La comunicazione wireless per interni è una parte essenziale del sistema di comunicazione wireless di prossima generazione. Per le comunicazioni all’interno di ambienti, il numero di utenti ed i loro dispositivi stanno aumentando molto rapidamente, di conseguenza la capacità dello spettro di frequenze per ospitare ulteriori utenti in futuro è limitata e sarebbe anche difficile per i fornitori di servizi garantire all’utente una comunicazione più affidabile e ad alta velocità. Questo problema può essere risolto in futuro utilizzando il sistema di comunicazione basato sul Li-Fi (Light Fidelity). Il Li-Fi è un’emergente branca della comunicazione wireless ottica basata sulla trasmissione di frequenze dello spettro di luce visibile. Questa tecnologia wireless può essere utilizzata in futuro in sostituzione e backup del Wireless Fidelity (Wi-Fi) per la comunicazione, in quanto può fornire un'elevata velocità di trasmissione dei dati insieme ad elevata capacità di utilizzare più utenti contemporaneamente poiché la larghezza di banda dello spettro è molto più ampia dello spettro radio. In questo articolo esamineremo i diversi aspetti del sistema di comunicazione indoor Li-Fi.
Introduzione
Light Fidelity (Li-Fi) è un nuovo paradigma di rivoluzione delle comunicazioni wireless, che in sostanza è una continuazione della tendenza a spostarsi verso uno spettro di frequenze più elevato nel campo della comunicazione wireless per interni. Se parliamo di comunicazione wireless indoor ad alta velocità, Li-Fi può condurci ad una nuova dimensione in termini di velocità di comunicazione dei dati utilizzando lo spettro della luce visibile. Il concetto alla base di questa tecnologia è che i dati possono essere trasmessi mediante l’impiego di lampadine a diodi emettitori di luce (LED) e la velocità di trasmissione può essere controllata utilizzando l'intensità luminosa della lampadina a LED, che può variare anche più velocemente dell'intensità della luce che l'occhio umano può osservare, consentendo una illuminazione ambientale costante senza sfarfallio.
Tenendo presente che il numero di utenti aumenta di giorno in giorno e di conseguenza anche il traffico dati, la tecnologia Li-Fi può essere utilizzata come soluzione per fornire agli utenti un ambiente di trasmissione dati ad alta velocità. Il sistema Li-Fi è un sistema di comunicazione multiutente bidirezionale e potrebbe essere classificato come sistema di comunicazione a onde nanometriche. Il sistema di comunicazione Li-Fi è diverso dal sistema di comunicazione a luce visibile (VLC) perché VLC è un sistema di comunicazione punto-punto mentre Li-Fi è un sistema di rete wireless che supporta la comunicazione punto-multipunto. Nel sistema Li-Fi la velocità dei dati può essere correlata con le proprietà dei LED, quindi la selezione dei LED gioca un ruolo fondamentale. Parametri come la dimensione dei LED, la velocità di commutazione ON-OFF e il numero di LED impiegati in un’applicazione possono influenzare la velocità dei dati del modello di comunicazione. La velocità dei dati è inversamente proporzionale alla dimensione del LED, il che significa che più piccola è la dimensione del LED, più alta sarà la velocità dei dati.
Più è alta la velocità di commutazione ON-OFF del LED, più veloce sarà la possibilità di trasmettere dati sotto forma di 1 e 0. Un numero maggiore di LED in un sistema comporta un maggiore volume di trasmissione di dati. Nel sistema basato su Li-Fi, il pannello a LED (LP) è una sorgente luminosa che può svolgere contemporaneamente la funzione di illuminazione e trasmissione dati. A seconda della situazione e dei requisiti del modello di comunicazione indoor, un singolo LED può anche fungere da LP ed è anche possibile che più LED siano combinati insieme per formare un singolo LP. Il numero di LED in un singolo LP dipende dalle dimensioni della stanza e dal numero di utenti da ospitare in un momento specifico. L'approccio al posizionamento dei LED (LPA) svolge un ruolo importante nel sistema di comunicazione interno basato sul Li-Fi perché può limitare la velocità dei dati e influenzare l’affidabilità della comunicazione. Il posizionamento di un LP in ambienti interni deve essere regolato in modo tale che ogni utente Li-Fi possa ottenere un'elevata intensità di luce. Un notevole sforzo di ricerca attualmente viene dedicato allo sviluppo di un sistema Li-Fi per interni.
Per un sistema indoor, il LED è dichiarato come il dispositivo di illuminazione più efficiente dal punto di vista energetico. I ricercatori studiano come può la distanza tra i LED modificare il comportamento del sistema di comunicazione interna, come ad esempio l'impatto delle riflessioni multipercorso in relazione al posizionamento bidimensionale di una porta in una stanza. Negli attuali sistemi di posizionamento a luce visibile per interni, vengono proposti diversi algoritmi per calcolare la posizione del ricevitore; i ricercatori propongono un nuovo sistema di architettura che può essere utilizzato sia per il posizionamento in interni sia per le comunicazioni. L'architettura di posizionamento della sorgente di luce per una stanza tipica è stata studiata considerando diversi parametri relativi alle prestazioni. Un ricercatore ha progettato una costellazione di LED ottimale per il sistema di comunicazione interno basato su MIMO (Multi Input-Multi Output) con correlazione di canale arbitraria.
Il Trasmettitore e il Ricevitore Li-Fi
In un sistema Li-Fi per interni il trasmettitore può essere una semplice lampadina a LED. Il candidato più probabile per il front-end dei dispositivi trasmettitori sono i LED di illuminazione a stato solido, incoerenti a causa del loro basso costo. Per le proprietà fisiche di questi componenti, le informazioni possono essere codificate solo utilizzando l'intensità della luce emessa. È possibile utilizzare diversi LED di colore diverso come il rosso, blu, arancione, giallo, nel sistema di comunicazione Li-Fi. Trattando di velocità di trasmissione dati elevate, la velocità di 1 Gbps (Giga bit al secondo) è stata ottenuta utilizzando LED bianchi rivestiti di fosforo, la velocità di 3,4 Gbps è stata ottenuta con LED rosso-verde-blu (RGB), la velocità più alta mai registrata da un LED a singolo colore incoerente è di 3,5 Gbps. I LED luminosi utilizzano comunemente la luce bianca per svolgere sia la funzione di illuminazione che di comunicazione. Un modo per produrre luce bianca consiste nell'utilizzare LED blu con rivestimento al fosforo giallo. Quando un raggio di luce blu passa attraverso lo strato di rivestimento di fosforo giallo, diventa luce bianca. Un altro modo di ottenere luce bianca è di utilizzare una combinazione di LED rosso, verde e blu (RGB) adeguatamente miscelata. Poiché la luce emessa dai LED è di natura incoerente, è quindi necessario utilizzare la tecnica della Modulazione di Intensità luminosa (IM) in cui il segnale dell’informazione modula il segnale ottico luminoso. Questo segnale luminoso modulato viene ricevuto da un ricevitore utilizzando il metodo di rilevamento diretto (DD). Come elemento della Direct Detection viene utilizzato un fotodiodo per convertire la potenza ricevuta del segnale ottico in una corrente elettrica proporzionale ad essa. In Figura 1 viene schematizzato l’esempio di un sistema Li-Fi indoor.
Figura 1: esempio di un sistema Li-Fi indoor
Modulazione del segnale ottico
Nei sistemi Li-Fi gli schemi di modulazione basati sul dimming (regolazione della potenza di un carico) sono schemi di modulazione più comunemente a singola portante. Negli schemi di modulazione basati sul dimming la velocità dei dati desiderata viene raggiunta controllando il livello di On e Off del LED. Le modulazioni come la Modulazione On-Off Keying (OOK), Modulazione Larghezza di Impulso (PWM), Modulazione della Posizione dell'Impulso (PPM), Modulazione della Posizione dell'Impulso Variabile (VPPM), Overlapping PPM (OPPM) e Modulazione Spaziale Ottica (OSM), sono le principali tecniche di modulazione basate sul dimming che possono essere implementate in un sistema di comunicazione indoor Li-Fi. Di seguito un elenco delle tecniche di modulazione basate sul dimming:
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