Hochschule Luzern Technik & Architektur Datenübertragung mittels sichtbaren Lichts mit 100MBps Visible Light Communication VLC
Kompetenzzenter Elektronik Visible Light Communication Um was geht's
Inhalte Motivation Inhauskommunikation Medien und Systeme Überblick Laufende Standardisierungen Die Herausforderungen Unser Ziel Die Lösungen / Erreichte Performance Ausblick Anwendungen Diskussion
Motivation Entwicklung der Lichtquellen Verhältnis: Kosten / Helligkeit Verhältnis: Helligkeit / Leistungs Aufnahme
Motivation LED Eigenschaften Blaue LED & Phosphor BW(w) ~ 3MHz BW(bl) ~ 30MHz RGB LED BW ~ 50MHz RC LED (resonant-cavity) BW ~ 500MHz
Motivation attraktive Eigenschaften des VLC-Systems: - Nicht lizenziertes Frequenzband (400 700nm) - 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,
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
Technologien im Überblick
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 802.15 Working Group for WPAN - Task Group 7, Visible Light Communication - Ziel: erster Standartentwurf bis November 2010 - Hauptpromotor: Siemens
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
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
Das Übertragungssystem (Blockschema) Speisung Modulator Leistungssteuerung Licht- Empfänger Datenquelle Demodulator Datensenke
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
Die Herausforderungen (Auswahl, Empfänger) Modulator Welche Empfangsdiode? Filter, Optik Rauscharmer Empfänger Speisung Leistungssteuerung Licht- Empfänger Lichtausbreitung Fremdlicht Einfall Kanaleigenschaften Reichweite Datenquelle Demodulator Datensenke
Herausforderungen - Lichtausbreitung, Kanaleigenschaften - Welche LED Ersatzschaltung, Charakterisierung - Bandbreite Kompensation, Pre-EQ - Sendersetup, Wärmeabfuhr - Reichweite RX Empfindlichkeit
Unsere Lösungen Lichtausbreitung Modellraum 5x5x3 m 3 : Raumbeleuchtung (EN 12464-1: 400 lx) 4 LED-Spots à 81 LEDs (3 W, 90 lm) -> 320 lx - 560 lx
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
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
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)
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
Unsere Lösungen Wärmeabfuhr Cobritherm (gefräst) Wärmeleitwert (10 cm 2 ): 12 W/K 16.4 W Wärmeleistung -> T = 1.4 K
Unsere Lösungen Reichweite RX Empfindlichkeit Problem: grosse Kapazität (40 pf) der Photodiode (grosse Fläche) Bandbreite (~ 50 MHz) schwer erreichbar Lösung: Bootstrapping
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
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
- Anwendungen Verkehrssteuerungs Infrastruktur Quelle: IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks
- Anwendungen Verkehrssteuerungs Infrastruktur Auto zu Auto Kommunikation z.b. Bremsassistent
- Anwendungen Verkehrssteuerungs Infrastruktur Sende / Empfänger in: - Verkehrsampeln - Anzeigetafeln - Strassenbeleuchtung Kommunikation mit Navigationsgerät Ortungsunterstüzung, ID Warnungen, Meldungen
- Anwendungen Lokaler Informationstransfer Orts bezogene Services: - Werbung -Lokale Infos -Touristen Info - Stadtführung - Quelle: IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area Networks
- Anwendungen Informations- und Ortungs- System in Läden Verkaufs- und Produkt- Informationen mit Positionserkennung VLC-Sende/ Empfänger Anzeige Quelle: JEITA - Shinichiro Haruyama VLCC
- Anwendungen Inhaus Navigationssystem Exakte Positionserkennung - In Gebäuden (Sicherheit) - Als Orientierung (Warenhaus) -Lokale Infos - Ausstellungs- Exponate
- Anwendungen Informations- System - Ausstellungsführer - Museumsführer -Exponate Info
- Anwendung Service Integration Flughafen Public info (Broadcasting) Personal downloading Customized info (Unicasting) Notfall Informationen Personen Ortung
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
Wer kann das? Competence Center Electronics Schwerpunkte der angewandten Forschung Ortung in Gebäuden Datenübertragung (VLC)
othmar.schaelli@hslu.ch