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 ^[1] (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 ^[2] (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 ^[3], 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 ^[4]» (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 ^[5] (Bit error rate, BER) и диапазон канала связи. Существует две основные категории управления светом, известные как микрозатворы на основе MEMS ^[6] и устройства на основе электролита, которые включают электрохромные устройства ^[7] (ECD), устройства с взвешенными частицами ^[8] (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 ^[9] 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 ^[10], 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 ^[11] (TN) режим и нескрученные режимы ^[12], 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 ^[13] (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 ^[14]— 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 ^[15] (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 ^[16], 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.