Модулятор солнечного света для пассивной передачи данных как альтернатива WiFi

Технологии беспроводной связи обычно основаны либо на радиочастотной связи, которая в основном страдает от перегруженности полосы частот, либо на оптической связи, для которой требуются энергоемкие активные источники света, такие как лазеры и светоизлучающие диоды. Принимая во внимание, что значительное количество солнечного света остаётся неиспользованным и в основном используется для целей освещения, будет оптимально использовать свет для передачи данных, предлагая дополнительное решение для беспроводной связи. Таким образом, это обеспечит нелицензируемый широкий оптический диапазон, включая видимый и инфракрасный диапазоны. Такая связь позволила бы избежать помех между сигналом линии связи в видимом свете (Visible Light Communication, VLC) и фоновым светом, то есть солнечным светом. Его можно использовать для приложений Интернета вещей (IoT), особенно в помещениях, где требуется низкая скорость передачи данных и низкое энергопотребление. Однако этот свет излучается неконтролируемым источником, Солнцем, что затрудняет управление им. Технологии переключаемых стекол, которые можно встраивать в поверхности, например окна, для модуляции входящего света, могут стать решением такой проблемы.

Исследователи KAUST (King Abdullah University of Science and Technology) Саудовской Аравии разработали «умное окно», интеллектуальную стеклянную систему, которая может модулировать проходящий через неё солнечный свет, кодируя данные и передавая их устройствам в комнате. Использование солнечного света для отправки данных обеспечит более экологичный способ связи по сравнению с обычным Wi-Fi или передачей данных по сотовой связи.

❯ Умное стекло

Беспроводная связь на основе света заработала большой потенциал в сфере многочисленных подобных технологий. Известно, что первую демонстрацию связи в видимом свете (VLC) провёл Александр Грэм Белл, когда был изобретён фотофон для передачи модулированных речевых сигналов с использованием солнечного света на расстояние в несколько метров.

Однако с изобретением инфракрасных (ИК) светоизлучающих диодов (СИД) в 1962 году использование невидимого света для дистанционного управления стало широко распространённым. Это одно из самых успешных применений технологии оптической беспроводной связи (OWC) на сегодняшний день. В последние несколько десятилетий исследователи рассматривали возможность использования белых светодиодов. Харальд Хаас из Эдинбургского университета ввел термин «Light Fidelity» (Li-Fi) как альтернативу «Wireless Fidelity» (Wi-Fi).

Как и любая обычная система беспроводной связи, система OWC состоит из трех частей: передатчика (Tx), канала распространения и приемника (Rx). В Tx информационные биты, которые должны быть переданы, сначала преобразуются в электрический сигнал, а затем подаются в оптический источник с использованием схемы возбуждения после модуляции. В Rx распространяющиеся оптические сигналы собираются фотодетектором, и результирующий фототок преобразуется усилителем в сигнал напряжения перед дискретизацией. Исходные переданные биты восстанавливаются после демодуляции сигнала. Как правило, двунаправленный световой доступ в сценариях внутри помещений использует видимый и инфракрасный спектры для восходящей и нисходящей связи соответственно.

Переключаемое стекло, или умное стекло — это технология, позволяющая управлять светопропусканием приложенным напряжением. У него есть два состояния; светлое, когда свет проходит, и тёмное, когда свет не проходит. Эти два состояния аналогичны состояниям ВКЛ и ВЫКЛ, указывающие на наличие и отсутствие приложенного напряжения. Время, необходимое для перехода между этими состояниями, называется временем переключения и считается критически важной характеристикой технологии из-за её прямого влияния на достижимую скорость передачи данных. Другой характеристикой является контраст, отражающий разницу в интенсивности света, передаваемого в каждом состоянии, что может повлиять на коэффициент битовых ошибок системы (Bit error rate, BER) и диапазон канала связи. Существует две основные категории управления светом, известные как микрозатворы на основе MEMS и устройства на основе электролита, которые включают электрохромные устройства (ECD), устройства с взвешенными частицами (SPD) и устройства на жидких кристаллах (LCD).

Умное стекло обычно используется для затенения и управления дневным светом, поглощая или рассеивая свет, чтобы контролировать его передачу или отклонять его в тех или иных направлениях для освещения определённых областей. Тем не менее, оно обычно не используется для целей беспроводной связи, в основном из-за длительного времени переключения. В частности, ECD и SPD не подходят для такого применения, поскольку их характеристики нуждаются в дальнейшей оптимизации с точки зрения скорости и контрастности. С другой стороны, микрозатворы на основе MEMS обеспечивают короткое время переключения и высокую контрастность, но они могут быть энергоэффективными и всё ещё находятся на стадии исследований. Между тем, LCD предлагают высокую контрастность и высокую скорость, что делает их подходящими для целевых приложений. Кроме того, их низкое энергопотребление и коммерческая доступность побудили исследователей разработать системы пассивной связи на их основе.

❯ LCD-модулятор

В настоящее время команда KAUST разработала систему передачи информации солнечным светом, состоящую из двух частей: модулятора света, который можно встроить в стеклянную поверхность и приёмника в помещении.

Модулятор представляет собой набор интеллектуальных стеклянных элементов, известных как жидкокристаллические затворы с двумя ячейками (Dual-cell Liquid crystal Shutter, DLS). Матрица жидкокристаллических затворов, которая будет действовать как фильтр для кодирования сигналов в проходящем свете, потребует для работы всего 1 Вт мощности, которую можно обеспечить с помощью небольшой солнечной панели.

В предыдущих конструкциях оптических систем беспроводной связи данные обычно кодировались путем изменения интенсивности света. Однако это может привести к неприятным эффектам мерцания, если частота этих изменений интенсивности слишком мала. Чтобы избежать этого разработчики нового стекла применяют мультиплексирование с временным разделением и модуляцию на основе поляризации. Новая конструкция предлагает быстрое и симметричное время переключения и решает проблемы эффекта мерцания и межсимвольных помех.

По расчётам команды, предлагаемая установка может передавать данные со скоростью 16 кбит/с. Однако учёные заказали необходимое оборудование для реализации тестового прототипа и намерены увеличить скорость передачи данных с килобит до мега- и гигабит в секунду.

Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой состояния вещества, обладающие промежуточными свойствами между жидким и твёрдым состояниями. Они имеют несколько классификаций, основанных на свойствах самого материала. В данной работе используются нематические ЖК, которые относятся к классу ЖК, используемых при разработке технологий оптических затворов. Структура и механизм ЖК-дисплеев основаны на фундаментальных понятиях физики и оптики, включая поляризацию световых волн и двойное лучепреломление материала.

Работа нематических ЖК основана на поляризации света. Фактически, первый поляризатор фильтрует неполяризованный свет, и только световая составляющая с той же поляризацией может проходить через ЖК-дисплей. При прохождении свет меняется в зависимости от напряжённости приложенного электрического поля. Тогда на втором поляризаторе можно наблюдать два состояния:

• Светлое (открытое) состояние, когда второй поляризатор имеет то же направление поляризации, что и распространяющийся свет, что позволяет ему проходить.
• Тёмное (закрытое) состояние, когда второй поляризатор имеет направление поляризации, отличное от направления блокирующего его распространяющегося света.

Нематические LCD имеют несколько режимов, отличающихся выравниванием молекул и ориентацией слоя ЖК. Наиболее часто используемые режимы в технологиях переключаемого стекла включают, в основном, скрученный нематический (TN) режим и нескрученные режимы, а именно режим оптически компенсированного изгиба (OCB), режим вертикальной ориентации (VA) и режим электрически управляемого двойного лучепреломления (ECB). В общем, режим TN является одним из наиболее часто используемых режимов в промышленности для целей модуляции света. Между тем, режим OCB, который также называют «Pi-cell», считается самым быстрым режимом LCD, а режим VA имеет самую высокую контрастность. С точки зрения времени переключения, контрастности и энергопотребления каждый режим может иметь разные характеристики в зависимости от технологии и дизайна производителя.

Система связи солнечного света. Благодаря своей простоте, энергоэффективности и широкой полосе пропускания лавинные фотодиоды (APD) являются подходящими детекторами.

❯ Другие разработки

Есть несколько работ, разрабатывающих практические системы, использующие LCD для модуляции света для установления связи обратного рассеяния. Обратнорассеянная связь на основе световозвращающей ткани была в основном продемонстрирована в RetroTurbo — это современная новаторская практическая система, в которой построена система обратного рассеяния VLC с использованием массива из 64 ЖК-дисплеев. Она достигает самой высокой скорости передачи данных со скоростью 8 Кбит/с на расстоянии 7,5 м за счёт использования квадратурной амплитудной модуляции на основе поляризации (PQAM) для использования всего времени канала и размеров поляризации. RetroTurbo использует эквалайзер с алгоритмом обучения канала для смягчения введённых межсимвольных помех (ISI).

Самой последней работой, использующей солнечный свет, является ChromaLux, в которой авторы обнаруживают переходное состояние ЖК-дисплеев, объединяя от 4 до 6 ячеек, образуя передатчик с одним пикселем и демонстрируя более короткое время переключения. Используя это переходное состояние, они предлагают метод модуляции на основе трёхуровневой поляризации, позволяющий достигать больших дальностей связи (до 50 м) и скорости передачи данных 1 Кбит/с.

В недалеком будущем установленные умные окна в домах будут служить беспроводными антеннами, что позволит подключать несколько устройств к Интернету. Можно будет стримить на YouTube, получая доступ в Сеть от солнечного света.

Благодаря наличию нерегулируемого спектра и высокоскоростной легкой связи Li-Fi считается одним из наиболее эффективных кандидатов для будущих сетей 6G. В частности, свет обычно не проходит через непрозрачные стены, что повышает конфиденциальность и безопасность, а также позволяет повторно использовать частоты. Более того, по сравнению с традиционным Wi-Fi, Li-Fi может предложить в 100 раз более быстрый доступ в Интернет.