Hochschule Luzern. Technik & Architektur. Datenübertragung mittels sichtbaren Lichts mit 100MBps. Visible Light Communication VLC

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1 Hochschule Luzern Technik & Architektur Datenübertragung mittels sichtbaren Lichts mit 100MBps Visible Light Communication VLC

2 Kompetenzzenter Elektronik Visible Light Communication Um was geht's

3 Inhalte Motivation Inhauskommunikation Medien und Systeme Überblick Laufende Standardisierungen Die Herausforderungen Unser Ziel Die Lösungen / Erreichte Performance Ausblick Anwendungen Diskussion

4 Motivation Entwicklung der Lichtquellen Verhältnis: Kosten / Helligkeit Verhältnis: Helligkeit / Leistungs Aufnahme

5 Motivation LED Eigenschaften Blaue LED & Phosphor BW(w) ~ 3MHz BW(bl) ~ 30MHz RGB LED BW ~ 50MHz RC LED (resonant-cavity) BW ~ 500MHz

6 Motivation attraktive Eigenschaften des VLC-Systems: - Nicht lizenziertes Frequenzband ( nm) - Keine Interferenzen mit Radio basierten Systemen - Ausbreitungseigenschaften erlauben kleine Zellen - Re use des Spektrums - Sicherheit - What You See Is What You Send (wysiwys) - Intuitive Bedienung - Wo Licht ist.. - Gesundheit (völlig Bedenkenlos für Körper und Augen) - Benützung auch in kritischen Bereichen - Flugzeug, Spital,

7 Übertragungsmedien Funkübertragung UWB (Ultra Wide Band) WLAN (Wireless LAN) Lichtübertragung WPAN VLC(Visible Ligth Com.) IR(Infrarot) Datenübertragung via Netzkabel PLC (Power Line Com.) Quelle: OMEGA

8 Technologien im Überblick

9 Standardisierungen - Visible Light Communication Consortium - Japanisches Consortium - Sony, Toshiba, Samsung, Agilent, Casio, Mitsubishi, Hamamatsu, NEC - JEITA CP-1221 (seit 2007) - Visible Light Communication System Standard - Visible Light ID System Standard -JEITA: Japan Electronics and Information Technology Industries Association - IEEE Working Group for WPAN - Task Group 7, Visible Light Communication - Ziel: erster Standartentwurf bis November Hauptpromotor: Siemens

10 Standartisierungen home Gigabit Access (2008 bis 2010) - 15 Mio. EU-Gelder (7. Framework Programme) - Technologie-unabhängiger MAC-Layer - PLC, VLC, WLAN, IR - Hybrid Wireless Optic Package - Infrarot (1 Gbit/s Line of sight) - VLC (100 Mbit/s) - Ziel: (2010) proof-of-concept Platform für ein Ultra Broadband Home Network

11 Unser Ziel - LED: aktuelle, normale weisse LED - Bitrate: 100Mbps - Reichweite: 2.5m - Datentransfer: HD Video ab PC in Echtzeit - Latenzzeit: 10ms max. - Lichtintensität: normale Bürobeleuchtung

12 Das Übertragungssystem (Blockschema) Speisung Modulator Leistungssteuerung Licht- Empfänger Datenquelle Demodulator Datensenke

13 Die Herausforderungen (Auswahl, Sender) Speisung Modulator Welche LED s? Charakterisierung im HF Bereich Ersatzschaltung Leistungssteuerung Licht- Empfänger High speed Leistungs Stufe Datensenke Wärmeabfuhr Datenquelle Demodulator

14 Die Herausforderungen (Auswahl, Empfänger) Modulator Welche Empfangsdiode? Filter, Optik Rauscharmer Empfänger Speisung Leistungssteuerung Licht- Empfänger Lichtausbreitung Fremdlicht Einfall Kanaleigenschaften Reichweite Datenquelle Demodulator Datensenke

15 Herausforderungen - Lichtausbreitung, Kanaleigenschaften - Welche LED Ersatzschaltung, Charakterisierung - Bandbreite Kompensation, Pre-EQ - Sendersetup, Wärmeabfuhr - Reichweite RX Empfindlichkeit

16 Unsere Lösungen Lichtausbreitung Modellraum 5x5x3 m 3 : Raumbeleuchtung (EN : 400 lx) 4 LED-Spots à 81 LEDs (3 W, 90 lm) -> 320 lx lx

17 Unsere Lösungen Kanaleigenschaften Lichtgeschwindigkeit: 0.3 m/ns Hauptanteil: Line of Sight (LOS) Komponenten Einfluss Reflektionen (diffus): sehr gering (<5 %) Verluste im Kanal: Hauptsächlich Distanz 2 Kleiner Öffnungswinkel: Weniger Reflektionen Aber weniger Leistung 35 70

18 Unsere Lösungen LED Ersatzschaltung, Charakterisierung Cp: Ls: Rb: Rd: Cj: parallele Gehäusekapazität serielle Induktivität (Anschlüsse, Bonding) Bahnwiderstand differentieller Widerstand veränderlich (Biasstrom) Sperrschichtkapazität Messung elektrische Bandbreite (Netzwerkanalysator) -> Modellparameter bei bestimmtem Biasstrom (B > 50 MHz) -> Geeignete LEDs: Osram, Cree

19 Unsere Lösungen Optische Bandbreite Pre-Equalizing Weisse LED = blauer Chip & Phosphorschicht Phosphor sehr träge (Bandbreite < 1 MHz) -> optischer Bandpass-Filter: Blauanteil 450nm Optische Bandbreite ist kleiner als elektrische Vorentzerrung mit FIR-Filter-Koeffizienten (grün): -> Input: Impulsantwort Empfänger (rot) -> Soll: Raised-Cosine, Rolloff-Faktor = 0.6 (blau)

20 Unsere Lösungen Sendersetup Demonstrator: 4x5 LEDs à 90 lm-> 1800 lm Spot Serieschaltung: 64 V, 350 ma Verstärkung D/A-Signal auf eine Amplitude von 24 Vpp -> Class AB Verstärker

21 Unsere Lösungen Wärmeabfuhr Cobritherm (gefräst) Wärmeleitwert (10 cm 2 ): 12 W/K 16.4 W Wärmeleistung -> T = 1.4 K

22 Unsere Lösungen Reichweite RX Empfindlichkeit Problem: grosse Kapazität (40 pf) der Photodiode (grosse Fläche) Bandbreite (~ 50 MHz) schwer erreichbar Lösung: Bootstrapping

23 Unsere Lösungen Reichweite RX Empfindlichkeit Thermisches Rauschen Widerstand: 12 kω -> 8.3 na FET-Eingangsstufe: 5.4 na Bootstrapschaltung: 25 na Total: -> 27 na -> NEP = 15.8 pw/hz 1/2 Schrotrauschen durch Umgebungslicht: 1000 lx -> 26 na 100 khz Störung Leuchtstofflampe -> fällt weg im Kommunikationsszenario

24 Unsere Lösungen Demonstrator (Ausstellung Stand HSLU): Bitfehlerrate: 10-8 in 2m Entfernung bei 150 lx Beleuchtungsstärke Datenquelle (Streaming Server) -> Ethernet -> Sender Empfänger -> Ethernet -> Datensenke (Laptop, mobil) FPGA Sender & Empfänger: Low Cost Xilinx Spartan 6 -> Mars MX1 Board von Enclustra

25 - Anwendungen Verkehrssteuerungs Infrastruktur Quelle: IEEE P Working Group for Wireless Personal Area Networks

26 - Anwendungen Verkehrssteuerungs Infrastruktur Auto zu Auto Kommunikation z.b. Bremsassistent

27 - Anwendungen Verkehrssteuerungs Infrastruktur Sende / Empfänger in: - Verkehrsampeln - Anzeigetafeln - Strassenbeleuchtung Kommunikation mit Navigationsgerät Ortungsunterstüzung, ID Warnungen, Meldungen

28 - Anwendungen Lokaler Informationstransfer Orts bezogene Services: - Werbung -Lokale Infos -Touristen Info - Stadtführung - Quelle: IEEE P Working Group for Wireless Personal Area Networks

29 - Anwendungen Informations- und Ortungs- System in Läden Verkaufs- und Produkt- Informationen mit Positionserkennung VLC-Sende/ Empfänger Anzeige Quelle: JEITA - Shinichiro Haruyama VLCC

30 - Anwendungen Inhaus Navigationssystem Exakte Positionserkennung - In Gebäuden (Sicherheit) - Als Orientierung (Warenhaus) -Lokale Infos - Ausstellungs- Exponate

31 - Anwendungen Informations- System - Ausstellungsführer - Museumsführer -Exponate Info

32 - Anwendung Service Integration Flughafen Public info (Broadcasting) Personal downloading Customized info (Unicasting) Notfall Informationen Personen Ortung

33 Zusammenfassung Visible Light Communications ist ein vielversprechendes Kommunikationssystem das: Ökologisch Unbedenklich bez. Gesundheit LED s & Powerline bilden eine ideale Nachrüstlösung Keine Funklizenzen nötig Vielfältige Anwendungsgebiete

34 Wer kann das? Competence Center Electronics Schwerpunkte der angewandten Forschung Ortung in Gebäuden Datenübertragung (VLC)

35

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