Оптическая связь MIMO открывает новые горизонты

Джон Габай, Mouser Electronics

Оптическая связь является одним из старейших методов передачи сигналов на большие расстояния. Отражающие поверхности могут отражать солнечные лучи и направлять их в определенное место в качестве сигнала или предупреждения. Это направленное отражение также довольно незаметно, поскольку, как правило, единственный, кто может его увидеть, — это тот, для кого оно предназначено.

Оптическая связь все еще используется сегодня, в основном в оптоволоконных и телевизионных пультах, но в настоящее время радиочастотная связь является предпочтительной электромагнитной средой для высокоскоростной однонаправленной и всенаправленной связи. Но пока не сбрасывайте со счетов оптику. Относительно новая форма параллельной оптической связи привлекает некоторое внимание, поскольку производители устройств стремятся расширить возможности подключения и выхода из мобильных и стационарных устройств.

Первоначально разработанная для радиочастот, технология MIMO, что означает «множественный вход и несколько выходов», использовалась радиоинженерами для увеличения пропускной способности и обеспечения возможности осуществления радиочастотной связи с более высокими скоростями передачи данных, чем это возможно в одном диапазоне. Здесь сигнал передается с использованием множества несущих сигналов на разных частотах, что позволяет осуществлять параллельную передачу данных, а не только последовательную передачу. Оптический MIMO тоже делает то же самое, но со светом.

Оптический MIMO использует видимый свет, чтобы позволить системам освещения взаимодействовать с другим оборудованием одним из трех способов. В одном методе используется один излучатель, состоящий из нескольких цветных светодиодов. Каждый светодиод является передатчиком, и благодаря использованию оптической фильтрации на приемном конце каждый цвет передает данные параллельно с другими цветами. Этот метод называется Lambda MIMO.

Альтернативный подход — разместить несколько излучателей, например, в разных местах потолка. В этом случае каждый излучатель представляет собой светодиод одного типа и цвета, а параллельный приемник — например, видеокамера — снова объединяет пространственно разделенные световые лучи, образуя параллельную передачу данных. Это называется s-MIMO.

Третий метод сочетает в себе оба подхода и использует несколько излучателей, каждый разного цвета и расположенных в разных местах. Это называется h-MIMO, и он также использует параллельный датчик, такой как видеокамера, для параллельного декодирования пространственно и цветоразделенных световых волн.

Говоря о декодировании, в отличие от методов радиочастотной модуляции, светодиоды обычно одноцветные, чтобы снизить затраты, поэтому модуляция длины волны не является осуществимым подходом. Вместо этого можно использовать методы широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляции. Радиочастотные методы, такие как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), позволяют использовать несколько пользователей, но ограничивают скорость передачи данных, поэтому методы неортогонального множественного доступа (NOMA), по-видимому, лидируют.

Ключевым моментом является управление амплитудой передачи каждого цвета и усилением приема каждого цвета. Вот почему распределение мощности с нормализованной разностью коэффициентов усиления (NGDPA) используется для уменьшения сложности и повышения эффективности.

Что интересно, экспериментальные данные показывают, что скорость передачи данных по каналу до 55 Мбит/с достижима как при использовании распределения мощности с коэффициентом усиления (GRPA), так и при использовании NGDPA. Хотя оба варианта эффективны, небольшое преимущество имеет NGDPA. Суммарная скорость 110 Мбит/с достижима при использовании двух источников с использованием методов NOMA.

С таким количеством радиочастотных методов и протоколов, которые эффективно позволяют нашим устройствам так хорошо взаимодействовать, зачем кому-то использовать оптический метод, который так зависит от близости и прямой видимости? Есть много причин и применений для этой умной техники освещения.

Во-первых, для оптической связи не требуется никаких надоедливых лицензий и разрешений. Никаких требований FCC, TUV или каких-либо дорогостоящих международных стандартов, через которые нужно пройти. Во-вторых, этот метод невосприимчив к электромагнитным помехам. Помехи от других радиочастотных источников не ухудшат производительность, и даже очень высокие уровни ЭМИ и пиковых значений (например, включение мощных двигателей) не будут мешать целостности данных.

Светодиоды и оптические приемники стоят дешевле, чем антенны, радиочастотные входы, фильтры и тому подобное. Действительно, оптическая связь с расходящимся лучом на основе светодиодов имеет относительно малую дальность действия, но все еще существует множество приложений, которые могут воспользоваться этими характеристиками.