio indio, inter alia Cada material tiene una energ´ıa de bandgap Eg caracter´ıstica, que determina sus capacidades de absorción de la luz [35].

2.4. Canal ´

Optico

Los canales VLC interiores se componen de una linea de vista (LOS) y un enlace difuso[36]. Un escenario donde existen enlaces LOS y enlaces difusos, se denomina enlace h´ıbrido. Hay muchos casos en los que LOS podr´ıa bloquearse, por ejemplo, debido a que una persona que se encuentra entre el TX y el RX, bloqueando por completo el LOS. En este caso, el RX detectará la señal reflejada en objetos y paredes interiores. Las señales difusas en VLC generalmente contienen baja potencia en comparación con las señales de LOS debido a la baja reflectividad de los objetos interiores para la luz visible. En la figura 2-6 se muestra seis tipos de enlaces. El efecto que el canal tenga sobre el desempeño de la tranmisión de datos depende del tipo de enlace que se implemente, y a su vez el tipo de dependerá de las directividad fuente de luz/detector y la disponibilidad de un LOS.

Los diferentes factores que modifican la recepci´on de un simbolo son modelados como el canal in´almabrico. Uno de estos modelamientos hace referencia a la matriz de interferencia entre canales, el otro al ruido blanco gaussiano aditivo.

Para el caso particular de la modulación CSK, el uso de tres canales en el transmisor y receptor genera inteferencias; por ejemplo, cuando solo el canal verde es encendido para representar un s´ımbolo de la contelación, es posible que en receptor no solo sea detectado por el canal verde, los canales rojo y azul podrian captar parte de esta radiación. Esta interferencia puede ser modelada como un matriz 3x3:

(28)

Figura 2-6.: Tipos de enlaces para comunicaciones ´opticas.

H =   hii hji hki hij hjj hkj hik hjk hkk   (2-2)

donde ijk representan los canales RGB respectivamente. El primer sub ´ındice define el canal en el transmisor, y el segundo el canal en el detector. Por lo tanto, el coeficiente hij representa

la interferencia entre el canal rojo en el transmisor y el canal verde en el detector. Si se consideran los s´ımbolos emitidos como combinaciones de flujo luminoso de los tres canales, y los s´ımbolos recibidos como la potencia captada por cada fotosensor RGB se tendr´a:

  hii hji hki hij hjj hkj hik hjk hkk  ·   Pit Pjt Pkt  =   Pir Pjr Pkr   (2-3)

2.4.1. Ruido del Canal

Existen dos fuentes principales de ruido en un enlace óptico definidas como el ruido de disparo (shot noise) y el ruido térmico (thermal noise). El ruido de disparo es asociado a la naturaleza aleatoria de la absorción de fotones. Estas absorción genera corrientes de ruido las cuales son modeladas mediante la función de distribución de densidad de probabilidad de Poisson[33].

El ruido térmico como su nombre lo indica, es debido a las agitaciones que los portadores de carga experimentan por la temperatura ambiente . Este ruido es independiente de la inten-sidad de la señal electromagética y es modelado como ruido blanco aditivo Gaussiano[24]. Finalmente se tiene un ruido del canal compuesto por dos distribuciones Gaussianas:

(29)

2.5 Norma IEEE 802.15.7 15

σ2 = σ2_disp+ σ_term2 (2-4)

donde σ representa la varianzaz de la distribuci´on de cada fuente y el total.

2.5. Norma IEEE 802.15.7

La norma IEEE 802.15.7 define aspectos de la capa f´ısica PHY y la sub capa MAC para un enlace inalámbrico con luz visible. Parámetros como las tasa de transmisión de datos para soporte de servicios de multimedia, compatibilidad con la infraestructura de sistemas de iluminación, especificaciones para mitigar el impacto en la percepción en la intensidad y color de la iluminación. La descripción de la capa f´ısica soporta diferentes rangos tasas de transmisión y esquemas de modulación, clasificándolas en tres tipos PHY como se muestra en la tabla 2-1.

Tabla 2-1.: Clasificaci´on de tres capas fisicas para el VLC. Tasa de Transmisi´on Moderada PHY I Baja: decenas y cientos kb/s OKK, VPPM PHY II Moderada: decenas de Mb/s OKK, VPPM PHY III Moderada: decenas de Mb/s CSK

PHY I: Las especificaciones definidas en esta capa f´ısica esta orientado a aplicaciones en iluminaci´on en exteriores de bajas velocidades de transmisi´on.

PHY II: Las especificaciones en esta capa f´ısica esta orientada en aplicaciones de ilu-minaci´on interior con velocidades de transmisi´on intermedias.

PHY III: Esta capa f´ısica utiliza la modulación CSK, la cual esta orientada a aplicacio-nes con múltiples fuentes de luz y múltiples receptores, con las velocidades más altas para esta tecnolog´ıa

2.5.1. Descripciones Generales de la norma

De manera inicial, el documento normativo realiza la clasificación tanto de los dispositivos en los cuales se puede utilizar esta tecnolog´ıa, as´ı como las diferentes topolog´ıas de red. Tres clases de dispositivos son presentados para VLC: Infraestructura, dispositivos móviles y veh´ıculos. Cada uno de estos dispositivos son especificados según la topolog´ıa de red, fuente de alimentación, intensidad de iluminación utilizada para el enlace, movilidad f´ısica del enlace para cada dispositivo, rango y velocidades de transmisión. Las topolog´ıas de red definidas en la norma para comunicación con luz visible en redes de área personal (VPAN -visible-light communication personal area network) se presentan a continuación:

(30)

Peer-to-peer: En esta topolog´ıa cada uno de los dispositivos puede conectarse a los demás dispositivos que se encuentren en el área de cobertura, teniendo en cuenta que cualquiera de los dos podrá actuar como coordinador, por ejemplo el primero que utilice el canal. En este caso la comunicación es bidireccional.

Star: En la topolog´ıa estrella, varios dispositivos pertenecen a una de estas estructuras, y se comunican independientemente de otra estructura en estrella. Cada estructura tendrá un único identificador dentro del área de cobertura. El dispositivo coordinador tendrá la capacidad de decidir cuando entra un host a su red.

Broadcast: Para la topolog´ıa Broadcast, un dispositivo transmite a cualquier host sin importar si pertenece a una red de manera unidireccional, por lo tanto la direcci´on de destino no es requerida.

2.5.2. Descripci´

on de la PHY

Como se nombró anteriormente, la PHY es clasificada en tres grupos según la tasa de tran-misión y la modulación que utilicen. Los diferentes modos de operación en cada uno de los tres tipos de capas f´ısicas hacen referencia a especificaciones de modulaciones, tipo de codificación, clock de la señal óptica, tipo de correctores de error FEC, y velocidades de transmisión. La implementación de la capa f´ısica requiere obligatoriamente el soporte del dispositivo de la PHY-I o PHY-II.

Si un dispositivo soporta la capa f´ısica PHY-III debe implementar la capa f´ısica PHY-II, ya que mediante PHY-II el dispositivo realiza la identificaci´on de nuevos dispositivos.

2.5.3. PHY III: CSK

De acuerdo a los diferentes modos de operación para la tecnolog´ıa VLC, la capa f´ısica PHY-III transmite mediante la modulación CSK, por lo tanto en esta parte de la norma se presenta todas las especificaciónes para la modulación CSK. La capa f´ısica PHY III hace referencia a la modulación CSK para dos frecuencias de clock del enlace, 12MHz y 24MHz, y 3 tipos de modulaciones 4-CSK, 8-CSK y 16-CSK.

En la figura 2-7 se presenta el modulador propuesto en la normatividad. El Scrambler es un tipo de codificador implementado con el fin de asegurar una cadena de bits pseudo-aleatorio. Este codificador evita el env´ıo un mismo s´ımbolo con el fin de evitar cambios perceptibles de color en la fuente de luz. El codificador de canal para PHY III es obtenido usando 1=2RS(64; 32). El codificador de color es el encargado de asignar a una cadena de bits provenientes del codificador de canal, un punto de cromaticidad, el cual ser´a enviado al receptor mediante la modulaci´on de amplitud de flujo luminoso en cada uno de los canales IJK. Una vez conocido el simbolo xy, esta coordenada es mapeada a una coordenada triple (Pi, Pj, Pk), las cuales

definen la la potencia luminosa que debe tener cada LED. Finalmente el valor de potencia es mapeado a un valor de corriente y finalmente de voltaje para el DAC, por lo tanto los voltajes (Vi, Vj, Vk) definir´an el s´ımbolo.

(31)

2.5 Norma IEEE 802.15.7 17

Figura 2-7.: Diagrama de bloques del modulador CSK presentado en la IEEE.

La normatividad define también el mapeo correspodiente de cadenas de bits a simbolo de color, y las reglas para el diseño de la constelación. Estas serán presentadas y utilizadas más adelante.

(32)

3. Implementaci´

on de la Estructura VLC

El objetivo de analizar el desempeño en iluminación y transmisión de datos de un sistema de comunicación con luz visible implicó la implementación de la infraestructura sobre la cual realizar dichos análisis. Un 70 % del tiempo de trabajo fue dedicado al diseño del prototipo de enlace VLC utilizando las modulaciones on off y la modulación por corrimiento de color. Con la infraestructura desarrollada se planteó la metodolog´ıa de diseño para la modulación por corrimiento de color, el desempeño en transmisión datos e iluminación para los esquemas de modulación presentes en la bibliograf´ıa y para un nuevo esquema propuesto en este proyecto.

Los resultados de desempeño de la infraestructura VLC serán presentados en el siguiente cap´ıtulo. El desarrollo del transmisor se basó en las especificaciones y modelos planteados en la bibliograf´ıa presentada en el primer cap´ıtulo.

3.1. Implementaci´

on del Transmisor

En la figura 2-7 se presenta el diagrama de bloques de un modulador para realizar la mo-dulaci´on CSK presentado por la IEEE 802.15.7. Con base en este modelo, a continuaci´on se definen las funciones del transmisor:

El modulador VLC debe soportar esquemas CSK y OOK.

La modulaci´on no incluye codificadores scramble ni channel encoder.

Se deben utilizar modulos LED que sean utilizados en sistemas de iluminaci´on interior.

La corriente en el LED ser´a controlada por la se˜nal de voltaje generada por el DAC en el microcontrolador.

No se implementar´a el modulo de estimaci´on de canal.

El tranmisor implementar´a un servidor Web via Wifi para control inalambrico de la luminaria.

El driver implementado será diseñado para operar a clock óptico m´ınimo de 200kHz.

En la figura 3-1 se presenta un digrama de bloques en el cual se define la estructura del tranmisor a implementar. De manera general, el transmisor fue dividido en tres m´odulos grandes, el control digital, el DAC y el Driver LED.

(33)

3.1 Implementaci´on del Transmisor 19

Figura 3-1.: Diagrama de bloques del modulador VLC.

3.1.1. Driver LED

El ESTUDIO Y, SELECCI ÓN O IMPLEMENTACI ÓN DRIVER-LUMINARIA compren-dió la búsqueda de los diferentes drivers y luminarias utilizados en iluminación en intereriores, con el fin de definir las especificaciones m´ınimas usadas comercialemente, principalmente en potencia y corriente de alimentación. Para aplicaciones en interiores, las potencias de con-sumo de los LED comprenden los siguientes rangos:

OSRAM LED CLASSIC PAR16 35: Potencia nominal 3W a tensi´on nominal 20-240V Flujo Luminoso de 230lm

OSRAM LEDVANCE DOWNLIGHT M: Potencia Nominal 10.3W a tensi´on nominal de 220-240V Flujo Luminoso de 700lm

CREE CR Series: Potencia nominal de 12W a tensi´on nominal 120V Flujo Luminoso de 575 lm

PHILIPS CoreLine SLimDownlight: Potencia nominal 13W tensi´on nominal 230V flujo Luminoso 60W

Estas referencias presentadas son basadas en LEDs Blancos con recubrimiento de fosforo, no RGB, lo cual es necesario para el diseño de la modulación CSK; se definió una potencia m´ınima de diseño de 3W. Anteriormente se hab´ıa trabajando con el módulo LUXEON Z RGBW [37], el cual tiene las siguientes caracter´ısticas:

(34)

20 3 Implementaci´on de la Estructura VLC

Green: 700mA, 3,2V, 57lm/W, 128lm

Blue: 700mA, 3,3V, 28lm/W, 65lm

White: 700mA, 2,9V, 83lm/W, 168lm

Debido a que este tipo de módulos no son vendidos por ningún fabrante en el pa´ıs, y ya que se dispon´ıan varios módulos en el laboratorio, se decidió utilizarlos para el diseño de la luminaria. Cada uno de estos módulos dispone de un disipador de calor y lentes ópticos. Una vez conocidas las caracter´ısticas de los LEDS, se definieron los requerimientos dos requerimientos m´ınimos para el DRIVER: capacidad de corriente suministrada de 1A y frecuencia de conmutación m´ınima de 200kHz. Es importante tener en cuenta que el DRIVER debe permitir variar la corriente en el LED con el fin de combinar los componentes RGB. Se revisaron varios circuitos integrados Driver para LED en el mercado:

MICREL MIC2847: Ultrafast PWM Control 200Hz-500kHz 120mA

MICREL MIC3291: 1,2MHz PWM - 500mA

MAXIM MAX3967A: 270Mbps SFP Led Driver. Corriente de Modulaci´on m´axima 20mA

ST LED6001: Frecuencia de conmutaci´on ajustable 100kHz a 1MHz.

Debido a que los integrados encontrados no cumplen las especificaciones de corriente aunque alcancen velocidades muy superiores a la m´ınima requerida, as´ı como a imposibilidad de utilizar varios niveles de corriente, se estudio una topolog´ıa propuesta en [24].

En [24], utilizan un driver de corriente controlado por voltaje con capacidad de 1A a 10MHz; utilizando un aplificador operacional en configuraci´on de seguidor de votaje, se fija el voltaje en la resistencia en el emisor del transistor que polariza el LED. El circuito analizado se presenta en la figura 3-1. as´ı como los resultados de las simulaciones.

Se procedió diseñar el circuito impreso, el cual fue trabajado en el software ULTIBOARD de National Instruments[38]. Terminado el diseño se procedio a fabricar el PCB y el ensamblaje de los componentes. En la figura 3-2 se presenta el registro fotográfico del DRIVER.

3.1.2. Control Digital

El control digital del modulador fue implementado utilizando la tarjeta Texas Instruments Launchpad CC3200 [39].Esta tarjeta permite generar servicios Wifi y Web especificamente para aplicaciones en internet de las cosas IoT, manejo de m´odulo de Timers, comunicaci´on Serial SPI y IDE de licencia libre.

En general el dise˜no de las modulaciones y las diferentes funciones de la luminaria VLC se realizaron utilizando diferentes librer´ıas ya implementadas en el entorno de desarrollo integrado Energia basado en C++ [40]. Este IDE fue de gran utilidad debido a que el uso

(35)

3.1 Implementaci´on del Transmisor 21

(a) Modelamiento 3D del DRIVER.

(b) Implementaci´on del DRIVER.

Figura 3-2.: Dise˜no e implementaci´on del DRIVER para VLC.

de las diferentes librer´ıas para el modulo WIFI y comunicación serial SPI permiten crear diferentes aplicaciones de una manera mucho más sencilla que si se trabajara directamente con las funciones básicas del microcontrolador. También es posible modificar los archivos de cada una de las librer´ıas si es necesario realizar configuraciones más espec´ıficas. Además, este IDE es de código abierto un aspecto a favor ya que no es necesario invertir en licencias. A continuación, se presenta una descripción de cada uno de los módulos implementados mediante software en el transmisor.

WIFI MODULE: El modulo WIFI Implementado en la tarjeta CC3200 permite crear un punto de acceso protegido con el fin de conectar la tarjeta con el Host receptor inicialmente por un enlace WIFI. Esta conexión fue implementada con dos objetivos: La coexistencia del usuario con las dos tecnolog´ıas (WIFI y VLC) y para el control en las sesiones de medición y calibración de las modulaciones.

HTTP SERVER: El usuario en el host receptor puede controlar diferentes parámetros de la conexión VLC interactuando con un servidor HTTP. Dicho de otra manera, el ser-vidor recrea la interfaz gráfica para que receptor controle los módulos DC CONTROL, C CSK POINTS, OOK CONTROL, 16-CSK 16-CSK-White CONTROL, FREQ AND MODULATION SELECT.

FREQ AND MODULATION SELECT: Este módulo permite configurar la frecuencia del enlace VLC y seleccionar la modulación con la que se va realizar la transmisión. Por defecto, el sistema utilizará la modulación OOK a 1kHz frecuencia portadora. Es posible seleccionar modos de TEST, en los cuales la luminaria siempre estará enviando cadenas de 1 y 0 consecutivas (101010101. . . ..10101), o en el caso de la CSK cadenas son los s´ımbolos S1,S2,S3. . . hasta el s´ımbolo 15. Esto de manera que el env´ıo de s´ımbolos sea equi-probable.

(36)

TIMER MODULE: El timer permite controlar de manera exacta los tiempos de eje-cución de cada tarea de la luminaria. Este módulo es activado cuando se realiza la transmisión VLC, configurando cuando debe ser el tiempo de ejecución entre cada s´ımbolo según la frecuencia configurada por el usuario.

DC CONTROL: Este m´odulo configura la luminaria en un estado DC, manteniendo constante un nivel de corriente sobre el LED. El valor de la corriente en cada canal es ajustado mediante un valor decimal entre cero y 2800. Dividiendo este valor decimal entre 4 se puede calcular la corriente en el LED en mili amperios, por ejemplo, un valor de 2000 representa 500mA de corriente.

DC CSK POINTS: De manera similar al módulo DC CONTROL, este módulo controla estado DC de la luminaria, pero para combinaciones RGB espec´ıficas que generen la constelación de la modulación CSK. Esta función fue implementada para efectos de la calibración y verificación de la modulación CSK.

OOK y CSK Control: Estos dos módulos realizan la transmisión de los datos según sea la modulación definida en el selector. Cada módulo realiza la lectura de una cadena de caracteres alfanuméricos previamente definidos, convierte estos datos en cadenas de unos y ceros, y mapea a el espacio OOK o al espacio de color CSK. Una vez mapeados, cada s´ımbolo es relacionado con una configuración de valores decimales en cada canal RGBW. Para la modulación OOK, un valor de 1 o cero es representado mediante codificación Manchester. Para el caso de la Modulacion, la definición de la constelación y mapeo se realiza basado en las reglas de diseño de la normatividad. En el anexo B se presenta un breve resumen de estas especificaciones.

3.1.3. Convertidor Anal´

ogico Digital DAC

Este componente en el tranmisor permite convertir un valor digital de voltaje calculado para cada canal con el fin de generar un color determinado en la luminaria. El DAC utilizado fue TI DAC1282S085 [41] adquirido como un Boosterpack el cual es compatible con la tarjeta TI Launchpad CC3200 sin necesidad de implementar nuevos circuitos impresos, lo cual redujo el tiempo de ensamblaje de la tarjeta de control digital y el convertidor digital anal´ogica. Este DAC es programado con el protocolo serial SPI a un clock m´aximo de 20MHz.

3.2. Implementaci´

on del Receptor

El receptor está compuesto por tres módulos: sensor de color RGB, microcontrolador y host-decodificador. En la figura 3-3 se presenta el diagrama de bloques diseñado para la tarjeta externa del receptor la cual esta compuesta por el sensor de color y el microcontrolador. En la figura 3-4 se presenta el diagrama de bloques para la decodificación presente en el host e implementada mediante software.

(37)

3.2 Implementaci´on del Receptor 23

Figura 3-3.: Diagrama de bloques para el receptor.

3.2.1. Sensor de Color RGB

El sensor RGB es el dispositivo responsable de la captación de la onda electromagnética luminosa y convertir esta energ´ıa en un nivel de voltaje; el sensor será entonces la antena receptora del enlace VLC. Para el caso de la modulación OOK solo se requiere tener un fotosensor, para el caso de la modulación CSK, es necesario tener tres fotosensores en las tres bandas con el fin de realizar la demodulación.

La búsqueda de un sensor de color RGB que permitiera la decodificación la detección de las tres componentes en la luminaria estuvo en gran medida afectada por la disponibilidad de estos sensores en el mercado nacional. Igualmente en el mercado internacional estos com-ponentes no son de uso común. Se seleccionó un sensor de color RGB HDJD-S822-QR999 marca Avago [42]. Este módulo integra la adaptación de señal entre los fotosensores y un voltaje de salida el cual es proporcional a la energ´ıa incidente.

3.2.2. Microcontrolador

El microcontrolador es el dispositivo encargado de digitalizar las señales de voltaje analógicas entregadas por el sensor de color. Estas señales son almacenadas y posteriomente entrega-das al host receptor. El microcontrolador seleccionado fue el Texas Instruments Launchpad MSP430G2553 [43] y el IDE Energia basado e C++[40]. A continuación se presenta una descripción de cada uno de los módulos que lo integran.

BIT SYNCH MODULE: Este m´odulo es implementado en la tarjeta de desarrollo Texas Instruments Launchpad MSP430G2553. Su funci´on es detectar la frecuencia de

(38)

Figura 3-4.: Diagrama de bloques para el decodificador en el host receptor.

la señal portadora sobre una modulación OOK. Una vez se detecta esta frecuencia, este módulo env´ıa el valor decimal al timer para que reciba los s´ımbolos de data a esta frecuecia.

TIMER MODULE: El timer permite controlar de manera exacta los tiempos de eje-cución de cada tarea de la luminaria. Este módulo es activado cuando se realiza la transmisión VLC, configurando cual debe ser el tiempo de ejecución entre cada s´ımbo-lo según la frecuencia detectada por el modulo Bit Synch Module.

ADC MODULE: La función de este módulo es convertir las señales de voltaje entre-gadas por el sensor de color RBG en valores decimales. La resolución es de 10bits, por lo tanto, se digitalizan los niveles de voltaje entre 0 y 3.3V en 1024 niveles.

CONTROL GPIO: Este módulo configura 6 salidas digitales las cuales fijan la ganancia en cada canal del sensor de color. Las ganancias no var´ıan durante la transmisión por lo tanto este módulo únicamente fija estos valores al energizar la tarjeta.

STACK SYMBOL: Cada tripleta de datos le´ıdas por el ADC para la modulación CSK y un solo valor para la modulación OOK son almacenados por este módulo.

UART MODULE: Una vez se recibe un bloque de s´ımbolos en la transmisi´on, estos son enviados al PC Host, con el fin de limpiar el m´odulo STACK SYMBOL de alma-cenamiento y transmitir otro bloque de s´ımbolos. Cada uno de estos valores decimales son enviados por protocolo serial UART y recibidos por el decodificador en el PC Host

(39)

3.2 Implementaci´on del Receptor 25

receptor. El mapeo de la cadena de bits a un color en el espacio xy esta basado en las reglas de dise˜no presentadas en la normatividad IEEE. Un resumen de estas reglas de dise˜no son presentadas en el Anexo B

3.2.3. Host-Decodificador

En la figura 3-4 se presenta el diagram de bloques para el decodificador. Este decodi-ficador fue creado madiante software utilizando el IDE QT-Creator el cual es basado en lenguaje C++. A continuaci´on se presenta la descripci´on del decodificador.

• UART MODULE: La entrada de los datos provenientes del microcontrolador son recibidos por un módulo UART. Este módulo es administrado por una termi-nal mediante la cual el usuario puede configurar los diferentes parámetros de la tranmisión.

• BUFFER: En un array, se guardan los datos que son recibidos por el protocolo UART y almacenados hasta que la totalidad de los datos son enviados.

• STRING TO INT: Los datos enviados por protocolo UART son interpretados como caracteres, por lo tanto es necesario convertir a datos tipo entero.

• MOD SELECTOR: El selector de modulaci´on define el camino de los datos al-macenados en el buffer.

• DEMAPPING OOK: Para el caso de la modulación OOK los datos numéricos recibidos son mapeados en un 1 o un 0 según sea el umbral definido. Esta detección es directa y mucho más rápida

• RGB to CIE-xy: Para el caso de la modulaci´on CSK, los datos numericos recibidos correspodientes a las commponenetes RGB son mapeados al espacio xy utilizando la constelaci´on de referencia predefinida.

• MINIMUM EUCLIDEAN DISTANCE: Utilizando la minima distancia Euclidea-na sobre el espacio CIExy se asigEuclidea-na al s´ımbolo recibido el s´ımbolo m´as cercano en la constelaci´on.

• COLOR DEMAPPING: El s´ımbolo identificado es demapeado a la cadena de bits definida por la normatividad y utilizada en el mapeo de color en el transmisor.

(40)

(a) Registro fotogr´afico del prototipo VLC ensamblado.

(b) Descripci´on de cada uno de los elementos en el transmisor y receptor.

(41)

4. Metodolog´ıa de Dise˜

no de la

Modulaci´

on CSK

Existen dos restricciones de la modulación CSK: la primera es que cada punto de la cons-telación debe emitir un mismo flujo luminoso, de manera que se eviten percepciones por fluctuaciones de flujo, y la segunda un punto de cromaticidad espec´ıfico para cada s´ımbo-lo. Para conseguir este comportamiento en la luminaria es necesario determinar la relación entre a potencia emitida por el LED y una variable de control definida, el uso de defini-ciones matemáticas relacionadas con los espacios de color y las respectivas mediciones para la verificación del diseño. En este cap´ıtulo se presenta la metodolog´ıa presenatada para la caracterización de la luminaria y posterior diseño de la modulación CSK.

4.1. Estudio del Espacio CIExy

Los diferentes s´ımbolos de la constelación son presentados en el espacio de color xy definido por la CIE1964. Este espacio se deriva de las coordenadas XYZ (mayúsculas), las cuales cuantifican la energ´ıa recibida por los tres fotoreceptores en longitudes de onda corta, media y larga, mediante las Matching Functions x(λ), y(λ), z(λ) mostradas en la figura 4-1[5]. Matemáticamente estas coordenadas estan definidas por las siguientes expresiones:

X = Z 780nm 380nm P (λ) · x(λ) (4-1) Y = Z 780nm 380nm P (λ) · y(λ) (4-2) Z = Z 780nm 380nm P (λ) · z(λ) (4-3)

donde P (λ) representa la distribución espectral de potencia SPD de la radiación captada. La normalización de las coordenadas XY Z (mayúculas) da como resultado las coordenadas en el espacio xyz (minúsculas), el cual esta sujeto a la condición x + y + z = 1:

(x, y, z) = X X + Y + Z, Y X + Y + Z, Z X + Y + Z (4-4)

por lo tanto puede caracterizarse la percepción de color de una fuente de luz utilizando las coordenadas xy. Cada uno de los s´ımbolos de la modulación estarán entonces representados

(42)

28 4 Metodolog´ıa de Dise˜no de la Modulaci´on CSK

Figura 4-1.: Matching Functions definidas por la CIE1964.

sobre el espacio xy. Al disponer de una lumnaria RGB, se tienen tres puntos de cromaticidad b´asicos de cada uno de los LED rojo (xi; yi), verde (xj; yj) y azul (xk; yk) . Una combinaci´on

lineal de las estas tres coorenadas da lugar un nuevo punto de cromaticidad que estar´a dentro del tri´angulo formado por (xi; yi); (xj; yj); (xk; yk).

xd yd = Pi Pj Pk ∗   xi yi xj yj xk yk   (4-5)

Con el flujo luminoso constante en todos los s´ımbolos:

Pi+ Pj+ Pk = 1 (4-6)

4.2. Combinaci´

on de Colores

Ya que las cooredenas XY Z son obtenidas del producto escalar(un operador lineal), entre el SPD y las matching functions, una combinación lineal con coeficientes positivos entre los valores XYZ generarán un nuevo color. Se puede entonces plantear la siguiente relación para combinación de colores basados en la coordenadas XYZ.

  Xr Y r Xg Y b Xb Y b Y r Y r Y g Y b Y b Y b Zr Y r Zg Y b Zb Y b  Si =   Xd Y d Y d Y d Zd Y d   (4-7)

(43)

4.3 Definici´on de la Variable a Medir 29 donde Si =   Pi Pj Pk 

es un vector columna de tres dimensiones el cual representa la contribuci´on

al flujo luminoso de cada canal, y XY Zd, el color deseado. La coordenada Y representa el

valor de la variable fotom´etrica desde la cual se caracteriza la luminaria.

4.3. Definici´

on de la Variable a Medir

El flujo luminoso es la cantidad de energ´ıa que emite una fuente en todas direcciones, y que puede ser captada por ojo humano. La iluminancia es la unidad fotométrica que caracteriza la cantidad de flujo luminoso que es recibida por una superficie. La luminancia de un ob-jeto luminoso es definida como el flujo total emitido por ángulo sólido sobre una superficie proyectada en una dirección determinada. El objeto luminoso puede ser una fuente de luz primaria (emisión propia de luz), como la superficie de una bombilla incandescente, o una fuente de luz secundaria (emisión de luz por reflexión) como una carretera, o la hoja de un cuaderno que está siendo iluminada por una fuente primaria. Uno de los trabajos a futu-ro utilizando la infraestructura VLC, es determinar el impacto del uso de cada una de las modulaciones en la percepción del color de un usuario cuando la luminaria, además de trans-mitir datos, cumple la función de iluminación. La variable fotométrica que define y mejor caracteriza la forma como el ojo humano percibe la radiación emitida por una fuente de luz es la LUMINANCIA.En el Anexo E se presenta un resumen de las cantidades fotométricas. De acuerdo a esto se propouso la configuración de la figura 4-2, como un método mediante el cual puede calibrarse el enlace VLC con el fin de asegurar un flujo luminoso constate para cada punto de la constelación CSK, asegurando también que el usuario no perciba cambio en la luminancia. La normatividad IEEE define que cada punto de la constelación CSK debe emitir el mismo flujo luminoso, lo cual implicar´ıa un montaje de laboratorio diseñado para medir esta variable, tal como una esfera integradora o un goniofrotómetro.

Utilizando un telescopio con conexión a fibra óptica a un espectrómetro, se puede captar la radiancia espectral de la reflexión sobre la superficie lambertiana. Esta radiancia espectral es multiplicada por la función v(λ) para calcular la luminancia espectral, para luego poder obtener un valor integrativo en el espectro visible. El uso de la superficie lambertiana es de vital importancia debido a que esta superficie permite relacionar linealmente la luminancia y la iluminancia sobre dicha superficie. De esta manera, conociendo el valor de la luminancia se puede calcular el valor de la iluminancia. Aunque no se conoce el valor del flujo emitido por la fuente, al asegurar que la iluminancia para cada punto de cromaticidad no var´ıa sobre la superficie, se puede asegurar que el flujo de cada punto de cromaticidad no variará, cumpliendo as´ı con la restricción en el diseño de la modulación.

La idea de esta medici´on, es lograr la caracterizaci´on de las siguientes variables:

Valor digital programado por software en el microcontrolador al convertidor Digital Ana´ogico (Variable de control)

(44)

30 4 Metodolog´ıa de Dise˜no de la Modulaci´on CSK

Figura 4-2.: Montaje para medici´on de luminancia.

Radiancia e Luminancia utilizando el telescopio y el espectr´ometro (Variable de medi-ci´on)

Se debe validar la repetibilidad de la medición lo cual se comprueba calculando la incerti-dumbre de las mediciones, por lo tanto es importante mantener las condiciones geométricas cuando se requiera realizar la medición de voltaje y corriente en el DRIVER, as´ı como el posicionamiento del telescopio y las condiciones ambientales que puedan cambiar el funcio-namiento del mismo. Es deseable poder controlar la luminaria de manera remota para esta medición.

4.3.1. Combinaci´

on de Colores para Luminancia

A continuación se presenta la definición matricial para la combinación de colores utilizando la luminancia y las coordenadas xy (minúsculas).