Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación

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Equation Chapter 1 Section 1

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería de Telecomunicación

AFE para transmisión LIFI

Autor: Jose María Molero Peña

Tutor: Vicente Baena Lecuyer

Dep. Ingeniería Electrónica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

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Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería de Telecomunicación

AFE para transmisión LIFI

Autor:

Jose María Molero Peña

Tutor:

Vicente Baena Lecuyer

Profesor titular

Dep. Ingeniería Electrónica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2018

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Proyecto Fin de Carrera: AFE para transmisión LIFI

Autor: Jose María Molero Peña Tutor: Vicente Baena Lecuyer

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

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El Secretario del Tribunal

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A mi familia y a todas las personas presentes en mi vida.

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Agradecimientos

En primer lugar, quiero agradecer a mi familia el apoyo mostrado en estos largos años como estudiante. En especial a mis padres, por la educación que me han dado y de la cual estaré eternamente agradecido. Pues me han enseñado a ser perseverante con las decisiones que he ido tomando en la vida, tanto académica como personal. Y de contar con ellos cuando no veía el final de esta larga, dura pero hermosa carrera.

Quiero dar especial agradecimiento a mi tutor Vicente Baena, que aún estando yo en una situación complicada siempre ha estado en disposición de ayudarme. En cuanto me dispuse a buscar tutor para el proyecto, me acordé del año que me dio clase y de lo entregado que se le veía por su profesión. Ahora puedo decir que no me he equivocado.

A todos mis amigos que han sido de gran ayuda estos años, por los consejos, apoyo y por esas risas en los descansos de clases y no tantas risas en épocas de exámenes.

A todos los profesores que me han formado a lo largo de la carrera.

Y todas esas personas que entran, salen, vienen y se van de mi vida. Siempre quedará algo de ellos en mí.

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Resumen

Actualmente, la mayor parte de las transmisiones inalámbricas de información se basan en la utilización de la banda de radiofrecuencia (Radio Frequency, RF). Debido a la saturación de dicha banda y por su estricta regulación, surgen nuevas formas de aprovechar el espectro electromagnético disponible.

Los sistemas de transmisión de información usando luz visible (Visible-Light Communication) buscan utilizar la banda de luz comprendida entre 400 y 750 nm para el envío de información de forma inalámbrica. El espectro de luz visible tiene como ventajas que es alrededor de 10.000 veces más grande que la banda RF y actualmente se encuentra sin regulación para su uso como medio de transmisión de información inalámbrica.

LiFi es una de las aplicaciones de las comunicaciones por luz visible que junto al creciente uso de sistemas de iluminación basados en leds hace que sea una tecnología muy interesante para su estudio y viabilidad en un futuro muy próximo.

Este proyecto consiste en el estudio de diferentes toplogías que se utilizan para LiFi, haciendo hincapié en los diferentes componentes que que lo forman. Para ello haremos uso de los datasheet de los elementos que intervienen en esta tecnología para encontrar y estudiar aquellas aplicaciones que son objeto de nuestro proyecto.

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Abstract

Currently, most wireless information transmissions are based on the use of the radio frequency band (Radio Frequency, RF). Due to the saturation of this band and its strict regulation, new ways of taking advantage of the available electromagnetic spectrum arise.

The systems of transmission of information using visible light (Visible-Light Communication seek to use the band of light between 400 and 750 nm for sending information wirelessly.) The visible light spectrum has as advantages that it is around 10,000 times more large than the RF band and is currently unregulated for use as a means of transmitting wireless information.

LiFi is one of the applications of visible light communications that together with the growing use of LED-based lighting systems makes it a very interesting technology for its study and feasibility in the very near future. This project consists of the study of different topologies that are used for LiFi, emphasizing the different components that form it. For this we will use the datasheet of the elements that intervene in this technology to find and study those applications that are the object of our project.

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Índice

Agradecimientos ix

Resumen xi

Abstract xiii

Índice xiv

indice de Tablas xvi

Índice de Figuras xvii

Acrónimos xx

1 Introducción 1

1.1 Motivación del Proyecto Fin de Carrera (PFC) 2

1.2 Objetivo del PFC 2

1.3 Organización y metodología del PFC 3

2 visible light communication 5

2.1. Origen 7

2.2 Características 9

2.3 Ventajas 15

2.4 Aplicación VLC: Li-fi 16

3 introducción a la tecnología lifi 19

3.1 Evolucion LiFi 19

3.2 Estándares de Comunicaciones por luz visible 20

3.2.1 Introducción 20

3.2.2 Estándar de transmisión de datos VLC 23

4 técnicas de modulación 33

4.1 Modulación para VLC 33

4.1.1 Modulación monoportadora 34

4.1.2 Modulación multiportadora 39

4.2 Modulacion para Li-fi 45

4.2.1 DC-Offset OFDM (DCO-OFDM) 46

4.2.2 Asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDM) 47

4.2.3 FLIP-OFDM 47

5 Transmisor y receptor LiFi 49

5.1 Introducción 49

5.2 Transmisor y receptor 51

5.3 Algunas topologías propuestas 57

6 Conlusión 71

6.1 Conclusiones 71

6.2 Lineas futuras 71

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INDICE DE

T

ABLAS

Tabla 2-1: Comparativa de los sensores 14

Tabla 2-2: Ventajas y desventajas de VLC 15

Tabla 3.1 Modelo PHY I 39

Tabla 3.2: Modelo PHY II 40

Tabla 5.1: especificaciones Led 1W 58

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xvii

Í

NDICE DE

F

IGURAS

figura 1: Espectro electromagnético 6

figura 2: Fotófono 7

figura 3 :Historia de VLC 8

figura 4 :Diagrama de bloques de VLC 11

figura 5 : Característica led 11

figura 6: Característica no lineal del LED 12

figura 7: Escenario VLC 16

figura 8: Funcionamiento global de LiFi 17

figura 9: Organización del IEEE 802.15 26

figura 10: Modulación OOK 27

figura 11 :Tx y Rx PHY I 28

figura 12 : Tx y Rx PHY II 29

figura 13 : Tx y Rx PHY III 30

figura 14: Esquema de un modulador monoportadora genérico 34

figura 15: OOK con diferentes porcentajes de atenuación 36

figura 16 :Modulación PPM 37

figura 17: Modulación IPPM 38

figura 18: Modulacion VPPM 38

figura 19 : a) transmisor FDM. b) espectro de una modulación FDM y OFDM 39

figura 20: Esquema genérico de la modulacion OFDM 41

figura 21: Modulación QAM 41

figura 22: Constelación QPSK 42

figura 23: Modulación QPSK 42

figura 24:modulación de intensidad y detección directa 44

figura 25: Modelo equivalente de banda base de de un sistema óptico usando IM/DD 45

figura 26: Diagrama de un sistema DCO-OFDM 46

figura 27 : Transmisor ACO-OFDM 47

figura 28 :Transmisor Flip-OFDM 48

figura 29: Tecnologías de iluminación 50

figura 30: Comparación en tecnologias de iluminación 51

figura 31: Esquema del driver simplificado 52

figura 32: Led/MOS, distintas formas de ondas 53

figura 33: Curva de distancia aproximada (cm) vs error (bit) 54

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figura 35: Diagrama de bloques, comunicación LiFi 56

figura 36: Transmisión de señal LiFi 56

figura 37: Diagrama de bloque audio 57

figura 38: Circuito transmisor con led 1 W 58

figura 39 : Led TDS-P001L4Z11 1W 59

figura 40 : Fotodiodo BPV10 59

figura 41: Parte receptora 60

figura 42: Curvas de tensión/corriente y corriente/flujo luminoso 61

figura 43: Fotodiodo S5972 62

figura 44 : Típica aplicación OPA659 62

figura 45 : Amplificador de transimpedancia OPA847 64

figura 46 : Receptor optimizado 65

figura 47: La respuesta en frecuencia del receptor 65

figura 48: la respuesta en fecuencia del receptor con 66

figura 49: Transmisor y receptor propuesto 67

figura 50: Cabina de pasajeros de un A320 y distancia máxima entre las luces de lectura y el receptor 68 figura 51: diagrama de bloques, transmisor y receptor en cabina de avión 69

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Acrónimos

OWC Optical Wireless Communications VLC Visible Light Communications RF Radiofrecuencia

LED Light Emitting Diodes ISI Interferencia entre símbolos

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing LiFi Light Fidelity

CCTR Center for Information and Communications Tecnology Research RONJA Reasonable Optical Near Joint Access

FSO Free Space Optical

CTT Correlated Colour Temperature comunicaciones PLC Línea de potencia

WiFi Wireless Fidelity CRI Colour Rendering Index SNR Relación señal a ruido

PWM Modulación por ancho de pulso

NASA National Aeronautics and Space Administration ESA European Space Agency

IrDA Infrared Data Association

TED Technology Entertainment Design

JEITA Japan Electronics and Information Technology Industries Association ICSA Infrared Communication System Association

ISL Intelligent System Lighting

IEC International Electrotechnical Commission DALI Digital Adressable Light Interference ISP Internet Service Provider

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers WPAN Wireless Personal Area Network

LAN Local Area Network

WBAN Wireless Body Area Network SAR Specific Absorption Rate

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xxi PAC Peer Aware Communications KMP Key Management Protocol OOK On-Off Keying

VPPM Variable Pulse Position Modulation CSK Color-Shift Keying

DFT Transformada Discreta de Fourier QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase-Shift Keying O-OFDM Optical-OFDM

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1 I

NTRODUCCIÓN

n la actualidad la velocidad de transmisión y recepción de datos se ha convertido en un papel muy importante a la hora de avanzar en el campo de las comunicaciones inalámbricas.

En la llamada era de la información en la que vivimos cada día que pasa aumenta el consumo de datos, los servicios digitales y la necesidad de comodidad y facilidad a la hora de la comunicación. Todo ello, unido a la congestión en el espectro radioeléctrico conlleva a optar por una tecnología alternativa como las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) que da soluciones tales como el ancho de banda ilimitado, transmisores y receptores económicos, etc.

La comunicación por luz visible VLC, transmite en la banda del espectro radioeléctrico óptico, esto es, en el rango de longitudes de ondas entre los 390-750 nm. Es una técnica prometedora que puede complementar a la comunicación inalámbrica RF, y no tiene por qué sustituirla. La técnica VLC emplea como fuente de transmisión transmisores LEDs, los cuales proporcionan iluminación y transmisión de información simultáneamente. En contra, el uso de varios LEDs como fuente luminosa, provoca una propagación multitrayecto que puede generar interferencias entre símbolos o ISI.

Una de las aplicaciones más importante y con más futuro de las comunicaciones por luz visible es LiFi.Esta tecnología es una alternativa que se da a wifi, es decir, utiliza el espectro de la luz visible para transmitir datos de manera inalámbrica. Pero ha sido en los últimos años, que gracias a la tecnología LED y a las características de las mismas que se pueden transmitir datos con una alta velocidad y de manera muy efectiva.

Con este proyecto se pretende describir el diseño del transmisor y receptor, y las distintas topologías en una comunicación LiFi, empezando desde la modulación que utiliza así como la forma en la que transmitimos la información gracias a los sistemas basados en LED, del cual se explicará en detalle como es capaz de transmitir los pulsos luminosos.

E

Cada día sabemos más y entendemos menos. - Albert Einsten -

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Introducción 2

1.1 Motivación del Proyecto Fin de Carrera (PFC)

Con la realización de este proyecto pongo fin a una larga etapa estudiantil donde he estado formándome lo mejor posible para poder aplicar todos los conocimientos adquiridos en el mundo laboral, referente a lo que siempre me ha apasionado, las telecomunicaciones, en el sentido más amplio de la palabra.

Como futuro ingeniero siento la necesidad de estar adaptándome a los continuos cambios que aparecen con el paso del tiempo. Por ello este proyecto se centra en la tecnología LiFi, relativamente nueva que viene cargadas de mejoras y atiende a las necesidades de nuestra sociedad.

Cualquier persona sabe de la masiva demanda de nuestra generación en el aspecto tecnológico y la necesidad de una continua mejora en nuestra vida cotidina. Poe ello, aunque en un principio no conocía nada sobre este tema me fascinaba la idea de poder estudiar y aprender sobre este sistema de comunicación, que personalmente creo que será el futuro de internet, entre otras aplicaciones. El hecho del desconocimiento mencionado anteriormente ha contribuido a la mejora de mi destreza a la hora de afrontar un proyecto y enfrentarme la búsqueda en las actuales bases de datos científicas, como IEEE Xplore, Dialnet o scopus entre otros, para aprender los conceptos básicos de la tecnología emergente LiFi.

1.2 Objetivo del PFC

El objetivo del proyecto es dar una visión general de la tecnología Lifi, en concreto se estudiará las etapas, algunas topologías de estos sistemas, así como los distintos elementos que forman la parte del transmisor y receptor.

Primero se analizará el transmisor, donde estudiaremos las diferentes modulaciones para la comunicación inalámbrica.

Una parte importante de estos sistemas de comunicación y con el que sino no sería posible ni tendría sentido la finalidad de esta tecnología en cuanto a la mejora de las anteriores ya instauradas son los LEDs.

Una vez que se ha desarrollado la parte del transmisor nos centraremos en la segunda etapa, en la que como se explicará posteriormente se recibirá los pulsos de luz visible y por medio de un fotodetector y un amplificador de transimpedancia se recibirá la información. Decir que la elección de este último elemento mencionado es muy importante para el correcto funcionamiento de nuestro sistema.

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3

3 AFE para transmisión LIFI

1.3 Organización y metodología del PFC

Lo primero que se ha hecho en este trabajo ha sido recolectar toda la información necesaria para el entendimiento de los temas de los que trata el proyecto, asimilando todos los conceptos para tener una idea global de todos los conceptos que han ido apareciendo hasta ahora. Con ello, tener una idea general de la estructura del proyecto para que sea lo más comprensible para futuros lectores.

Una vez estructurado el trabajo, y conociendo más del tema del proyecto invertía mas tiempo en las cosas más concretas, como son la modulación que se utiliza, las distintas toplogías que se han desarrollado, los elementos y el funcionamiento del transmisor y del receptor.

La memoria del proyecto está formada por los siguientes capítulos:

• El primer capítulo es el de introducción. En él se dará una idea general del proyecto y se verá la motivación para la realización de dicho proyecto, los objetivos que se esperan cumplir y la metodología y organización seguida.

• El segundo capítulo es el de VLC. En él, se introducirá las comunicaciones ópticas inalámbricas, explicando la necesidad de dicha tecnología y sus atractivas ventajas. Tras esta sección, se narra un poco el origen de las comunicaciones por luz visible.

• En el tercer capítulo, se define los comienzos de la tecnología LiFi, asi como las normas y estándares por los que se rigen.

• El siguiente capítulo se centra en las técnicas de modulación. Describiremos los sistemas de monoportadora y multiportadora.

• En el quinto capítulo, se desarrolla la parte mas importante del proyecto. Se centra en las distintas toplogías, etapas y elementos que componen el transmisor y receptor de LiFi de una manera detallada.

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Introducción 4

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5

2 VISIBLE LIGHT COMMUNICATION

n este capítulo se va a introducir el concepto de comunicaciones por luz visible, para así poner las bases de estudio para el objetivo del proyecto. Para ello introducimos el concepto de VLC, después seguirán sus orígenes y sus características, para terminar con la aplicación LiFi.

En los sistemas de comunicación de hoy en día, la banda de frecuencia más popular es la radiofrecuencia RF, debido principalmente a la buena cobertura y a la menor interferencia. La banda RF está comprendida desde los 30KHz hasta los 300GHz del espectro electromagnético y su uso está estrictamente regulado por las autoridades locales e internacionales.

Sin embargo, varios factores incluyendo la congestión del espectro de RF, la creciente demanda de ancho de banda, el crecimiento de los servicios digitales y otros más, conducen a la necesidad de una tecnología alternativa.

Una de las soluciones viables que ha surgido en los últimos años, es mover las comunicaciones inalámbricas a la banda del dominio óptico que incluye las sub-bandas infrarroja (IR), visible (VL) y ultravioleta (UV), dando como resultado las comunicaciones ópticas inalámbricas OWC.

A los subsistemas de la tecnología OWC que operan únicamente en la banda visible (390-750nm) se le denominan VLC.

Los sistemas VLC utilizan LEDs como fuentes transmisoras que pueden estar pulsados a velocidades muy altas de modo que la intensidad de la fuente de luz sea imperceptible al ojo humano. El doble uso de los LEDs, con el fin de comunicación y de iluminación, es un enfoque sostenible y energéticamente eficiente además de tener el potencial de revolucionar nuestra forma de usar la luz. VLC puede usarse en una amplia gama de aplicaciones incluyendo redes inalámbricas de área local y personal, redes vehiculares entre otros.

Es una comunicación emergente que nos ofrece una transmisión de datos por medio de sistemas inalámbricos a una alta velocidad, ya que es una característica de los sistemas muy demandada actualmente. Los sistemas VLC, como se ha dicho antes, transmiten datos por medio de luz visible usando el espectro de frecuencia de 400 a 800 THz.

E

La ciencia es la progresiva aproximación del hombre al mundo real.

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visible light communication 6

Hay otros términos utilizados en el ámbito de las comunicaciones por luz visible, que tienen un significado parecido a VLC pero con algunas diferencias. Estos tres términos son:

• Comunicaciones FSO: A parte considera la luz visible, sino también la luz ultravioleta y los infrarrojos entran en esta categoría. No se necesita iluminación para FSO, por lo que tiende a ser utilizada en haces de luz estrechos para aplicaciones como enlaces de comunicación entre edificios. FSO a menudo usa láser en lugar de diodos LED.

• LiFi: Este término se explicará más detalladamente a lo largo del proyecyo. Suele usarse para describir aplicaciones de alta velocidad de VLC. La tecnología es similar a WiFi con la diferencia que en vez de transmitir por ondas radio, se transmite por medio de la luz.

• OWC: Este término es muy general, ya que se refiere a todo tipo de comunicaciones ópticas inalámbricas. VLC, LiFi, FSO o control remoto por infrarrojos son ejemplos de OWC.

figura 1: Espectro electromagnético

En los laboratorios Nakagawa, junto con algunas de las mayores empresas de tecnología de Japón, como por ejemplo Panasonic, se crea lo que se conoce como el consorcio de VLC. Más tarde, se unió a este consorcio el correspondiente grupo de infrarrojos, la asociación de datos por infrarrojos (IrDA). Desde entonces, se han realizado muchas actividades de investigación relacionadas con VLC desde todo el mundo con el programa de marco europeo OMEGA 7 y el trabajo de la Universidad de Oxford, siendo el más destacado.

Como conclusión, el objetivo de VLC es la iluminación y transmisión de datos simultáneamente aplicando la misma tecnología. Teniendo en cuenta que VLC se está refiriendo a la luz visible, las cuestiones específicas relacionadas con la salud en el ámbito de las redes radio tienen una gran mejora.

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2.1. Origen

Durante cientos de años se han utilizado las comunicaciones ópticas con el fin de comunicarse a kilómetros de distancia. Desde antes de que Graham Bell inventase el fotófono en 1880, se usaban las comunicaciones ópticas. En la antigüedad, por ejemplo, las personas se comunicaban por medio de señales de humo para enviar información a personas que se encontraban a kilómetros de distancia. Una de las primeras tecnologías donde se implantó FSO fue una aplicación militar, utilizada en el ejército francés a finales del siglo XVII. El sistema de telégrafía de Chappe consistía en estructuras de madera de cinco metros de altura separados uno de otros por once kilómetros. Estaba compuesto por tres brazos movibles capaces de articular 196 señales que se traducían por palabras o frases con un significado concreto. A estas estructuras se les incorporaban telescopios para que así, desde la estructura adyacente, se pudiese ver el mensaje transmitido y enviarlo a la siguiente. En un minuto, una señal se desplazaba 135 kilómetros. Este sistema también podía usarse en la oscuridad gracias a la iluminación que tenían implementada. Este sistema de comunicación no era todo lo rápido que se quería, pero conseguía transmitir una señal mediante comunicaciones ópticas durante cientos de kilómetros.

figura 2: Fotófono

El primer experimento de VLC fue gracias a Alexandre Graham Bell con el ya mencionado fotófono. Este instrumento permitía la transmisión del sonido por medio de emisiones de luz. El principio básico del fotófono consistía en modular una emisión de luz directamente al receptor que era donde se conectaba el teléfono. La modulación se realizaba por medio de un espejo vibratorio o por un disco rotatorio que periódicamente oscurecían el haz de la luz. Fue el primer instrumento que emitió luz.

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figura 3 :Historia de VLC

Durante la segunda guerra mundial, tanto los del Eje como los Aliados, usaron la tecnología FSO. Como por ejemplo, el alemán Lichtsprechgerät y el servicio telefónico americano de infrarrojos.

En 1955, se introdujo el control remoto de televisión inalámbrico, Flash-Matic Tunning. Este sistema sólo estaba compuesto por un botón que permitía encender, apagar o cambiar de canal, todo esto gracias a las células fotoeléctricas situadas en las cuatro esquinas de la pantalla. Esta fototecnología fue una innovación significatica en televisión y permitió la transferencia de señales inalámbricas. Un año más tarde, en 1956, este sistema fue reemplazado por tecnología ultrasonido. Desde entonces, el control remoto IR sigue siendo muy común.

En 2001, en Praga, se desplegó un nuevo sistema de acceso, RONJA (Reasonable Optical Near Joint

Access), tecnología controlada por el usuario de un enlace de datos ópticos punto a punto de manera

inalámbrica. Este enlace tiene un rango de 1,4 kilómetros y una tasa de datos estable y fullduplex de 10Mbps. RONJA puede ser de uso cotidiano, ya que se puede montar en una casa conectándolo a un ordenador o a cualquier otro dispositivo con acceso a la red. Una ventaja de esta tecnología es el bajo coste que tiene. Se puede considerar que es uno de los sistemas inalámbricos de menor precio que existe en el mercado.

Gracias a que la industria de los LEDs se ha desarrollado y ha avanzado mucho en los últimos años, este elemto como emisor ha conseguido una transmisión más potente y con mejor calidad. Los LED de luz blanca tienen un módulo con alta potencia, mientras los LEDs de luz azul combinado con fósforo amarillo se usan para iluminar espacios interiores y exteriores.

En 2003, en Japón, en la universidad de Keio, se empezó a utilizar el LED como fuente de transmisión de datos por luz visible. Desde entonces, ha sido objeto de numerosas investigaciones para así avanzar en las comunicaciones de luz visible.

En 2006 los investigadores de CCTR PennState (Center for Information and Communications Tecnology Research) proponen una combinación de comunicaciones por línea de potencia (PLC) y la luz blanca del

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LED para así proporcionar acceso de banda ancha para aplicaciones en interiores. Esta aplicación sugiere que VLC podría ser desplegada en un futuro como una solución perfecta.

En 2010, un equipo de Siemmens y el Instituto Fraunhofer de Telecomunicaciones demostraron la transmisión a 500 Mb/s con un LED de luz blanca a una distancia de cinco metros y en distancias más largas usando cinco LEDs lograron alcanzar una velocidad de 100 Mb/s.

El proceso de normalización de las comunicaciones VLC se realizó en el IEEE en el grupo de trabajo de redes de área personal inalámbricas, en el estándar 802.15. En otro capítulo se desarrollará esta norma más extendidamente.

Como conclusión de esta pequeña referencia histórica de algunos de los puntos concretos a lo largo de la existencia de las tecnologías FSO y VLC, se podría decir que las comunicaciones ópticas siempre han sido, populares o bien, consideradas de algún modo. Y pueden ser útiles en aplicaciones muy variadas en un futuro próximo. Teniendo en cuenta todas las ventajas que tienen sobre otros sistemas inalámbricos hoy en día más comunes, se espera que VLC se desarrolle más y sustituya a estas otras.

Actualmente los sistemas VLC, tienen un especial atractivo, ya que pueden ser una solución clave para sistemas inalámbricos, además de ser una solución muy económica.

2.2 Características

Actualmente las tecnologías de comunicaciones inalámbricas son mediante ondas electromagnéticas, la más popular en el uso cotidiano es WiFi. Aunque hoy en día está aumentando la tecnología con LEDs, gracias a su desarrollo, sobre todo para sistemas interiores. Después del conocer en qué consiste esta tecnología y sus antecedentes, se van a explicar ahora las características principales.

La luz visible es un haz de fotones emitido por una fuente de luz cuando se le aplica una corriente y se encuentra en un intervalo de longitud de onda entre 400nm y 750nm. Cuando la corriente varía a muy alta velocidad, la salida de la luz varía según corresponda, de tal forma que sea imperceptible al ojo humano pero que pueda ser detectada por un material fotosensible como el fotodiodo.

A continuación, se muestra las ventajas que tiene:

• Interferencia: VLC es intrínsecamente seguro y no causa cualquier interferencia con señales de RF. Por lo tanto, esta tecnología es perfectamente adecuada para la comunicación en el hospital, aplicaciones industriales y aeroespaciales.

• Seguridad: Las ondas de RF atraviesan las paredes y son susceptibles a espiar. Debido a que la luz está confinada a un área rodeada por límites opacos, puede estar bien definido zonas de cobertura con seguridad mejorada para VLC.

• Reutilización espacial: Como el VLC se ve facilitado por la emisión de luz visible altamente direccional y confinada, puede haber una coexistencia de muchos enlaces no interferentes en estrecha proximidad que permite una mayor densidad de datos y la reutilización espacial del ancho de banda de modulación

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en las celdas de comunicación adyacentes.

• Seguridad: En condiciones de iluminación, no hay riesgos para la salud con la luz visible. A diferencia de IR, la luz visible satisface las normas de seguridad de ojos y piel por lo que es seguro para el uso en cualquier escenario con una potencia óptica emitida mucho más grande que da a la comunicación VLC, una ventaja en términos de distancia de transmisión sobre IR.

• Eficiencia energética: los LED son energéticamente eficientes y fuentes de luz controlables, lo que les permite ser parte de una tecnología verde. Por lo tanto, VLC había surgido como un tecnología de comunicación ecológica. Los LED usan aproximadamente una vigésima parte de la energía de un fuente de luz convencional. Si todas las fuentes de luz convencionales son reemplazados por LED, el consumo de electricidad global reduciría hasta en un 50 por ciento, el CO2 las emisiones se reducirán en más de 10 gigatoneladas y el consumo de petróleo en 962 millones de barriles, que asciende a ahorros financieros superiores a un billón de dólares, y ahorro de energía de 1.9 × 1020 joules en una década. • Avanzar hacia una red de energía inteligente: Hay un beneficio inherente para aprovechar la

infraestructura existente de la línea de energía para proporcionar conectividad y aprovechar la eficiencia energética. Sistemas de iluminación LED para enlace descendente inalámbrico. La ubicuidad de la iluminación LED junto con las redes de líneas de alimentación nos lleva a concluir que VLC será una tecnología inalámbrica complementaria sólida para el PLC de interior, de forma similar a como Wi-Fi actualmente admite conexiones Ethernet de banda ancha.

• Económico: Otra ventaja de los dispositivos VLC es su costo bajo comparativo. Algunos enlaces de RF populares que funcionan a más de aproximadamente 10 m proporcionan velocidades de datos de hasta 1 Mb / s en la banda de 2,4 GHz por un costo de cerca de US $ 5 por módulo. Mientras, los enlaces VLC pueden transmitir a 4 Mb / s en distancias cortas usando dispositivos optoelectrónicos que cuestan aproximadamente US $ 1 por módulo. El precio de implementación de VLC es menor ya que solo unas pocas actualizaciones de la infraestructura de iluminación existente se requiere en lugar del precio de instalación inicial de un sistema de comunicación completo.

• Alta tasa de datos: VLC es un tipo de comunicación óptica inalámbrica. Esta tecnología tiene altas velocidades, por lo tanto, las comunicaciones por luz visible heredan esta característica. Los beneficios inherentes de reemplazar la tecnología de iluminación tradicional con iluminación LED combinada con las características únicas y el amplio ancho de banda no regulado de la luz visible promueve el concepto de combinar la iluminación con la comunicación para implementar VLC. Las características únicas de VLC que se han discutido anteriormente abrirán el camino para que sea uno de los avances tecnológicos más importantes en la comunicación sistemas.

Para terminar este apartado nos centramos en las diferentes partes de la comunicación VLC, con un diagrama de bloques y son su posterior explicación de los elementos que lo forman.

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figura 4 :Diagrama de bloques de VLC

a) Transmisor VLC

En el transmisor, para enviar los datos se utiliza un diodo de emisión de luz. Se suele usar o bien LEDs de luz blanca o LEDs rojos, azules o verdes combinados para así obtener el color deseado o de un solo LED, normalmente azul, que excita a un fósforo amarillo para crear una emisión global blanca. El enfoque triplete permite que el color se vaya alterando hasta conseguir el color de LED deseado y también permite que diferentes datos sean enviados en cada dispositivo. Sin embargo, mantener el balance de colores puede ser un reto y hacer que los dispositivos sean más complejos. El LED único es un enfoque más simple y por lo tanto más atractivo para las aplicaciones en general.

En la Figura 5, se muestra la respuesta en frecuencia de pequeña señal, tanto para el LED azul como para la emisión de un LED blanco. Como se puede apreciar, el ancho de banda es de aproximadamente de 2 MHz para el LED blanco, mientras que para el azul es de aproximadamente 10 MHz. Esto es debido a que el tiempo de bajada de dicho LED es mayor que en el caso del LED blanco que proporciona una limitación del ancho de banda total disponible. Además, las luces de LED azul no están diseñadas para aplicaciones de alta velocidad y de área muy grande en comparación con los dispositivos utilizados para las comunicaciones de alta velocidad.

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El LED tiene un valor umbral mínimo de encendido conocido como Turn-On Voltage (TOV), que es el inicio del flujo de corriente y de la emisión de luz. Por debajo del TOV, el LED se encuentra en una región de corte, y por encima, el LED se encuentra en la región de conducción, por consiguiente, el flujo de la corriente y la salida de la luz incrementan exponencialmente en relación con la tensión aplicada.

La potencia de luz de la salida del LED es lineal en un intervalo limitado, sin embargo, como se muestra en la Figura 6, se debe considerar los aspectos térmicos que disminuyen la eficiencia en la conversión eléctrica-óptica (E/O) y además, ajustar los parámetros de voltaje DC y de la señal modulante en el diseño del circuito de control, para garantizar que el LED trabaje en la región de conducción y que no se produzca sobrecalentamiento, con el fin de evitar la degradación de la luz de salida o en el peor caso el fracaso total de la comunicación.

figura 6: Característica no lineal del LED

En cuanto al tipo de LED utilizado podemos estudiar uno especifico que debido a sus características lo hacen ideal para estos sistemas de comunicación, el denominado led blanco.

El LED blanco ofrece propiedades ventajosas, tales como alta luminosidad, fiabilidad, menor consumo de energía y larga vida útil. Estos dispositivos se utilizan no sólo para iluminar habitaciones, sino también para un sistema de comunicación inalámbrico óptico. En general, las luces están instaladas en nuestra habitación. Por lo tanto, su diferencia de camino óptico debe ser considerada.

Para evaluar la calidad del LED blanco hay que tener en cuenta dos parámetros. La temperatura del color, CTT (Correlated Colour Temperature), se define como la temperatura a la que un cuerpo negro emitirá luz de ese color. Da una idea si es una luz cálida, más anaranjada, o una luz fría, más cercana al azul. El segundo parámetro es el índice de reproducción cromática, CRI (Colour Rendering Index), es una medida de la capacidad que una fuente luminosa tiene para reproducir fielmente los colores de varios objetos en comparación con una fuente de luz natural o ideal. Dependiendo de estos parámetros se utilizará para una aplicación u otra.

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Por lo general, esta configuración de luz blanca es una buena elección como transmisor en sistemas VLC llegando a alcanzar tasas de transmisión por encima de los 100 Mbit/s.

Para explorar totalmente el coste de la baja energía y mejorar aún la eficiencia energética, el sistema de iluminación debe ser capaz de controlar el brillo que debe ser adaptable a la luminosidad del entorno. Sin embargo, cuando combinamos la iluminación con la comunicación, esta adaptación debe considerar el efecto del rendimiento de la comunicación, porque un brillo bajo implica una potencia de transmisión baja, por lo tanto, una disminución directa de la relación señal a ruido (SNR). Por eso, VLC exige nuevas técnicas de control de brillo para determinar el equilibrio entre la iluminación y la comunicación.

En general, hay dos técnicas para ajustar el brillo del LED: Analógica y digital.

- La técnica analógica es conocida como Continuous Current Reduction, CCR (Reducción de la corriente continua). Ajusta el brillo del LED controlando la amplitud de la corriente directa, ya que la cantidad de luz que produce el LED es directamente proporcional a la corriente directa de conducción del LED.

- La técnica digital usa la modulación por ancho de pulso (PWM) que controla la anchura del impulso de la corriente, por tanto, la corriente media en el LED. La anchura del impulso varía de acuerdo con el nivel de intensidad dentro del periodo PWM.

b) Receptor VLC

En un sistema de comunicaciones ópticas, la función del receptor es transformar la señal óptica en una señal eléctrica.

Como existen muchos tipos de sensores, hay que encontrar cuáles son más adecuados para los sistemas de telecomunicaciones. Para ello, hay que analizar tanto la velocidad de respuesta como la sensibilidad. La velocidad de respuesta es el tiempo finito desde que se enciende una fuente de luz hasta que hay un valor constante de salida.

La sensibilidad determina la relación entre la salida del sensor ante una entrada determinada, se mide mediante la relación entre la salida y la potencia lumínica incidente. En general la sensibilidad aumenta en función de la superficie del sensor, sin embargo, la velocidad de respuesta disminuye.

En la siguiente tabla se muestra una comparación entre los distintos sensores que se pueden utilizar para un sistema VLC.

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fotomultiplicador fotodiodo Fototransistor Célula fotovoltaica Fotoresis-tor Fotosensor o MSM Velocidad

de respuesta Muy alta Muy alta Alta Baja Baja Muy alta

Longitud de onda (µm)

0.2-0.4 0.2-2 0.4-1.1 0.4-0.7 0.4-0.7 0.4-0.8

Sensibilidad Excelente Muy alta Alta Alta Baja Alta

Rango dinamico

Bueno Excelente Muy bueno Bueno Bueno Muy

bueno Estabilidad Muy bueno Muy

bueno

Bueno Pobre Bueno Muy

bueno

Coste Alto Bajo Muy bajo Muy bajo Bueno Medio

Robustez _Pobre _Alto _Excelente _Excelente _Excelente _Excelente

Tamaño _Grande _Pequeño _Pequeño _Pequeño _Pequeño _Medio

Tabla 2.1: Comparativa de los sensores

De todas las opciones posibles, por las características comentadas en la anterior tabla comparativa la más conveniente para estos sistemas son los fotodiodos.

El fotodetector que se suele usar puede ser un fotodiodo PIN (P-type, Intrinsic, N-type layers semiconductor) o un fotodiodo en avalancha (APD, Avalanche Photodiode). Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN que genera un flujo de corriente cuando capta un fotón. El fotodiodo PIN se compone de unas zonas p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva. Los fotones entran en la zona intrínseca generando pares electrón-hueco. El fotodiodo se polariza inversamente para acelerar las cargas presentes en esta zona intrínseca, dirigiéndose hacia los electrodos, donde aparecen como corriente. En cambio, los fotodiodos APD son polarizados en inversa pero con tensiones muy elevadas, originando un fuerte campo eléctrico que acelera los portadores generados, de manera que estos colisionan con otros átomos y generan más pares electrón-hueco. Los fotodiodos PIN son los más utilizados en VLC debido a la tolerancia de altas temperaturas, su menor coste, su bajo ruido y son ideales en escenarios donde hay una alta intensidad de luz en el receptor. Sin embargo, los APD son más útiles cuando la intensidad de la luz incidente es débil.

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2.3 Ventajas

Gracias a todas las características mencionadas en el anterior apartado, se puede hacer una tabla comparativa de las ventajas y desventajas de estos sistemas.

VENTAJAS INCONVENIENTES

No es nocivo para el cuerpo humano Absorción atmosférica

Transmisión de datos por tramas de luz existentes

Ruidos de interferencias de otras fuentes tienen que ser filtrados

Menor consumo energético No hay comunicación si no hay visibilidad

directa

Incremento de la seguridad Sólo espectro discreto disponible como fuente

de luz y sensor Integración compacta en sensores de pequeñas

dimensiones

Interferencia de fuentes de luz de fondo

Electrónica simple como el controlador del LED Desvanecimiento de la señal

No tiene influencia sobre otros equipos sencillos de ondas de radio

Gran número de canales sin interferir con otras fuentes

Tabla 2.2: Ventajas y desventajas de VLC

Una de las principales ventajas de VLC es que no satura el espectro usado, ya que usa el espectro visible y éste es de mayor capacidad. Además, la información llega por el haz de la luz, por tanto se puede manipular la anchura de este, o bien crear un haz disperso que proporcione una cobertura amplia, o por el contrario, un haz muy fino que ilumine pequeñas zonas y transmita información de forma más concreta y direccional, por lo que se puede decir que la privacidad y seguridad de los datos están aseguradas.

Por otro lado, una de las grandes desventajas está relacionada con lo anterior. Como la luz no sobrepasa objetos o muros, se necesita que haya visibilidad directa entre el transmisor y receptor para que haya comunicación. Esto también condiciona que la cobertura de la comunicación se corte en cuanto se interponga cualquier objeto en el haz de luz. También hay que tener en cuenta que el alcance de esta tecnología es muy reducido. Para aumentar la distancia de transmisión, la potencia de la fuente de la luz debe ser incrementada.

El sensor de imagen se puede utilizar en combinación con lentes telescópicas para realizar enlaces de larga distancia. Desafortunadamente, esta mejora lleva un aumento apreciable en el coste de implementación. Se

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espera que en un futuro esto se mejore sin que aumenten los costes, ya que a más de cinco metros aproximadamente la señal apenas llega.

Como la luz no sobrepasa objetos no habrá interferencias con aplicaciones interiores en otra habitación, y al no estar en el mismo rango de frecuencias que las ondas electromagnéticas, no habrá interferencias con equipos que se comuniquen por medio de ondas radio.

Otro de los inconvenientes enunciados es que VLC sufre de desvanecimiento y atenuación atmosférica. Esto limita las aplicaciones de alta velocidad de datos a enlaces de comunicación de corta distancia. Sin embargo, teniendo un enlace de corta distancia, con suficiente potencia de transmisión este ya no es un problema.

También se puede usar para transmitir grandes volúmenes de datos entre equipos o dispositivos multimedia. Por ejemplo, si se quiere enviar un vídeo del móvil a un televisor de forma rápida o copiarlo a un disco duro de red, bastaría con apuntar el teléfono a la televisión o al disco duro durante unos segundos para que la comunicación se produjese y se transfiriesen los datos, como se hace actualmente con el mando a distancia para cambiar de canal.

figura 7: Escenario VLC

2.4 Aplicación VLC: Li-fi

Es una de las aplicaciones más importantes de VLC, y es objeto de nuestro estudio para este PFC. Una vez estudiado y detallado las Comunicaciones mediante luz visible, entramos en lo que viene siendo el objetivo del Proyecto, que no olvidemos que es el estudio del transmisor y receptor, asi como distintas toplogías de la tecnología Li-fi.

LiFi, acorde con la nomenclatura similar del Wi-Fi, trata de un sistema de comunicación inalámbrica, que usando las bases de VLC proporciona acceso a Internet a través de pulsos de luz utilizando la luz del diodo LED para

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transmitir los bits en señales inalámbricas de datos, modulando la intensidad de la luz, que en el receptor es captada por un sensor fotosensible con el que vuelve a ser convertida en bits para su correcto uso.

figura 8: Funcionamiento global de LiFi

En el transmisor, es decir, en la bombilla, se coloca un chip emisor o antena transmisora que la convierte en un router luminoso para que esa bombilla pueda emitir flujo luminoso con datos de información. La luz será recibida y procesada por el receptor, que puede ser cualquier sistema inteligente como un ordenador, smartphone, tableta o una televisión entre otros. Las ondas o impulsos luminosos que emite la bombilla sólo se emiten cuando la bombilla está encendida y son imperceptibles para la vista humana.

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19

3 INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA LIFI

n este capíulo haremos una breve introducción de la evolución de la tecnología LiFi, que lleva poco, pero de la que se espera mucho en un periodo corto de tiempo. También se describe el estándar que utilizan las comunicaciones visibles.

3.1 Evolucion LiFi

Las primeras redes ópticas inalámbricas a través de infrarrojos aparecieron en la década de 1980 con los primeros enlaces dúplex que contaban con velocidades de hasta 64 kbps, que sometidos a distintos avances por los laboratorios Fujitsu, consiguieron realizar varias disminuciones de errores y cambios de topología. Llegando así hasta los laboratorios Motorola, con la consecución de un sistema IR para interiores que a través de radiación dispersa proporcionaba una comunicación full-dúplex a una distancia de 10 metros. Desde entonces, estas comunicaciones en el espectro infrarrojo han sufrido varios cambios como la aparición de los LEDs de alta potencia, con los que era posible alcanzar mayores velocidades (230 kbps) y doblar su distancia máxima o como la aparición en 1993 del primer estándar de las comunicaciones infrarrojas, el IrDA (Infrared Data Association).

Gracias a la invención del LED azul en 1994 por Nakamura, fueron posibles grandes avances en las comunicaciones en VLC al contar con la tecnología LED de los tres colores básicos, rojo, verde y azul, consiguiendo por tanto con su unión luz LED de color blanco, ocupando así todo el espectro visible y por tanto poseyendo mayor ancho de banda.

E

La ética y la ciencia necesitan darse la mano - Richard Clarke Cabot-

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introducción a la tecnología lifi 20

En los últimos años las comunicaciones ópticas inalámbricas han sufrido un crecimiento hasta el punto de ser la alternativa a las RF tradicionales, con la aparición en 2008 de enlaces OWC a velocidades que alcanzan los 10 Gbps y por último en 2009 del estándar IEEE 802.15.7 para las VLC.

En el año 2011, el término LiFi tuvo su primera aparición a manos del profesor Harald Haas en las conferencias TED (Technology Entertainment Design) sobre comunicación con luz visible, a quien se le considera el padre de esta tecnología. Desde ese punto se consideró a LiFi como un sistema de comunicación inalámbrico, rápido y de bajo coste, el equivalente óptico al WiFi.

En octubre de ese mismo año se formó el Consorcio LiFi, conjunto de compañías e industrias unidas para promover los sistemas ópticos de alta velocidad y superar las limitaciones de la banda de radiofrecuencia del espectro radioeléctrico.

Hass, en 2012 con una empresa spin-off de la universidad de Edimburgo, lanzó su primer sistema LiFi al mercado, el Li-1st, que ofrece comunicación bidireccional a través de luz visible mediante tecnología LED, alcanzando velocidades de hasta 10 Gbps, lo que abre un abanico de posibilidades para realizar conexiones reales a Internet a través de luz visible.

En abril del 2014, la empresa rusa Stins Coman anunció el desarrollo de una red inalámbrica lifi llamado BeamCaster. Sus modulos transfieren datos a una velocidad de 1.25 Gb/s, aunque tenian previsto aumentar dicha velocidad a 5Gb/s en un futuro.

En febrero del año 2015 un nuevo record fue establecido por la Universidad de oxford, alcanzando una velocidad de transmisión de datos de 224 Gbps a través de un espectro de luz emitidas por lámparas led.

3.2 Estándares de Comunicaciones por luz visible

En este capítulo se introduce los estándares para redes inalámbricas además de las normas que rigen las comunicaciones por luz visible. Primero se explicará en el contexto en el que se desarrolló y por último especificamos los protocolos por los que se rigen los sistemas que son objeto de este Proyecto.

3.2.1 Introducción

En 2007, el Consorcio de las Comunicaciones por Luz Visible propuso dos estándares para VLC, Visible

Optical Communications System Standard y Visible Light ID Syetem Standard. Ambos fueron aceptados

por la Asociación Japonesa de Electrónica y Tecnología de la Información (JEITA, Japan Electronics and

Information Technology Industries Association) como JEITA CP-1221 y JEITA CP-1222. En 2013 se creó

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El primero de ellos restringe la longitud de onda de la luz visible dentro del rango 380-750 nm. Este estándar fue pensado para transmitir información de identidad, pero también es posible transmitir mensajes sin un formato de datos fijo.

El estándar JEITA CP-1222 se diferencia del anterior en su funcionalidad. Restringe la frecuencia de la subportadora a 28.8 kHz y propone utilizar la modulación 4-PPM. Este estándar requiere verificación por redundancia cíclica para la detección y corrección de errores.

En 2008, el VLCC advirtió que los estándares de los sistemas de comunicaciones ópticas estaban regulados por la IrDA (Infrared Data Association) e ICSA (Infrared Communication System Association).

En 2013, se creó el grupo JEITA CP-1223, que acordó un método unidireccional de comunicaciones conocido como light beacon. Este se usa para la identificación de objetos como una etiqueta RFID o para proporcionar información de la posición de un objeto.

Por otro lado, el grupo de tabajo IEEE 802.15 que trabaja en los estándares de redes inalámbricas de áreapersonal creó el grupo 7 dedicado a VLC.

VLC tiene la ventaja de que la fuente de emisión de comunicación inalámbrica utiliza LED. El estándar para la iluminación se ha desarrollado cubriendo la conexión entre las lámparas y la potencia eléctrica en términos de seguridad eléctrica tal como se establece en la norma IEC TC 34. El estándar para VLC necesita un número de protocolos entre la parte transmisora y la receptora dada en PLASA E1.45 y IEEE 802.15.7 así como hacer frente a la seguridad electrónica. Hay que considerar las compatibilidades entre el área de servicio de VLC, la iluminación, los proveedores y los estándares.

a) Compatibilidad del área de servicio de VLC

El servicio de VLC puede proporcionar distintos espacios de iluminación, como por ejemplo museos, centros comerciales, restaurantes, etc. Existen dos estilos de servicios VLC. El primero de ellos es para un área más específica, como una empresa u organización con una localización definida en la cual se utilizan equipos propios. La otra se refiere más a servicios públicos, donde, con el fin de comunicarse, el equipo debe ser compatible con estándares de comunicación.

Cuando se diseña para un área específica, no necesita ningún estándar para VLC, por lo tanto, el diseño de un sistema VLC se puede hacer fácilmente sin ninguna restricción o limitación porque el diseño está basado en tecnología propia y no en un estándar. Este estilo específico tiene la ventaja de que la implementación es barata y rápida. Pero, por contra, carecen de compatibilidad con otros equipos de servicio VLC. Por el contrario, cuando se diseña un área pública, se necesita un estándar para asegurar la compatibilidad en el área de servicio de VLC. Las normas internacionales que respaldan estos estándares son IEEE 802.15.7 y PLASA E1.45.

b) Compatibilidad de iluminación VLC

Hay varios tipos de iluminación LED dependiendo de la potencia, capacidades, accesorios o color, sus capacidades y formas varían de acuerdo con su uso. Aunque hay una amplia gama de sistemas de iluminación LED, el estándar VLC tiene que aplicarse a todos los tipos de sistemas LEDs.

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Por eso, se deben conocer las normas de iluminación LED en IEC TC 34, con el fin de continuar con el desarrollo de nuevos estándares.

c) Compatibilidad entre proveedores VLC

Hay muchos proveedores de iluminación LED, que pueden introducir y retirar los productos de iluminación de LED libremente. Tanto la iluminación como los terminales de recepción pueden dejar de funcionar. La norma VLC tiene que apoyar la compatibilidad entre proveedores VLC. De forma que se puedan elegir estos de manera transparente sin seleccionar proveedores o productos específicos y que se puedan reemplazar en cualquier momento, cualquier producto de cualquier fabricante, y que sigan siendo compatibles.

Con el fin de logar compatibilidad entre proveedores VLC, se necesita un estándar con perfiles interoperables.

Si no se compra un producto adecuado con la compatibilidad VLC, se tiene que reinstalar la iluminación y sustituir el terminal de recepción.

d) Compatibilidad entre estándares

Hay varias normas relativas a la comunicación por luz visible, IEEE 802.15.7, VLC PHY/MAC, iluminación LED IEC TC 34, PLASA E1.45 DMX-512A VLC.

El estándar IEEE 802.15.7 emitido en 2011 cubre la iluminación LED VLC PHY interior y receptores PHY VLC.

La iluminación LED IEC TC 34 del sistema inteligente de iluminación (ISL, Intelligent System Lighting) se creó como un grupo de trabajo que elabora normas para las componentes funcionales digitales, incluyendo VLC. El estándar PLASA E1.45 DMX - 512A VLC emitido en 2013 cubre los datos de comunicación la luz visible, y la transferencia por cable entre la iluminación LED y un servidor de control. El consorcio Zhaga se aplica a las fuentes de luz LED para la iluminación. La conmutación de encendido y apagado de la iluminación LED se puede controlar mediante el uso de redes inalámbricas: ZigBee, IrDA, Bluetooth y WiFi.

Las especificaciones de estándares internacionales o nacionales se pueden desarrollar simultáneamente por muchas organizaciones de normalización o grupos de trabajo. Esto es posible gracias a que pueden compartir sus actividades de normalización y proyectos de especificaciones a través del intercambio de documentos. Esto debería asegurar la compatibilidad entre estándares. Una nueva especificación estándar puede actualizarse a partir de uno anterior, y debe ser por escrito para asegurar la compatibilidad con estándares anteriores y posteriores. Los resultados son principios consistentes para los desarrolladores y usuarios finales y evitan la confusión.

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3.2.2 Estándar de transmisión de datos VLC

Hay dos tipos de transmisión de datos mediante comunicación por luz visible, uno es con dato fijo y el otro con dato variable dentro de la iluminación para VLC. El dato variable puede cambiar de acuerdo con protocolos de transmisión por cable o protocolos por transmisión inalámbricos.

a) Protocolo de transmisión por cable

Hay dos tipos de protocolos de transmisión por cable con VLC: PLASA E1.45 DMX-512A VLC y UEC 62386 DALI VLC. PLASA es una asociación comercial de iluminación y sonido profesional con un programa de normalización técnica.

PLASA E1.45 DMX-512A VLC fue emitido en 2013 para permitir la comunicación de datos luminarios de 802 a lo largo de enlaces de datos ANSI E-1.11 para la transmisión de datos desde esas luminarias que utilizan VLC, IEEE 802.15.7. ANSI E1.11, revisada en 2008, describe un método de transmisión de datos digitales para el control de equipos y accesorios de iluminación, incluyendo reguladores de luz, color, conmutadores y equipos relacionados. DMX512 -A se puede utilizar para la iluminación mediante LED en fachada para medios de comunicación al aire libre.

IEC TC 34 62386 DALI es uno de los protocolos candidatos para la transmisión de datos mediante VLC. La comisión electrotécnica internacional (IEC, International Electrotechnical Commission) es la

organización mundial que prepara y publica estándares internacionales para todas las tecnologías eléctricas, electrónicas y relacionadas. IEC 62386 Digital Adressable Light Interference (DALI)

especifica un protocolo para el control de señales digitales de equipamientos de iluminación electrónica. b) Protocolo de transmsion inalámbrico

Hay protocolos complementarios para la transmisión inalámbrica: ZigBee, IrDA, Bluetooth, y WPAN. VLC necesita habilidades de comunicación inalámbrica adicionales debido a que es una comunicación principalmente unidireccional.

ZigBee, definido en el estándar IEEE 802.15.4 se utiliza en aplicaciones que sólo requieren una tasa de datos baja, una batería con una vida útil grande y una red segura con una tasa de transmisión de 250 kbits/s. ZigBee se puede utilizar para conmutadores de luz inalámbricos incluyendo el control de atenuación.

3.2.3 Estandar de iluminación

La gran ventaja de la tecnología VLC es su uso de la iluminación LED sin ningún otro medio de transmisión, por lo que sólo es necesario aplicar las normas de iluminación tradicionales. El estándar TC 34 prepara normas internacionales para lámparas y otros equipos relacionados, y se estableció en 1948.

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a) interfaz de la fuente de iluminación LED

El consorcio internacional Zhaga está desarrollando especificaciones de interfaz que permiten la intercambiabilidad de las fuentes de luz LED de diferentes fabricantes. Las especificaciones de Zhaga describen las interfaces entre luminarias LED y emisores de luz LED. Esto acelerará la adopción de soluciones de iluminación LED en el mercado.

La comunicación por luz visible utiliza luces LEDs, pero el módulo LED del consorcio Zhaga aún no ha sido considerado como comunicación por luz visible. Cuando se desarrolla la capa PHY de VLC y un servicio de aplicación, se deben tener en cuenta las especificaciones del módulo LED de Zhaga.

b) Interfaz del accesorio

El Comité Técnico Internacional de la Comisión de Electrotécnica TC 34 ha sido el desarrollador de normas internacionales relacionadas con las especificaciones para las lámparas LED, incluyendo los casquillos y portalámparas, el equipo de control de lámparas, luminarias y varios equipos relacionados no cubiertos por los proyectos de otros comités técnicos.

VLC puede ser una de las funciones de una luminaria. IEC TC 34 aún no ha desarrollado ninguna especificación para la comunicación de la luz visible. Se necesita para especificar cómo combinar la iluminación en sí y la comunicación inalámbrica por medio de la luz.

c) Interfaz de iluminación del sistema inteligente LED

El IEC TC 34 del sistema inteligente de iluminación se creó como un Grupo de Trabajo que tuvo una primera reunión cara a cara en enero de 2014. Su misión es la convergencia creativa en nueva tecnología entre la industria de la iluminación tradicional y la tecnología de la información y las comunicaciones (ICT). La función de la iluminación LED ha introducido el uso de las ICT tales como la comunicación inalámbrica, la comunicación por cable, y las comunicaciones de luz visible. Las tecnologías de comunicación inalámbrica como ZigBee, Bluetooth, IrDA y WLAN se pueden adaptar de acuerdo con los requisitos específicos de la aplicación.

VLC necesita el desarrollo de las funciones de luminarias cooperativas y otras tecnologías de la información como la comunicación inalámbrica y comunicación por cable.

d) Estándar del servicio VLC

Se pueden encontrar actividades estándar de servicios para VLC en el estándar IEEE 802.15.7, IEC TC 34, PLASA CPWG, TTA VLC WG, VLCC y el UIT-T SG 16.

Algunas aplicaciones de VLC son sistemas de guía de VLC, sistemas imaginables de color VLC, VLC navegador en interior y sistemas de apoyo a la conducción de automóviles VLC.

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Un sistema de guía VLC utiliza lámparas que iluminan un patio, frontera nacional, o instalación, para la orientación, así como para la protección contra ataques externos. Las lámparas tienen un número de identificación (ID VLC o ID de LED) y la información de orientación. Un sistema de colores imaginables VLC utiliza lámparas de color para la información de color en sí, ya sea por instinto o para la educación. Un navegador de interior VLC utiliza lámparas con luz visible de comunicación para la navegación de área de ventas interiores en lugares donde no se admite GPS. Un sistema de apoyo a la conducción de automóviles VLC utiliza lámparas incluyendo los faros, faros antiniebla, intermitentes y luces de freno para una conducción segura.

El Grupo de Trabajo VLC (WG4021) en TTA se estableció en mayo de 2007. El Grupo de Trabajo desarrolló las especificaciones del estándar VLC TTA 5, que abarca: Configuraciones básicas del transmisor PHY para VLC, Configuraciones básicas del receptor PHY para VLC, Configuración básica de Interfaz de LED para la iluminación y VLC, Configuración básica de la Luz sobre la ubicación Servicio Modelo usando VLC y configuración básica de identificación de Iluminación en VLC.

Grupo de Trabajo de VLC desarrolló TTA 23 VLC y proyectos de normas relacionadas con el control del LED. Las 18 especificaciones se centran en las formas de combinar tecnologías de la comunicación y de la luz visible.

La comunicación por luz visible puede ofrecer servicios creativos, pero las especificaciones estándar relevantes aún no se han desarrollado. Sin embargo, la especificación VLC PHY en el estándar IEEE 802.15.7, y datos por cable VLC especificaciones de transmisión en PLASA E1.45 están disponibles. La apertura del mercado de VLC necesita especificaciones estándar de servicio. Estas proporcionarán orientación a los usuarios desde el punto de vista del desarrollo de la función de servicios de aplicaciones.

3.2.4 IEEE 802.15

Los estándares de redes inalámbricas como 802.11 y WiMax están centrados en la comunicación de ordenador a ordenador o de ordenador a ISP (Internet Service Provider) en lo que se conoce como WMAN (Wireless Metropolitan Area Network). Sin embargo, existen muchas aplicaciones en las que no se necesita una cobertura tan amplia como por ejemplo conectar a un teléfono móvil periféricos de forma inalámbrica o añadir componentes a un sistema de cine en casa.

Las redes de área personal surgieron para este tipo de aplicaciones, ofrecen cobertura en un vecindario desde 1 metro a 100 metros y una variedad de tasa de datos. Además, gracias a que los dispositivos para los que se diseña este tipo de aplicaciones suelen ser móviles y ligeros, suele consumir poca energía. El 802.15 es un grupo de trabajo del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) especializado en WPAN (Wireless Personal Area Network), es decir, en redes inalámbricas de área personal. Este grupo se divide en diez subgrupos, no todos ellos vigentes. Entre uno de estos se pude encontrar el 802.15.7 que desarrolla la tecnología Visible Light Communication.

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La norma 802.15 se centra en redes de cortas distancias como por ejemplo Bluetooth. Este grupo de trabajo tiene como objetivo la comunicación e interoperación entre distintos dispositivos portátiles como PCs, PDAs, teléfonos/smatphones, etc.

El origen de este grupo fue causado porque Bluetooth no puede coexistir con una red inalámbrica del grupo 802.11.x, se desarrolló este estándar permitiendo la interoperabilidad de redes inalámbricas LAN (Local

Area Network) con PAN.

Actualmente existen 10 grupos de esta norma, a continuación se dará una idea detallada de la norma que nos interesa para este proyecto. En la Figura 3.1 se muestra la organización del IEEE 802.15.

figura 9: Organización del IEEE 802.15

.

- IEEE 802.15.7

El estándar IEEE 802.15.7 son protocolos que se utilizan para las comunicaciones inalámbricas en LiFi. Como en wifi se establece el estándar IEEE 802.11, en li-fi o para las comunicaciones por luz visible se establecen protocolos con la diferencia que se trabaja con las frecuencias de luz visible para el ojo humano. El estándar IEEE 802.15.7 define 2 características fundamentales, la capa de acceso (MAC) y la capa física (PHY), con una velocidad de datos que es capaz de soportar audio, vídeo y multimedia.

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La capa de acceso al medio proporciona mecanismo de direccionamiento y control de acceso al canal que lo hace posible para varios terminales o dispositivos. El hardware que implementa la capa MAC se refiere al controlador de acceso al medio. Este canal puede proporcionar servicios de comunicación multicast,

unicast o broadcast.

Las leyes físicas definen las especificaciones eléctricas y físicas para los dispositivos. Define la relación entre un dispositivo y el medio físico. Un dispositivo transmite datos al medio y otro dispositivo recibe los datos desde el medio basándose en las leyes físicas. Las funciones y servicios de la capa física son el establecimiento del enlace y la terminación de una conexión a un medio de comunicación. El estándar IEEE 802.15.7 presenta tres tipos de capa física diferentes, cada una con sus respectivas características. Estas son PHY I, PHY II y PHY III. Ahora se van a explicar las diferentes capas PHY. Generalmente las capas PHY I y PHY II tienen transmisión SISO, es decir, una única entrada y una única salida, con una sola fuente de iluminación y que normalmente utiliza la modulación OOK (On-Off Keying) o VPPM (Variable Pulse

Position Modulation). Mientras que en la capa PHY III es una comunicación MIMO, múltiples entradas y

múltiples salidas, por lo tanto, capaz de soportar múltiples fuentes ópticas generalmente utilizando modulación por desplazamiento de color (CSK, Color-Shift Keying)).

figura 10: Modulación OOK

- Modelo PHY I

El modelo PHY I se utiliza generalmente en entornos exteriores donde no se necesita una velocidad muy elevada, en torno a las decenas a cientos de kb/s. Para este modelo se utiliza el siguiente diagrama de bloques, que se muestra en la Figura 5-5, para el transmisor y el receptor utilizando VLC.

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figura 11 :Tx y Rx PHY I

Los bits de entrada entran, en primer lugar, en un bloque con un codificador Reed-Solomom (RS). El código Reed-Solomon es un código corrector de errores basado en bloques en donde el codificador procesa un bloque de símbolos de datos, a los que agrega redundancia para producir un bloque de símbolos codificados. Tras este bloque, entra en un codificador RLL, aplicando la codificación Manchester o 4B6B, teniendo a la salida un símbolo de 2, 4 ó 6 bits respectivamente. Finalmente pasa por el modulador, y se envía por el canal con una sola fuente de luz, ya que es un sistema SISO.

En el caso del receptor, para recuperar la información se utiliza un detector de umbral. Tras esto, se hace el proceso inverso al que se realizó en el transmisor. Esta información es demodulada, pasa por un bloque decodificador RLL y por otro RS.

En la siguiente tabla se muestra el el proceso descrito anteriormente descrito por diferentes velocidades y modulaciones y se puede observar como se comporta el modelo PHY I