Visible light communication (VLC) systems & the effect of noise on their performance.

ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

Σχολή Θετικών Επιστημών

Τμήμα Φυσικής

Τομέας Ηλεκτρονικής, Υπολογιστών, Τηλεπικοινωνιών και Αυτοματισμού

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

“ Συστήματα Ασύρματων Οπτικών Επικοινωνιών

στην Περιοχή του Ορατού Φάσματος

και η Επίδραση του Θορύβου στην Απόδοση τους ”

Μαυρομμάτη Αναστασία, Α.Μ.:200600285

Επιβλέποντες:

Ε.Νισταζάκης, Eπικ. Καθηγητής, ΕΚΠΑ

Γ. Τόμπρας, Καθηγητής, ΕΚΠΑ

Αθήνα, 2014

Η εικόνα που χρησιμοποιήθηκε στο εξωφύλλο είναι απο την ιστοσελίδα http://visiblelightcomm.com/.

2

Συντομογραφίες

APD - Avalanche Photo Diode (Φωτοδίοδος χιονοστοιβάδας)

AWGN - Additive White Gaussian Noise (Προσθετικός λευκός θόρυβος με κανονική κατανομή)

BER - Bit Error Rate (Ρυθμός λαθών bit)

BEP – Bit Error Probability (Πιθανότητα λαθών bit)

BPF – Band Pass Filter (Φίλτρο διέλευσης ζώνης)

CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor (Ημιαγωγος Μετάλλου Οξειδίου)

CRI - Color Rendering Index (Πίνακας ανάλυσης χρωμάτων)

DC - Direct Current (Συνεχές ρεύμα)

DD - Direct Detection (Άμεση ανίχνευση)

EMI - Electromagnetic Interference (Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή)

FET – Field Effective Transistor (Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου)

FFT - Fast Fourier Transform (Γρήγορος μετασχηματισμός Fourier)

FOV - Field of View (Οπτικό πεδίο)

FSO - Free Space Optics (Οπτικά ελευθέρου χώρου)

HPF - High Pass Filter (Φίλτρο υψηλής διέλευσης)

IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers (Ινστιτούτο ηλεκτρολόγων και ηλεκτρονικών μηχανι-κών)

IFFT - Inverse Fast Fourier Transform (Αντίστροφος γρήγορος μετασχηματισμός Fourier)

IM - Intensity Modulation (Διαμόρφωση έντασης)

IPPM - Inverse Pulse Position Modulation (Ανεστραμμένη διαμόρφωση θέσης παλμού)

IR - Infrared (Υπέρυθρη)

IrDA - Infrared Data Association (Όμιλος δεδομένων υπέρυθρης ακτινοβολίας)

ISI - Intersymbol Interference (Διασυμβολική παρεμβολή)

ISO - International Organization for Standardization (Διεθνής οργανισμός προτυποποίησης)

LED - Light Emitting Diode (Δίοδος εκπομπής φωτός)

LOS - Line Of Sight (Γραμμή οπτικής επαφής)

LP – Long Pass (Μακράς διόδου)

LPF - Low Pass Filter (Φίλτρο χαμηλής διέλευσης)

3

MPPM - Multiple Pulse Position Modulation (Πολλαπλή διαμόρφωση θέσης παλμού)

NLOS – Non Line of Sight (Μη γραμμική οπτική επαφή)

NRZ - Non Return to Zero (Χωρίς επιστροφή στο μηδέν)

OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης

συχνότητας)

OOK - On Off Keying (Δυαδική διαμόρφωση ύπαρξης και μη ύπαρξης παλμού)

PDA - Personal Digital Assistants (Προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί)

PLC - Power Line Communication(Επικοινωνία γραμμής ρεύματος)

PPM - Pulse Position Modulation (Διαμόρφωση θέσης παλμού)

PSK - Phase Shift Keying (Διαμόρφωση κατά φάση)

RF - Radio Frequency (Ραδιοσυχνότητα)

RZ - Return to Zero (Με επιστροφή στο μηδέν)

RGB - Red Green Blue (Κόκκινο πράσινο μπλέ)

SCPPM – Sucarrier Pulse Positin Modulation (Διαμόρφωση θέσης παλμού φέροντος)

SNR - Signal to Noise Ratio (Λόγος σήματος προς θόρυβο)

SIR – Signal-to-Interference (Λόγος σήματος προς παρεμβολή)

SP – Short Pass (Βραχείας διόδου)

UGS - Unattended Ground Sensors (Ασυνόδευτοι αισθητήρες εδάφους)

UV - Ultra Violet (Υπεριώδης)

VBR - Variable Bit Rate (Μεταβλητός ρυθμός bit)

VHF - Very High Frequency (Ύπερβραχέα συχνότητα)

VLC - Visible Light Communications (Επικοινωνίες ορατού φωτός)

VLCC - Visible Light Communications Consortium (Σύμπραξη για επικοινωνίες ορατού φωτός)

WBAN – Wireless Body Area Network (Ασύρματο δίκτυο κάλυψης σώματος)

WLAN – Wireless Local Area Network (Τοπικό ασύρματο δίκτυο)

WPAN – Wireless Personal Arean Network (Προσωπικό ασύρματο δίκτυο)

WLED – White Light Emitting Diodes (Δίοδοι εκπομπης λευκού φωτός)

4

Πίνακας περιεχομένων

Κεφάλαιο 1.............................................................................................................................................................

Εισαγωγή ............................................................................................................................................................ 9

1.1 Ιστορία των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών.........................................................................9

1.2 Εξέλιξη των οπτικών ασύρματων επικοινωνιών μικρής εμβέλειας...................................11

1.3 Σύγχρονη ιστορία των συστημάτων VLC.....................................................................................16

1.4 Εφαρμογές εσωτερικού - εξωτερικού χώρου.............................................................................17

1.4.1 Εφαρμογές Εσωτερικού Χώρου ..............................................................................................................18

1.4.2 Εφαρμογές Εξωτερικού Χώρου ...............................................................................................................20

1.4.3 Ασύρματες εφαρμογές μικρής εμβέλειας.............................................................................................22

1.4.4 Άλλες εφαρμογές...........................................................................................................................................24

1.5 Σύγκριση συστημάτων VLC με άλλες ασύρματες επικοινωνίες..........................................26

1.5.1 Πλεονεκτήματα σε σχέση με τις ραδιοσυχνότητες. ........................................................................28

1.5.2 Πλεονεκτήματα σε σχέση με την υπέρυθρη επικοινωνία..............................................................29

1.5.3 Μειονεκτήματα των συστημάτων VLC.................................................................................................30

Κεφάλαιο 2.............................................................................................................................................................

Βασικές Αρχές Λειτουργίας ....................................................................................................................... 31

2.1 Ασύρματη Οπτική Ζεύξη ..................................................................................................................... 31

5

2.2 Το ασύρματο οπτικό κανάλι............................................................................................................... 34

2.3 Πομπός........................................................................................................................................................ 35

2.3.1 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LED)................................................................................................................36

2.3.2 Λευκές Λυχνίες LED.......................................................................................................................................38

2.3.2.1 Πολυχρωματικές Λευκές LED (RGB LEDs).............................................................................38

2.3.2.2 LED φωσφόρου (Phosphor-based LEDs )..............................................................................39

2.3.3 Πλεονεκτήματα των LEDs..........................................................................................................................41

2.3.4 Μειονεκτήματα των LEDs..........................................................................................................................43

2.4 Δέκτης ......................................................................................................................................................... 48

2.4.1 Φωτοανιχνευτές/Φωτοδίοδοι..................................................................................................................48

2.4.2 Φωτοδίοδοι p-i-n...........................................................................................................................................49

2.4.3 Φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας (Avalanche Photo diodes - APD).....................................................53

2.4.4 Σύγκριση φωτοδιόδων PIN και APD......................................................................................................53

2.5 Χαρακτηριστικά της VLC ζεύξης....................................................................................................... 54

2.5.1 Βασικές Ιδιότητες των LED........................................................................................................................54

2.5.2 Μοντέλο Διαμόρφωσης...............................................................................................................................57

2.5.3 Ρυθμός Μετάδοσης Σφαλμάτων..............................................................................................................60

2.6 Διασυμβολική Παρεμβολή (Intersymbol Interference)..........................................................64

2.7 Κρουστική απόκριση (Impulse Response)................................................................................... 65

6

Κεφάλαιο 3.............................................................................................................................................................

Θόρυβος............................................................................................................................................................. 67

3.1 Γενικά .......................................................................................................................................................... 68

3.2 Τύποι θορύβου......................................................................................................................................... 68

3.2.1 Θερμικός θόρυβος (Thermal noise)........................................................................................................69

3.2.2 Θόρυβος βολής (Shot noise) .....................................................................................................................69

3.2.3 Θόρυβος τρεμοπαίγματος (Flicker noise) ...........................................................................................69

3.2.4 Θόρυβος Ριπής (Burst noise) ....................................................................................................................69

3.2.5 Θόρυβος χρόνου μεταφοράς (Transit-time noise)...........................................................................70

3.2.6 Θόρυβος Χιονοστιβάδας (Avalanche noise)........................................................................................70

3.3 Θόρυβος στα συστήματα VLC............................................................................................................ 70

3.3.1 Θερμικός Θόρυβος ........................................................................................................................................71

3.3.2 Θόρυβος βολής................................................................................................................................................72

3.4 Βασικές πηγές θορύβου βολής.......................................................................................................... 74

3.4.1 Λαμπτήρες πυρακτώσεως..........................................................................................................................74

3.4.2 Λαμπτήρες φθορισμού με συμβατικά στραγγαλιστικά πηνία....................................................74

3.4.3 Λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονικά στραγγαλιστικά πηνία.................................................74

3.5 Λόγος Σήματος προς Θόρυβο ............................................................................................................ 75

3.6 Αποδοτικότητα – Επιδόσεις – Οριακές περιπτώσεις...............................................................76

7

3.7 Eπικοινωνία με μονή πηγή λευκών LED........................................................................................ 78

3.8 Δωμάτιο Φωτιζόμενο με λευκές LED (πολλές πηγές)..............................................................81

3.9 Απόδοση με Διασυμβολική Παρεμβολή ........................................................................................ 86

3.10 Λόγος Σήματος προς Θόρυβο και οπτικό πεδίο του δέκτη ................................................90

3.11 Λειτουργία με σύστημα εντοπισμού (tracking system).......................................................92

3.12 Θόρυβος και ρυθμός σφαλμάτων.................................................................................................. 93

Κεφάλαιο 4.............................................................................................................................................................

Τεχνικές αντιμετώπισης της επίδρασης του θορύβου ..................................................................97

4.1 Φίλτρα......................................................................................................................................................... 97

4.1.1 Ηλεκτρικά Φίλτρα ........................................................................................................................................97

4.1.2 Οπτικά Φίλτρα................................................................................................................................................99

4.2 Μείωση του θορύβου με χρήση φίλτρων...................................................................................102

4.2.1 Αύξηση των επιδόσεων με ισοστάθμιση (equalization)..............................................................104

4.3 Απόρριψη θορύβου με χρήση αισθητήρων φάσματος.........................................................105

4.4 Άλλες τεχνικές ακύρωσης του θορύβου..................................................................................... 107

4.4.1 Αφαίρεση μέσω επεξεργασίας σήματος.............................................................................................107

4.4.2 Προσαρμοστική ακύρωση ελάχιστη τάσης......................................................................................108

Κεφάλαιο 5 Επίλογος................................................................................................................................. 110

Βιβλιογραφία................................................................................................................................................ 112

8

Κατάλογος εικόνων

Εικόνα 1: Ο οπτικός τηλέγραφος του C.Chappe, 1790 [7]............................................................13

Εικόνα 2: Σχέδιο του φωτόφωνο από τους Alexander Graham Bell, Charles Sumner

Tainter,............................................................................................................................................................... 14

Εικόνα 3: Το οπτικό φάσμα και οι διάφορες ακτινοβολίες. [27]................................................19

Εικόνα 4: Αριστερά: Μετάδοση σε εσωτερικό χώρο με VLC / Δεξιά: VLC με παράλληλη

μετάδοση δεδομένων [4]............................................................................................................................. 23

Εικόνα 5: Περιπτώσεις εξωτερικών εφαρμογών VLC [4]..............................................................25

Εικόνα 6: Λήψη πληροφοριών θέσης από φωτεινό σηματοδότη..............................................27

Εικόνα 7: Λήψη πληροφοριών θέσης από κινητό.............................................................................27

Εικόνα 8: Καροτσάκι για ψώνια και δέκτης........................................................................................ 29

Εικόνα 9: Ένα σύστημα ήχου που χρησιμοποιεί κόκκινες, μπλε και πράσινες LED [7]....30

Εικόνα 10: Κόκκινη, πράσινη και μπλε LED [20]..............................................................................30

Εικόνα 11: Ασύρματες οπτικές συνδέσεις.......................................................................................... 36

Εικόνα 12: Η φασματική κατανομή ισχύος......................................................................................... 39

Εικόνα 13: Δομή της Διόδου Εκπομπής Φωτός.................................................................................40

Εικόνα 14: Ένα παράδειγμα μεταβολής των διαστάσεων του ενεργειακού χάσματος σε

σχέση με τον κυματάριθμο......................................................................................................................... 41

9

Εικόνα 15: Ένα παράδειγμα διαγράμματος ενεργειακού χάσματος σε ορθά πολωμένη

LED.[1]................................................................................................................................................................ 42

Εικόνα 16: Λευκές LED................................................................................................................................. 44

Εικόνα 17: Φάσμα εκπομπής λευκών LED. (Αριστερά: Μονοχρωματική LED

Φωσφόρου / Δεξιά: Πολυχρωματική LED)[13].................................................................................44

Εικόνα 18: Δομή μιας απλής p-i-n φωτοδιόδου σιλικόνης. [1]...................................................50

Εικόνα 19: Διάγραμμα ενός front-end φωτοανιχνευτή μαζί με τις διαταραχές του κανα-

λιού.[1]................................................................................................................................................................ 53

Εικόνα 20: Απαιτούμενη ισχύς για επίτευξη BER =10−6 και για διαφορετικούς ρυθμούς

μετάδοσης [4].................................................................................................................................................. 61

Εικόνα 21: Η τοπολογία του συστήματος που περιγράφεται.....................................................62

Εικόνα 22: BEP για διάφορες αποστάσεις σε οριζόντια διάταξη (θ=0, φ=0) [34]..............62

Εικόνα 23: BEP για διάφορες τιμές της γωνίας ανύψωσης (θ) σε απόσταση πομπού-

δέκτη 3m [34].................................................................................................................................................. 63

Εικόνα 24: Η κρουστική απόκριση......................................................................................................... 66

Εικόνα 25: Φάσματα οπτικής ισχύος συνηθισμένων πηγών διάχυτου φωτός. [12].........73

Εικόνα 26: Πιθανές διατάξεις των LEDs σε σύγκριση με τα μεταξύ τους διαστήματα.[13]

................................................................................................................................................................................ 76

Εικόνα 27: Απλό μοντέλο οπτικής επικοινωνίας. [14]....................................................................78

Εικόνα 28: Λόγος σήματος προς θόρυβο και γωνία πρόσπτωσης σε σύγκριση με την

απόσταση. [14]................................................................................................................................................ 80

10

Εικόνα 29: Πολικό διάγραμμα του λόγου σήματος προς θόρυβο με την γωνίας πρόσπτω-

σης. [14]............................................................................................................................................................. 80

Εικόνα 30: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση A.......................84

Εικόνα 31: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση Β.......................84

Εικόνα 32: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση C.......................85

Εικόνα 33: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση D.......................85

Εικόνα 34: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση E.......................86

Εικόνα 35: Η επίδραση του θορύβου στο ρυθμό δεδομένων.[10].............................................88

Εικόνα 36: Η κατανομή του SNR με διασυμβολική παρεμβολή (απευθείας φως)..............89

Εικόνα 37: Η κατανομή του SNR με διασυμβολική παρεμβολή (ανακλώμενο φως).........89

Εικόνα 38: Το δωμάτιο του μοντέλου.................................................................................................... 90

Εικόνα 39: Σχέση του οπτικού πεδίου με το μέσο λαμβανόμενο SNR με ύπαρξη διασυμ-

βολικής παρεμβολής (χωρίς εντοπισμό) [10]....................................................................................92

Εικόνα 40: Σχέση του οπτικού πεδίου με το SNR με ύπαρξη διασυμβολικής παρεμβολής

(χωρίς εντοπισμό) [10]................................................................................................................................ 92

Εικόνα 41: Σχέση του ρυθμού δεδομένων με το SNR με ύπαρξη διασυμβολικής παρεμβο-

λής (με εντοπισμό) [10]............................................................................................................................... 93

Εικόνα 42: Σχέση του οπτικού πεδίου με το μέσο λαμβανόμενο SNR με ύπαρξη διασυμ-

βολικής παρεμβολής (με εντοπισμό) [10]............................................................................................ 93

Εικόνα 43: BER συναρτήσει του SNR (dB) για δίαφορους τύπους διαμόρφωσης [4]......95

11

Εικόνα 44: Λειτουργία ενός φίλτρου απορρόφησης (πηγή: http://photojojo.com)..........99

Εικόνα 45:Φίλτρα παρεμβολής ή Διχρωϊκά φίλτρα [23]...........................................................100

Εικόνα 46: Έγχρωμα γυάλινα φίλτρα [23]....................................................................................... 101

Εικόνα 47: Διάγραμμα ενός αισθητήρα φάσματος.[32]..............................................................106

Εικόνα 48: Αναπαράσταση ενός αισθητήρα φάσματος με πίνακα φίλτρων.[32]............107

12

Κεφάλαιο 1

Εισαγωγή

1.1 Ιστορία των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών

Η χρήση οπτικών εκπομπών για τη μετάδοση πληροφοριών χρησιμοποιείται από την αρ-

χαιότητα. Πυρσοί ανάβονταν ανάμεσα στις βουνοκορφές με σκοπό τη μετάδοση μηνυμάτων

σε μεγάλες αποστάσεις. Ο Όμηρος στην Ιλιάδα αναφέρει τη χρησιμότητα των οπτικών ση-

μάτων για τη μετάδοση ενός μηνύματος που αφορούσε την πολιορκία της Τροίας από τους

Έλληνες περίπου το 1200 π.Χ. [1].

Στις αρχές της δεκαετίας του 1790 ο Claude Chappe, επινόησε τον οπτικό τηλέγραφο, που

ήταν εγκατεστημένος σε έναν ψηλό πύργο και μπορούσε να στέλνει μηνύματα σε μεγάλες

αποστάσεις αλλάζοντας τον προσανατολισμό των τριών άκρων απ' τα οποία απαρτιζόταν. Για

τη μετάδοση της πληροφορίας αναπτύχθηκε ένας κώδικάς ανάλογα με τις θέσεις των τριών

13

Εικόνα 1: Ο οπτικός τηλέγραφος του C.Chappe, 1790 [7]

άκρων για να κωδικοποιηθούν γράμματα, νούμερα, κοινές λέξεις και σήματα ελέγχου. Τα μη-

νύματα μπορούσαν να σταλούν σε αποστάσεις εκατοντάδων χιλιομέτρων σε μερικά λεπτά.[1]

Μια από τις πιο πρόσφατες συσκευές ασύρματης οπτικής επικοινωνίας με την χρήση ηλε-

κτρονικών ανιχνευτών ήταν το φωτόφωνο (photo-phone) το οποίο επινοήθηκε από τον

Alexander Graham Bell και τον Charles Sumner Tainter και προτυποποιήθηκε στις 14 Δεκεμ-

βρίου του 1880 (U.S. Patent 235,496). Το σύστημα σχεδιάστηκε για να μεταδίδει τη φωνή

του χειριστή σε απόσταση μέσω της διαμόρφωσης ηλιακών ακτινών οι οποίες ανακλώνται

από ένα λεπτό μεταλλικό διάφραγμα. Ο δέκτης ήταν φτιαγμένος από έναν κρύσταλλο σεληνί-

ου που μετέτρεπε το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό ρεύμα. Με τη μέθοδο αυτή έγινε εφικτή η με-

τάδοση ακουστικού σήματος σε απόσταση 213 m [1].

H σύγχρονη εποχή των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών δωματίου, ξεκίνησε το 1979 από

τον F.R. Gfeller και τον U. Bapst, που πρότειναν τη χρήση της διάχυσης ακτινοβολίας υπερύ-

θρου για επικοινωνίες δωματίου. Από τότε έχουν γίνει αρκετές μελέτες που αφορούν το χα-

14

Εικόνα 2: Σχέδιο του φωτόφωνο από τους Alexander Graham Bell, Charles Sumner Tainter,

Απρίλιος 1880 [1]

ρακτηρισμό των καναλιών δωματίου, το σχεδιασμό του δέκτη και του πομπού, την ανάπτυξη

νέων τοπολογιών καναλιού όπως επίσης και στο θέμα της σχεδίασης συστημάτων επικοινωνί-

ας [1].

1.2 Εξέλιξη των οπτικών ασύρματων επικοινωνιών μικρής εμβέλειας

Καθώς αναπτύσσονται οι κινητές επικοινωνίες τρίτης γενιάς, οι κατασκευαστές και η επιστη-

μονική κοινότητα στρέφουν την έρευνα τους στα μελλοντικά ασύρματα συστήματα. Είναι

κοινά συμφωνημένο ότι τα συστήματα τέταρτης γενιάς (4G) καθώς και τα επόμενα συστή-

ματα, δεν θα βασίζονται σε μόνο μία τεχνική πρόσβασης. Αντίθετα τα συστήματα αυτά θα

περιλαμβάνουν και διαφορετικές συμπληρωματικές τεχνολογίες πρόσβασης. Τα μελλοντικά

συστήματα δε θα συνδέουν απλώς τους χρήστες με τον προσωπικό τους εξοπλισμό, αλλά θα

έχουν τη δυνατότητα πρόσβασης και σε ανεξάρτητο εξοπλισμό. Τελικά, κάποιος θα περίμενε

όλες οι συνδέσεις να είναι αποκλειστικά ασύρματες. Αυτή η λογική, τοποθετεί τις ασύρματες

επικοινωνίες μικρής εμβέλειας σε θέση ισχύος. Βέβαια κάποιος θα μπορούσε να διαφωνήσει,

ότι οι περισσότερες ασύρματες ζεύξεις στα μελλοντικά δίκτυα θα εγκατασταθούν σε σχετικά

μικρές αποστάσεις. Επιπλέον, ένα σημαντικό μέρος αυτών των ζεύξεων θα χαρακτηρίζονται

από υψηλούς ρυθμούς δεδομένων. Πιθανόν, το μεγαλύτερο μέρος των πρακτικών εφαρμογών

των επικοινωνιών μικρής εμβέλειας παίρνουν τη μορφή των τοπικών (local), προσωπικών

(personal), και δικτύων κάλυψης σώματος (body) ή WLAN, WPAN, και WBAN αντίστοιχα,

καλύπτοντας εμβέλειες από μερικές δεκάδες μέτρα έως επικοινωνίες μικρότερης εμβέλειας

από ένα μέτρο [2].

Ένα μεγάλο μέρος της κατανάλωσης ενέργειας οφείλεται στο φωτισμό. Εκτιμάται ότι το ένα

τρίτο της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρισμού, διατίθεται για λόγους φωτισμού. Έτσι είναι

σημαντική η ανάπτυξη πιο αποδοτικών πηγών φωτισμού. Αυτή η αλήθεια για τη κατανάλω-

15

ση, έχει δημιουργήσει μια σημαντική δραστηριότητα για την ανάπτυξη πηγών στερεάς κα-

τάστασης για να αντικαταστήσουν τις λάμπες πυρακτώσεως, και τις λάμπες φθορισμού. Οι

λάμπες φθορισμού εμπεριέχουν υλικά που μολύνουν το περιβάλλον. Έτσι η εξάλειψη τους θα

αφαιρέσει μια σημαντική πηγή περιβαλλοντικής μόλυνσης. Πιο συγκεκριμένα, η αντικα-

τάστασή τους με πολύ αποδοτικές LED (Light Emitting Diodes), που παράγουν λευκό φως,

θα ελαττώσει τη κατανάλωση ενέργειας. Είναι ευτύχημα, ότι οι λευκές LED είναι ήδη εμπο-

ρικά διαθέσιμες. Οι λευκές LED (White LED - WLED) απαιτούν στη χειρότερη περίπτωση

20 φορές μικρότερη ενέργεια από τις συμβατικές πηγές λευκού φωτός, που ισούται με 5 φο-

ρές μικρότερη ισχύ από τις λάμπες φθορισμού, οι οποίες καταναλώνουν μικρότερη ενέργεια.

Ένα ολόκληρο αγροτικό χωριό μπορεί να φωτιστεί με λιγότερη ενέργεια από αυτή που χρησι-

μοποιείται από μια συμβατική λάμπα 100W. Η μετάβαση σε φωτισμό στερεάς κατάστασης

θα μειώσει τη παγκόσμια χρήση ηλεκτρισμού κατά 50%, και θα μειώσει την κατανάλωση

ενέργειας κατά 760 GW μόνο στις ΗΠΑ σε μια περίοδο 20 ετών. Για να διαμορφωθεί μια κα-

θαρή εικόνα για τον θετικό αντίκτυπο των WLEDs, παρακάτω παρουσιάζονται μερικές συ-

γκεκριμένες εκτιμήσεις για τις ΗΠΑ :

“Αν όλοι οι υπάρχοντες λαμπτήρες αντικατασταθούν με πηγές WLED, σε μια περίοδο 10 ετών

θα είχαμε τα ακόλουθα οφέλη: οικονομία στην ενέργεια της τάξης των 1.9x1020 joules, και οι-

κονομία 1.83 τρισεκατομμύρια US $, μείωση στη παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα της τάξης

των 10.68 γιγατόνων, και μείωση κατανάλωσης ακατέργαστου πετρελαίου 962 εκατομμύρια

βαρέλια [2].”

Ο τομέας της φωτονικής ξεκινά με την αποδοτική γενιά φωτός. Η γενιά του αποδοτικού αλλά

και πολύ ελεγχόμενου φωτισμού, μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση LEDs. H χρήση μιας

WLED αντί του συμβατικού φωτισμού, σημαίνει σημαντική μείωση του όγκου, του κόστους

και της κατανάλωσης ενέργειας, αφού οι οπτικές συσκευές είναι μικρότερες και απλούστερες

από τις ηλεκτρικές συσκευές. Οι WLEDs είναι ημιαγώγιμες συσκευές. Πριν από περίπου 12

16

έτη, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι οι WLEDs, εκτός του ότι ήταν πού κατάλληλες για

φωτισμό χώρου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για ασύρματες επικοινωνίες. Τα θετικά

μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι πολλά. Ένα είναι ότι ανήκουν στην πράσινη τεχνολογία όταν

χρησιμοποιούνται για φωτισμό, και γίνονται ακόμα πιο φιλικές στο περιβάλλον, όταν αυτές

χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς, όταν συγκρίνονται με τις εναλλακτικές

τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων (RF). Επίσης οι LED και οι φωτοανιχνευτές (photo-detectors),

τείνουν να γίνουν αρκετά φθηνότεροι συγκρινόμενα με τα RF αντίστοιχά τους. Οι οπτικές

ασύρματες επικοινωνίες επιτρέπουν την εύκολη επαναχρησιμοποίηση εύρους ζώνης, και βελ-

τιώνουν την ασφάλεια, αφού το φως περιορίζεται στο δωμάτιο που φωτίζει. Επίσης δεν πα-

ράγουν RF μόλυνση, ούτε επηρεάζονται από RF παρεμβολή. Έτσι, αντικαθιστώντας RF συ-

σκευές με συσκευές που χρησιμοποιούν λευκό φως ως μέσο για τις τηλεπικοινωνίες (τουλάχι-

στον σε κλειστούς χώρους) θα μειωθεί η παρεμβολή στις RF ζώνες συχνοτήτων. Θα πρέπει

να τονιστεί ότι καθώς οι καταναλωτές και οι κατασκευαστές προϊόντων θα επωφεληθούν, η

τεχνολογία μπορεί να εισχωρήσει αρκετά σε περιπτώσεις που δεν μπορεί η RF τεχνολογία,

όπως σε νοσοκομεία, σχολεία, αεροπλάνα και ορυχεία. Οι RF παρεμβολές έχουν προκαλέσει

ατυχείς πυροδοτήσεις εκρήξεων όταν χρησιμοποιούνται συσκευές πυροδότησης από απόστα-

ση.

Ομοσπονδιακοί κανονισμοί θέτουν το 1Watt ως μέγιστο επιτρεπτό όριο RF ισχύος μέσα σε

ορυχεία που χρησιμοποιούν ασύρματους πυροκροτητές. Επίσης, σήματα RF έχουν παρεμβλη-

θεί σε οδηγίες προσγείωσης σε αεροπλάνα που προσγειώνονται. Αντικαθιστώντας τους συμ-

βατικούς λαμπτήρες με WLED και χρησιμοποιώντας τα για διαβίβαση δεδομένων και φωτι-

σμό, μπορούν να εξοικονομηθούν μεγάλα ποσά ενέργειας [2].

17

H ευρέως διαδεδομένη εμπορική χρήση της οπτικής επικοινωνίας ελευθέρου χώρου (Free

Space Optics - FSO), εμφανίστηκε πριν επικρατήσει η χρήση των αντίστοιχων RF. Αυτά τα

συστήματα χρησιμοποιούσαν υπέρυθρες συχνότητες (IR), ήταν για εσωτερική χρήση, και

χρησιμοποιήθηκαν σε διάφορες εφαρμογές (π.χ. για μονάδες τηλεχειρισμού, και ως θύρες

επικοινωνίας ανάμεσα σε συσκευές). Σε αυτά τα πρώτα χρόνια, μόνο οι IR LED ήταν δια-

θέσιμες με μικρό κόστος. Το 1993 δημιουργήθηκε ο Infrared Data Association (IrDA), για να

παράγει χαμηλού κόστους παγκόσμια - συμβατή υπέρυθρη τεχνολογία και ένα forum για την

ανάπτυξη των IR FSO προτύπων. Το πρωτόκολλο IrDA, αναπτύχθηκε και έχει μεταβληθεί σε

βιομηχανικό πρότυπο. Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11 παρείχε λεπτομέρειες για το φυσικό επίπεδο

(physical layer) του IR. Ωστόσο, αυτά μπορεί να μην είναι εφαρμόσιμα σήμερα. Σε όρους

διαμόρφωσης και ανίχνευσης, η διαμόρφωση έντασης (Intensity Modulation - IM) και η άμε-

ση ανίχνευση (Direct Detection–DD), δύνανται να παρέχουν ένα οικονομικό τηλεπικοινωνια-

κό σύστημα FSO, πολύ οικονομικότερο από το αντίστοιχο RF [2].

Ενώ το FSO μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλούς ρυθμούς bit, σε περίπτωση ανεμπόδιστης οπτι-

κής επαφής (Line Of Sight - LOS) ανάμεσα στον πομπό και στον δέκτη, ο ρυθμός μετάδοσης

μειώνεται σημαντικά όταν δεν υπάρχουν συνθήκες LOS. Σε πολλές περιπτώσεις, η διασφάλι-

ση των συνθηκών LOS είναι μια μεγάλη πρόκληση, και συνήθως απαιτεί τη χρήση σχετικά

περίπλοκης και ακριβής τεχνολογίας. Βέβαια, η παρεμβολή από το φως του περιβάλλοντος

έχει αρνητική επίδραση και μπορεί να αντιμετωπιστεί με τη χρήση εύρωστων μορφών ση-

μάτων, ή/και οπτικών φίλτρων [2].

Η ερευνητική περιοχή των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών, δεν είχε αρκετή απήχηση για

αρκετά χρόνια, εκτός από κάποιες στρατιωτικές εφαρμογές λόγω της ασφάλειας που προ-

σφέρει. Εν τούτοις, ο μεγαλύτερος αριθμός ασύρματων συσκευών που έχουν πωληθεί, τα τη-

18

λεχειριστήρια TV, χρησιμοποιούν ακτίνες IR για να λειτουργήσουν. Ο αριθμός των ερευνη-

τών και ερευνητικών συνεργασιών, που ασχολούνται με ασύρματες οπτικές επικοινωνίες δεν

συγκρίνεται με τον αριθμό των αντίστοιχων ερευνητών που ασχολούνται με ασύρματες RF

τεχνολογίες [2].

Οι ασύρματες οπτικές τεχνολογίες, χρησιμοποιούν οπτικά φέροντα για τη μετάδοση της πλη-

ροφορίας από το ασύρματο οπτικό κανάλι από το ένα μέρος στο άλλο. Αυτά τα κανάλια δια-

χωρίζονται μεταξύ τους από τα αντίστοιχα RF. Αυτά μπορούν να απασχολήσουν χωρίς άδεια

οπτικό φάσμα πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο, στις περιοχές του υπερύθρου (IR), του

ορατού (VL), και του υπεριώδους (UV), και έτσι να προσφέρουν μεγάλες δυνατότητες σε

ρυθμούς υψηλής μετάδοσης με βελτιωμένη ασφάλεια δεδομένων. Αυτές οι συχνότητες δεν

προσβάλλονται από ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (Electromagnetic Interference - EMI), ιδα-

νική για πολιτικές εφαρμογές σε ευαίσθητα περιβάλλοντα όπως νοσοκομεία και αεροπλοΐα,

όπως και στρατηγικές εφαρμογές που απαιτούν προστασία από παρεμβολές (anti-jamming).

Το πολύ μικρό μήκος κύματος ενός οπτικού φέροντος, δίνει τη δυνατότητα σε ένα πομπο-

δέκτη πολύ μικρών διαστάσεων, να ακτινοβολεί οπτικά σήματα υψηλής πυκνότητας με μικρή

19

Εικόνα 3: Το οπτικό φάσμα και οι διάφορες ακτινοβολίες. [27]

ισχύ και μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή διακριτική ικανότητα (resolution) στην οπτική απει-

κόνιση [2].

Οι ανάγκες για υψηλή διακριτική ικανότητα στην οπτική απεικόνιση, εκτείνονται από βιοϊα-

τρικές εφαρμογές μέχρι προσωπικές και στρατιωτικές εφαρμογές. Η UV απεικόνιση βασίζε-

ται στους άριστα εξελιγμένους ημιαγώγιμους ανιχνευτές UV όπως οι φωτοανιχνευτές χιονο-

στιβάδας (Avalanche Photodetectors – APD), είναι ένα αναδυόμενο πεδίο για την προσγείω-

ση αεροπλάνων σε ομιχλώδη και ασαφή περιβάλλοντα, καθώς και πληροφορίες ατμοσφαιρι-

κής ρύπανσης για την προστασία του περιβάλλοντος. Όταν η UV ακτινοβολία χρησιμοποιεί-

ται για τηλεπικοινωνίες, η ελάχιστη ηλιακή ακτινοβολία και η ατμοσφαιρική σκέδαση που

συμβαίνει σε αυτές τις συχνότητες, βοηθά στην κατασκευή μιας υψηλής ποιότητας μη-άμε-

σης (NLOS) ζεύξης. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό τα εξωτερικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα

να λειτουργούν χωρίς περιορισμούς στροφής πομποδεκτών. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι

ελκυστικό στην εφαρμογή δικτύων των Unattended Ground Sensors (UGS–εφαρμογή για μα-

χητικά συστήματα των HΠΑ). Για την εύρωστη συνδεσιμότητα των κόμβων των αισθητήρων

του συστήματος [2].

1.3 Σύγχρονη ιστορία των συστημάτων VLC

Οι ερευνητικές ομάδες που έστρεψαν τις έρευνές τους για εφαρμογές των LED ορατού φωτός

στις τηλεπικοινωνίες, εντοπίζονται χρονικά περίπου στα 1998 - 1999. Ωστόσο, σε σύγκριση

με άλλες περιοχές των ασύρματων επικοινωνιών, οι ερευνητικές μελέτες που έχουν ανακοι-

νωθεί είναι αξιοσημείωτα περιορισμένες. Οι πολύ αρχικές μελέτες, υποδεικνύουν εφαρμογές

και συστήματα στενού φάσματος και μικρού ρυθμού δεδομένων. Έρευνες που παρουσιάζουν

ευρυζωνικές επικοινωνίες ορατού φωτός (VLC), με χρήση WLED ξεκίνησαν να εμφανίζονται

το 2001 και συνεχίστηκαν τα επόμενα χρόνια με έρευνες που διεξήχθησαν από το Keio

20

University στη Yokohama της Ιαπωνίας. Το Νοέμβριο του 2003 ιδρύθηκε στην Ιαπωνία o

VLCC (Visible Light Communications Consortium), έχοντας ανάμεσα στα μέλη του με-

γάλους Ιαπωνικούς βιομηχανικούς οργανισμούς: Toshiba, NEC, KDDI, Panasonic, Sony,

Toyota, Sumitomo, Mitsubishi, NTT DoCoMo, Casio, και Sharp είναι ανάμεσα σε αυτούς.

Και η Samsung από τη Νότιο Κορέα έγινε μέλος του consortium. O VLCC ιδρύθηκε από αυ-

τές τις μεγάλες εταιρίες για να εξελίξει, να σχεδιάσει, να ερευνήσει, και να προτυποποιήσει

τα ιαπωνικά συστήματα VLC. Ο στόχος του είναι να εξελίξει, να ερευνήσει, να σχεδιάσει και

να προτυποποιήσει τα μόνιμης πρόσβασης, υψηλής ταχύτητας και φιλικά για υγεία συστήμα-

τα VLC [2].

Αργότερα ο WWRF (Wireless World Research Form) ξεκίνησε κάποια δραστηριότητα στον

τομέα αυτόν. Παρόλο που μερικές ακόμα ερευνητικές ομάδες εμφανίστηκαν την περίοδο

ανάμεσα στο 2000 και 2006 από άλλους ερευνητές, η έρευνα στην περιοχή αυτή άρχισε να γί-

νεται αξιοπρόσεκτη από το 2007 όταν μια έρευνα από τον J. Kahn με τίτλο “Imaging

Diversity Receivers for High-Speed Infrared Wireless Communication”, εμφανίστηκε στο πε-

ριοδικό Scientific American το οποίο μεταφράστηκε σε πολλές γλώσσες. Η Ευρώπη και οι

ΗΠΑ ξεκίνησαν τη χρηματοδότηση μεγάλων προγραμμάτων στον τομέα αυτόν το 2008. Η

Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδότησε πολύ καλά το σχέδιο hOME Gigabit Access (OMEGA),

με σκοπό την ανάπτυξη παγκόσμιων προτύπων για οικιακά δίκτυα, που να περιλαμβάνουν τη

χρήση οπτικών επικοινωνιών στις συχνότητες των τεχνολογιών IR και VLC. Αυτό ιδρύθηκε

σαν μέρος του προγράμματος Framework Programme 7 (P7) R&D της Ευρωπαϊκής Ένωσης.

Κυριότερα βιομηχανικά μέλη είναι η France Telecom, η Thomson, η IHP Microelectronics, η

ComNets (RWTH), και η Siemens. Τελικά ο IEEE εξέδωσε μια έκλυση για συμμετοχή (Call

for Contributions) στο IEEE 802.15.7 VLC το 2009, και διεξήχθη η πρώτη συνάντηση [2]

21

1.4 Εφαρμογές εσωτερικού - εξωτερικού χώρου.

Τα παραπάνω πλεονεκτήματα των ασύρματων επικοινωνιών ορατού φάσματος με πηγές στε-

ρεάς κατάστασης καθιστούν ιδιαίτερα θελκτική την υιοθέτησή τους σε πολλούς τομείς της

καθημερινότητας για επικοινωνία από σημείο σε σημείο (point to point) ή από σημείο προς

πολλά σημεία (point to multipoint).

Στον χώρο της υγείας και των αερομεταφορών θα επιτρέψουν την επικοινωνία χωρίς

τον κίνδυνο αλληλεπίδρασης με τον υπάρχοντα ηλεκτρομαγνητικό εξοπλισμό.

Οι δίοδοι εκπομπής φωτός χρησιμοποιούνται ήδη στους φωτεινούς σηματοδότες και

αναμένεται να κυριαρχήσουν ως μέσα φωτισμού στα αυτοκίνητα στο άμεσο μέλλον.

Επομένως, είναι δυνατή η ανταλλαγή δεδομένων ανάμεσα σε σηματοδότες - αυτοκί-

νητα ή και αυτοκίνητα - αυτοκίνητα για λόγους ασφαλείας και για διαχείριση της κυ-

κλοφορίας.

Σε περιπτώσεις ανταλλαγής δεδομένων ανάμεσα σε φωτεινές επιγραφές ή πινακίδες

και κινητά τερματικά, όπως προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (Personal Digital

Assistants/ PDAs) για την παροχή υπηρεσιών που σχετίζονται με τη θέση του χρήστη

(μουσεία, εκθεσιακοί χώροι, κτλ).

Σε εσωτερικούς χώρους για τη δημιουργία τοπικών δικτύων ορατού φάσματος σε

αντιστοιχία με τα τοπικά δίκτυα ραδιοσυχνοτήτων, ικανοποιώντας ταυτόχρονα τη λει-

τουργία του φωτισμού.

Σε υποβρύχιες εφαρμογές, όπου τα ραδιοκύματα δεν διαδίδονται σε μεγάλες απο-

στάσεις.

22

1.4.1 Εφαρμογές Εσωτερικού Χώρου

Με την εγκατάσταση VLC συστημάτων θα είναι δυνατή η μετάδοση ευρυζωνικής πληροφο-

ρίας σε διάφορα περιβάλλοντα όπως γραφεία τα οποία φωτίζονται ούτως η άλλως. Στην περί-

πτωση αυτή, ένα PLC (Power Line Communication) σύστημα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν

τροφοδότης. Τα δεδομένα που φτάνουν σε ένα γραφείο ή ένα σπίτι από το δίκτυο, ακτινοβο-

λούνται από οπτικά σημεία πρόσβασης που αποτελούνται από LED σε κάθε δωμάτιο ενώ πα-

ράλληλα λειτουργούν και ως πηγές φωτισμού. Οι εγκατεστημένες LED σε κάθε σημείο

πρόσβασης (access point), δεν φωτίζουν απλά το δωμάτιο, αλλά παράλληλα διαμορφώνουν

το ηλεκτρικό σήμα σε ορατό σήμα και τα σήματα αυτά ακτινοβολούνται στον αέρα [4].

Η σκίαση (shadowing), μπορεί να αποφευχθεί χρησιμοποιώντας κατανεμημένη πηγή φωτός.

Κανονικά όλες οι LED μεταδίδουν το ίδιο σήμα δεδομένων. Ωστόσο είναι δυνατό να χρησι-

μοποιηθούν LED διαφορετικών χρωμάτων όπως φαίνεται στην εικόνα 4 [4].

Οι μεταδιδόμενοι οπτικοί παλμοί από τα φώτα LED λαμβάνονται από ένα τερματικό χρήστη

το οποίοι αποτελείται από φωτοδιόδους και μετατρέπει τους οπτικούς παλμούς σε ηλεκτρικά

σήματα. Ο οπτικός δέκτης στο τερματικό του χρήστη, χρησιμοποιεί ένα ζωνοπερατό οπτικό

φίλτρο για να εξαφανίσει το περιβάλλον φως. Ερευνητές (όπως ο Komine και ο Nakagawa,

23

Εικόνα 4: Αριστερά: Μετάδοση σε εσωτερικό χώρο με VLC / Δεξιά: VLC με παράλληλη μετάδοση δε-δομένων [4].

2003) έχουν αναλύσει και επιδείξει ένα VLC συνδεδεμένο με PLC σε ρυθμούς δεδομένων της

τάξης του 1 Mbps με BER της τάξης του 10−6 [4].

Το PLC κάνει εφικτή τη χρήση των υπαρχόντων γραμμών μετάδοσης ηλεκτρισμού για τηλε-

πικοινωνιακούς σκοπούς. Σε ένα σπίτι, οι ήδη εγκατεστημένες ηλεκτρικές γραμμές και οι έξο-

δοι τους, συμπεριφέρονται σαν δίκτυα δεδομένων και πύλες (ports). Αφού πολλοί εξοπλισμοί

δεδομένων και ηλεκτρικές συσκευές είναι ήδη συνδεδεμένες με τις εξόδους των ηλεκτρικών

γραμμών, δεν είναι υποχρεωτική η εισαγωγή συνεστραμμένων καλωδίων για επικοινωνίες.

Χρησιμοποιώντας λευκές LED οι ερευνητές πρότειναν την εφαρμογή VLC συστημάτων [4].

Η οπτική ασύρματη ζεύξη είναι κατάλληλη για μη δημόσιο δίκτυο ή για ένα τηλεπικοινωνια-

κό δίκτυο καταναλωτών, όπως το WHL διότι δεν απαιτεί κάποια άδεια στη χρήση του. Επι-

πλέον, τα φωτεινά σήματα περιορίζονται μόνο από φυσικά εμπόδια και είναι πολύ εύκολο να

αποφευχθεί η παρεμβολή από διπλανά δωμάτια. Έτσι η διάδοση με οπτικό σήμα είναι καταλ-

ληλότερη σε εφαρμογές εσωτερικού χώρου σε σχέση με τα ραδιοκύματα [4].

1.4.2 Εφαρμογές Εξωτερικού Χώρου

Τα VLC συστήματα είναι αντίστοιχα λειτουργικά και σε εξωτερικές εφαρμογές. Μια τέτοια

εφαρμογή είναι τα έξυπνα συγκοινωνιακά συστήματα ITS (Intelligent Transport System) και

η εφαρμογή ασφάλειας δρόμου (Road Safety Application). Διαβιβάζοντας διαφορετικές πλη-

ροφορίες κυκλοφορίας από φανάρια LED στα διερχόμενα αυτοκίνητα συνδυαζόμενο με το

σύστημα λήψης του VLC μπορεί να μειώσει τα ατυχήματα (Traffic Light Communication).

Επιπλέον τέτοιες πληροφορίες θα βοηθήσουν στη ρύθμιση της κυκλοφορίας. Το σήμα από τα

φανάρια της κυκλοφορίας μπορούν να ενημερώνουν για την κατάσταση της κυκλοφορίας για

να βοηθήσουν τους πεζούς και άτομα με ειδικές ανάγκες. Δε θα είναι έκπληξη η επικοινωνία

24

ανάμεσα στα αυτοκίνητα με τη χρήση των πίσω, μπροστινών ή πλαγίων φώτων, όπως και η

λήψη πληροφοριών από φώτα δρόμου και φώτα παρκαρίσματος [4].

Σε περιοχές για παρκάρισμα, τα LED φώτα μπορούν να μεταδίδουν πληροφορίες για τις κενές

θέσεις παρκαρίσματος σε κάθε αυτοκίνητο που εισέρχεται στο parking. Τα συστήματα VLC

μπορεί να είναι χρήσιμα μέσα σε αεροπλάνα όπου είναι ήδη εγκατεστημένα εκατοντάδες χι-

λιόμετρα καλωδίων, και μπορούν να αντικατασταθούν. Εν τούτοις, λίγα μόνο πειράματα

έχουν διεξαχθεί σε εξωτερικό περιβάλλον. Ερευνητές έχουν κάνει αρχικές μελέτες για με-

τάδοση πληροφορίας από φανάρια σήμανσης με τη χρήση λευκών LED [4].

Ο Kitano et. al. 2004 πρότεινε ένα σύστημα φωτισμού και διαβίβασης πληροφορίας των

δρόμων βασισμένο σε LED, το οποίο εκπληρώνει τα πρότυπα φωτισμού των δρόμων στην Ια-

πωνία ενώ μέσα από αριθμητική ανάλυση δικαιολόγησε τις πιθανότητες της επικοινωνίας αυ-

τής. Επίσης έχει αναλυθεί και προταθεί ένα σύστημα VLC που λειτουργεί χρησιμοποιώντας

25

Εικόνα 5: Περιπτώσεις εξωτερικών εφαρμογών VLC [4]

αισθητήρα εικόνων δύο διαστάσεων (Wook, et al. 2006). Τέλος ο Arai (2007) πρότεινε ένα

τρόπο κωδικοποίησης με ιεραρχία που βασίζεται σε έναν γρήγορο 2D Harr μετασχηματισμό

μήκους κύματος [4].

Τα προτεινόμενα ιεραρχικά σχέδια διαβίβασης, παρουσιάζουν συμβατική διαμόρφωση OOK

(Οn-Off Keying), και η λήψη δεδομένων υψηλής προτεραιότητας είναι εγγυημένη ακόμα και

αν η απόσταση κάμερας - LED είναι μεγάλη. O Iwasaki (2007), προχώρησε ακόμα ένα βήμα

προτείνοντας την παράλληλη επικοινωνία με VLC. Πρότεινε ένα τρόπο επικοινωνίας του

δρόμου με το όχημα, με τη χρήση κάμερας υψηλής ταχύτητας. Στο σύστημα αυτό τα δεδο-

μένα λαμβάνονται από την κάμερα υψηλής ταχύτητας που βρίσκεται πάνω στο όχημα, κάνο-

ντας εφικτή την αναγνώριση κάθε μιας LED ξεχωριστά. Μελέτες έχουν διεξαχθεί όσων αφο-

ρά την ταχύτητα επικοινωνίας και έχει διεξαχθεί πείραμα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων

σε εργαστηριακές συνθήκες [4].

1.4.3 Ασύρματες εφαρμογές μικρής εμβέλειας

Για μελλοντικές εφαρμογές μικρής εμβέλειας, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες, και κυρίως

τα VLC, παρουσιάζουν μια βιώσιμη και υποσχόμενη συμπληρωματική τεχνολογία στα RF

ασύρματα συστήματα επικοινωνίας. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να συνδυάσει το φωτισμό κα-

θώς και διαβίβαση δεδομένων με ταχύτητες οπτικής ίνας, εφόσον αυτή είναι εγκατεστημένη

σε μια κατάλληλη συσκευή όπως PDA, κινητό τηλέφωνο ή mp3 player [4].

Σε διάφορες εκθέσεις, δίνεται η δυνατότητα να ληφθούν σχετικές με την έκθεση πληροφορίες

εφόσον κάποιος βρίσκεται κάτω από έναν VLC λαμπτήρα. Από ηλεκτρονικές διαφημιστικές

πινακίδες επίσης, θα μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικές με το διαφημιζόμενο προϊόν.

26

Στο γραφείο αντίστοιχα μια VLC λάμπα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως modem σχεδόν

οπουδήποτε σήμερα χρησιμοποιείται Wi-Fi [4].

Το ορατό φως ως μέσο για επικοινωνίες μικρής εμβέλειας έχει και πλεονεκτήματα και μειονε-

κτήματα συγκρίνοντας με την IR, τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα. Από την άλλη μεριά

τα LED και οι φωτοανιχνευτές τα οποία έχουν τη δυνατότητα γρήγορης λειτουργίας είναι δια-

θέσιμα με μικρό κόστος [4].

Όπως και στο IR, το φάσμα του ορατού φωτός δεν έχει ανατεθεί πουθενά παγκοσμίως και δε

χρειάζεται άδεια για τη χρήση του. Και το ορατό φως και η υπέρυθρη ακτινοβολία διαπερ-

νούν το γυαλί αλλά όχι τους τοίχους [4].

27

Εικόνα 7: Λήψη πληροφοριών θέσης από κινητό

(VLCC member companies NEC and MatsushitaElectric works) [7]

Εικόνα 6: Λήψη πληροφοριών θέσης από φωτεινόσηματοδότη

( πηγή: The Nippon Signal Co.,Ltd., JAPANSHOP 2006) [7]

Όπως και τα μικροκύματα, η δέσμη ορατού LED φωτός ακολουθεί ευθεία γραμμή, και είναι

κατάλληλη για την ασύρματη διαβίβαση μεγάλης ποσότητας πληροφορία φωνής και δεδο-

μένων. Κατά την πρακτική χρήση, θα πρέπει να γίνει εκμετάλλευση της υψηλής κατευθυντι-

κότητας των LED.

1.4.4 Άλλες εφαρμογές

Ανίχνευση Θέσης

Αυτό μπορεί να γίνει εφικτό σε ένα VLC σύστημα, όταν οι πληροφορίες που στέλνονται από

τους οπτικούς πομπούς στέλνουν πληροφορίες σχετικές με τη θέση. Είναι το ίδιο αποτελε-

σματική σε εφαρμογές εσωτερικού και εξωτερικού χώρου. Διάφορες εταιρίες έχουν παρου-

σιάσει πρωτότυπα ανίχνευσης θέσης βασισμένα στην τεχνολογία VLC. Τέτοιες εφαρμογές εί-

ναι η επικοινωνία πεζού-φαναριού σήμανσης και η εφαρμογή Παγκόσμιου Συστήματος

Πλοήγησης[3].

Έξυπνες αγορές.

Το σύστημα VLC χρησιμοποιείται για τη διαβίβαση πληροφοριών σχετικά με χαρακτηριστι-

κά προϊόντων. Οι VLC δέκτες μπορούν να εφαρμοστούν στα καροτσάκια για ψώνια [3].

Μια άλλη εφαρμογή είναι η επικοινωνία με αισθητήρα εικόνας (Ιmage Sensor

Communications). Ένα VLC σύστημα συνήθως χρησιμοποιεί μια φωτοδίοδο ως συσκευή λή-

ψης. Εν τούτοις, στις επικοινωνίες με αισθητήρα εικόνας, ο δέκτης που χρησιμοποιείται είναι

ο αισθητήρας εικόνας που χρησιμοποιείται στις κάμερες. Αν και η χρήση ενός αισθητήρα ει-

κόνας αντί για φωτοδίοδο είναι πιο ακριβή, έχει κάποια πλεονεκτήματα:

28

O ανιχνευτής εικόνας αποτελείται από μεγάλο αριθμό pixel, και κάθε pixel μπορεί

να χρησιμοποιηθεί ως ανεξάρτητο κανάλι λήψης. Έτσι είναι διαθέσιμα πολλά κα-

νάλια λήψης.

Τα pixel είναι διαχωρισμένα στο χώρο (space diversity), έτσι η επίδραση της παρεμ-

βολής εξαλείφεται.

Το κάθε κανάλι έχει την πληροφορία της θέσης του κάθε pixel, έτσι μπορεί να βρε-

θεί η θέση του πομπού κατά τη λήψη.

Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε επικοινωνία μακρινής απόστασης. Αν και η

διακριτική ικανότητα της πηγής φωτός είναι μικρότερη σε μεγάλες αποστάσεις, η

πληροφορία μπορεί να ληφθεί από έναν μακρινό πομπό, με τη χρήση φακών τηλε-

σκοπίου [3].

Η τεχνολογία αυτή, παρόλα τα πλεονεκτήματά της, δύσκολα εφαρμόζεται λόγω του κόστους

των οργάνων της. Οι κατασκευαστές παρακολουθούν την μεγάλη απήχηση της τεχνολογίας

των εξελιγμένων κινητών. Αφού τα κινητά αυτά είναι εξοπλισμένα με κάμερες υψηλού ρυθ-

μού. Οι κάμερες αυτές μπορούν πιθανόν να χρησιμοποιηθούν ως δέκτες στις επικοινωνίες με

αισθητήρα εικόνας όταν έχουν ανεκτό κόστος [3].

29

Εικόνα 8: Καροτσάκι για ψώνια και δέκτης

(πηγή: NEC and Matsushita Electric Works) [7]

Μια άλλη εφαρμογή των VLC είναι η αποστολή ψηφιακού ήχου με χρήση LED κόκκινου,

μπλε και πράσινου χρώματος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης σε ένα σιωπηρό κονσέρτο

όπου μεταδίδονται διαφορετικοί ήχοι σε κάθε χρώμα. Οι χρήστες έχουν την επιλογή να ακούν

τα μουσικά όργανα που αυτοί επιθυμούν διαλέγοντας ανάμεσα στις διαφορετικές δέσμες

φωτός, ενώ οι καλλιτέχνες παίζουν μπροστά τους. Με το τρόπο αυτό τα VLC χρησιμοποιού-

νται και στην ψυχαγωγία. [3]

1.5 Σύγκριση συστημάτων VLC με άλλες ασύρματες επικοινωνίες

Τα χαρακτηριστικά που κάνουν τα συστήματα ασύρματης επικοινωνίας ορατού φωτός να

έχουν προβάδισμα σε σχέση με τις υπόλοιπες ασύρματες επικοινωνίες μπορούν να συνοψι-

στούν παρακάτω:

Ασφάλεια για την ανθρώπινη υγεία: Τα VLC συστήματα δεν αποτελούν κίνδυνο για το αν-

θρώπινο σώμα. Έτσι η μεταδιδόμενη ισχύς μπορεί να είναι υψηλή[3].

30

Εικόνα 9: Ένα σύστημα ήχου πουχρησιμοποιεί κόκκινες, μπλε και

πράσινες LED [7]

Εικόνα 10: Κόκκινη, πράσινη και μπλε LED [20]

Υψηλοί ρυθμοί δεδομένων: Τα VLC κληρονομούν τους υψηλούς ρυθμούς των οπτικών επι-

κοινωνιών. Έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για υψηλού ρυθμού ασύρματες συνδέσεις[3].

Εύρος Ζώνης: Τα VLC εκμεταλλεύονται το ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

Έτσι προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ζώνη συχνοτήτων (300 THz) σε σχέση με τις αντίστοιχες

συχνότητες των RF (300 GΗz)[3].

Εκμετάλλευση της ήδη εγκατεστημένης τεχνολογίας φωτισμού: Χρησιμοποιώντας ήδη

εγκατεστημένα φώτα LED, των οποίων η εφαρμογή διαδίδεται με γοργούς ρυθμούς σε όλο

τον κόσμο[3].

Ασφάλεια: Αφού τα συστήματα VLC εμπλέκουν LOS επικοινωνία, είναι αδύνατη η υποκλο-

πή πληροφοριών αν δεν υπάρχει LOS. Έτσι προσφέρει πολύ ασφαλή ζεύξη και μπορεί να

χρησιμοποιηθεί σε στρατιωτικές περιοχές υψηλής ασφάλειας όπου δεν μπορεί να εφαρμοστεί

RF τεχνολογία [3].

Ορατότητα: Είναι πολύ όμορφο αισθητικά να μεταφέρονται πληροφορίες μέσω φωτός δια-

φόρων χρωμάτων. Έτσι τα συστήματα VLC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δραστηριότητες

ψυχαγωγίας όπως σιωπηρά κονσέρτα, συστήματα διακόσμησης, κλπ [3].

Ελεύθερο φάσμα: Αφού τα συστήματα VLC χρησιμοποιούν το ορατό μέρος του φάσματος,

το οποίο δεν χρειάζεται άδεια για τη χρησιμοποίησή του, αντίθετα με τις RF επικοινωνίες [3].

31

1.5.1 Πλεονεκτήματα σε σχέση με τις ραδιοσυχνότητες.

Τα πλεονεκτήματα της χρήσης οπτικής ακτινοβολίας σε σύγκριση με τις ραδιοσυχνότητες

(Radio Frequency - RF) περιλαμβάνουν:

Περιορισμένη ισχύς μετάδοσης: τις RF επικοινωνίες, η ηλεκτρική ισχύς διαβίβασης, δεν

μπορεί να αυξηθεί πέρα από ένα βαθμό (1Watt) διότι δημιουργεί μεγάλους κινδύνους για το

ανθρώπινο σώμα [3]. Αυτό δεν συμβαίνει στην περίπτωση του ορατού φάσματος όπως είναι

φυσικό.

Μη ελεύθερη χρήση φάσματος: Λόγω του περιορισμένου φάσματος, δεν υπάρχει χώρος για

χρήση άλλων ραδιοσυχνοτήτων. Επιπλέον η χρήση του RF φάσματος πρέπει να συμφωνηθεί

[3]. Αντίθετα στα συστήματα ορατού φάσματος έχουμε πρακτικά απεριόριστο εύρος ζώνης

πάνω από 540 TΗz για μήκη κύματος στην περιοχή [200-1550 nm]. Αυτή η ζώνη συχνοτήτων

δεν έχει εκχωρηθεί πουθενά και είναι διαθέσιμη για άμεση χρήση [2].

Απαγορευμένο σε ευαίσθητες περιοχές: Οι RF συχνότητες δεν μπορούν να χρησιμοποιη-

θούν σε νοσοκομεία, σε ορυχεία, σε διαστημικούς σταθμούς και αλλού διότι επηρεάζουν αρ-

νητικά την λειτουργία συγκεκριμένων οργάνων [3]. Έτσι η απουσία ηλεκτρομαγνητικής πα-

ρεμβολής με άλλες συσκευές, καθιστά τις VLC συνδέσεις πολύ κατάλληλες για περιβάλλοντα

όπου χρησιμοποιούνται συσκευές ευαίσθητες στις παρεμβολές. Όπως νοσοκομεία, αερο-

δρόμια και εργοστάσια, εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας (power plants), στρατιωτικά

κτήρια και κτήρια εθνικής ασφάλειας [2].

32

Αλλοίωση επιδόσεων: Μια μικρή επιφάνεια δέκτη (φωτοανιχνευτές) παρέχει χωρική ποικι-

λομορφία (spatial diversity), εξαλείφοντας την εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών (multipath

fading) που υποβιβάζει τις επιδόσεις μιας απροστάτευτης RF ζεύξης.[3]

Ασφάλεια Ζεύξης: Ο περιορισμός των οπτικών σημάτων σε συγκεκριμένο χώρο (σε σχέση

με τις RF συνδέσεις όπου υπάρχει διαπερατότητα από υλικά π.χ. τοίχους) δίνει τη δυνατότη-

τα για ασφαλή ανταλλαγή δεδομένων χωρίς το φόβο υποκλοπής από κάποιον εισβολέα. Έτσι

παρέχεται ασφάλεια φυσικού επιπέδου (physical-layer), ο οποίος είναι και ο ασφαλέστερος

τύπος [3].

1.5.2 Πλεονεκτήματα σε σχέση με την υπέρυθρη επικοινωνία

H υπέρυθρη ακτινοβολία (Infrared – IR) χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές όπως σε κινη-

τά και σε φορητούς υπολογιστές. Αν και οι IR επικοινωνίες προσφέρουν τα ίδια πλεονεκτή-

ματα όσων αφορά το διαθέσιμο εύρος ζώνης, μένει πίσω σε σχέση με τα VLC σε άλλα πράγ-

ματα [3].

Περιορισμένοι Ρυθμοί Δεδομένων: Όσων αφορά τις IR επικοινωνίες, οι ρυθμοί δεδομένων

δεν μπορούν να αυξηθούν πάνω από έναν προκαθορισμένο βαθμό καθώς αποτελεί σημαντικό

κίνδυνο για τα ανθρώπινα μάτια. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην υψηλή πυκνότητα ενέργειας

που δημιουργείται από την IrDA λόγω της μη ορατότητας της ακτινοβολίας [3].

Ασφάλεια ματιών: Το πρόβλημα της ασφάλειας των ματιών μπορεί να λυθεί με τη χρήση

VLC. Η επικοινωνία ορατού φωτός είναι καταλληλότερη για τα ανθρώπινα μάτια σε σχέση

με την υπέρυθρη λόγω ορατότητας (ο κίνδυνος μπορεί να γίνει αντιληπτός). Το σύστημα χρη-

σιμοποιεί LED τα οποία μπορούν να μεταδώσουν μερικά Watt. Η οποία είναι μια μεγάλη ισχύ

33

για χρήση φωτισμού. Αυτό σημαίνει ότι το VLC σύστημα είναι ικανό να μεταδώσει δεδομένα

σε υψηλότερους ρυθμούς σε σχέση με τα IR συστήματα [3].

1.5.3 Μειονεκτήματα των συστημάτων VLC

Μικρή εμβέλεια: Η τεχνολογία αυτή συνήθως λειτουργεί σε μικρές σχετικά αποστάσεις πο-

μπού δέκτη. Για να αυξηθεί η απόσταση διαβίβασης, η ισχύς της πηγής πρέπει να αυξηθεί.

Για να αυξηθεί η εμβέλεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί επικοινωνία αισθητήρα εικόνας (Ιmage

Sensor Communication), σε συνδυασμό με φακούς τηλεσκοπίου για να γίνει αντιληπτή η εμ-

βέλεια μεγάλων αποστάσεων. Δυστυχώς αυτές οι βελτιώσεις εμβέλειας οδηγούν σε υπολογί-

σιμη αύξηση του κόστους [3].

Ευαισθησία στις παρεμβολές: Τα συστήματα VLC είναι ευαίσθητα στις παρεμβολές από

άλλες πηγές φωτός [3].

34

Κεφάλαιο 2

Βασικές Αρχές Λειτουργίας

2.1 Ασύρματη Οπτική Ζεύξη

Μία ζεύξη VLC αποτελείται από έναν πομπό, το κανάλι διάδοσης και ένα δέκτη.

Ο πομπός/πηγή μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε ένα οπτικό σήμα ενώ ο δέκτης, και ανι-

χνευτής, μετατρέπει την οπτική ενέργεια σε ηλεκτρικό ρεύμα.

Οι επικοινωνίες ορατού φάσματος έχουν υιοθετήσει την κατηγοριοποίηση των επικοινωνιών

υπερύθρων όσον αφορά των σχεδιασμό των ζεύξεων. Οι διαφορές τους οφείλονται στο δια-

φορετικό μήκος κύματος λειτουργίας, επομένως και στις διατάξεις που εξαρτώνται από αυτό,

όπως πηγές - δέκτες, αλλά και στο γεγονός ότι οι επικοινωνίες ορατού φάσματος εξυπηρετούν

και την ανάγκη φωτισμού. Οι υπόλοιπες φυσικές αρχές που σχετίζονται με την διάδοση και

τις ανακλάσεις ισχύουν ομοίως και στα δύο είδη επικοινωνιών [8].

Έτσι, οι ζεύξεις κατατάσσονται με βάση δύο κριτήρια. Το πρώτο είναι ο βαθμός κατευθυντι-

κότητας του πομπού και του δέκτη. Οι κατευθυνόμενες ζεύξεις εφαρμόζουν ευθεία εκπομπή

και λήψη, απαιτώντας στόχευση ώστε να εγκαθιδρυθεί η σύνδεση. Αντίθετα, οι μη κατευθυ-

νόμενες ζεύξεις βασίζονται σε πομπούς και δέκτες ευρείας γωνίας καταργώντας την ανάγκη

στόχευσης [8].

Το δεύτερο κριτήριο διαχωρισμού των ζεύξεων σχετίζεται με την ύπαρξη εμποδίων ανάμεσα

σε πομπό και δέκτη. Αν δεν υπάρχουν εμπόδια τότε έχουμε ζεύξη οπτικής επαφής ενώ στην

αντίθετη περίπτωση έχουμε ζεύξη μη οπτικής επαφής [8].

35

Στις ασύρματες επικοινωνίες ορατού φάσματος εσωτερικού χώρου η ζεύξη είναι συνήθως μη

κατευθυντική καθώς πρέπει να εξυπηρετείται και η ανάγκη φωτισμού, ωστόσο θεωρείται ότι

η σύνδεση πομπού-δέκτη βασίζεται σε κανάλια οπτικής (LOS) και μη (Non-LOS) επαφής. Τα

δεύτερα ονομάζονται και κανάλια διάχυσης (Diffuse) και περιγράφουν τις ανακλάσεις στις

οποίες υπόκειται το σήμα [8].

Η εικόνα 11 δείχνει έναν αριθμό από διαφορετικές περιπτώσεις ασύρματης οπτικής σύνδεσης.

Υπάρχουν δύο βασικές περιπτώσεις. Τα κανάλια επικοινωνίας χρησιμοποιούν είτε διάχυτες

διαδρομές (Diffuse) (εικόνα 11-α) ή απευθείας (Line Of Sight - LOS) διαδρομές (εικόνα 11-

β) μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Σε ένα διάχυτο σύστημα μια μη κατευθυνόμενη πηγή

36

Εικόνα 11: Ασύρματες οπτικές συνδέσεις.

(α)Διάχυτο σύστημα. (β) Απευθείας σύστημα ευρείας δέσμης. (γ) Απευθείας σύστημα στε-νής δέσμης με εντοπισμό. (δ) Απευθείας σύστημα πολλαπλής στενής δέσμης για την καλύ-

τερη κάλυψη. (ε) Ήμι-διάχυτο σύστημα. [5]

(συνήθως Lambertian) φωτίζει το χώρο κάλυψης, τόσο όσο θα πρέπει να φωτίζεται με τεχνη-

τό φωτισμό. Η υψηλή ανακλαστικότητα των συνηθισμένων οικοδομικών επιφανειών δια-

σκορπίζει το φως έτσι ώστε στη συνέχεια να δημιουργήσει έναν οπτικό "αιθέρα". Ένας

δέκτης εντός του χώρου κάλυψης μπορεί να ανιχνεύσει αυτή την ακτινοβολία, η οποία είναι

διαμορφωμένη έτσι ώστε να παρέχει μετάδοση δεδομένων. Τα διάχυτα συστήματα είναι αν-

θεκτικά στο μπλοκάρισμα και δεν απαιτούν είναι ευθυγραμμισμένοι ο πομπός και ο δέκτης,

μιας και υπάρχουν πολλά μονοπάτια από τον πομπό στον δέκτη. Ωστόσο, η παρεμβολή από

πολλά μονοπάτια στο δέκτη μπορεί να προκαλέσει διασυμβολική παρεμβολή (Intersymbol

Interference - ISI) και η απώλεια διαδρομής για τα περισσότερα συστήματα είναι υψηλή. Η

εναλλακτική προσέγγιση είναι να χρησιμοποιηθεί κατευθυνόμενη απευθείας διαδρομή μεταξύ

πομπού και δέκτη. Ευρεία LOS συστήματα, όπως φαίνονται στην εικόνα 11-β χρησιμοποιούν

πομπούς τοποθετημένους στο ταβάνι που φωτίζουν την περιοχή κάλυψης, αλλά ελαχιστο-

ποιούν την αντανάκλαση από τους τοίχους, εξασφαλίζοντας την ύπαρξη ενός δυνατού LOS

καναλιού. Η ευρεία δέσμη εξασφαλίζει την κάλυψη. Καθώς στενεύει η δέσμη η απώλεια δια-

δρομής μειώνεται και ο επιτρεπόμενος ρυθμός μετάδοσης bit, αυξάνεται σε βάρος του κόστος

της κάλυψης. Τα συστήματα στενής δέσμης ωστόσο είτε απαιτούν εντοπισμό για να επιτραπεί

η κινητικότητα του χρήστη (εικόνα 11-γ), ή κάποιο είδος της κυτταρικής αρχιτεκτονικής για

να επιτρέπει πολλαπλές στενές δέσμες να χρησιμοποιηθούν (εικόνα 11-δ). Υπάρχει επίσης

μια τρίτη κατηγορία συστημάτων. Τα ήμι-διάχυτα (Quasi diffuse) συστήματα ελαχιστοποιούν

τον αριθμό των πολλών διαδρομών περιορίζοντας έτσι τις ανακλάσεις από τις επιφάνειες,

αλλά επιτρέπουν την ισχυρή κάλυψη της απευθείας ακτινοβολίας μιας σειράς από επι-

φάνειες, έτσι ώστε ένας κατάλληλος δέκτης μπορεί να επιλέξει μία διαδρομή από τη μία επι-

φάνεια μόνον (εικόνα 11-ε). Παραλλαγές αυτού χρησιμοποιούν δομημένο φωτισμό (ίσως

χρησιμοποιώντας γραμμές πομπών). Υπάρχει ένα μεγάλο ποσό της προσομοίωσης και πιο πε-

ριορισμένο ποσό των δεδομένων μέτρησης που περιγράφει αυτά τα κανάλια με λεπτομέρεια.

37

Σε αντίθεση με την προσομοίωση ραδιοσυχνοτήτων της κάλυψης σε εσωτερικούς χώρους,

δίνει γενικά μια καλή εκτίμηση των χαρακτηριστικών του διαύλου [5].

2.2 Το ασύρματο οπτικό κανάλι

Τα LOS οπτικά κανάλια υπόκεινται σε απώλεια διαδρομής, και αυτό μπορεί να μοντελοποιη-

θεί χρησιμοποιώντας είτε ανίχνευση ακτινών ή αναλυτικές τεχνικές. Το διάχυτο κανάλι έχει

τόσο υψηλή απώλεια διαδρομής (> 40dB συνήθως) και υπόκειται σε διασπορά πολλαπλών

διαδρομών (multipath dispersion). Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά εξαρτώνται από τον προ-

σανατολισμό της πηγής και του δέκτη μέσα στο χώρο. Υπήρξε εκτεταμένη εργασία στην

πρόβλεψη των χαρακτηριστικών του διάχυτου καναλιού, συμπεριλαμβανομένων και των απο-

τελεσμάτων παλμού καναλιού από αναλυτικά μοντέλα [5].

Σε εσωτερικούς χώρους, το λαμβανόμενο οπτικό σήμα υφίσταται διασπορά χρόνου λόγω

ανακλάσεων από τους τοίχους και άλλα αντικείμενα. Μολονότι οι φασματικές ανακλάσεις

μπορεί να προκύψουν από έναν καθρέφτη ή άλλο γυαλιστερό αντικείμενο, οι περισσότερες

αντανακλάσεις είναι συνήθως διάχυτες στη φύση. Υποθέτουμε ότι τα εσωτερικά υλικά ή τα

σώματα είναι αμιγώς διαχυτικά [19]. Τα περισσότερα δομικά υλικά βρέθηκαν να έχουν υψη-

λή ανακλαστικότητα (0,4 έως 0,9) και μπορούν να μοντελοποιηθούν περίπου σαν Lambertian

ανακλαστήρες. Τεχνικές ανίχνευσης ακτινών (ray-tracing) επιτρέπουν επομένως γενικά καλές

προβλέψεις για την απoκρισιμότητα του διαύλου, ακόμα και με την παρουσία καρεκλών και

άλλων αντικειμένων. Ανάλογα με την ισορροπία των LOS και διάχυτων διαδρομών μέσα στα

κανάλια, ο χώρος μπορεί να μοντελοποιηθεί ως Rician-Rayleigh ή, με εκθετικές παλμικές

αποκρίσεις. Πρόσφατα δεδομένα υψηλής ανάλυσης δείχνουν ότι διάχυτα κανάλια με διάφανο

«απεριόριστο» εύρος ζώνης είναι διαθέσιμα σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις για τα περισ-

σότερα διάχυτα περιβάλλοντα [5].

38

2.3 Πομπός

Σαν πηγές στο VLC σύστημα χρησιμοποιούνται λευκές LED, οι οποίες αποτελούνται από

κόκκινες, πράσινες και μπλε LED, που συνδυάζονται μεταξύ τους για τη δημιουργία του επι-

θυμητού χρώματος. Άλλος τρόπος είναι η χρησιμοποίηση μίας μόνο LED (συνήθως μπλε), η

οποία διεγείρει ένα κίτρινο φωσφορίζον υλικό για να προκαλέσει συνολικά λευκή εκπομπή.

Με την τριπλή εκπομπή, δίδεται η δυνατότητα της αλλαγής του χρώματος, αλλάζοντας τα

χρώμα στις LED, και επίσης δίδεται η δυνατότητα αποστολής διαφορετικών δεδομένων σε

κάθε συσκευή. Παρόλα αυτά, η διατήρηση της ισορροπίας των χρωμάτων μπορεί να είναι δύ-

39

Εικόνα 12: Η φασματική κατανομή ισχύος

(συνεχής γραμμή, που αντιστοιχεί στον αριστερό άξονα) συγκρίνεται με την μετρούμενη φασματικήανακλαστικότητα (που αντιστοιχεί στον δεξιό άξονα) των γύψινων και πλαστικών τοίχων (διακεκομ-μένη γραμμή με τελείες), του πατώματος (διακεκομμένη γραμμή) και της οροφής (γραμμή με τελείες)

[19]

σκολη και οι συσκευές είναι πολύπλοκες. Η προσέγγιση της μιας LED είναι απλούστερη και

είναι πιο ελκυστική για εφαρμογές γενικής χρήσης [6].

2.3.1 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LED)

Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED – Light Emitting Diode), αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποί-

ος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση

κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward-biased) [20]. Η χρήση τους για φωτισμό αναπτύσσε-

ται ραγδαία. Παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1962, σαν ηλεκτρονική συσκευή. Οι πρώτες

LED ακτινοβολούσαν κόκκινο φως χαμηλής έντασης, αλλά οι σύγχρονες LED ακτινοβολούν

στο ορατό, υπεριώδες και στο υπέρυθρο μέρος του φάσματος, με πολύ μεγάλη φωτεινότητα

[7].

Η βασική αρχή των LED είναι μια επαφή p-n η οποία πολώνεται ορθά για να εγχέει ηλε-

κτρόνια και οπές μέσα στις p- και n- πλευρές αντίστοιχα. Το εγχεόμενο φορτίο μειονότητας

επανασυνδέεται με το φορτίο πλειονότητας στην περιοχή απογύμνωσης ή στην ουδέτερη πε-

40

Εικόνα 13: Δομή της Διόδου Εκπομπής Φωτός.

(A) Άνοδος (B) Κάθοδος (1) Φακός/Θήκη (2) Σύρμα Δεσμού (3) Αντανακλαστική Κοιλότητα(4) Μήτρα Ημιαγωγού (5) Άκμονας (6) Ανάρτηση (7) Πλαίσιο Μολύβδου (8) Επίπεδο Σημείο

[20]

ριοχή. Η συχνότητα των εκπεμπόμενων φωτονίων εξαρτάται από τα ημιαγώγιμα υλικά από τα

οποία αποτελείται η διάταξη (Πίνακας 1). Σε ημιαγωγούς αμέσου διάκενου η επανασύνδεση

οδηγεί σε εκπομπή φωτός αφού η ακτινοβόλα επανασύνδεσης κυριαρχεί σε υλικά υψηλής

ποιότητας. Σε υλικά έμμεσου χάσματος, η απόδοση εκπομπής φωτός είναι αρκετά φτωχή και

οι περισσότερες από τις διαδρομές επανασύνδεσης είναι μη ακτινοβόλες με παραγωγή θερ-

μότητας μάλλον παρά φωτός. Η ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτονίων, ισούται κατά προσέγ-

γιση με το ενεργειακό χάσμα Eg = Eφωτονίου = h·v.

41

Εικόνα 14: Ένα παράδειγμα μεταβολής των διαστάσεων του ενεργειακού χάσματος σεσχέση με τον κυματάριθμο

(α) άμεσο ενεργειακό χάσμα (β) έμμεσο ενεργειακό χάσμα.[1]

Πίνακας 1: Ημιαγώγιμα υλικά και το μήκος κύματος του ορατούφάσματος στο οποίο εκπέμπουν [35].

Εικόνα 15: Ένα παράδειγμα διαγράμματος ενεργειακού χάσματος σε ορθά πολωμένηLED.[1]

Η δομή μίας LED πρέπει να είναι τέτοια ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να μπορούν να απο-

μακρύνονται από την διάταξη χωρίς να επαναπορροφώνται από το ημιαγώγιμο υλικό. Αυτό

σημαίνει ότι η p- περιοχή πρέπει να είναι επαρκώς ρηχή, ή διαφορετικά πρέπει να χρησιμο-

ποιήσουμε διατάξεις ετεροδομών [20].

2.3.2 Λευκές Λυχνίες LED (White LEDs)

Όπως και προαναφέρθηκε υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής λευκών LED υψηλής έντασης. Ο

ένας είναι η χρήση και η πρόσμιξη LED τριών χρωμάτων (κόκκινη, πράσινη, μπλε), για την

παραγωγή λευκού φωτός. Ο άλλος είναι η χρήση ενός φωσφορίζοντος υλικού για τη μετατρο-

πή μονοχρωματικού φωτός από μια μπλε ή UV LED, σε λευκή LED με ευρύ φάσμα. Με τον

ίδιο περίπου τρόπο που λειτουργεί μια λάμπα φθορισμού [3].

42

2.3.2.1 Πολυχρωματικές Λευκές LED (RedGreen Blue LEDs)

Μια λευκή LED μπορεί να κατασκευαστεί με τη πρόσμιξη φωτός διαφορετικού χρώματος. Η

πιο ευρέως διαδεδομένη μέθοδος είναι η χρήση κόκκινου, πράσινου και μπλε φωτός (Red

Green Blue - RGB). Έτσι η μέθοδος αυτή ονομάζεται πολυχρωματική λευκή LED (RGB

LED). Επειδή ο μηχανισμός της εμπλέκεται με ήλεκτρο-οπτικές συσκευές για τον έλεγχο της

μίξης και της διάχυσης των διαφορετικών χρωμάτων, αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται λίγο

για παραγωγή λευκού φωτισμού. Παρ' όλα αυτά η είναι ιδιαιτέρως ενδιαφέρουσα σε πολλές

εφαρμογές λόγω της ευκολίας της ανάμειξης των χρωμάτων και διότι ο μηχανισμός αυτός

έχει μεγαλύτερη κβαντική απόδοση στην παραγωγή λευκού φωτός [7].

2.3.2.2 LED φωσφόρου (Phosphor-based LEDs )

Η μέθοδος αυτή περιλαμβάνει μια LED ενός χρώματος (κυρίως μπλε LED από InGaN )με

επένδυση φωσφόρου διαφορετικού χρώματος για την παραγωγή λευκού φωτός. Οι LED αυ-

τές ονομάζονται LED φωσφόρου. Ένα κλάσμα του μπλε φωτός υφίσταται το φαινόμενο

Stokes (μικρή διαφορά στο μήκος κύματος απορρόφησης και εκπομπής), μετατρέποντάς τα

μήκη κύματος από μικρά σε μεγαλύτερα. Ανάλογα με το χρώμα της αρχικής LED, μπορούν

να χρησιμοποιηθούν φωσφορίζοντα υλικά διαφορετικού χρώματος. Αν εφαρμοστούν διαφο-

ρετικές στρώσεις φωσφοριζόντων υλικών διαφορετικών χρωμάτων, το φάσμα εκπομπής με-

γαλώνει, αυξάνοντας αποτελεσματικά το δείκτη διαχωρισμού χρώματος (color rendering

index – CRI) μιας δεδομένης LED.

Οι LED φωσφόρου έχουν μικρότερη απόδοση από τις συνηθισμένες LED λόγω της απώλειας

ενέργειας σε θερμότητα λόγω του φαινομένου Stokes, καθώς και άλλων παραγόντων σχετι-

κών με το φωσφορισμό. Ωστόσο, αυτή είναι ακόμα η πιο δημοφιλής τεχνική για την κατα-

σκευή λευκής LED υψηλής έντασης. Ο σχεδιασμός και η παραγωγή μιας πηγής φωτός με

43

χρήση μονοχρωματικού εκπομπού με μετατροπή φωσφόρου είναι απλούστερη και οικονομι-

κότερη από το σύστημα της πολύπλοκης πολυχρωματικής λευκής LED (RGB WLED). Και η

πλειοψηφία των λευκών LED υψηλής έντασης που βρίσκονται στη αγορά αυτή τη στιγμή

χρησιμοποιούν μετατροπή χρώματος με φωσφόρο [3].

44

Εικόνα 16: Λευκές LED.

(Αριστερά: Μονοχρωματική LED Φωσφόρου / Δεξιά: Πολυχρωματική LED)[13]

Εικόνα 17: Φάσμα εκπομπής λευκών LED. (Αριστερά: Μονοχρωματική LED Φωσφόρου / Δεξιά: Πο-λυχρωματική LED)[13]

2.3.3 Πλεονεκτήματα των LEDs

Παρακάτω παρουσιάζεται μια σύνοψη με τα πλεονεκτήματα των διόδων LED.

Απόδοση: Οι LED παράγουν περισσότερο φως ανά watt συγκριτικά με της λάμπες πυράκτω-

σης.

Χρώμα: Οι LED εκπέμπουν φως συγκεκριμένου χρώματος χωρίς την χρήση φίλτρων που

απαιτούν οι παραδοσιακοί μέθοδοι φωτισμού. Είναι πιο αποδοτικά και χαμηλώνουν το αρχικό

κόστος.

Μέγεθος: Οι LED είναι πολύ μικρές σε μέγεθος (μικρότερες από 2mm) και μπορούν να το-

ποθετηθούν σε πινάκες αποτύπωσης.

Χρόνος ON/OFF: Οι LED έχουν γρήγορη απόκριση. Μια τυπική κόκκινη LED μπορεί να έρ-

θει σε κατάσταση πλήρους φωτεινότητας σε χρόνο microsecond. Οι LED που χρησιμοποιού-

νται ως συσκευές επικοινωνίας έχουν ακόμα μικρότερους χρόνους απόκρισης.

Ψυχρό φως: Σε αντίθεση με τις κοινές πήγες φωτός, οι LED εκπέμπουν πολύ λίγη θερμότητα

σε μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας που μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε ευαίσθητα αντικείμε-

να ή κατασκευές. Η ενέργεια που χάνεται διαχέεται ως θερμότητα μέσω της βάσης της LED.

Χρόνος ζωής: Οι LED έχουν μεγάλους χρόνους ζωής. Οι ώρες λειτουργίας τους κυμαίνονται

από 35000 έως 50000 ώρες, αριθμός τεράστιος συγκριτικά με αυτόν των λαμπτήρων πυ-

ράκτωσης που κυμαίνεται από 1000 έως 2000 ώρες και των λαμπτήρων φθορισμού που κυ-

μαίνεται από 10000 έως 15000 ώρες.

45

Αντίσταση σε κραδασμούς: Οι LED, όντας στοιχεία στερεάς κατάστασης, είναι δύσκολο να

υποστούν ζημιά από κραδασμούς όπως συμβαίνει με τις λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού.

Εστίαση: Οι LED μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να εστιάζουν το φως σε ένα συγκεκριμένο

σημείο ή περιοχή. Οι λάμπες πυράκτωσης και φθορισμού απαιτούν ένα εξωτερικό ανακλα-

στήρα για να συλλέγει το φως και να το κατευθύνει με ένα χρήσιμο τρόπο.

46

Πίνακας 2: Χρώματα και υλικά. Εδώ παρουσιάζονται τo χρώμα, η πτώση τάσης, το μήκος κύματοςκαι το υλικό κατασκευής για τους διάφορους τύπους LED.[20]

Τοξικότητα: Οι LED δεν περιέχουν υδράργυρο όπως οι λάμπες φθορισμού.

2.3.4 Μειονεκτήματα των LEDs

Υψηλό αρχικό κόστος: Οι LED σήμερα είναι ακριβότερα στην αγορά τους απ’ ότι οι κοινές

τεχνολογίες φωτισμού. Όμως αυτό το κόστος αντισταθμίζεται με την χαμηλή κατανάλωση

ενέργειας που έχουν.

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία: Η λειτουργιά των LED έχει ισχυρή εξάρτηση από της θερ-

μοκρασιακές συνθήκες που επικρατούν στον χώρο που τα περιβάλει. Σε περιβάλλον υψηλών

θερμοκρασιών, οι LED μπορούν να υπερθερμανθούν και να υποστούν ζημιά. Αυτός ο πα-

ράγοντας είναι πολύ σημαντικός αν σκεφτούμε ότι αυτοκινητιστικές, στρατιωτικές και ιατρι-

κές εφαρμογές απαιτούν η συσκευή να λειτουργεί σε ένα επαρκώς μεγάλο εύρος θερμοκρα-

σιών και να είναι ανθεκτική στις βλάβες.

Ευαισθησία στην Τάση: Οι LED είναι αρκετά ευαίσθητες στη τάση και κατ’ επέκταση στο

ρεύμα που τις τροφοδοτεί. Έτσι πολλές φορές χρησιμοποιούνται σειρές αντιστάσεων ή πηγές

ελέγχου του ρεύματος.

Ποιότητα φωτός: Οι περισσότερες ψυχρές λευκές LED έχουν φάσμα που διαφέρει σημαντι-

κά από αυτό ενός ακτινοβολέα μελανού σώματος όπως ο ήλιος ή ο λαμπτήρας πυρακτώσεως.

Αυτό σημαίνει ότι το χρώμα κάποιων αντικειμένων μπορεί να φαίνεται διαφορετικό κάτω από

μια LED ψυχρού λευκού φωτός από ότι αν βρίσκονταν κάτω από το φως του ήλιου ή κάτω

από μια λάμπα πυρακτώσεως.

47

Μόλυνση από το μπλε: Επειδή οι μπλε LED και αυτές του ψυχρού λευκού φωτός είναι

πλέον ικανές να εκπέμπουν περισσότερο μπλε φως απ’ ότι οι κοινές πηγές φωτός, όπως οι

λάμπες νατρίου υψηλής πίεσης, η ισχυρή εξάρτηση τους από το μήκος κύματος της σκέδασης

Rayleigh σημαίνει ότι οι LED μπορούν να προκαλέσουν περισσότερη φωτορύπανση απ’ ότι

οι άλλες πηγές φωτός.

2.4 Δέκτης

Οι οπτικοί ασύρματοι δέκτες συνήθως αποτελούνται από οπτικούς συλλέκτες και ένα οπτικό

φίλτρο, πού συλλέγουν το φως της σωστής περιοχής μήκους κύματος και το «επικεντρώνουν»

πάνω σε έναν φωτοανιχνευτή. Το προκύπτον φωτορεύμα ενισχύεται, συνήθως χρησιμο-

ποιώντας ένα προ-ενισχυτή διαντίστασης (transimpedance pre-amplifier).

2.4.1 Φωτοανιχνευτές/Φωτοδίοδοι

Οι φωτοανιχνευτές είναι συσκευές στερεάς κατάστασης που η λειτουργία τους είναι ακριβώς

η αντίστροφη από αυτή των συσκευών εκπομπής ακτινοβολίας. Δηλαδή μετατρέπουν την

προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ηλεκτρικό ρεύμα. Οι φωτοανιχνευτές είναι ουσιαστικά

ανάστροφα πολωμένες δίοδοι στις οποίες προσπίπτει η ακτινοβολούμενη οπτική ενέργεια. Τα

προσπίπτοντα φωτόνια, αν έχουν αρκετή ενέργεια, δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών.

Η ταχύτητα διάχυσης αυτών των φερόντων στις επαφές τις συσκευής αποτελεί το ανιχνευόμε-

νο φωτορεύμα [1]. Σχετικά οικονομικές φωτοδίοδοι μπορούν να κατασκευαστούν από πυρίτιο

(Si) και γερμάνιο (Ge) αλλά περισσότερο διαδεδομένες είναι κυρίως οι φωτοδίοδοι InGaAs

που χαρακτηρίζονται και από μικρά ποσοστά θορύβου.

48

H βασική λειτουργία μιας φωτοδιόδου μπορεί να μοντελοποιηθεί σύμφωνα με την παρακάτω

έκφραση [1]:

pi

p Pfh

nq=Ι

(1)

όπου Ip είναι το μέσο φωτορεύμα που δημιουργείται, ni είναι η εσωτερική κβαντική απόδοση

της συσκευής, Pp είναι η προσπίπτουσα οπτική ισχύς, και hf είναι η ενέργεια του φωτονίου. Η

εσωτερική κβαντική απόδοση της συσκευής ni είναι η πιθανότητα δημιουργίας ενός ζεύγους

ηλεκτρονίου-οπής από ένα εισερχόμενο φωτόνιο. Τυπικές τιμές του ni κυμαίνονται από 0.7 –

0.9. Η τιμή του είναι πάντα μικρότερη από 1 λόγω απωλειών ρεύματος της συσκευής, απορ-

ροφήσεις του φωτός από γειτονικές περιοχές και άλλα φαινόμενα. Από την παραπάνω εξίσω-

ση προκύπτει η απoκρισιμότητα (responsivity) της φωτοδιόδου [1]:

fh

nq=

P

I=R i

p

pp

(2)

Οι μονάδες της απoκρισιμότητας Rp είναι Ampere/Watt και είναι ουσιαστικά ο παράγοντας

της οπτοηλεκτρονικής μετατροπής απ' το οπτικό κύμα σε ηλεκτρικό σήμα. Η απoκρισιμότητα

είναι ο παράγοντας κλειδί των μοντέλων φωτοδιόδων, και επιλέγεται στην κεντρική οπτική

συχνότητα της λειτουργίας τους.

Οι πιο δημοφιλείς φωτοδίοδοι που χρησιμοποιούνται είναι οι φωτοδίοδοι p-i-n, και οι

φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας (avalanche) [1].

2.4.2 Φωτοδίοδοι p-i-n

Όπως υπονοεί και το όνομά τους, οι φωτοδίοδοι p-i-n κατασκευάζονται τοποθετώντας ένα

σχετικά μεγάλο κομμάτι ημιαγώγιμου υλικού εσωτερικά, ανάμεσα στις p+ και n+ ντοπαρι-

σμένες περιοχές όπως φαίνεται και στην εικόνα 18. Όταν η δομή πολωθεί ανάστροφα, το ηλε-

49

κτρικό πεδίο επεκτείνεται μέσα στο μεγαλύτερο μέρος της εσωτερικής περιοχής. Τα προσπί-

πτοντα φωτόνια αρχικά φτάνουν στην αντί-ανακλαστική επίστρωση η οποία βελτιώνει την

ενέργεια των ζευγών από το περιβάλλον στη συσκευή. Τα φωτόνια στη συνέχεια συνεχίζουν

την κίνηση τους στη p+ περιοχή της διόδου. Το πάχος της περιοχής p+ έχει κατασκευαστεί

πολύ λεπτότερο από το βάθος απορρόφησης του υλικού, έτσι ώστε η πλειοψηφία των εισερ-

χομένων φωτονίων να φτάνουν στη εσωτερική περιοχή. Λόγω της μεγάλης τιμής του ηλε-

κτρικού πεδίου (Ε) στην περιοχή αυτή, αυτά τα φέροντα αναγκάζονται να ληφθούν στην πε-

ριοχή της ένωσης με μια ταχύτητα κορεσμού της τάξης των 107 cm/s . Αυτή η δημιουργία

όπως και η μεταφορά των φερόντων μέσα από τη συσκευή είναι η αρχή του φωτορεύματος

[1].

Αν και ο χρόνος μετάβασης είναι σημαντικός παράγοντας που περιορίζει τη συχνότητα

απόκρισης της φωτοδιόδου σε εφαρμογές οπτικών ινών, ο μεγαλύτερος περιοριστικός πα-

ράγοντας σε ασύρματες εφαρμογές είναι η χωρητικότητα της ένωσης της συσκευής.

Σε ασύρματες εφαρμογές οι συσκευές πρέπει να κατασκευάζονται με σχετικά μεγάλες ενερ-

γές επιφάνειες για να είναι σε θέση να συγκεντρώνουν όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακτινοβο-

50

Εικόνα 18: Δομή μιας απλής p-i-n φωτοδιόδου σιλικόνης. [1]

λούμενη ισχύ. Έτσι η χωρητικότητα της συσκευής μπορεί να γίνει σχετικά μεγάλη. Επιπλέον,

η χωρητικότητα της ένωσης αυξάνεται διότι οι κινητές συσκευές με παροχή ενέργειας από

μπαταρία, είναι διαθέσιμες για χαμηλές τάσεις ανάστροφης πόλωσης. Τυπικές τιμές για τη

χωρητικότητα της ένωσης σε ανάστροφη πόλωση στα 3.3 V κυμαίνονται από 2pF για τις

ακριβές εφαρμογές που χρησιμοποιούνται σε κάποιες εφαρμογές οπτικών ινών, μέχρι 20pF

για πολύ μικρές ταχύτητες και χαμηλό κόστος συσκευών. Είναι απαραίτητος ο προσεκτικός

σχεδιασμός της δομής του δέκτη για να μη μειωθεί υπερβολικά το εύρος ζώνης του συστήμα-

τος ή αυξηθεί ο θόρυβος [1].

Η σχέση ανάμεσα στο παραγόμενο φωτορεύμα και την προσπίπτουσα οπτική ισχύ για φωτο-

διόδους p-i-n είναι γραμμική για επίπεδο προσπίπτουσας ισχύος 60–80. Φαινόμενα δεύτερης

τάξης συμβαίνουν όταν η συσκευή λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες ως αποτέλεσμα διαφο-

ρών στα φέροντα (ηλεκτρόνια- οπές) μέσα από την περιοχή ισχυρού πεδίου. Τα φαινόμενα

αυτά κυριαρχούν σε συχνότητες μεγαλύτερες από 5 GHz και δεν περιορίζουν τη γραμμικότη-

τα των ζεύξεων σε μικρότερες συχνότητες λειτουργίας. Αφού η συχνότητα λειτουργίας περιο-

ρίζεται από τη χωρητικότητα της ένωσης, οι μη γραμμικότητες λόγω της μεταφοράς φορτίων

στη συσκευή, δεν είναι γενικά σημαντικές. Η φωτοδίοδος p-i-n συμπεριφέρεται με έναν σχε-

δόν γραμμικό τρόπο σε ένα μεγάλο εύρος της προσπίπτουσας οπτικής έντασης [1].

2.4.3 Φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας (Avalanche Photo diodes - APD)

Ο βασικός τρόπος κατασκευής μιας φωτοδιόδου χιονοστιβάδας (APD) μοιάζει πολύ με αυτή

της φωτοδιόδου p-i-n. Η διαφορά είναι ότι για κάθε φωτόνιο που απορροφάται από το εσωτε-

ρικό στρώμα, μπορεί να παραχθούν περισσότερα από ένα ζεύγη ηλεκτρονίου-οπής. Έτσι οι

APD έχουν ενίσχυση φωτορεύματος μεγαλύτερη απ' τη μονάδα, ενώ οι αντίστοιχες p-i-n

έχουν ενίσχυση ίση με μονάδα.

51

Η διαδικασία με την οποία γίνεται η ενίσχυση αυτή, ονομάζεται “πολλαπλασιασμός χιονο-

στιβάδας” (avalanche multiplication) των παραγόμενων φερόντων. Έτσι εγκαθίσταται ένα

υψηλό ηλεκτρικό πεδίο στη περιοχή απογύμνωσης. Αυτό το πεδίο επιταχύνει τα φέροντα που

παρήχθησαν, με αποτέλεσμα οι συγκρούσεις με το πλέγμα να δημιουργούν περισσότερα

φέροντα. Τα φέροντα που δημιουργήθηκαν δευτερογενώς, επίσης επιταχύνονται απ' το πεδίο

επαναλαμβάνοντας την ίδια διαδικασία. Η ενίσχυση του φωτορεύματος που μπορεί να επιτευ-

χθεί με αυτόν τον τρόπο είναι της τάξης του 102 με 104 . Στα δίκτυα οπτικών ινών, η ενίσχυση

που προκαλούν οι APD, βελτιώνουν την ευαισθησία του δέκτη δίδοντας τη δυνατότητα οι

επαναλήπτες να τοποθετούνται σε μεγαλύτερες αποστάσεις στο δίκτυο [1].

Το μειονέκτημα των APD είναι ότι η διαδικασία της χιονοστιβάδας δημιουργεί υπερβολικό

θόρυβο βολής (shot noise), λόγω του ρεύματος που ρέει στη συσκευή. Αυτός ο υπερβολικός

θόρυβος μπορεί να υποβιβάσει τη λειτουργία κάποιων ζεύξεων ελευθέρου χώρου, αφού η

πλειοψηφία του θορύβου που υπάρχει στο σύστημα, οφείλεται στην υψηλή ένταση του περι-

βάλλοντος φωτός.

Η ενίσχυση της διαδικασίας της χιονοστιβάδας είναι μια μη γραμμική συνάρτηση της

ανάστροφης πόλωσης και θερμοκρασίας. Η αρχική χρήση αυτών των συσκευών ήταν σε ψη-

φιακά συστήματα λόγω της μικρής τους γραμμικότητας. Για την σταθερότητα λειτουργίας

αυτών των συσκευών είναι απαραίτητη η εγκατάσταση επιπλέον κυκλώματος, το οποίο μπο-

ρεί να υποβαθμίσει όμως την αξιοπιστία του συστήματος [1].

52

2.4.4 Σύγκριση φωτοδιόδων PIN και APD

Οι APD παρέχουν ενίσχυση στο παραγόμενο φωτορεύμα, ενώ οι δίοδοι p-i-n παράγουν στην

καλύτερη περίπτωση ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής ανά φωτόνιο. Σε καμία περίπτωση δεν

μπορούμε να πούμε ότι η ενίσχυση αυτή βελτιώνει το λόγο σήματος προς θόρυβο (SNR).

Αντιθέτως στις περιπτώσεις ζεύξεων ελευθέρου χώρου (Free Space Optics –FSO), με παρου-

σία περιβάλλοντος φωτός, οι APD μπορούν να μειώσουν το SNR [1].

Λόγω της μη γραμμικής εξάρτησης της ενίσχυσης χιονοστιβάδας από την παροχή τάσης και

θερμοκρασίας, οι APD παρουσιάζουν μη γραμμικές ιδιότητες κατά τη λειτουργία τους. Η

ανάγκη για επιπλέον κύκλωμα για την βελτίωση της μη γραμμικότητας, αυξάνει το κόστος

και υποβιβάζει τη αξιοπιστία του συστήματος. Το επιπλέον κύκλωμα είναι επίσης απαραίτητο

να παραχθούν οι αντίστοιχα υψηλές ανάστροφες τάσεις με το ισχυρό πεδίο της APD. Τυπικές

τάσεις τροφοδοσίας μιας APD κυμαίνονται από 30V για InGaAs APD μέχρι 300V για APD

πυριτίου. Αφού οι συσκευές αυτές σχεδιάζονται για να εγκατασταθούν σε κινητές συσκευές

με περιορισμένες παροχές τάσης, οι APD δεν είναι κατάλληλες για τις εφαρμογές αυτές [1].

53

Εικόνα 19: Διάγραμμα ενός front-end φωτοανιχνευτή μαζί μετις διαταραχές του καναλιού.[1]

Υπάρχει μεγάλος αριθμός διαθέσιμων p-i-n διόδων με σχετικά μικρό κόστος και σε μια ποικι-

λία μηκών κύματος. Οι p-i-n έχουν σχεδόν γραμμικά οπτoηλεκτρονικά χαρακτηριστικά. Αντί-

θετα με τις APD, οι φωτοδίοδοι p-i-n μπορούν να πολωθούν ανάστροφα με χαμηλότερες τι-

μές τάσης, με το κόστος της αύξησης της χωρητικότητας της επαφής. Η εικόνα 19 δείχνει ένα

τυπικό μοντέλο κυκλώματος, που χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει τη front-end χωρη-

τικότητα της φωτοδιόδου.

Ο πίνακας 3 δείχνει τις αποκρισιμότητες και την ενίσχυση των p-i-n και των APD συσκευών

που κατασκευάζονται από μια ποικιλία υλικών. Σε αντίθεση με τις APD δομές, οι δίοδοι p-i-n

έχουν μικρότερες τιμές απoκρισιμότητας, και ενίσχυση ίση με την μονάδα [1].

2.5 Χαρακτηριστικά της VLC ζεύξης.

2.5.1 Βασικές Ιδιότητες των LED

Τα φώτα LED έχουν δύο βασικές ιδιότητες, την ένταση της ακτινοβολίας και την μεταδιδόμε-

νη οπτική ισχύ.

54

Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά των φωτοδιόδων p-i-n και APD διαφόρων υλικών.[1]

Η ένταση της ακτινοβολίας είναι η ποσότητα που δείχνει την ροή ενέργειας ανά στερεά γωνία

και έχει σχέση με την φωτεινότητα μιας φωτιζόμενης επιφάνειας. Η ένταση της ακτινοβολίας

χρησιμοποιείται για να εκφράσει την λαμπρότητα ενός LED.

Η μεταδιδόμενη οπτική ισχύς εκφράζει την ολική ενέργεια που ακτινοβολείται από μία LED,

και είναι μία παράμετρος από την οπτική γωνία της οπτικής ακτινοβολίας. Η ένταση της ακτι-

νοβολίας δίνεται από [10]:

I=dΦdT (3)

όπου το Ω είναι η χωρική γωνία και Φ η φωτεινή ροή που μπορεί να δοθεί από την ροή ενέρ-

γειας Φe ως [10]:

Φ=Κm∫V ( λ)Φe ( λ )dλ (4)

όπου V(λ) είναι η καμπύλη σταθερής ακτινοβολίας, Κm είναι η μέγιστη ορατότητα, η οποία

είναι περίπου 683 lm/W για λ=555nm.

Το ολοκλήρωμα της ενεργειακής ροής Φe σε όλες τις κατευθύνσεις είναι η μεταδιδόμενη

οπτική ισχύς Pt, που ορίζεται ως [10]:

Pt= ∫

Λmin

Λmax

∫0

2 π

Φedθdλ(5)

όπου Λmin και Λmax βρίσκονται από την καμπύλη ευαισθησίας της φωτοδιόδου.

2.5.1.1 Φωτεινότητα των LED

Η φωτεινότητα εκφράζει τη λαμπρότητα μίας φωτιζόμενης επιφάνειας. Η φωτεινή ένταση σε

γωνία φ δίνεται από [10]:

I (φ )=Ι (0) cosm (φ ) (6)

55

Η οριζόντια φωτεινότητα σε ένα σημείο (χ,y) δίνεται από [10]:

ψD

φI=E

d

m

hor cos

cos02

(7)

όπου Ι(0) είναι η κεντρική ένταση ακτινοβολίας ενός LED, φ είναι η γωνία που ακτινοβολεί,

και D είναι η απόσταση μεταξύ ενός LED και της επιφάνειας του ανιχνευτή. Εδώ θα θεωρού-

με ότι ένα LED έχει Lambertian κατανομή ακτινοβολίας. Έτσι η ένταση της ακτινοβολίας

εξαρτάται από την γωνία ακτινοβόλησης φ. m είναι η τάξη της Lambertian εκπομπής και δίνε-

ται από την γωνία ήμι-ισχύος ενός LED Φ1/2 ως [10]:

m=ln 2

ln cosΦ1/2

(8)

Για παράδειγμα Φ1/2=60 αντιστοιχεί σε m=1.

H μελέτη της φωτεινότητας μίας LED είναι απαραίτητη. Γενικά, η φωτεινότητα προτυπο-

ποιείται από τον Διεθνή Οργανισμό Προτυποποίησης (ISO). Με αυτά τα πρότυπα, η φωτει-

νότητα που είναι απαραίτητη για γραφεία είναι 300 – 1500 lx [10].

2.5.1.2 Εισερχόμενη Ισχύς από Απευθείας Φως

Σε μία οπτική ζεύξη, το DC κανάλι δίνεται από [15]:

e

esm

d

Ψ>ψ

Ψψ,ψψgψΤφπD

Am+

=ψΗ

0,

0coscos2

12

(9)

όπου το Α είναι το εμβαδόν της επιφάνειας του ανιχνευτή μιας φωτοδιόδου, D είναι η

απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη, ψ είναι η γωνία πρόσπτωσης, φ η γωνία ακτι-

νοβόλησης, Τs(ψ) είναι η ενίσχυση ενός οπτικού φίλτρου και g(ψ) είναι η ενίσχυση ενός οπτι-

κού συγκεντρωτή. Το Ψc υποδεικνύει το εύρος του οπτικού πεδίου στον δέκτη.

Ο οπτικός συγκεντρωτής g(ψ) μπορεί να βρεθεί από [15] :

56

c

c

c

Ψ

Ψψ,Ψ

n

=ψg

00,

0sin 2

2

(10)

όπου το n είναι ο δείκτης διάθλασης.

Η εισερχόμενη οπτική ισχύς Pr υπολογίζεται από την μεταφερόμενη οπτική ισχύ Pt ως εξής

[10]:

tr PH=P 0 (11)

2.5.1.3 Εισερχόμενη Ισχύς από Διάχυτο Φως

Θεωρούμε την περίπτωση που το φως ανακλάται από τους τοίχους. Η λαμβανόμενη ισχύς δί-

νεται από την ενίσχυση του DC καναλιού στον απευθείας δρόμο Ηd(0) και στον ανακλώμενο

Href(0) απο το [10] ως εξης:

Pr=∑LEDs

{∫walls

P t dH ref+Pt Hd (0)} (12)

Η ενίσχυση του DC καναλιού για την πρώτη ανάκλαση είναι [10]:

e

esm

wall

ref

Ψ>ψ

Ψψ,ψψgψTβαφρdADD

A+m

=dH

0,

0coscoscoscos2π

1

0 22

21

2(13)

όπου D1 είναι η απόσταση μεταξύ μιας LED και ενός σημείου ανάκλασης, D2 είναι η απόστα-

ση ανάμεσα σε ένα σημείο ανάκλασης και τον δέκτη, ρ είναι ο συντελεστής ανάκλασης,

dAWall είναι το εμβαδόν μιας μικρής περιοχής ανάκλασης, φ είναι η γωνία ακτινοβόλησης σε

ένα σημείο ανάκλασης, β είναι η γωνία ακτινοβόλησης του δέκτη και ψ η γωνία πρόσπτωσης.

2.5.2 Μοντέλο Διαμόρφωσης

Το πιο βιώσιμο σχήμα διαμόρφωσης του εκπεμπόμενου σήματος στις ασύρματες επικοινωνί-

ες ορατού φάσματος, είναι η διαμόρφωση έντασης (Intensity Modulation - IM), όπου η πλη-

57

ροφορία διαμορφώνει την στιγμιαία ισχύ του φέροντος x(t), ενώ στον δέκτη χρησιμοποιείται

η τεχνική της άμεσης ανίχνευσης (Direct Detection - DD), κατά την οποία παράγεται ένα

ρεύμα y(t) ανάλογο της λαμβανόμενης στιγμιαίας ισχύος, δηλαδή του τετραγώνου του λαμ-

βανόμενου ηλεκτρικού πεδίου. Έτσι, το ασύρματο κανάλι επικοινωνίας ορατού φάσματος

μπορεί να μοντελοποιηθεί ως γραμμικό σύστημα βασικής ζώνης με κρουστική απόκριση h(t)

[15].

Οι κυριότερες τεχνικές διαμόρφωσης που είναι συμβατές με το σχήμα διαμόρφωσης

έντασης/άμεσης ανίχνευσης (IM/DD) είναι η σηματοδοσία Οn-Οff (On-Off Keying - ΟΟΚ),

η διαμόρφωση θέσης παλμού (Pulse Position Modulation/ PPM) και κάποιες παραλλαγές της

δεύτερης. Επίσης, εξετάζεται η δυνατότητα ελέγχου της φωτεινότητας της πηγής μέσω τεχνι-

κών οι οποίες μπορούν να συνδυαστούν με τη διαμόρφωση του σήματος της πηγής.

Η απλούστερη τεχνική διαμόρφωσης είναι η τεχνική On-Off keying (OOK) κατά την οποία

ανάλογα με τη πληροφορία προς μετάδοση παράγεται ή όχι ένας παλμός, διάρκειας T= 1/Rb

όπου Rb ο ρυθμός των bit. Η παρουσία ενός παλμού αντιπροσωπεύει το δυαδικό “1”, ενώ η

απουσία του το δυαδικό “0”. Υπάρχουν δύο παραλλαγές της τεχνικής OOK, το σχήμα μη επι-

στροφής στο μηδέν (Non Return to Zero ή NRZ - OOK ) και το σχήμα επιστροφής στο μηδέν

(Return to Zero ή RZ-OOK) όπου Rb είναι η εκπεμπόμενη ισχύς. Κατά το σχήμα RZ ο παλ-

μός επιστρέφει σε επίπεδο μηδενικής ισχύος ακόμα και στη περίπτωση δύο ή περισσότερων

διαδοχικών bit “1” με βάση τον συντελεστή γ ο οποίος παίρνει τιμές στο διάστημα (0,1). [8]

Η διαμόρφωση θέσης παλμού (PPM) είναι ένα ορθογώνιο σχήμα διαμόρφωσης του οποίου οι

απαιτήσεις όσον αφορά την ισχύ είναι μικρότερες συγκριτικά με την τεχνική OOK, αλλά με-

γαλύτερες όσον αφορά το εύρος ζώνης. Το L-PPM έχει L σύμβολα τα οποία αντιπροσωπεύ-

58

ουν log2L bits και η διάρκεια T καθενός χωρίζεται σε L χρονοθυρίδες. Η διάρκεια κάθε χρο-

νοθυρίδας είναι T/L κατά την οποία εκπέμπεται σταθερή ισχύς LPt, ενώ στις υπόλοιπες L−1

χρονοθυρίδες δεν εκπέμπεται ισχύς. Μια παραλλαγή είναι η ανεστραμμένη διαμόρφωση

θέσης παλμού (I-PPM), κατά την οποία ισχύς εκπέμπεται στις L−1 χρονοθυρίδες και δεν εκ-

πέμπεται στη χρονοθυρίδα του L συμβόλου. Έτσι, αν το πλάτος του εκπεμπόμενου σήματος

είναι A η εκπεμπόμενη ισχύς για το συμβατικό L-PPM είναι A/L, ενώ για το I-L-PPM είναι

(L − 1)A/L, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται καλύτερος φωτισμός. [8]

Επίσης, για τις ασύρματες επικοινωνίες ορατού φάσματος έχει προταθεί η διαμόρφωση θέσης

παλμού φέροντος (Subcarrier PPM/SC-PPM) κατά την οποία ένα φέρον αντικαθιστά τους ορ-

θογώνιους παλμούς και έτσι το φάσμα ισχύος ολισθαίνει σε υψηλότερες συχνότητες περιορί-

ζοντας την επίδραση πηγών θορύβου όπως λαμπτήρες φθορισμού. Η διάρκεια συμβόλου χω-

ρίζεται και εδώ σε L χρονοθυρίδες. Το σήμα, δηλαδή το φέρον, εκπέμπεται στην l-ιοστή

χρονοθυρίδα, ενώ στις υπόλοιπες εκπέμπεται σταθερή ισχύς. [8]

Τέλος, μια άλλη τεχνική η οποία ενσωματώνει πολλαπλά υποφέροντα τα οποία επικαλύπτο-

νται στη συχνότητα, είναι η πολυπλεξία διαχωρισμού ορθογώνιας συχνότητας (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing – OFDM ). Με την OFDM, τα δεδομένα διαβιβάζονται πα-

ράλληλα και μπορούν να επιτευχθούν υψηλοί ρυθμοί με την τη διαβίβαση N ορθογώνιων

υποφερουσών. Η διαμόρφωση και η πολυπλεξία μπορεί να επιτευχθεί με ψηφιακό τρόπο με

τη χρήση αντίστροφου γρήγορου μετασχηματισμού Fourier (inverse fast Fourier transform -

IFFT ). Στο δέκτη οι διαφορετικές υποφέρουσες μπορούν να αποδιαμορφωθούν χωρίς παρεμ-

βολή λόγω της ορθογωνιότητας τους, και μπορούν να ανακτηθούν με χρήση τεχνικών αναλο-

γικού φιλτραρίσματος. Η αποδιαμόρφωση (demodulation) και η αποπολυπλεξία

(demultiplexing) μπορούν επίσης να γίνουνμε χρήση γρήγορου μετασχηματισμού Fourier

59

(Fast Fourier Transform – FFT). H OFDM παρέχει υψηλότερη απόδοση εύρους ζώνης σε

σχέση με τις διαμορφώσεις απλού φέροντος και παρουσιάζει μικρή παρεμβολή. Στις περισ-

σότερες εφαρμογές OFDM, όση ISI μένει, μπορεί να αφαιρεθεί με τη χρήση ενός διαδήματος

προστασίας γνωστό ως κυκλικό πρόθεμα (cyclic prefix) . Από την άλλη η OFDM έχει διάφο-

ρα μειονεκτήματα όπως η ευαισθησία της στον υπολογισμό της αντιστάθμισης συχνότητας, η

ανάγκη για ακριβή συγχρονισμό υποφέροντος, και υψηλό λόγο κορυφής (peak) προς μέση

ισχύ (peak to average power ratio - PARP) [36].

2.5.3 Ρυθμός μεταφοράς σφαλμάτων

O ρυθμός λάθους δυαδικών ψηφίων (Bit Error Rate – BER) είναι ο αριθμός των σφαλμάτων

των bit διαιρούμενος με το συνολικό αριθμό των bit που μεταφέρονται από τον πομπό στον

δέκτη. Η πιθανότητα λάθους δυαδικών ψηφίων (Bit Error Probability – BEP) είναι η αναμε-

νόμενη τιμή του BER στην εκάστοτε ζεύξη. Ο ρυθμός μπορεί να θεωρηθεί ως μία κατά προ-

σέγγιση εκτίμηση της πιθανότητας που είναι ακριβής για μεγάλο χρονικό διάστημα και υψη-

λό BER.

Στην εικόνα 20, απεικονίζονται οι απαιτήσεις ισχύος για να επιτευχθεί συγκεκριμένος ρυθμός

σφάλματος bit για την τεχνική OOK, τη διαμόρφωση θέσης παλμού και κάποιες από τις πα-

ραλλαγές της, για διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης. Παρατηρούμε ότι οι τεχνικές L-PPM και

SC-PPM έχουν λιγότερες απαιτήσεις ισχύος σε σχέση με την τεχνική I-PPM [8].

60

Έχουμε αναφέρει και παραπάνω ότι τα συστήματα οπτικής επικοινωνίας ορατού φάσματος

έχουν υιοθετήσει την κατηγοριοποίηση των επικοινωνιών υπερύθρων όσον αφορά των σχε-

διασμό των ζεύξεων άρα οι φυσικές αρχές που σχετίζονται με την διάδοση και τις ανακλάσεις

ισχύουν ομοίως και στα δύο είδη επικοινωνιών. Έτσι βασισμένοι στο [34] μπορούμε να πού-

με ότι η απόδοση των συστημάτων, με την βοήθεια της πιθανότητας σφάλματος bit, εξαρ-

τάται σε μεγάλο βαθμό από την αζιμουθιακή γωνία, την γωνία ανύψωσης και την απόσταση

του πομπού σε σχέση με τον δέκτη. Η τοπολογία του συστήματος φαίνεται στην εικόνα 21.

61

Εικόνα 20: Απαιτούμενη ισχύς για επίτευξη BER =10−6 καιγια διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης [4].

Για ένα απλό σύστημα πομπού-δέκτη, μονής πηγής, με διαμόρφωση RZ-OOK μπορούμε να

παρατηρήσουμε τις διάφορες τιμές του BEP σε σχέση με την απόσταση πομπού-δέκτη και τις

μεταξύ τους γωνίες στα διαγράμματα που φαίνονται παρακάτω.

62

Εικόνα 21: Η τοπολογία του συστήματος που περιγράφεται.

Με θ συμβολίζεται η γωνία ανύψωσης και με φ η αζιμουθιακή γωνία.[34]

Εικόνα 22: BEP για διάφορες αποστάσεις σε οριζόντια διάταξη (θ=0, φ=0) [34].

Το μέγεθος του BER, όπως και το SNR, καθορίζει την ποιότητα της επικοινωνίας. Για ένα

σύστημα ασύρματης επικοινωνίας ορατού φάσματος σε εσωτερικό χώρο, με διαμόρφωση

ΟΟΚ χρειαζόμαστε BER της τάξεως του 10-6. Επιπλέον όμως πρέπει να ληφθεί υπόψιν και

ότι στην περίπτωση των VLC συστημάτων χρειάζεται να καλύπτεται και η ανάγκη φωτισμού

έτσι η πιο πιθανή απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη είναι αυτή των 3m (τοποθετώντας των

πομπό στο ταβάνι και τον δέκτη στο πάτωμα ενός δωματίου). Απο την εικόνα 23 μπορούμε

να δούμε ότι για ένα ικανοποιητικό μέγεθος BER (10-6) οι γωνίες (αζιμουθιακή και ανύψω-

σης) πρέπει να είναι μικρότερες από 20ο και 15ο αντίστοιχα. Παρατηρούμε επίσης ότι για

φ<10ο το αναγκαίο BER καλύπτεται για όλες τις μελετώμενες γωνίες ανύψωσης.

Στις παραπάνω μετρήσεις η κατεύθυνση του δέκτη, όταν η γωνία ανύψωσης είναι μεγαλύτερη

από 0o , ήταν κάθετη προς το έδαφος, εάν ήταν ακτινική προς τον πομπό θα μπορούσε, επί -

63

Εικόνα 23: BEP για διάφορες τιμές της γωνίας ανύψωσης (θ) σε απόσταση πομπού-δέκτη 3m [34].

σης, να δώσει καλύτερα αποτελέσματα. Καλύτερα αποτελέσματα επιτυγχάνονται επίσης με

την χρήση πομπού που αποτελείται από πολλές LED. [34]

Είναι προφανές ότι το BER θα μειωθεί με την αύξηση της ισχύος (ή της φωτεινότητας) που

μεταδίδεται από τη LED. Με άλλα λόγια, όσο πιο φωτεινό είναι το φως, τόσο μικρότερο είναι

το BER. Ωστόσο, η φωτεινότητα του φωτός πέφτει όταν αυξάνεται η απόσταση. Επιπλέον, το

φως από πολλές άλλες πηγές παρεμβάλλεται καθιστώντας την ανίχνευση του πραγματικού

σήματος πολύ δύσκολη. Υπό αυτές τις συνθήκες, το BER θα αυξηθεί [4].

Από μετρήσεις που έγιναν στο [34] για αποστάσεις > 3m. βλέπουμε ότι αν οι αποστάσεις με-

ταξύ πομπού και δέκτη αυξηθούν το BER μειώνεται δραστικά και πέφτει κάτω από τα επιτρε-

πτά όρια για τα VLC συστήματα.

2.6 Διασυμβολική Παρεμβολή (Inter-symbol Interference)

H διασυμβολική παρεμβολή (ISI) είναι μια μορφή παραμόρφωσης του ληφθέντος σήματος

που εκδηλώνεται λόγω της χρονικής εξάπλωσης και έχει ως ακόλουθο την επικάλυψη των

επιμέρους παλμών σε βαθμό τέτοιο ώστε ο δέκτης να μην μπορεί να διακρίνει αξιόπιστα με-

ταξύ των αλλαγών της κατάστασης του σήματος.

Γενικά τα φώτα που κατανέμονται μέσα σε ένα δωμάτιο και η ακτινοβόληση είναι συνάρτηση

του εξοπλισμού του φωτισμού. Στην επικοινωνία ορατού φωτός με χρήση LED, η υψηλά

λαμβανόμενη ισχύς, η οποία δημιουργείται εξ αιτίας της καθυστέρησης σήματος από οπτι-

κούς δρόμους που διαφέρουν, δημιουργεί διασυμβολική παρεμβολή (ISI).

Αν θεωρήσουμε ένα NLOS κανάλι το οποίο δίνεται από την [10]:

64

H (0)=∫

−∞

∞

h( t )dt(14)

όπου το Η(0) είναι η ενίσχυση του DC καναλιού, η λαμβανόμενη ισχύς λόγω της διασυμβολι-

κής παρεμβολής Prisi είναι [10]:

dttΧth=PT

LEDs

i=irISI

1

(15)

όπου h(t) είναι η κρουστική απόκριση και Χ(t) ο μεταδιδόμενος οπτικός παλμός.

2.7 Κρουστική απόκριση (Impulse Response)

Στα VLC συστήματα, ο εξοπλισμός φωτισμού εγκαθίσταται στην οροφή και έχει μεγάλη επι-

φάνεια κάλυψης. Έτσι το VLC σύστημα έχει συγκεκριμένη κρουστική απόκριση η οποία δια-

φέρει από την αντίστοιχη υπέρυθρη επικοινωνία.

Η ιδανική κρουστική απόκριση σε ένα κανάλι LOS είναι ουσιαστικά μια χρονικά καθυστερη-

μένη και κλιμακούμενη συνάρτηση δέλτα που αντιπροσωπεύει το πλάτος υποβιβασμού στο

εκπεμπόμενο σήμα. Έτσι, η απώλεια διαδρομής γίνεται μια ζωτικής σημασίας παράμετρος,

και θα πρέπει να προέρχεται από τις φωτομετρικές παραμέτρους που χρησιμοποιούνται ως επί

το πλείστον για το χαρακτηρισμό της ικανότητας φωτισμού των LED [22].

Στην εικόνα 24 φαίνεται η κρουστική απόκριση του καναλιού σε μια γωνία (0x0x0.85) ενός

«δωματίου μοντέλου» (5x5x3). Βλέπουμε τον ρυθμό του απευθείας και του ανακλώμενου

φωτός (1η και 2η ανάκλαση) συναρτήσει του λαμβανόμενου φωτός. Η επιρροή του απευθείας

φωτός είναι έντονη και η επίδοση του συστήματος εξαρτάται πολύ από αυτή [10].

65

66

Εικόνα 24: Η κρουστική απόκριση

από το άμεσο φως (συνεχής γραμμή)και το ανακλώμενο φως(1η ανάκλαση - διακεκομμένη με τελείες γραμμή, 2η ανάκλαση

- διακεκομμένη με παύλες γραμμή) [10]

Κεφάλαιο 3

Θόρυβος

3.1 Γενικά

Στην ηλεκτρονική, ο θόρυβος είναι μία τυχαία διακύμανση σε ένα ηλεκτρικό σήμα και είναι

χαρακτηριστικό όλων των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Ο θόρυβος που παράγεται από ηλε-

κτρονικές συσκευές ποικίλλει σε μεγάλο βαθμό, δεδομένου ότι μπορεί να παραχθεί από πολ-

λές διαφορετικές επιδράσεις. Ο θερμικός θόρυβος (thermal noise) είναι αναπόφευκτος σε μη

μηδενικές θερμοκρασίες (βλέπε θεώρημα διακύμανσης διάχυσης), ενώ τα άλλα είδη εξαρ-

τώνται κυρίως από τον τύπο της συσκευής (όπως ο θόρυβος βολής - shot noise - ο οποίος

χρειάζεται απότομο φράγμα δυναμικού) ή από την ποιότητα και τα ελαττώματα κατασκευής

των ημιαγωγών, όπως οι διακυμάνσεις αγωγιμότητας, συμπεριλαμβανομένου του 1/ f θορύ-

βου [24].

Στα συστήματα επικοινωνίας, είναι ένα λάθος ή μία ανεπιθύμητη τυχαία διαταραχή ενός χρή-

σιμου σήματος πληροφορίας σε ένα κανάλι επικοινωνίας. Ο θόρυβος είναι ένα άθροισμα των

ανεπιθύμητων ή ενοχλητικών ενεργειών από φυσικές και μερικές φορές τεχνητές πηγές.

Ωστόσο, συνήθως διακρίνεται από τις παρεμβολές, (π.χ. cross-talk, σκόπιμες εμπλοκές ή άλ-

λες ανεπιθύμητες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές από συγκεκριμένους πομπούς), όπως για

παράδειγμα στα μέτρα λόγου σήματος-προς-θόρυβο (SNR), σήματος-προς-παρεμβολή (SIR)

και σήματος-προς-θόρυβο συν παρεμβολής (SNIR). Επίσης τυπικά διακρίνεται από την πα-

ραμόρφωση, η οποία είναι μια ανεπιθύμητη συστηματική αλλοίωση της κυματομορφής του

67

σήματος από τον εξοπλισμό επικοινωνίας, παραδείγματος χάριν στο λόγο σήματος-προς-

θόρυβο και παραμόρφωση (SINAD). Σε ένα φορέα με διαμόρφωση ζώνης διέλευσης αναλογι-

κού συστήματος επικοινωνίας, ένας ορισμένος φορέας-προς-θόρυβο (CNR), στην είσοδο του

δέκτη ραδιοφώνου θα οδηγήσει σε μια ορισμένη αναλογία σήματος προς θόρυβο στο ανι-

χνευόμενο σήμα μηνύματος. Σε ένα σύστημα ψηφιακών επικοινωνιών, ένα ορισμένο Eb/No

(κανονικοποιημένο σήμα-προς-θόρυβο) θα οδηγήσει σε ένα ορισμένο ποσοστό σφάλματος

μετάδοσης δυαδικών ψηφίων (Bit Error Rate – BER) [24].

3.2 Τύποι θορύβου

3.2.1 Θερμικός θόρυβος (Thermal noise)

O Johnson-Nyquist θόρυβος (μερικές φορές θερμικός, Johnson ή Nyquist θόρυβος) είναι ανα-

πόφευκτος και παράγεται από την τυχαία θερμική κίνηση των φορέων φορτίου (συνήθως

ηλεκτρονίων), μέσα σε ένα ηλεκτρικό αγωγό, που συμβαίνει ανεξάρτητα από οποιαδήποτε

εφαρμοζόμενη τάση.

Ο θερμικός θόρυβος είναι σχεδόν λευκός θόρυβος (white noise), πράγμα που σημαίνει ότι η

φασματική πυκνότητα ισχύος του είναι σχεδόν ίση σε όλο το φάσμα συχνοτήτων. Το πλάτος

του σήματος έχει μία σχεδόν Gaussian συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας. Ένα σύστημα

επικοινωνίας που πλήττεται από θερμικό θόρυβο συχνά διαμορφώνεται ως κανάλι πρόσθετου

λευκού Gaussian θορύβου (Additive White Gaussian Noise – AWGN).

Η μέση τετραγωνική ρίζα (Root Mean Square - RMS) της τάσης Vn λόγω του θερμικού θο-

ρύβου, που παράγεται σε μια αντίσταση R(Ω) πάνω από το εύρος ζώνης Δf (Hertz), δίνεται

από [24] :

un=√4kBTRΔf (16)

68

όπου kB είναι η σταθερά του Boltzmann (joule/Kelvin) και ΤR είναι η απόλυτη θερμοκρασία

της αντίστασης (Kelvin).

Καθώς η ποσότητα του θερμικού θορύβου που παράγεται εξαρτάται από την θερμοκρασία

του κυκλώματος, τα πολύ ευαίσθητα κυκλώματα όπως προ-ενισχυτές σε ραδιοτηλεσκόπια

ενίοτε ψύχονται σε υγρό άζωτο για να μειωθεί το επίπεδο θορύβου [24].

3.2.2 Θόρυβος βολής (Shot noise)

Ο θόρυβος βολής σε ηλεκτρονικές συσκευές αποτελείται από μία τυχαία στατιστική ανα-

πόφευκτων διακυμάνσεων του ηλεκτρικού ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό αγωγό. Οι τυχαίες δια-

κυμάνσεις είναι εγγενείς όταν ρέει ρεύμα, μιας και το ρεύμα είναι μια ροή των διακριτών

φορτίων (ηλεκτρόνια).

3.2.3 Θόρυβος τρεμοπαίγματος (Flicker noise)

Ο θόρυβος τρεμοπαίγματος, επίσης γνωστός ως 1/f θόρυβος, είναι ένα σήμα ή μία διεργασία

με ένα φάσμα συχνοτήτων που πέφτει σταθερά στις υψηλότερες συχνότητες, με ένα ροζ

φάσμα. Συμβαίνει σχεδόν σε όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές, και τα αποτελέσματα ποικί-

λουν, αν και πάντα σχετίζονται με ένα συνεχές ρεύμα.

3.2.4 Θόρυβος Ριπής (Burst noise)

Ο θόρυβος ριπής αποτελείται από ξαφνικές βηματικές μεταβιβάσεις μεταξύ δύο ή περισσότε-

ρων επίπεδων (μη Gaussian), τόσο υψηλές όσο αρκετές εκατοντάδες microvolts, σε τυχαίους

και απρόβλεπτους χρόνους. Κάθε αλλαγή στην αντιστάθμιση τάσης ή ρεύματος διαρκεί για

αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου, ενώ τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των παλμών τείνουν

69

να είναι στο ηχητικό φάσμα (λιγότερο από 100 Hz), οδηγώντας τον στον όρο θόρυβος ποπ-

κόρν λόγο του ήχου σκασίματος ή τριξίματος που παράγει σε κυκλώματα ήχου.

3.2.5 Θόρυβος χρόνου μεταφοράς (Transit-time noise)

Αν ο χρόνος που απαιτείται από τα ηλεκτρόνια για να ταξιδέψουν από τον πομπό στο συλ-

λέκτη γίνεται να συγκριθεί με την περίοδο του σήματος που ενισχύεται, δηλαδή, για συχνότη-

τες άνω των VHF και πέρα, το λεγόμενο φαινόμενο χρόνου μεταφοράς ισχύος λαμβάνει χώρα

και θόρυβος αγωγιμότητας εισόδου του τρανζίστορ αυξάνεται. Μόλις αυτό κάνει αισθητή την

παρουσία του, οδηγείται στην αύξηση με τη συχνότητα και γρήγορα δεσπόζει πάνω από άλ-

λους όρους [24].

3.2.6 Θόρυβος Χιονοστιβάδας (Avalanche noise)

Θόρυβος χιονοστιβάδας είναι ο θόρυβος που παράγεται όταν μια διασταύρωση διόδου λει-

τουργεί στην έναρξη της κατάρρευσης χιονοστιβάδας, ένα φαινόμενο διασταύρωσης ημιαγω-

γών στο οποίο φορείς σε υψηλή κλίση τάσης αναπτύσσουν επαρκή ενέργεια για να απο-

σπάσουν επιπλέον φορείς μέσω φυσικών επιπτώσεων, δημιουργώντας τραχιές ροές ρεύματος

[24].

3.3 Θόρυβος στα συστήματα VLC

Στις ασύρματες επικοινωνίες ορατού φάσματος ο θόρυβος που επηρεάζει το μεταδιδόμενο

σήμα εμφανίζεται σαν θόρυβος του δέκτη. Οι δύο κύριες πηγές θορύβου οφείλονται στη την

λήψη των ηλεκτρονίων στο δέκτη και στο θόρυβος βολής από το λαμβανόμενο DC φωτορεύ-

μα.

70

Επιπλέον, ο θόρυβος σε ένα δέκτη μπορεί να περιγραφεί είτε ως προσθετικός (additive) είτε

ως εξαρτώμενος από σήμα (signal-dependent). Προσθετικός θόρυβος είναι μια πηγή θορύβου

που είναι παρούσα είτε υπάρχει ένα σήμα στο δέκτη είτε όχι, ενώ θόρυβος που εξαρτάται από

το σήμα είναι αυτός που παρατηρείται μόνο όταν ένα σήμα είναι παρόν στο δέκτη [16].

3.3.1 Θερμικός Θόρυβος

Όπως συμβαίνει με όλα τα ηλεκτρονικά, ο θόρυβος παράγεται λόγω της τυχαίας κίνησης των

μεταφορέων σε αντιστάσεις και ενεργές συσκευές. Μια σημαντική πηγή θορύβου είναι ο θερ-

μικός θόρυβος (thermal noise) που οφείλεται στα ωμικά στοιχεία του προ-ενισχυτή (pre-

amplifier). Εάν μια χαμηλή αντίσταση χρησιμοποιηθεί στο εμπρόσθιο άκρο για να βελτιώσει

την απόκριση της συχνότητας, μια υπερβολική ποσότητα θερμικού θορύβου προστίθεται στο

σήμα του φωτορεύματος. Προ-ενισχυτές διαντίστασης (transimpedance pre-amplifiers) πα-

ρέχουν χαμηλή αντίσταση front-end με αρνητική ανάδραση και αντιπροσωπεύουν ένα συμβι-

βασμό μεταξύ αυτών των περιορισμών [1].

Ο θερμικός θόρυβος παράγεται ανεξάρτητα του λαμβανόμενου σήματος (signal-independent

noise) και μπορεί να μοντελοποιηθεί ως κατανομή Gauss (Gaussian noise). Αυτός ο θόρυβος

διαμορφώνεται από μία συνάρτηση μεταφοράς και εξαρτάται από την τοπολογία του προ-ενι-

σχυτή όταν η ισχύς του θορύβου αναφέρεται στην είσοδο του ενισχυτή. Ως αποτέλεσμα, ο

θόρυβος του κυκλώματος μοντελοποιείται ως Gaussian και, γενικά, μη-λευκός (Gaussian

Non-White Noise) [13].

3.3.2 Θόρυβος βολής

Στους εσωτερικούς χώρους σήμερα γίνεται χρήση μεγάλου αριθμού από διαφορετικές πηγές

φωτός, όπως λαμπτήρες πυρακτώσεως με νήματα βολφραμίου, λαμπτήρες αλογόνου και

71

υδραργύρου, λαμπτήρες φθορισμού με διαφορετικό χρώμα φωτός (οπτικά φάσματα) και, πιο

πρόσφατα,, λαμπτήρες φθορισμού με συμβατικά στραγγαλιστικά πηνία (συμβατικά ballasts)

και λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονικά στραγγαλιστικά πηνία (ηλεκτρονικά ballasts).

Κάθε μία από αυτές τις πηγές φωτός παρουσιάζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά, πλεονεκτήματα

και μειονεκτήματα από την άποψη δυνατοτήτων για να φωτίσει μια συγκεκριμένη περιοχή.

Για τον χαρακτηρισμό της ακτινοβολίας υποβάθρου (οπτική ισχύς ανά μονάδα επιφάνειας)

που παράγεται από το διάχυτο φως του περιβάλλοντος, λαμβάνονται υπόψη όλες οι παρα-

πάνω πηγές φωτός και επιπλέον το φως από τον ήλιο. Ενώ η ακτινοβολία υποβάθρου που πα-

ράγεται από το φως του ήλιου μπορεί να θεωρηθεί σταθερή ή με αργές διακυμάνσεις στο

χρόνο - οι περισσότερες από αυτές λόγω σκίασης - η ακτινοβολία που παράγεται από το τε-

χνητό φως εμφανίζει μεγάλες και γρήγορες διακυμάνσεις στο χρόνο [18].

Οι φυσικές (φως ημέρας, φεγγαρόφωτο) και τεχνητές πηγές φωτός (λαμπτήρες φθορισμού,

λαμπτήρες πυρακτώσεως κ.α.) παράγουν ένα ορισμένο ποσό οπτικής πυκνότητας ρεύματος

υποβάθρου ή ακτινοβολίας που μειώνει την απόδοση του οπτικού δέκτη. Το αποτέλεσμα αυ-

τής της ακτινοβολίας υποβάθρου εκδηλώνονται σε δύο διαφορετικές μορφές: ως θόρυβος βο-

λής (shot noise) που προκαλείται στην φωτοδίοδο του δέκτη από τη σταθερή ακτινοβολία

υποβάθρου και ως παρεμβολή από τις μεταβολές στο χρόνο της ίδιας ακτινοβολίας. O θόρυ-

βος είναι ευθέως ανάλογος προς την ποσότητα του φωτός που προσπίπτει επί του φωτοανι-

χνευτή συνεπώς είναι συνάρτηση της μέσης οπτικής ισχύος [4]. Η οπτική ισχύς των φα-

σμάτων αυτών των πηγών φαίνεται στην εικόνα 27.

Σημειώστε ότι τα φάσματα έχουν κλιμακωθεί ώστε να έχουν ίση μέγιστη τιμή, και η μακρύτε-

ρη περιοχή μήκους κύματος του φάσματος του λαμπτήρα φθορισμού έχει ενισχυθεί κατά ένα

72

συντελεστή 10, ώστε να καταστεί σαφώς ορατή. Όταν είναι παρόν, το άμεσο ηλιακό φως εί-

ναι συνήθως πολύ ισχυρότερο από τις άλλες δύο πηγές, και αντιπροσωπεύει μια μη διαμορ-

φωμένη πηγή διάχυτου φωτός με ένα πολύ ευρύ φάσμα και μέγιστη ισχύ φασματικής πυ-

κνότητας που βρίσκεται στα ~ 500 nm [12].

Κανονικά, ο θόρυβος βολής, μπορεί να θεωρηθεί Gaussian και σχεδόν λευκός. Η χρήση των

σταθερών οπτικών φίλτρων μειώνει τον εκτός ζώνης θόρυβο του διάχυτου φωτός. Η σταθερή

ακτινοβολία υποβάθρου που παράγεται από φυσικές και τεχνητές πηγές φωτός χαρακτηρίζε-

ται συνήθως από ένα συνεχές ρεύμα που επάγεται στη φωτοδίοδο του δέκτη και είναι ευθέως

ανάλογη στο ρεύμα αυτό. Το ρεύμα αυτό αναφέρεται ως ρεύμα του περιβάλλοντος θορύβου

[4].

73

Εικόνα 25: Φάσματα οπτικής ισχύος συνηθισμένων πηγών διάχυτου φωτός. [12]

3.4 Βασικές πηγές θορύβου βολής.

3.4.1 Λαμπτήρες πυρακτώσεως

Το σήμα παρεμβολής που παράγεται από λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι σχεδόν τέλειο ημιτο-

νοειδές με συχνότητα 100Hz. Επιπλέον, μόνον οι πρώτες αρμονικές συχνότητες (μέχρι 2KHz)

φέρουν ένα σημαντικό ποσό ενέργειας και για συχνότητες μεγαλύτερες των 800Hz, όλα τα

συστατικά είναι 60dB κάτω από τη θεμελιώδη. Έτσι, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό υψιπερατό

φίλτρο αυτή η παρεμβολή μπορεί να εξαλειφθεί χωρίς μεγάλη υποβάθμιση του σήματος [4].

3.4.2 Λαμπτήρες φθορισμού με συμβατικά στραγγαλιστικά πηνία.

Λαμπτήρες φθορισμού εξοπλισμένοι με συμβατικά στραγγαλιστικά πηνία (συμβατικά

ballasts) σε μία γραμμή ισχύος 50 ή 60 Hz, προκαλούν παρεμβολές σε αρμονικές μέχρι

50KHz. Αυτό μπορεί επίσης να εξαλειφθεί με την προσεκτική επιλογή του σχήματος διαμόρ-

φωσης για να εξασφαλιστεί ότι δεν υπάρχουν συνιστώσες χαμηλής συχνότητας και μέσω ηλε-

κτρικού υψιπερατού φιλτραρίσματος [4].

3.4.3 Λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονικά στραγγαλιστικά πηνία.

Για λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονικά στραγγαλιστικά πηνία (electronic ballasts), η δια-

μόρφωση συχνότητας του πηνίου είναι 35 kHz. Ως εκ τούτου, εισάγεται παρεμβολή αρμονι-

κών που εκτείνονται έως 1MHz. Αυτό δεν μπορεί εύκολα να φιλτραριστεί. Σε περίπτωση πα-

ρεμβολής και επικάλυψης του φάσματος του σήματος πρέπει να αναπτυχθούν, εξελιγμένοι

αλγόριθμοι ψηφιακής επεξεργασίας σήματος [4].

Φαίνεται από την αρχή λοιπόν ότι η επίδραση του τεχνητού και φυσικού φωτός ελαχιστο-

ποιείται χρησιμοποιώντας κατάλληλα ηλεκτρικά ή έγχρωμα φίλτρα και τεχνικές διαμόρφω-

74

σης, αλλά πρακτικά είναι αρκετά δύσκολο να μειωθεί το αποτέλεσμα στο επιθυμητό χωρίς

να έχουμε ποινές ή εξασθένηση στο λαμβανόμενο σήμα.

Το επιθυμητό σήμα περιέχει μία χρονικά μεταβαλλόμενη διεργασία θορύβου βολής η οποία

έχει ένα μέσο ποσοστό της τάξης των 104 - 105 φωτονίων/bit. Στα κανάλια των μοντέλων που

μελετούνται, ωστόσο, έντονο διάχυτο φως χτυπά τον ανιχνευτή, οδηγώντας σε ένα σταθερό

θόρυβο βολής με ποσοστό της τάξης των 107- 108 φωτονίων/bit, ακόμη και αν ένας δέκτης

χρησιμοποιεί ένα οπτικό φίλτρο στενής ζώνης (narrow-band filter). Ως εκ τούτου, μπορούμε

να αγνοήσουμε το θόρυβο βολής που προκαλείται από τα σήματα και να μοντελοποιήσουμε

τον θόρυβο βολής που προκαλείται από το περιβάλλον ως Gaussian κατανομή. Όταν λίγο ή

καθόλου διάχυτο φως είναι παρόν, η κυρίαρχη πηγή θορύβου είναι ο θόρυβος του προ-ενι-

σχυτή του δέκτη (receiver pre-amplifier noise), o οποίος είναι επίσης ανεξάρτητος του σήμα-

τος και Gaussian (αν και συχνά μη-λευκός). Κατά συνέπεια, το οπτικό ασύρματο μοντέλο κα-

ναλιού εκφράζεται ως εξής [13]:

y ( t )=Rx (t ) h⊗ (t )+n (t ) (17)

όπου η y(t) παριστάνει το λαμβανόμενο ρεύμα σήματος, η x(t) αντιπροσωπεύει τον εκπε-

μπόμενο οπτικό παλμό, η n(t) τον AWGN θόρυβο, και το σύμβολο υποδηλώνει την συνέλι-

ξη. Η n(t) παρατηρείται στο O/E μετατρεπόμενο σήμα x(t). Το R αντιπροσωπεύει μία O/E

απόδοση μετατροπής στην φωτοδίοδο ενός τερματικού χρήστη [13].

3.5 Λόγος Σήματος προς Θόρυβο

Ο λόγος σήματος προς θόρυβο (Signal To Noise Ratio - SNR ή S/N) εκφράζει την ποιότητα

της επικοινωνίας. Είναι ένα μέτρο που χρησιμοποιείται για να συγκρίνει το επίπεδο του επι-

θυμητού σήματος στο επίπεδο του θορύβου. Ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος του σήματος

75

Εικόνα 26: Πιθανές διατάξεις των LEDs σε σύγκριση με τα με-

ταξύ τους διαστήματα.[13]

προς την ισχύ θορύβου, που εκφράζεται συχνά σε decibels (dB). Μια αναλογία μεγαλύτερη

από 1:1 (μεγαλύτερη από 0 dB) δείχνει περισσότερο σήμα από το θόρυβο [25].

3.6 Αποδοτικότητα – Επιδόσεις – Οριακές περιπτώσεις

Στα συστήματα οπτικής ασύρματης επικοινωνίας με λευκές LED το σύστημα στηρίζεται σε

δύο τύπους εκτιμήσεων. Μία είναι η φωτεινότητα των LED. H άλλη είναι η απόδοσή επικοι-

νωνίας των LED όταν λειτουργούν σαν οπτικοί πομποί. Η ένταση του φωτισμού είναι τυπο-

ποιημένη από τον Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης (International Organization of

Standardization - ISO). Με αυτό το πρότυπο, για εργασία γραφείου απαιτείται φωτισμός των

200 - 1000lx. Από την άλλη πλευρά, μία ληφθείσα οπτική ισχύς με SNR τουλάχιστον 13.6dB

απαιτείται για μία σταθερή σύνδεση επικοινωνίας. Αυτή είναι και η ληφθείσα οπτική ισχύς

που απαιτείται για την επίτευξη BER (Bit Error Rate) της τάξης του 10-6 με OOK (On-Off

Keying) [13].

76

Η μέση ληφθείσα οπτική ισχύς δίνεται από την εξίσωση (11) όπου η απολαβή του καναλιού

DC βρίσκεται απο την εξίσωση (14) και το λαμβανόμενο ηλεκτρικό SNR βρίσκεται από

[15]:

SNR=R2Pr

2

RbN0=R2H 2(0)P t

2

RbN 0 (18)

Αν υποθέσουμε ότι κυριαρχείται από μία Gaussian συνιστώσα έχοντας διπλής όψεως φασμα-

τική πυκνότητα ισχύος πάνω από το επιθυμητό εύρος ζώνης Β, βλέπουμε ότι το SNR εξαρ-

τάται από το τετράγωνο της λαμβανόμενης μέσης οπτικής ισχύος. [15]

Εξετάζοντας το SNR, διαπιστώνουμε ότι ο αριθμητής είναι πάντα ανάλογος προς το τετράγω-

νο της περιοχής του ανιχνευτή, δηλαδή, A2. Σημειώνουμε ότι η διακύμανση του θορύβου βο-

λής είναι πάντα ανάλογη προς την περιοχή του ανιχνευτή, Α. Ως εκ τούτου, εάν ο θόρυβος

βολής είναι η κυρίαρχη πηγή θορύβου, τότε το SNR είναι ανάλογο με την περιοχή του ανι-

χνευτή, δηλαδή, SNR~Α. Η διακύμανση του θερμικού θορύβου είναι μια πολύπλοκη συνάρ-

τηση, και είναι ανεξάρτητη από Α, μόνο εάν ο όρος αυτός είναι πάντα κυρίαρχος. Όταν ο θερ-

μικός θόρυβος είναι η κυρίαρχη πηγή θορύβου, τότε το SNR είναι ανάλογο προς το τετράγω-

νο της περιοχής ανιχνευτή, δηλαδή, SNR~Α2 [15]. Στις ασύρματες οπτικές επικοινωνίες ορα-

τού φάσματος ο θερμικός θόρυβος είναι η βασική πηγή θορύβου μόνο όταν δεν υπάρχει

διάχυτο φως ή υπάρχει και είναι ελάχιστο.

3.7 Eπικοινωνία με μονή πηγή λευκών LED

Όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως, στα συστήματα ασύρματης επικοινωνίας μικρής εμ-

βέλειας, χρησιμοποιούμε συνήθως διαμόρφωση έντασης με άμεση ανίχνευση (Intense

Modulation/Direct Detection - IM/DD). Η IM/DD εφαρμόζεται συχνά σε εφαρμογές όπως

επικοινωνιών μεσαίων οπτικών ινών και διάχυτων εσωτερικών ασύρματων οπτικών συν-

77

δέσεων, όπου χρησιμοποιούνται ανέξοδα υλικά. Σε αυτού του είδους τα συστήματα, τα δεδο-

μένα διαμορφώνονται σχετικά με την οπτική ένταση του μεταδιδόμενου φωτός χρησιμο-

ποιώντας ένα οπτικό διαμορφωτή έντασης (Intense Modulator) , όπου η οπτική ένταση είναι

ανάλογη με το ηλεκτρικό σήμα που μεταδίδεται. Ενώ στο δέκτη, χρησιμοποιείται τεχνική

άμεσης ανίχνευσης (Direct Detection) στην οποία ο φώτο-ανιχνευτής παράγει μία έξοδο

ανάλογη προς τη λαμβανόμενη στιγμιαία ισχύ [14].

Στην περίπτωση της μονής πηγής εξετάζουμε μία απευθείας LOS ζεύξη, με τον πομπό και

τον δέκτη σε διάταξη όπως αυτή της εικόνας 27 όπου η γωνία ακτινοβολίας του είναι 15o, οι

γωνία πρόσπτωσης του 60o ενώ η μεταξύ τους απόσταση είναι 0.85m και η επιφάνεια του ανι-

χνευτή 5*10-4m2.

Η λαμβανόμενη ισχύς που δίνεται από την απολαβή του καναλιού DC δίνεται απο την σχέση

(11) και η απολαβή του καναλιού DC δίνεται από την εξίσωση (9). Τέλος, προκειμένου να

78

Εικόνα 27: Απλό μοντέλο οπτικής επικοινωνίας. [14]

βρούμε μια Lambertian εκπομπή, χρησιμοποιείται η εξίσωση (8). Ενώ η εξίσωση της οπτικής

συγκέντρωσης g(ψ) δίνεται από την (10).

H ποιότητα της επικοινωνίας φαίνεται από το υπολογιζόμενο SNR το οποίο δίνεται από [14]:

SNR=γ2Pr

2

σ total2

(19)

όπου, γ είναι αποδοτικότητα των φωτοδιόδων (A/W) και σtotal είναι η συνολική διακύμανση

του θορύβου και δίνεται από την εξίσωση [14]:

σ total2 =σ thermal

2 +σ shot2

(20)

Για να βρούμε τη συνολική διακύμανση του θορύβου, η εξίσωση διακύμανσης του θερμικού

θορύβου δίνεται από την [14] :

σ thermal2 =(8πkTknAI 2B

2

G )+(16π2kT k ΓA

2 I 3B2

gm ) (21)

όπου k είναι η σταθερά του Boltzmann, Tk η απόλυτη θερμοκρασία, n η σταθερή χωρητικότη-

τα του φωτοανιχνευτή ανά μονάδα επιφανείας, I2 ο συντελεστής εύρους ζώνης θορύβου, B το

ισοδύναμο εύρους ζώνης του θορύβου, G η απολαβή τάσης ανοικτού βρόγχου, Γ ο συντελε-

στής θορύβου των FET και gm διαγωγιμότητα των FET.

Από την άλλη πλευρά, η διακύμανση του θορύβου βολής δίνεται από [14]:

σ shot2

=2qIbg I2B+Pt2qγB (H (ψ ) ) (22)

όπου, q είναι το ηλεκτρονικό φορτίο και Ibg είναι το ρεύμα περιβάλλοντος.

Η εικόνα 28 δείχνει την προσομοίωση της χαρακτηριστικής του SNR και της γωνίας

πρόσπτωσης έναντι της απόσταση του δέκτη, για τον προσδιορισμό της ποιότητας του σήμα-

79

τος με τη χρήση μεμονωμένη πηγή του φωτός. Με βάση αυτή, μπορούμε να δούμε το ελάχι-

στο SNR, το οποίο είναι 15dB, ενώ η μέγιστη απόσταση, καταγράφεται στα 3.0785m. Η άλλη

παράμετρος, η οποία είναι η γωνία του περιστατικού, καταγράφεται στα 56.989°[14].

80

Εικόνα 28: Λόγος σήματος προς θόρυβο και γωνία πρόσπτωσης σε σύγκριση με την απόσταση.[14]

Εικόνα 29: Πολικό διάγραμμα του λόγου σήματος προςθόρυβο με την γωνίας πρόσπτωσης. [14]

Δεδομένου ότι στην ασύρματη επικοινωνία, η αποδεκτή τιμή του SNR για να έχουμε σταθε-

ρότητα είναι 13.6 dB, η LOS ζεύξη που φαίνεται παραπάνω το ικανοποιεί. Σημειώνεται ότι,

SNR είναι ανάλογο με τη γωνία πρόσπτωσης, αλλά είναι αντιστρόφως ανάλογο προς την

απόσταση. Μία καλύτερη εξήγηση φαίνεται στην εικόνα 29 όπου παρουσιάζεται το πολικό

διάγραμμα του SNR συναρτήσει της γωνίας πρόσπτωσης.

Όταν υπάρχουν πολλαπλές συνδέσεις LOS, χωρικά συνδεδεμένων κατανεμημένων LEDs σε

ένα μόνο δέκτη, μπορούμε να πάρουμε εύκολα τη συνολική λαμβανόμενη οπτική ισχύ αθροί-

ζοντας τη λαμβανόμενη ισχύ όλων των μεμονωμένων συνδέσεων LOS εντός του οπτικού πε-

δίου του δέκτη (FOV), η οποία θα μπορούσε να γραφτεί ως [22]:

Prκ=∑ι=1

N

Η (0 )P ri(23)

όπου i υποδηλώνει δείκτη του μεμονωμένου LOS συνδέσμου και Ν είναι ο αριθμός των με-

μονωμένων συνδέσεων LOS που προσδιορίζεται από το οπτικό πεδίο του δέκτη, τη σχετική

θέση και τον προσανατολισμό του πομπού και του δέκτη.

3.8 Δωμάτιο Φωτιζόμενο με λευκές LED (πολλές πηγές)

Σε ένα δωμάτιο που φωτίζεται από λευκές LED για να επιτύχουμε σωστή επικοινωνία αλλά

και κατάλληλο φωτισμό η διάταξή πρέπει να ικανοποιεί τις απαιτήσεις για οριζόντια φωτει-

νότητα (200-1000lx) αλλά και για σταθερότητα στην επικοινωνία (SNR τουλάχιστον 13.6dB)

όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως. Τα αποτελέσματα ποικίλουν για διατάξεις των LED

που διαφέρουν ως προς την ήμι-γωνία Φ1/2 της πηγής. Έτσι, όταν η κατευθυντικότητα είναι

μικρή, η διάταξη των LED είναι περιορισμένη προκειμένου να φωτίζει όλο το δωμάτιο.

81

Σε ένα οπτικό σύνδεσμο, η λαμβανόμενη ισχύς Pr για κατευθυνόμενο μονοπάτι από τον εξο-

πλισμό φωτισμού, η οποία αποτελείται από πολλές λυχνίες LED, εξαρτάται από την μεταδι-

δόμενη οπτική ισχύ Pti του i-στου LED και δίδεται από την εξίσωση (23). Η απολαβή του κα-

ναλιού DC για κατευθυνόμενο μονοπάτι H(0) δίνεται όπως περιγράφηκε προηγουμένως [13].

Από την άλλη πλευρά, το No είναι μία φασματική πυκνότητα ισχύος του AWGN η οποία προ-

καλείται από το θόρυβο του διάχυτου φωτός. Όπως περιγράφεται πριν μπορούμε να αγνοή-

σουμε το θόρυβο βολής που προκαλείται από τα σήματα και τον να μοντελοποιήσουμε ως μια

Gaussian κατανομή. Στην περίπτωση αυτή, η φασματική πυκνότητα ισχύος ενός Ν(t) δίνεται

από την οπτική ισχύ του διάχυτου φωτός Pbg ως [13]:

No=qRPbg (24)

όπου το q αντιπροσωπεύει ένα στοιχειώδες φορτίο (1.6*10-19C) και το R αντιπροσωπεύει μια

O/E απόδοση μετατροπής. Το B είναι ένα εύρος ζώνης ισοδύναμο του θορύβου. Εδώ ο αρχι-

κός ρυθμός δεδομένων υποτίθεται ότι είναι 100Mbit/s και χρησιμοποιείται μία OOK διαμόρ-

φωση. Έτσι, το Β είναι 100MHz. Η μεταδιδόμενη οπτική ισχύς σε μία LED είναι 4mW, και ο

θόρυβος φως υποβάθρου είναι 5100μA στην μετατροπή του ρεύματος. Αυτή είναι και η χει-

ρότερη περίπτωση εντοπισμού άμεσου ηλιακού φωτός.[13]

Μία ρεαλιστική προσέγγιση φωτισμού - και σωστή όσων αφορά τον θόρυβο επικοινωνίας -

παρατηρούμε σε ένα δωμάτιο διαστάσεων 6.64x4.75x3.0 m2 με φώτα LED (το κάθε ένα εκ

των οποίων περιέχει πολλές LED) τοποθετημένα σε 6 σημεία του δωματίου σε ύψος 2.5m και

δέκτη τοποθετημένο πάνω σε γραφείο 0.85m με FOV 60o και επιφάνεια 1.0cm2.

82

Το μέγεθος κάθε φωτός LED πρέπει να είναι μικρότερο από αυτό ενός τυπικού λαμπτήρα

φθορισμού, δηλαδή 2.1x2.4. Έτσι ο αριθμός των απαραίτητων LED για κάθε φως περιορίζε-

ται ως εξής [13]:

N LED≤[2 .1s ]×[ 2.4s ] (25)

Στις παρακάτω εικόνες βλέπουμε την διανομή SNR σε ένα τερματικό χρήστη εξοπλισμένο με

πέντε είδη από φώτα LED που αναφέρονται στον πίνακα 4. Παρατηρούμε ότι η απαίτηση για

SNR περισσότερο από 13.6dB ικανοποιείται σε όλες τις περιπτώσεις. Επίσης στην εικόνα 32

φαίνεται μία ρεαλιστική διάταξη. Συγκεκριμένα, το μέγεθος των LED είναι ίδιο με αυτό μίας

λάμπας φθορισμού [13].

Φαίνεται ότι σε όλες τις περιπτώσεις, ο λόγος σήματος προς θόρυβο στις γωνίες του δωματίου

είναι μικρός. Λαμβάνοντας υπ' όψιν τις πραγματικές συνθήκες, σπάνια χρησιμοποιούμε έναν

τερματικό χρήστη στη γωνία ενός δωματίου. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι λαμβάνεται ένα

επαρκές SNR [13].

83

Πίνακας 4: Δεδομένα της ανάλυσης. [13]

84

Εικόνα 30: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση A.

Μέση τιμή = 59.2[dB], μέγιστο = 61.8[dB], ελάχιστο = 44.4[dB] [13]

Εικόνα 31: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση Β.

Μέση τιμή = 64.2[dB], μέγιστο = 67.0[dB], ελάχιστο = 49.4[dB][13]

85

Εικόνα 33: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση D.

Μέση τιμή = 58.4[dB], μέγιστο = 62.9[dB], ελάχιστο = 46.0[dB] [13]

Εικόνα 32: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση C.

Μέση τιμή = 53.6[dB], μέγιστο = 57.8[dB], ελάχιστο = 41.7[dB] [13]

3.9 Απόδοση με Διασυμβολική Παρεμβολή

Στις ασύρματες επικοινωνίες ορατού φάσματος ο δίαυλος του συστήματος δεν πλήττεται

μόνο από την επίδραση του θορύβου αλλά και από την ύπαρξη της διασυμβολικής παρεμβο-

λής (Intersymbol Interference - ISI) λόγω διάδοσης του ίδιου του σήματος μέσω πολλαπλών

διαδρομών (multi path propagation).

86

Πίνακας 5: Δεδομένα διατάξεων LED [13].

Εικόνα 34: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση E.

Μέση τιμή = 60.8[dB], μέγιστο = 64.3[dB], ελάχιστο = 48.8[dB] [13]

Η εξασθένηση λόγω πολλαπλών δρόμων (multipath fading) μπορεί να αγνοηθεί στο ασύρμα-

το οπτικό κανάλι. Στο κανάλι αυτό, ο φορέας πληροφοριών είναι ένα κύμα φωτός του οποίου

η συχνότητα είναι περίπου 1014 Hz. Επιπλέον, οι διαστάσεις του ανιχνευτή είναι της τάξης

των χιλιάδων του μήκους κύματος, δεδομένο που οδηγεί σε αποτελεσματική χωρική ποικι-

λομορφία, η οποία εμποδίζει την εξασθένηση πολλαπλής διαδρομής. Για τους παραπάνω

λόγους, η εξασθένηση αυτή μπορεί να αγνοηθεί [10].

Για να μελετήσουμε την επιρροή της διασυμβολικής παρεμβολής με τον θόρυβο υποθέτουμε

διαμόρφωση OOK (Οn-Off Keying) με ορθογώνια εκπεμπόμενους παλμούς διάρκειας ίση με

την περίοδο bit, καθώς και ένα φίλτρο δέκτη που ομαλοποιεί τον παλμό που έλαβε για να

έχουμε ένα αυξημένο συνημιτονοειδές φάσμα με 100% περίσσεια εύρους ζώνης. Η έξοδος

του ισοσταθμιστή περιέχει έναν Gaussian θόρυβο έχοντας μια συνολική διακύμανση Ν που

είναι το άθροισμα των συνεισφορών από τον θόρυβο βολής, τον θερμικό θόρυβο και τη δια-

συμβολική παρεμβολή από μία διαφορά οπτικού δρόμου [10].

N=σ shot2 +σ thermal

2 +γ2 PrISI2

(26)

Η λαμβανόμενη ισχύς από την διασυμβολική παρεμβολή PrISI βρίσκεται από την εξίσωση

(15). Η διακύμανση του θορύβου βολής δίνεται από [10]:

σ shot2

=2qγ (P rISI+Prsignal)B+2qI bg I2B (27)

όπου q είναι το ηλεκτρονικό φορτίο, B είναι ισοδύναμο εύρος ζώνης θορύβου, IBG είναι ρεύμα

υποβάθρου. Και έχουμε ορίσει τους παράγοντες εύρος ζώνης θορύβου I2 = 0.562. Υποθέτου-

με τη χρήση ενός δέκτη p-i-n/FET διακένωσης και αγνοούμε τις εισφορές θορύβου από τη

διαρροή ρεύματος πύλης και 1/f θορύβου. Η διακύμανση του θερμικού θορύβου δίνεται από

[10]:

87

σ thermal2 =

8πkT K

GηAI 2B

2+16 π2 kTK Γ

gmη2 A2 I 3B

3 (28)

όπου οι δύο όροι αντιπροσωπεύουν τον θόρυβο ανάδρασης-αντίστασης και τον θόρυβο διαύ-

λου του FET αντίστοιχα. Εδώ, k είναι η σταθερά του Boltzmann, TK είναι η απόλυτη θερμο-

κρασία, G είναι το κέρδος τάσης ανοιχτού βρόχου, n είναι η σταθερή χωρητικότητα του φω-

τοανιχνευτή ανά μονάδα επιφανείας, Γ είναι ο συντελεστής θορύβου του διαύλου του FET, η

GM είναι η διαγωγιμότητας του FET και I3 = 0.0868. Στην εικόνα 33 φαίνονται μερικά αριθ-

μητικά παραδείγματα, στα οποία έχουμε επιλέξει τις ακόλουθες τιμές παραμέτρων: T = 295

K, γ = 0.54 A/W, G = 10, gm = 30ms, Γ = 1.5, n = 112pF/cm2 και Β = 100Mb/s. Και υπο-

θέτουμε ότι το διάχυτο ρεύμα είναι από το άμεσο ηλιακό φως.

Η κατανομή του SNR φαίνεται παρακάτω. Στην εικόνα 36 βλέπουμε την απόδοση του άμε-

σου φωτός, και στην εικόνα 37 την απόδοση όπως αντανακλάται το φως. Από τα στοιχεία

αυτά, το απαιτούμενο SNR λαμβάνεται σχεδόν σε όλα τα μέρη του δωματίου. Έτσι, το προ-

τεινόμενο σύστημα καθιστά δυνατή τη μετάδοση στα 100 Mb/s.[10]

88

Εικόνα 35: Η επίδραση του θορύβου στο ρυθμό δεδομένων.[10]

89

Εικόνα 36: Η κατανομή του SNR με διασυμβολική παρεμβολή (απευθείας φως).

Ελάχιστο 12.7 dB, Μέγιστο 24.8 dB, Μέσο 18.9 dB. [10]

Εικόνα 37: Η κατανομή του SNR με διασυμβολική παρεμβολή (ανακλώμενοφως).

Ελάχιστο 11.6 dB, Μέγιστο 20.1 dB, Μέσο 15.4 dB. [10]

3.10 Λόγος Σήματος προς Θόρυβο και οπτικό πεδίο του δέκτη

Στα συστήματα VLC η διασυμβολική παρεμβολή και ο λόγος σήματος-προς-θόρυβο εξαρ-

τώνται από τον ρυθμό δεδομένων (Data Rate) και τη γωνία οπτικού πεδίου του δέκτη (Field

of View - FOV) μίας και ο πομπός έτσι και αλλιώς πρέπει να έχει μεγάλη γωνία ακτινοβολίας

για λόγους φωτισμού [10].

Για μια εκτενέστερη περιοχής κάλυψης, ένας δέκτης με ένα ευρύτερο FOV είναι προτιμότε-

ρος. Ωστόσο, ένα ευρύτερο FOV οδηγεί σε υποβάθμιση των επιδόσεων, επειδή όλα τα λαμ-

βανόμενα σήματα συμπεριλαμβανομένων των ανεπιθύμητων σημάτων που επεξεργάζονται

ταυτόχρονα. Επιπλέον, το σύστημα θα χρειάζεται, επίσης, μια μονάδα διαχείρισης πρωτοκόλ-

λου και ένα κύκλωμα ανάκτησης δεδομένων (clock) για το συγχρονισμό των ληφθέντων πα-

κέτων που αντιστοιχούν στο λαμβανόμενο επίπεδο ισχύος [4].

90

Εικόνα 38: Το δωμάτιο του μοντέλου.

Οι διαστάσεις του δωματίου είναι 5m x 5m x 3m. Το ύψοςτου γραφείου είναι 0.85 m από το πάτωμα. Το ύψος που είναι

τοποθετημένο το φως είναι 2.5 m από το πάτωμα. [10]

Θεωρούμε για παράδειγμα ένα δωμάτιο διαστάσεων 5x5x3m2 (ρεαλιστικές διαστάσεις) στο

οποίο υπάρχουν φώτα LED τοποθετημένα σε 4 σημεία του δωματίου (όπως φαίνεται και στην

εικόνα 38) σε ύψος 2.5m από το πάτωμα και έναν τερματικός χρήστης είναι τοποθετημένος

σε ύψος 0.85m από το πάτωμα (π.χ. Έναν υπολογιστή πάνω σε ένα γραφείο). Το κάθε ένα

από τα φώτα LED περιέχει 3600 (60x60) LEDs.[10]

Για να γίνει κατανοητή η αμεσότητα της σχέσης των παραπάνω, στο δωμάτιο -”μοντέλο” πα-

ρατηρούμε την συμπεριφορά του λόγου σήματος-προς-θόρυβο στις διάφορες μεταβολές του

οπτικού πεδίου του δέκτη, όπως επίσης και τις αυξομειώσεις του ρυθμού δεδομένων. Στις ει-

κόνες είναι σημειωμένο το όριο των 13.6dB ου είναι απαραίτητο για την επίτευξη σωστής

επικοινωνίας.

Στην εικόνα 40 φαίνεται η σχέση μεταξύ του οπτικού πεδίου και του SNR με διασυμβολική

παρεμβολή. Για το δωμάτιο που περιγράφεται παραπάνω, έχουμε χαράξει γράφημα με το

μέγιστο, το μέσο και το ελάχιστο SNR. Σε αυτό το μοντέλο, δεν θεωρούμε την ύπαρξη συ-

στήματος εντοπισμού (tracking). Έτσι βλέπουμε ότι, όταν η γωνία οπτικού πεδίου είναι μι-

κρότερη από 40ο, η τυφλή περιοχή υπάρχει. Επιπλέον, γνωρίζουμε ότι το απαραίτητο SNR

λαμβάνεται στο σύνολο του χώρου, όταν το FOV είναι 40ο έως 60ο. Μικρή γωνία ακτινοβολί-

ας καλυτερεύει την επίδοση αφού μειώνεται η διασυμβολική παρεμβολή.

91

Στην εικόνα 39 απεικονίζεται το λαμβανόμενο μέσο SNR με διασυμβολική παρεμβολή για

κάθε ρυθμό δεδομένων (data rate). Γνωρίζουμε ότι το λαμβανόμενο μέσο SNR μειώνεται σε

υψηλό ρυθμό δεδομένων. Όταν, λοιπόν, περιμένουμε ο ρυθμός των δεδομένων να είναι της

τάξης των 200 Mb/s, θα πρέπει να σχεδιάσουμε το FOV από 40ο - 50ο.

3.11 Λειτουργία με σύστημα εντοπισμού (tracking system)

Στην εικόνα 41 παρουσιάζεται η σχέση μεταξύ FOV και λαμβανόμενου μέσου SNR με εντο-

πισμό (tracking). Όταν αναμένουμε ότι ο ρυθμός των δεδομένων είναι περίπου 300Mb/s, θα

πρέπει να σχεδιάσουμε FOV μικρότερο από 30ο. Στην 44 απεικονίζεται η σχέση μεταξύ του

ρυθμού δεδομένων και του λαμβανόμενου SNR με εντοπισμό. Όταν το FOV είναι 5ο, ο ρυθ-

μός δεδομένων είναι περίπου 10 Gb/s. Ο εντοπισμός κάνει μία τόσο υψηλή ταχύτητα επικοι-

νωνίας δυνατή.

92

Εικόνα 39: Σχέση του οπτικού πεδίου με το μέσολαμβανόμενο SNR με ύπαρξη διασυμβολικής πα-

ρεμβολής (χωρίς εντοπισμό) [10]

Εικόνα 40: Σχέση του οπτικού πεδίου με το SNR μεύπαρξη διασυμβολικής παρεμβολής (χωρίς εντο-

πισμό) [10]

Ως εκ τούτου, όταν το σύστημα επικοινωνίας ορατού φωτός δεν έχει εντοπισμό, είναι δυνατή

η μετάδοση δεδομένων περίπου 200Mb/s ενώ όταν το σύστημα έχει σύστημα εντοπισμού, γί-

νεται εφικτή μετάδοση δεδομένων περίπου 10Gb/s [10].

3.12 Ένταση θορύβου και ρυθμός σφαλμάτων

Όπως έχει αναφερθεί και σε προηγούμενο κεφάλαιο, η απόδοση στα συστήματα VLC εξαρ-

τάται από τον τύπο της διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται. Ο ρυθμός σφαλμάτων για αξιόλο-

γη επικοινωνία πρέπει να είναι τις τάξεως του 10-6. Προκειμένου να υπολογιστεί και να προσ-

διοριστεί το BER και η ισχύς απόδοσης των διαφόρων σχημάτων διαμόρφωσης, πρέπει να γε-

νικευθεί η πιθανότητα σφάλματος (BEP) για μια διαμόρφωση L χρονοθυρίδων υπό την πα-

ρουσία γκαουσιανού προσθετικού λευκού θορύβου (AWGN), υποθέτοντας τη Μέγιστη Πιθα-

νότητα (Maximum Likelihood) ανίχνευσης και αγνοώντας την ISI.

93

Εικόνα 42: Σχέση του οπτικού πεδίου με το μέσολαμβανόμενο SNR με ύπαρξη διασυμβολικής πα-

ρεμβολής (με εντοπισμό) [10]

Εικόνα 41: Σχέση του ρυθμού δεδομένων με τοSNR με ύπαρξη διασυμβολικής παρεμβολής (με

εντοπισμό) [10]

Ο πομπός μεταβιβάζει τις πληροφορίες σε ένα ρυθμό Rb bits/sec μεταδίδοντας ένα από τα L

μη-αρνητικά σήματα {x1(t), x2(t), …, xL(t)} κάθε T = log2L/Rb sec και το κανάλι προσθέτει

λευκό Gaussian θόρυβο με το φάσμα ισχύος Νο. Το BER δίνεται από το [4] σε όρους της

ελάχιστης απόστασης ως:

BER=Q(dmin

2√N o

) (29)

όπου dmin είναι η ελάχιστη ευκλείδεια απόσταση και δίνεται από [4]:

dmin2

=min∫1≠ j

[ xi(t )−x j(t)]2dt (30)

Τότε για διαμόρφωση OOK το BER παίρνει τιμές που βρίσκονται από την παρακάτω εξίσω-

ση, [4]:

BEROOK=Q(RPav

√RbNo

) (31)

με την ελάχιστ απόσταση να είναι

dmin=2RPav

√Rb

(32)

Ένώ για διαμορφώσεις τύπου L-PPM βρίσκεται από [4]:

BERL−PPM=L /2L−1

Q(√ R2L Pav2log2(L)

2No Rb

) (33)

BER1−LPPM=L/2L−1

Q (√ R2 LPav2 log2(L)

2(L−1)2No Rb

) (34)

BER SC−LPPM=L/2L−1

Q12(√ 3 R

2 LPav2 log2(L)

N oRb

) (35)

94

όπου η ελάχιστη απόσταση είναι:

dmin=√ 2 R2L Pav

2 log2(L)

Rb

(36)

Στα συστήματα VLC έχει σημασία η σταθερή μετάδοση δεδομένων να παρέχεται ακόμη και

αν ο θόρυβος από τον υπόλοιπο φωτισμό είναι ισχυρός, έτσι η μέθοδος διαμόρφωσης που

χρησιμοποιείται πρέπει να προσφέρει υψηλή ανθεκτικότητα. Η διαμόρφωση PPM και οι πα-

ραλλαγές της είναι αποτελεσματικές σε τεχνικές με υψηλή απόδοση ισχύος και ελάχιστη κα-

τανάλωσης ενέργειας. Όταν αυξάνεται το L, η ενεργειακά αποδοτική διαμόρφωση L-PPM

μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αρκετά υψηλούς ρυθμούς δεδομένων. Ωστόσο η SC-LPPM

φαίνεται να είναι περισσότερο αποτελεσματική, προσφέροντας ταυτόχρονα και πολύ καλά

χαρακτηριστικά για το SNR. Στην εικόνα 43 φαίνεται το διάγραμμα του ρυθμού σφαλμάτων

bit για έξι από τα πιο συνηθισμένα σχήματα διαμόρφωσης.

Στην SC-PPM, αντικαθιστούμε τους ορθογώνιους παλμούς με υπο-φέροντα κύματα που με-

τατοπίζουν το φάσμα ισχύος του σήματος σε υψηλότερη ζώνη συχνοτήτων ελαχιστοποιώντας

95

Εικόνα 43: BER συναρτήσει του SNR (dB) για δίαφορους τύπουςδιαμόρφωσης [4].

έτσι την επίδραση του φωτός φθορισμού και της χαμηλής συχνότητας DC συνιστώσας που

έχει το φάσμα του θορύβου. Το σήμα μπορεί να διαχωριστεί από την συνιστώσα του περιβάλ-

λοντα θορύβου με την τοποθέτηση ενός κατάλληλου φίλτρου στην πλευρά του δέκτη [4].

96

Κεφάλαιο 4

Τεχνικές αντιμετώπισης της επίδρασης του θορύβου στην

απόδοση των συστημάτων VLC

4.1 Φίλτρα

Στην επεξεργασία σήματος, ένα φίλτρο είναι μια συσκευή ή μια διαδικασία που αφαιρεί από

ένα σήμα κάποια ανεπιθύμητα στοιχεία ή χαρακτηριστικά. Το φιλτράρισμα αποτελεί μια κα-

τηγορία της επεξεργασίας σήματος, το κυρίαρχο χαρακτηριστικό της οποίας είναι η πλήρης ή

μερική καταστολή κάποιας πτυχής του σήματος. Τις περισσότερες φορές, αυτό σημαίνει την

άρση ορισμένων συχνοτήτων, προκειμένου να υπάρξει καταστολή των σημάτων παρεμβολής

και μείωση του θορύβου υποβάθρου. Οι συσχετισμοί μπορούν να αφαιρεθούν για ορισμένες

συνιστώσες και όχι για άλλες. Το μειονέκτημα του φιλτραρίσματος είναι η απώλεια των πλη-

ροφοριών που συνδέονται με αυτό.

4.1.1 Ηλεκτρικά Φίλτρα

Ένα ηλεκτρικό φίλτρο είναι ένα δίκτυο που μεταβάλλει το πλάτος ή και τα χαρακτηριστικά

της φάσης ενός σήματος σε σχέση με τη συχνότητα. Στην ιδανική περίπτωση, ένα φίλτρο δεν

θα προσθέσει νέες συχνότητες στο σήμα εισόδου, ούτε θα αλλάξει την συνιστώσα των συχνο-

τήτων του εν λόγω σήματος, αλλά θα αλλάξει τα σχετικά πλάτη των διαφόρων συστατικών

συχνότητας ή και την μεταξύ τους φάση. Τα φίλτρα χρησιμοποιούνται συχνά σε ηλεκτρονικά

συστήματα για να τονίσουν τα σήματα σε ορισμένες περιοχές συχνοτήτων και να απορρίψουν

97

τα σήματα σε άλλες. Ένα τέτοιο φίλτρο έχει μία απολαβή που εξαρτάται από την συχνότητα

του σήματος [21].

4.1.1.1 Φίλτρα Διέλευσης Χαμηλών Συχνοτήτων

Ένα χαμηλοπερατό φίλτρο (Low Pass Filter - LPF) είναι ένα φίλτρο που περνάει σήματα χα-

μηλής συχνότητας και εξασθενεί (μειώνει το εύρος) σήματα με συχνότητες υψηλότερες από

τη συχνότητα αποκοπής. Το πραγματικό ποσό της απόσβεσης για κάθε συχνότητα ποικίλλει

ανάλογα με το συγκεκριμένο σχεδιασμό του φίλτρου. Φίλτρα διελεύσεως χαμηλών συχνοτή-

των παρέχουν μια ομαλότερη μορφή ενός σήματος, αφαιρώντας τις βραχυπρόθεσμες διακυ-

μάνσεις, και αφήνοντας την πιο μακροπρόθεσμη τάση.

4.1.1.2 Φίλτρα Διέλευσης Υψηλών Συχνοτήτων

Ένα φίλτρο διέλευσης υψηλών συχνοτήτων (High Pass Filter - HPF) είναι ένα ηλεκτρονικό

φίλτρο που περνάει σήματα υψηλής συχνότητας, αλλά εξασθενεί (μειώνει το εύρος) σήματα

με συχνότητες κάτω από τη συχνότητα αποκοπής. Η πραγματική ποσότητα της εξασθένησης

για κάθε συχνότητα ποικίλλει από το φίλτρο για το φιλτράρισμα. Ένα υψιπερατό φίλτρο συ-

νήθως μοντελοποιείται ως ένα γραμμικό χρονικά αναλλοίωτο σύστημα. Φίλτρα υψηλής

διέλευσης έχουν πολλές χρήσεις, όπως τον αποκλεισμό της DC συνιστώσας από ευαίσθητα

σε μη μηδενική μέση τάση κυκλώματα και συσκευές ραδιοσυχνοτήτων.

4.1.1.3 Φίλτρα Διέλευσης Ζώνης Συχνοτήτων

Ένα ζωνοπερατό φίλτρο (Band Pass Filter - BPF) είναι μια συσκευή που περνά συχνότητες

εντός συγκεκριμένων ορίων και απορρίπτει (εξασθενεί) συχνότητες εκτός αυτής της περιο-

χής. Είναι συνδυασμός ενός χαμηλοπερατού και ενός υψιπερατού φίλτρου.

98

4.1.2 Οπτικά Φίλτρα

Τα οπτικά φίλτρα είναι συσκευές που μεταδίδουν επιλεκτικά φως διαφορετικού μήκους κύ-

ματος και συνήθως είναι επίπεδες γυάλινες ή πλαστικές συσκευές που παρεμβάλλονται στην

οπτική διαδρομή, οι οποίες είτε είναι βαμμένες σε ενιαίο χρώμα (απορροφητικά φίλτρα) ή

έχουν επιστρώσεις (φίλτρα παρεμβολών/διχρωϊκά φίλτρα).

Τα διχρωϊκά φίλτρα μπλοκάρουν τις ανεπιθύμητες ακτινοβολίες μέσω ανάκλασης, ενώ τα

απορροφητικά φίλτρα (έγχρωμο γυαλί) μπλοκάρουν τις διάφορες συνιστώσες της διερχόμε-

νης ακτινοβολίας με απορρόφηση. Τα οπτικά φίλτρα μεταδίδουν επιλεκτικά φως σε ένα συ-

γκεκριμένο φάσμα μηκών κύματος, ενώ φράσσουν το υπόλοιπο φάσμα. Μπορούν να πε-

ράσουν, ανάλογα με το είδος, μακρά μήκη κύματος μόνο (Long Pass), μόνο βραχέα μήκη κύ-

ματος (Short Pass), ή μια ζώνη μηκών κύματος, αποκόπτοντας τόσο μακρύτερα όσο και βρα-

χύτερα μήκη κύματος (Band Pass). Η ζώνη διέλευσης μπορεί να είναι στενότερη ή ευρύτερη.

99

Εικόνα 44: Λειτουργία ενός φίλτρου απορρόφησης (πηγή: http://photojojo.com)

Η μετάβαση ή η οριακή τιμή μεταξύ των μέγιστων και των ελάχιστων μετάδοσης μπορεί να

είναι απότομη ή σταδιακή. Υπάρχουν φίλτρα με πιο πολύπλοκα χαρακτηριστικά μετάδοσης,

για παράδειγμα με δύο κορυφές αντί για μία ενιαία ζώνη. Φίλτρα με πιο συνηθισμένα χαρα-

κτηριστικά χρησιμοποιούνται για επιστημονικές και τεχνικές εργασίες [26].

4.1.2.1 Φίλτρα Μακράς Διόδου

Ένα φίλτρο μακράς διόδου(Long Pass Filter - LP) είναι μια οπτική παρεμβολή ή ένα έγχρωμο

γυάλινο φίλτρο που εξασθενεί τα βραχύτερα μήκη κύματος και μεταδίδει (περνά) τα μεγαλύ-

τερα μήκη κύματος πάνω από το ενεργό εύρος του φάσματος στόχου (υπεριώδης, ορατή ή

υπέρυθρη ακτινοβολία). Τα φίλτρα μακράς διόδου, που μπορούν να έχουν πολύ απότομη

κλίση, περιγράφονται από περικοπή του μήκους κύματος στο 50% της κορυφής μετάδοσης.

Στο μικροσκόπιο φθορισμού, τα φίλτρα αυτά χρησιμοποιούνται συχνά σε διχρωϊκά κάτοπτρα

και φίλτρα φραγμού (εκπομπής).

100

Εικόνα 45:Φίλτρα παρεμβολής ή Διχρωϊκά φίλτρα [23]

Η χρήση του παλαιότερου όρου «χαμηλής διέλευσης» για να περιγράψει το φίλτρο μακράς

διόδου έχει γίνει ασυνήθιστη διότι τα οπτικά φίλτρα συνήθως περιγράφονται σε όρους μή-

κους κύματος και όχι στη συχνότητα, έτσι ένα «φίλτρο χαμηλής διέλευσης» θα γίνει κατα-

νοητό ότι είναι ένα ηλεκτρονικό φίλτρο.

4.1.2.2 Φίλτρα Βραχείας Διόδου

Ένα φίλτρο βραχείας διόδου (Short Pass Filter – SP) είναι μια οπτική παρεμβολή ή ένα έγ-

χρωμο γυάλινο φίλτρο που εξασθενεί μεγαλύτερα μήκη κύματος, και μεταδίδει (περνά) τα

βραχύτερα μήκη κύματος πάνω από το ενεργό εύρος του φάσματος στόχου (συνήθως στην

υπεριώδη και ορατή περιοχή).

4.1.2.3 Φίλτρα Διέλευσης Ζώνης

Τα φίλτρα διέλευσης ζώνης (Band Pass filter), όπως και τα αντίστοιχα ηλεκτρικά ζωνοπερατά

φίλτρα, μεταδίδουν μόνο μια συγκεκριμένη ζώνη μηκών κύματος, και μπλοκάρουν τα

101

Εικόνα 46: Έγχρωμα γυάλινα φίλτρα [23]

υπόλοιπα. Το πλάτος ενός τέτοιου φίλτρου εκφράζεται στην κλίμακα του μήκους κύματος

που αφήνει να περνά και μπορεί να είναι οτιδήποτε, από πολύ μικρότερο από ένα angstrom

σε μερικές εκατοντάδες νανόμετρα. Ένα τέτοιο φίλτρο μπορεί να κατασκευαστεί συνδυάζο-

ντας ένα LP και ένα SP φίλτρο.

4.2 Μείωση του θορύβου με χρήση φίλτρων

Αναφέραμε και προηγουμένως ότι ο θερμικός θόρυβος στο σύστημα δημιουργείται λόγω της

τυχαίας κίνησης των μεταφορέων στα διάφορα ωμικά στοιχεία του δέκτη (μοντελοποιείται

σαν Gaussian) και συνεπώς εξαρτάται από αυτά. Είναι εύκολο έτσι να μειωθεί σε ένα βαθμό

με την χρήση κατάλληλων ηλεκτρικών φίλτρων διότι δεν είναι μεταβαλλόμενος και μπορεί να

προβλεφθεί. Το κόστος στο ληφθέν σήμα υπάρχει αλλά δεν είναι τόσο μεγάλο ώστε να επη-

ρεάζει την επικοινωνία.

Από την άλλη, όπως είδαμε και στην ανάλυση για τον θόρυβο, η μέση οπτική ισχύς που προ-

σπίπτει στον φωτοανιχνευτή, οφείλεται σε φυσικό και τεχνητό φως του περιβάλλοντος και

προκαλεί πολύ υψηλά επίπεδα θορύβου βολής που περιορίζει την απόδοση των συστημάτων

μεταφοράς. Επιπλέον, οι τεχνητές πηγές φωτός παράγουν ακτινοβολία μεταβλητού χρόνου,

με αποτέλεσμα την δημιουργία ενός οπτικού σήματος που παρεμβαίνει με το μεταδιδόμενο

σήμα. Η παρεμβολή λόγω αυτού του σήματος είναι περιοδική και ντετερμινιστική. Οι επι-

δράσεις πού δημιουργεί το διάχυτο φως μειώνονται καταφεύγοντας ταυτόχρονα και στους

δύο τύπους φίλτρων, οπτικό και ηλεκτρικό. Ειδικότερα, η παρεμβολή που παράγεται από

λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονικά ballasts επιβάλλει πολύ μεγάλες οπτικές κυρώσεις

ενέργειας για συστήματα που λειτουργούν σε ταχύτητες δεδομένων έως μερικές δεκάδες

Mbps . Η χρήση οπτικών φίλτρων μειώνει την ποσότητα της ανεπιθύμητης οπτικής ισχύος

που φθάνει στο φωτοανιχνευτή. Το οπτικό φίλτρο μπορεί να είναι βραχυπερατό (Long Pass

102

filter) ή ζωνοπερατό (Band Pass filter), όπως τα φίλτρα παρεμβολής ή διχρωϊκά φίλτρα). Τα

διχρωϊκά οπτικά φίλτρα είναι πιο αποτελεσματικά, αλλά έχουν πολύ μεγάλο κόστος που καθι-

στά δύσκολη τη χρήση τους σε πρακτικά συστήματα [17].

Δεδομένου ότι το φάσμα ισχύος που παράγεται από τεχνητές πηγές φωτός επικεντρώνεται

στις χαμηλές συχνότητες, ηλεκτρικά υψιπερατά HPF μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να

μειώσουν την ποινή ισχύος για τα συστήματα μετάδοσης. Η επιλογή της συχνότητας αποκο-

πής του φίλτρου είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ της μείωσης που μπορεί να επιτευχθεί για

την παρεμβολή και του ποσού της διασυμβολικής παρεμβολής (ISI), που έχει εισαχθεί. Η

αποτελεσματικότητα των ηλεκτρικών φίλτρων διέλευσης υψηλών συχνοτήτων εξαρτάται από

το ρυθμό των δεδομένων και από το είδος της παρεμβολής που είναι παρούσα [17] [37].

Τα οπτικά φίλτρα χρησιμοποιούνται για να μειώσουν την επίδραση του φωτός του περιβάλ-

λοντος, δημιουργώντας ένα οπτικό σύστημα στενής ζώνης (narrow-band) που επιτρέπει μόνο

στο διαμορφωμένο μήκος κύματος από την πηγή να ανιχνευθεί. Στην περίπτωση του θορύβου

από το φως του ήλιο στα συστήματα VLC η διαμορφωμένη ενέργεια καλύπτει ολόκληρο το

ορατό φάσμα, έτσι το φιλτράρισμα θα μειώνει τόσο το φως του περιβάλλοντος θορύβου από

το φως της ημέρας όσο και το επιθυμητό σήμα. Η μοντελοποίηση δείχνει ότι μέτρια κέρδη (~

3dB) διατίθενται με τη χρήση ενός «βέλτιστου» φίλτρου (που μεγιστοποιεί τον ληφθέντα

λόγο σήματος-προς-θόρυβο (SNR) αλλάζοντας το μήκος κύματος και το εύρος ζώνης του

φίλτρου), έτσι τα οπτικά φίλτρα για την απόρριψη του σήματος είναι πιθανό να είναι μην εί-

ναι πολύ ωφέλιμα σε όλες τις περιπτώσεις θορύβου.

Ωστόσο, το φιλτράρισμα στο κίτρινο μέρος του φάσματος εκπομπής μπορεί να οδηγήσει σε

υψηλότερα ποσοστά μετάδοσης δεδομένων. Αυτό συμβαίνει κατά κύριο λόγο όταν χρησιμο-

103

ποιούμε λευκές LED φωσφόρου των οποίων το φάσμα δημιουργεί «κορυφή» στην «μπλε»

περιοχή – μεταξύ 400 και 500nm – και συνεπώς δεν επηρεάζεται σε τόσο μεγάλο βαθμό από

την απορρόφηση στο κίτρινο μέρος η οποία όμως επηρεάζει αρκετά το σήμα που προέρχεται

από λάμπες πυρακτώσεως.

Όταν χρησιμοποιούμε λευκές ψυχρές LED φωσφόρου σαν πομπούς έχει δειχθεί, ότι με τη

χρήση ενός οπτικού φίλτρου στο δέκτη μπορεί να απομακρυνθεί το κίτρινο αργό συστατικό

του φάσματος και να αυξηθεί το εύρος ζώνης μέχρι και 12 έως 25 MHz, ανάλογα με την συ-

σκευή.

Η ποινή που επιβάλλεται στην οπτική ισχύ λόγω της παρεμβολής τεχνητού φωτός εξαρτάται

επίσης από τον τύπο της διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται. Έχει αποδειχθεί ότι, για OOK-

NRZ συστήματα διαμόρφωσης, η παρεμβολή που παράγεται από λαμπτήρες πυρακτώσεως

και φθορισμού με συμβατικά ballasts μπορεί αποτελεσματικά να μετριαστεί με το συνδυασμό

οπτικού φιλτραρίσματος και ηλεκτρικού φιλτραρίσματος διέλευσης υψηλών συχνοτήτων. Για

L-PPM συστήματα, η ποινή που επάγεται από αυτούς τους δύο τύπους παρεμβολής είναι ση-

μαντικά μικρή εάν χρησιμοποιείται ένας “μέγιστος-εκ-των-υστέρων” (Maximum-A-Posteriori

- ΜΑΡ) ανιχνευτής. Ωστόσο, η παρεμβολή που παράγεται από λαμπτήρες φθορισμού με στε-

ρεάς κατάστασης ballasts προκαλεί πολύ μεγάλες ποινές στην ισχύ ακόμη και όταν χρησιμο-

ποιείται ηλεκτρικό υψιπερατό φίλτρο, τόσο σε OOK-NRZ και L-PPM συστήματα [17].

4.2.1 Αύξηση των επιδόσεων με ισοστάθμιση (equalization)

Η χρήση λευκών LED φωσφόρου, παρόλο που θεωρείται πιο χρηστική από τα RGB συστή-

ματα (είναι πιο απλοποιημένο) και επιπλέον βοηθάει στη περίπτωση του οπτικού φιλτραρί-

σματος λόγο της “κορυφής' που δημιουργεί το φάσμα εκπομπής στην μπλε περιοχή του φω-

104

τός, περιορίζει ωστόσο την επικοινωνία λόγο του μικρότερου εύρους ζώνης (λόγω της αργής

μεταβολής του φωσφόρου στη σταθερά του χρόνου). Έτσι έχει αναπτυχθεί μια άλλη τεχνική

που μέσω της ισοστάθμισης (equalization) στον πομπό ή στον δέκτη, σε συνδιασμό με οπτι-

κό φιλτράρισμα με μπλέ φίλτρο απορρόφησης στον δέκτη διευρύνουν το διαθέσιμο εύρος

ζώνης μέχρι μία τάξη μεγέθους [28][30][31].

Τα συστήματα VLC που συνδυάζουν οπτικό φιλτράρισμα και ισοστάθμιση έδειξαν δυνατότη-

τες διαβίβασης και λήψης δεδομένων σε διαμόρφωση OOK-NRZ με ταχύτητες έως 100

Mbit/s. Παρά το γεγονός ότι οι τεχνικές αυτές αυξάνουν το διαθέσιμο εύρος ζώνης, επι-

βάλουν τελικά και ποινή στην ισχύ λόγω του μπλε φίλτρου και των, παθητικού τύπου, ηλε-

κτρονικών που χρησιμοποιούνται για την ισοστάθμιση [28].

Το πλεονέκτημα της ισοστάθμισης στον δέκτη σε σχέση με την αντίστοιχη τεχνική στον πο-

μπό είναι ότι τόσο το μπλε φίλτρο όσο και ο ισοσταθμιστής βρίσκονται στο δέκτη, έτσι ώστε

δεν απαιτούνται οι πολύπλοκοι ηλεκτρονικοί ρυθμιστές που θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν

για κάθε LED φωτισμού ξεχωριστά [30].

4.3 Απόρριψη θορύβου με χρήση αισθητήρων φάσματος

Πρόσφατα μελετήθηκε μια νέα μέθοδος που στοχεύει στην απόρριψη των παρεμβολών στα

συστήματα VLC. Σε αυτήν προτείνεται η εφαρμογή μιας σειράς αισθητήρων φάσματος στην

πλευρά του δέκτη για να επιτευχθεί η απόρριψη των παρεμβολών. Λόγω των τελευταίων εξε-

λίξεων στις τεχνολογίες των ημιαγωγών, αισθητήρες φάσματος με διαφορετικές φασματικές

ιδιότητες μετάδοσης μπορούν να ενσωματωθούν σε έναν πίνακα αισθητήρων μεγέθους μι-

κροτσίπ. Με κατάλληλο σχεδιασμό των διορθωτικών συντελεστών για τους επιμέρους αισθη-

105

τήρες φάσματος, μπορεί να επιτευχθεί ο μέγιστος λόγος για το σήμα εξόδου σε αναλογία με

τις παρεμβολές [32] [37].

Η σχηματική αναπαράσταση του πρωτότυπου ενός χαμηλού κόστους νανο-οπτικού αισθητή-

ρα φάσματος που βασίζεται στα φίλτρα παρουσιάζεται στις εικόνες 47 και 48. Η βασική τε-

χνολογία αυτού του “on-a-chip” αισθητήρα βασίζεται σε μία νάνο-οπτική συστοιχία φίλτρων

που μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα κανονικό φωτοανιχνευτή, όπως είναι ένας CMOS

(Complementary Metal-Oxide Semiconductor - Ημιαγωγός Μετάλλου Οξειδίου) απεικονι-

στής. Με την εισαγωγή δομών νάνο-κλίμακας σε μεταλλικές μεμβράνες, οι πλασμονικές συ-

σκευές μπορούν να παρέχουν ένα μοναδικό τρόπο για να ελέγχουν την πόλωση και το μήκος

κύματος του φωτός που διέρχεται μέσα από τις δομές αυτές. Μία από τις σημαντικές διαφο-

ρές της πλασμονικής συστοιχίας φίλτρων είναι ότι το μήκος κύματος μετάδοσης μπορεί να

ελέγχεται μόνο από τις πλευρικές δομές σε ένα ενιαίο στρώμα. Αυτό καθιστά δυνατή την πα-

ραγωγή μιας συσκευής που περιέχει εκατοντάδες διαφορετικά κανάλια φίλτρων με οικονομι-

κά αποδοτικό τρόπο [32].

106

Εικόνα 47: Διάγραμμα ενός αισθητήρα φάσματος.[32]

Το ενιαίο στρώμα πλασμονικών δομών από μέταλλο μπορεί να κατασκευαστεί μονοκόμματα

(μονολιθικά) χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες ημιαγωγών όπως λιθογραφία με νάνο-

αποτύπωση και διαδικασίες χάραξης, οι οποίες δίνουν τη δυνατότητα χαμηλού κόστους πα-

ραγωγής για εφαρμογές υψηλής έντασης [32].

4.4 Άλλες τεχνικές ακύρωσης του θορύβου

4.4.1 Αφαίρεση μέσω επεξεργασίας σήματος

Σε περιπτώσεις όπου το φάσμα του περιβάλλοντα φωτισμού είναι σχεδόν ίδιο με αυτό του

πομπού,(κυρίως λάμπε φθορισμού) αντί του οπτικού φιλτραρίσματος έχει προταθεί επίσης

μια λύση που βασίζεται στην επεξεργασία σήματος. Αποτελείται από ισοστάθμιση του λαμ-

βανόμενου σήματος και από ένα φίλτρο ανάστροφου διαύλου μετάδοσης, ώστε να μειωθούν

107

Εικόνα 48: Αναπαράσταση ενός αισθητήρα φάσματος με πί-νακα φίλτρων.[32]

οι επιπτώσεις του καναλιού στο σήμα. Το μοντέλο του καναλιού έχει προσεγγιστεί από τους

συντελεστές γραμμικής πρόβλεψης [33].

Το προτεινόμενο σύστημα επιδιώκει να εξισώσει το κανάλι μετάδοσης ως ένα προσαρμοστι-

κό σύστημα. Το σήμα που λαμβάνεται κατά την παραλαβή χωρίζεται σε χρονικά πλαίσιά από

20 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Κάθε παράθυρο από 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου φιλ-

τράρεται με ένα ανάστροφο μοντέλο του καναλιού, όπου έχει επιλεγεί το κατάλληλο μοντέλο

καναλιού από ένα προκαθορισμένο σύνολο προτύπων από διαφορετικά κανάλια. Το αντί-

στροφο φίλτρο επιλέγεται με βάση στην φασματική ομοιότητα μεταξύ του χρονικού πλαισίου

σήματος και του μοντέλου του καναλιού [33].

4.4.2 Προσαρμοστική ακύρωση ελάχιστη τάσης

Σε πρόσφατες δημοσιεύσεις μελετήθηκε για την περίπτωση της OOK διαμόρφωσης ένα νέο

σύστημα λειτουργίας του δέκτη. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ο προτεινόμενος

δέκτης δεν επηρεάζεται από την παρεμβολή από το φως του ήλιου και τα εσωτερικά φώτα

φθορισμού.

Γνωρίζουμε ότι τα ληφθέντα οπτικά σήματα συνήθως περιέχουν το διαμορφωμένο σήμα

OOK, μια συνεχή (DC) συνιστώσα ρεύματος από το φως του ήλιου, και ένα διορθωμένο ημι-

τονοειδές κύμα που εκπέμπεται από τα εσωτερικά φώτα φθορισμού (η συχνότητά τους είναι

διπλάσια από το πλέγμα ισχύος). Η συνιστώσα DC από το φως του ήλιου και το διορθωμένο

ημιτονοειδές κύμα δεν μπορεί να αφαιρεθεί με τη χρήση πυκνωτών ή εφαρμόζοντας υψιπερα-

τό φιλτράρισμα, καθώς το διαμορφωμένο σήμα OOK περιέχει επίσης μια σημαντική συνι-

στώσα DC. Ουσιαστικά, η παρεμβολή από τα φώτα του περιβάλλοντος είναι προσθετικού χα-

ρακτήρα στην διαμορφωμένη πληροφορία, και όλα τα εισερχόμενα οπτικά σήματα αλληλο-

108

καλύπτονται. Ως εκ τούτου, όταν το επίπεδο παρεμβολής είναι γνωστό στον δέκτη, το δια-

μορφωμένο σήμα μπορεί να ανακτηθεί άμεσα. Το νέο αυτό σύστημα χρησιμοποιεί την μηδε-

νική τάση και μια υψηλή τάση για να αντιπροσωπεύσουν τα ψηφιακά «0» και «1», η ελάχι-

στη τάση του σήματος παριστά άμεσα την πρόσθετη παρεμβολή. Με βάση αυτή την ιδέα,

προτάθηκε και ένας νέος σχεδιασμός δέκτη για την αφαίρεση της παρεμβολής από τα φώτα

περιβάλλοντος για OOK διαμόρφωση. Ενώ για να παρακολουθείται η ελάχιστη τάση, προ-

τάθηκε επίσης και ένα κύκλωμα ανίχνευσης προσαρμοζόμενο στο ελάχιστο της τάσης [29].

109

Κεφάλαιο 5

Επίλογος

Στην παρούσα εργασία παρουσιάσαμε την λειτουργία και την χρήση των συστημάτων ασύρ-

ματης επικοινωνίας ορατού φάσματος και μελετήθηκε πως επιδρά στις επιδόσεις τους η

ύπαρξη θορύβου που παράγεται από άλλες πηγές φωτός.

Η ανάπτυξη των λυχνιών LED και η εδραίωση της χρήσης τους στον φωτισμό λόγο της εξοι-

κονόμησης ενέργειας που παρέχουν σε αντίθεση με τις συμβατικές πηγές φωτισμού, ήταν

έναυσμα για την δημιουργία ασύρματων δικτύων εσωτερικών χώρων που παρέχουν ασφάλεια

(σε επίπεδο προστασίας δεδομένων άλλα και στην ανθρώπινη υγεία ), πολύ υψηλούς ρυθμούς

μεταφοράς δεδομένων και εξίσου μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων.

Τα συστήματα αυτά, εκτός από τα τοπικά οικιακά δίκτυα ή δίκτυα σε χώρους εργασίας, βρί-

σκουν εφαρμογή σε περιοχές όπου η χρήση άλλων τύπων συχνοτήτων είναι απαγορευμένη ή

αδύνατη όπως επίσης και στη δημιουργία νέων εφαρμογών σε μέρη και τεχνολογίες όπου εί-

ναι ήδη εγκατεστημένος φωτισμός LED.

Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι τεχνολογίες VLC είναι η συνύ-

παρξη τους με τις υπόλοιπες πηγές φωτισμού, των οποίων το εκπεμπόμενου φάσμα αλληλεπι-

δρά με αυτό τον λυχνιών LED, μειώνοντας έτσι τον λόγο του ληφθέντος σήματος πληροφορί-

ας προς τον θόρυβο και συνεπώς την ποιότητα της επικοινωνίας.

Ο επίδραση του θορύβου στα συστήματα VLC σχετίζεται με διάφορες παραμέτρους. Η πιο

βασικές μπορεί να θεωρηθούν το οπτικό πεδίο του δέκτη (FOV), ο ρυθμός μεταφοράς σφαλ-

110

μάτων bit (BER), το σχήμα διαμόρφωσης που χρησιμοποιείται για την μετάδοση του σήμα-

τος, την κατευθυντικότητα του πομπού όπως επίσης και η ύπαρξη διασυμβολικής παρεμβο-

λής (ISI).

Για την αντιμετώπιση του θορύβου και την διατήρηση του λόγου σήματος προς τον θόρυβο

σε επιτρεπτά όρια έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι. Η πιο διαδεδομένη είναι αυτή του

οπτικού φιλτραρίσματος μέσω φίλτρων παρεμβολής ή απορρόφησης πολλές φορές με ταυ-

τόχρονη χρήση ισοστάθμισης για την ισχυροποίηση της μεταδιδόμενης πληροφορίας. Νέες

μέθοδοι που βασίζονται στην χρήση αισθητήρων φάσματος ή στην ψηφιακή επεξεργασία και

την διαμόρφωση του ληφθέντος σήματος έχουν επίσης μελετηθεί και έχουν αποδειχθεί χρήσι-

μες.

111

Βιβλιογραφία

[1] Hranilovic, S. (2005), “Wireless Optical Communication Systems”, Berlin: Springer.

[2] Kavehrad, M. (2010), “Sustainable Energy- Efficient Wireless Application Using Light”,

Communications Magazine, IEEE, 48(12), pp. 66-73.

[3] Khan, T. A., Tahir, M., & Usman, A. (2012), “Visible light communication using

wavelength division multiplexing for smart spaces”, Consumer Communications and Net-

working Conference (CCNC), 2012 IEEE, pp. 230-234, IEEE.

[4] Kumar, N., Lourenco, N.R. (2010), “Led-Based Visible Light Communication System: A

Brief Survey and Investigation”, Journal of Engineering and Applied Sciences, 5(4), pp. 296-

307.

[5] O’Brien, D. C., Katz, M., Wang, P., Kalliojarvi, K., Arnon, S., Matsumoto, M., & Jivkova,

S. (2005), “Short-range optical wireless communications”, Wireless World Research Forum,

pp. 1-22.

[6] O'Brien, D., Le-Minh, H., Zeng, L., Faulkner, G., Lee, K., Jung, D., Oh, Y. & Won, E. T.

(2008), “Indoor Visible Light Communications: Challenges and Prospects” Proc. SPIE 7091,

Free-Space Laser Communications VIII, pp. 709106-709109.

[7] Σαρδούνης, A. (2012), “Συστήματα VLC και μελέτη των επιδόσεων τους με διάφορα σχή-

ματα διαμόρφωσης”, Διπλωματική Εργασία, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθη-

νών.

[8] Τοπάλης, Γ. (2012), “Ασύρματες επικοινωνίες ορατού φάσματος εσωτερικού χώρου με

διόδους εκπομπής λευκού φωτός”, Διπλωματική Εργασία, Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπι-

στήμιο Αθηνών.

[9] O'Brien, D., Zeng, L., Le-Minh, H., Faulkner, G., Walewski, J. W., & Randel, S. (2008,

September), “Visible light communications: Challenges and possibilities”. In Personal, In-

112

door and Mobile Radio Communications, 2008. PIMRC 2008. IEEE 19th International Sym-

posium on (pp. 1-5). IEEE.

[10] Komine, T., & Nakagawa, M. (2004), “Fundamental analysis for visible-light communic-

ation system using LED lights”, Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 50(1), pp.

100-107.

[11] Elgala, H., Mesleh, R., & Haas, H. (2011), “Indoor optical wireless communication: po-

tential and state-of-the-art”, Communications Magazine, IEEE, 49(9), pp. 56-62.

[12] Ghassemlooy, Z., & Hayes, A. R. (2003), “Indoor optical wireless communications sys-

tems–Part I: Review”, School of Engineering, Northumbria University.

[13] Tanaka, Y., Komine, T., Haruyama, S., & Nakagawa, M. (2003), “Indoor visible light

data transmission system utilizing white LED lights”, IEICE transactions on communications,

86(8), pp. 2440-2454.

[14] Ab-Rahman, M. S., Shuhaimi, N. I., Azizan, L. A., & Hassan, M. R. (2012), “Analytical

Study of Signal-to-Noise Ratio for Visible Light Communication by Using Single Source”,

Journal of Computer Science, 8(1), pp. 141-144.

[15] Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997), “Wireless infrared communications”, Proceedings of

the IEEE, 85(2), pp. 265-298.

[16] Abdullah, M. F. L. (2006), “Techniques for signal to noise ratio adaptation in infrared

optical wireless for optimization of receiver performance”, Doctoral dissertation, University

of Warwick.

[17] Moreira, A. J., Valadas, R. T., & de Oliveira Duarte, A. M. (1996), “Reducing the effects

of artificial light interference in wireless infrared transmission systems”, IEE Colloquium

“Optical Free Space Communication Links”, 19 February 1996, Savoy Place, London, UK.

[18] Moreira, A. J., Valadas, R. T., & de Oliveira Duarte, A. M. (1997), “Optical interference

produced by artificial light”, Wireless Networks, 3(2), pp. 131-140.

113

[19] Lee, K., Park, H., & Barry, J. R. (2011), “Indoor channel characteristics for visible light

communications”, Communications Letters, IEEE, 15(2), pp. 217-219.

[20] http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode

[21] Lacanette, K. (2010), “A Basic Introduction to Filters - Active, Passive, and Switched-

Capacitor”, National Semiconductor Application Note 779

[22] Cui, K., Chen, G., Xu, Z., & Roberts, R. D. (2010), “Line-of-sight visible light commu-

nication system design and demonstration”, Communication Systems Networks and Digital

Signal Processing (CSNDSP), 2010 7th International Symposium, pp. 621-625, IEEE.

[23] www.lot-qd.com/lightsource

[24] http://en.wikipedia.org/wiki/Noise (electronics)

[25] http://en.wikipedia.org/wiki/Signal-to-noise_ratio

[26] http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_filter

[27] http://en.wikipedia.org/wiki/Visible_light_communication

[28] Burton, A., Amiot, C., Minh, H. L., & Ghassemlooy, Z. (2011), “Design of an integrated

Optical Receiver for Mobile Visible Light Communications”.

[29] Zhao, Y., & Vongkulbhisal, J. (2013), “Design of Visible Light Communication Receiver

for On-Off Keying Modulation by Adaptive Minimum-Voltage Cancelation”, Engineering

Journal, 17(4), pp. 125-130.

[30] Le-Minh, H., O'Brien, D., Faulkner, G., Zeng, L., Lee, K., Jung, D., Οh, Y. & Won, E. T.

(2009), “100-Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED”,

Photonics Technology Letters, IEEE, 21(15), pp. 1063-1065.

114

[31] Le-Minh, H., O’Brien, D., Faulkner, G., Zeng, L., Lee, K., Jung, D., & Oh, Y. (2008),

“80 Mbit/s visible light communications using pre-equalized white LED”, Proc. ECOC 2008,

6-09.

[32] Chang, C. C., Su, Y. J., Kurokawa, U., & Choi, B. I. (2012), “Interference rejection using

filter-based sensor array in VLC systems”, Sensors Journal, IEEE, 12(5), pp. 1025-1032.

[33] Yánez, V. G., Torres, J. R., Alonso, J. B., Borges, J. A. R., Sánchez, C. Q., González, C.

T., Jimenez, R. P., & Rajo, F. D. (2009, July), “Illumination interference reduction system for

VLC communications”, In Proceedings of the 11th WSEAS international conference on

Mathematical methods, computational techniques and intelligent systems (pp. 252-257).

World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS).

[34] Kochronas, E., Nistazakis, H., Tsigopoulos, A., Aidinis, C., & Tombras G.S. (2014), “An

Experimental Setup for BER Estimation Performance of Indoor Free, Space Optical Commu-

nication Systems”, In Proceedings of 6th International Conference from Scientific Computing

to Computational Engineering, 6th IC-SCCE Athens, 9-12 July, 2014.

[35] http://www.rp-photonics.com/light_emitting_diodes.html

[36] Alsaadi, F. E. S. (2011), “MIMO MC-CDMA Systems over indoor optical wireless

communication channels”, University of Leeds.

[37] Saadi, M., Wattisuttikulkij, L., Zhao, Y., & Sangwongngam, P. (2013), “Visible light

communication: opportunities, challenges and channel models”, International Journal of

Electronics & Informatics, 2(1).

115