Світло вже давно використовується не лише для освітлення, а й для передавання інформації. Проте дотепер технології бездротового зв’язку на основі світлодіодів здебільшого залишалися в лабораторіях: їм заважали сонячне світло, спотворення сигналу та висока вартість обладнання. Нова розробка вчених з Токійського політехнічного університету показує, що ці обмеження можна подолати.
У сучасних системах VLC використовується видиме світло 430-790 ТГц діапазону 380-750 нм. Зв’язок може бути встановлений без використання радіочастотної технології, шляхом зміни світла існуючих ламп.
Дослідники створили недорогу систему видимого світлового зв’язку (Visible Light Communication, VLC), яка здатна стабільно передавати дані навіть просто неба і під яскравим сонцем. Для цього вони використали лише комерційно доступні компоненти ‒ світлодіоди, фотодіоди, плату Raspberry Pi та програмовану логічну матрицю FPGA. Ключовою інновацією стала нова схема кодування 8B13B. Вона спеціально розроблена для роботи зі світлодіодами та враховує їхні фізичні обмеження. Сигнал формується у форматі «повернення до нуля», що дозволяє зберігати баланс між логічними нулями та одиницями. Завдяки цьому світло не мерехтить, а приймач зберігає стабільну синхронізацію.
Було побудовано систему VLC, що складається з передавача та приймача, а серіалізатор/десеріалізатор з використанням кодування 8B13B був реалізований на FPGA. Дані, модульовані на світлодіод, генерувалися Raspberry Pi та передавались на FPGA через SPI-зв’язок. Продуктивність зв’язку оцінювалася на відкритому повітрі, під впливом сонячного світла, з відстанню передачі 3 м між передавачем та приймачем. В результаті коефіцієнт втрати пакетів для пакетів, що складаються з 893 бітів, становив 10⁻⁴–10⁻⁶.
Серед проблем VLC ‒ спотворення імпульсів через особливості роботи LED, коли тривалість світлових спалахів змінюється залежно від даних. Нова схема кодування робить ставку на передні фронти імпульсів, що значно підвищує надійність передачі навіть за нестабільних умов. У практичних тестах система досягла швидкості передавання даних до 3,48 Мбіт/с на відстані кількох метрів. Найважливіше ‒ зв’язок залишався стабільним навіть при інтенсивному зовнішньому освітленні понад 90 000 люкс, тобто під прямим сонячним промінням. Для цього дослідники застосували приймач із кількома фотодіодами та вузькосмуговим оптичним фільтром, який відсікає фонове світло.
Розробка відкриває шлях до практичного використання VLC в інтелектуальних транспортних системах. У майбутньому світлофори та вуличні ліхтарі зможуть передавати автомобілям інформацію про ситуацію на перехрестях, «сліпі зони» або навіть відеодані. Такий підхід особливо перспективний для автономного транспорту, де стабільний і швидкий обмін даними має критичне значення.
Окрім прикладних задач, система може слугувати навчальною платформою. Вона поєднує аналогову електроніку, цифрову логіку та програмне забезпечення в одному рішенні, що робить її корисною для підготовки інженерів нового покоління. Таким чином, передавання даних за допомогою світла перестає бути екзотикою. Завдяки простоті та доступності нової VLC-системи технологія має всі шанси вийти за межі експериментів і знайти реальне застосування у міській інфраструктурі.
Розмір ринку зв’язку видимим світлом (VLC) у 2024 році оцінювався в 2,28 мільярда доларів США, і очікується, що до 2032 року він досягне 31,28 мільярда доларів США та зростатиме зі середньорічним темпом зростання 36,6% протягом прогнозованого періоду 2025-2032 років.
За матеріалами eurekalert.org