Investigación tecnología de transmisión de datos inalámbricos Li-Fi

Resumen

This paper presents the features of the alternative data transmission technology: Li-Fi. Li -fi is a way to connect to the internet but using light, faster and safer than wi-fi. Also the properties of this technology, its implementation and one of the recent Latin American research related to the advancement of this technology is presented in this text.

Términos índice— li-fi research, wireless connection 2015, VLC.

Introducción

La saturación del espectro radiológico va en aumento debido a la exigencia de la masa de población de comunicaciones inalámbricas, para solucionar este problema, apareció el Li-Fi [10].

La tecnología li-fi es una manera de transmitir datos tanto para envío como para recepción, como se muestra en la figura: 1, pero difiere de las maneras convencionales de transmisión, pues esta no usa el espectro radiológico, cada vez más escaso y codiciado, ni el de luces infrarojas o ultravioletas, esta tecnología utiliza el espectro de luz que es visible para el ojo humano, como la luz de una bombilla común y corriente[10, 11, 5, 6].

Para transmitir datos es necesario poseer una bombilla de diodos led como emisor, pues estos pueden enviar datos en base a parpadeos [6].

Li-fi viene del inglés "ligth fidelity" pues se basa en la luz para transmitir datos. Aunque se llevan ya varios años investigando (desde 2008) esta clase de tecnologías de conexión bautizadas VLC, que ya fue estudiada por Alexander Graham Bell en 1880 (Visible Ligth Connections), Li-fi fue presentado en una conferencia de la organización TED en julio de 2011 por el profesor de la universidad de Edimburgo Harald Haas[2, 6].

La empresa "pureLiFi" es líder en soluciones li-fi, fundada con la ayuda del mismo Harald Haas, cuenta con un equipo de ingenieros, internacionalmente reconocidos en las investigaciones en comunicación por luz visible (VLC), con cerca de 50 años de experiencia[3].

Aunque la tecnología li-fi aún se encuentra en etapas de desarrollo, promete ser un un complemento de la conexión wi-fi en algunos aspectos, y un seguro reemplazo en otros ámbitos, pues al no usar la radiofrecuencia para transmitir datos, se puede utilizar en lugares en donde una red de wi-fi no puede ser implementada como en aviones, hospitales, etc [4, 5].

Sisoft México, busca convertirse en la primera empresa en implementar esta tecnología en su país. Arturo Campos, Director General de esta empresa, es quién está a cargo de este ambicioso proyecto [12, 20]. A demás se encuentra realizando investigaciones sobre la mejora de esta tecnología y en varias entrevistas ha aclarado que planea implementarlo este año (2015) [14, 20].

Figura 1: Transmisión de datos por li-fi, fotografía tomada de: www.areatecnologia.com

Diodos Led

El diodo led es un componente con varias aplicaciones, una importante de ellas es que es capaz de emitir luz con un muy bajo consumo de potencia, otra es su fácil fabricación y su capacidad para responder velozmente a circuitos electrónicos que le hacen parpadear para conseguir transmitir información a manera de estados de luz que se traducen en un código binario (cero: apagado, uno: encendido) que puede ser codificado o decodificado[1, 2]. Este parpadeo es tan veloz que es imperceptible para el ojo humano [2, 7].

Concepto de Li-fi

Como se mencionó en la introducción del documento, el li-fi es una tecnología que transmite datos igual que el wi-fi, la radio o la Tv, pero esta usa el rango de frecuencias que es visible para el ojo humano: la luz [6, 10, 5].

Puesto a que el rango de espectros de la frecuencia de la luz es mucho más amplio que el de las radiofrecuencias, es posible transmitir más datos y a mayor velocidad [7, 10].

2 Cómo trabaja el Li-fi

Lo que hace realmente esta bombilla, es enviar un tren de bits compuestos por unos y ceros (código binario), para que al llegar a un foto receptor, colocado en el dispositivo en el que se quiere procesar los datos, la señal enviada, ahora recibida, es decodificada y utilizada por el usuario[6, 13, 14].

Estos códigos de unos y ceros, implica que en "uno" está llegando un valor de luz y en "cero" otro valor. Comunmente se utiliza el "uno" como foco encendido, y el "cero" como foco apagado, esto hace que se requiera una respuesta veloz a este acontecimiento de encender y apagar la luz, esta respuesta se consigue gracias a los diodos led [7, 6].

Para la comunicación dual, o de dos canales, uno de ida y otro de regreso, se debe usar un led emisor en el dispositivo que recibió anteriormente los datos, ahora los envía, y en la bombilla de led, que ahora se convertiría también en receptora, llegaría el código enviando de manera similar al proceso anterior, para ser decodificado y entendido como información [9, 10].

2.1 Enfoque del Li-fi

Inicialmente Li-fi apareció como una manera de transmitir datos de audio y video, pero debido a su capacidad de procesamiento, y la velocidad que brinda esta tecnología (la velocidad se mencionará en la siguiente subsección) se enfocó muy rápidamente a la transmisión de internet. Aunque aparecieron varias características propias de esta tecnología en el transcurso del diseño y ha tomado un enfoque diferente a los pensados al principio, pues al ser necesario el hecho de que el dispositivo receptor esté dentro del rango de iluminación de la bombilla emisora de Li-fi, se ha buscado también enfocar esta tecnología, además del enfoque de internet, a la publicidad, buscando sustituir los códigos QR u otras formas de interacción con los usuarios, pues como un ejemplo, si el usuario de un dispositivo receptor de Li-fi se encuentra en un comercial y desea hallar un lugar en particular que no conoce, se acercaría a una isla de ubicación y al ingresar en el rango de recepción de la luz emitida por una lámpara Li.fi en esta isla, en su smartphone o dispositivo, aparecería una aplicación capas de interactuar con el usuario y guiarlo hacia su destino, o en lugar de leer con una cámara un código QR, solo acercaría su dispositivo a la luz Li-fi y esperaría obtener en instantes toda la información de un producto de interés[4, 5, 6, 9].

3 Características del Li-fi

Es importante buscar las características de esta tecnología para luego poder compararlas con las ya existentes que cumplen funciones similares. Por esto es que se enlistarán las características de esta tecnología para conocerla mejor.

• Transmite datos vía inalámbrica [8, 9, 10].

• Para transmitir datos usa el espectro de frecuencias que está dentro del rango visible para el ser humano (aprox. entre 400 y 800 THz) [8, 9].

• Tiene la capacidad de la dualidad, transmisión de datos de la bombilla al dispositivo y viceversa [10].

• Comprende velocidades de transmisión muy altas (cercanas a los 10 Gbps) [12, 14].

• Rango de alcance moderado 2-3 metros [12, 18, 19].

• No penetra las paredes [1, 10].

• Acceso múltiple [11].

• No se desconecta al pasarse desde un punto de conexión (roturado o bombilla) a otro [10, 11].

• Simboliza un importante ahorro energético [11].

• Es muy seguro [14, 15].

• Tendrá problemas de transmisión en lugares abiertos y más aún, en zonas donde la luz solar tenga acceso directo [19].

Multi comunicación a bajo costo

Comunmente para la codificación se usan modelos QAM (Quadrature Amplitude Modulation) Modulación de amplitud en cuadratura, que consiste en enviar una señal en una onda portadora a la que previamente se le moduló la amplitud y la fase para que lleve así dos informaciones independientes, por lo que no existe confusión entre una señal y la otra.

La conexión Li-fi utiliza un método de multiplexación mejorado al comunmente usado, llamado SIM-OFDM (Subcarrier Index Modulation – Orthogonal frequency-division multiplexing) es un sistema más eficiente que el clásico sistema de multiplexación de frecuencias, pues este al ganar una unidad de potencia por bit de codificación, consume menos energía que el sistema OFDM [11, 19].

Esto provocaría que sea posible la comunicación con varios dispositivos bajo la misma bombilla emisora de luz (multiplexación) pero con un consumo menor que los convencionales (SIM-OFDM), haciendo rentable a esta tecnología [11, 19].

En la siguiente gráfica se muestra una curva de comparación de la tasa de error de bit que ocurre conforme a una unidad de potencia respecto al orden de modulación QAM con el sistema OFDM versus el sistema SIM-OFDM.

Figura 2: Comparación de tasa de error de bit respecto a la potencia por orden de modulación. [11]

Comparación de tasa de error de bit respecto a la potencia por orden de modulación. [11]

En esta gráfica se puede rescatar como información de mayor relevancia el hecho de que para un sistema SIM-OFDM se necesita menos energía para conseguir una tasa de error de bit (BER).

Como es obvio y de esperar, la tasa de error de bit aumenta de dos maneras, si se separan de la fuente lumínica, o si el ambiente de luz no es adecuado. En la siguiente figura, figura 3, se aprecia la BER con respecto a la distancia existente entre el receptor y la fuente de luz led transmisora de li-fi en diferentes escenarios lumínicos. Revisar más detalladamente [11].

Figure 3: BER respecto a distancia entre emisor y receptor en diferentes escenarios. [19]

BER respecto a distancia entre emisor y receptor en diferentes escenarios. [19]

2 Seguridad

La primera característica por la que es seguro es porque para que alguien más tenga acceso a la red que se está usando en una bombilla, es necesario que ese alguien ingrese dentro del rango de iluminación de esa bombilla, y la luz no traspasa paredes [14, 18].

Otra razón para considerar a este sistema, sumamente seguro es: puesto a que su transmisión de datos, al ser realizado a través de espectros de luz, es imposible de hakear, pues, como lo expresó en una entrevista el director general de Sisoft México, Arturo Campos, "Los fotones de luz son incapaces de ser interceptados" quien seguramente se basó en el principio de la incertidumbre de Werner Heisenberg [14, 15]. Revisar "Recientes investigaciones relacionadas"

Implementación

Resulta relativamente sencillo implementar este sistema, pues lo único que requiere es agregar un microcontrolador a una bombilla led para que se encargue de codificar la información de datos y controlar la intensidad de la luz de los leds de la bombilla que emisora [12, 13, 16, 17]. Cada led posee una alta velocidad de respuesta a la variación de intensidad lumínica manipulando la corriente que circula por él, esto crea una transmisión de datos en código binario a una velocidad relativamente baja por cada led, pero, una bombilla al estar formada por varios de estos, superpondrá la información y desarrollará velocidades elevadas que equivaldrán a la suma de los datos enviados por cada led [14, 16]. El receptor, como ya se mencionó, deber poseer un foto receptor para captar las señales emitidas por la bombilla para luego ser decodificada en el dispositivo que recibirá la información para presentarla al usuario.

Estos foto receptores deberán ser especiales pues deben captar diferentes longitudes de onda e interpretarlas, además de distinguir entre las intensidades que son consideradas como unos y ceros, tornando un sistema de codificación y decodificación complejos, pero que son resueltos por los microprocesadores ya mencionados [17].

Recientes investigaciones relacionadas

En el laboratorio de Sisoft México, se ha iniciado una investigación para usar los llamados QuantumLED que aumentarían la velocidad de transmisión de información a Terabytes por segundo en lugar de la ya alcanzada velocidad en Gigabytes por segundos [20]. Esto es debido a las propiedades de enlace y superposición de cuantos, por esto es que a su unidad fundamental de dato se le llama "qubit". Al usar cuantos es posible procesar más de 1 par de datos al mismo tiempo, esto debido a que los cuantos tienen la capacidad de encontrarse en dos estados simultáneos: cero y uno, los cuales pueden ser superpuestos [13, 21]. Los microprocesadores que tendrán incorporados los emisores y los receptores deben tener la capacidad de trabajar con estas unidades, debido a que sus estados están superpuestos, es necesario determinar su descripción antes de ser medidos, pues su estado se ve forzado a ser cero o uno luego de que sucede la medición, esta descripción se la determina por medio de la probabilidad de su ocurrencia [15, 21].

Conclusiones y recomendaciones

The Li-fi technology is a secure tool for data transmission because it can be used in hospitals and airplanes, places where the wi-fi can not be implemented because of its spectral interference with other radio signals.

It is a clean and friendly energy with environment because does not emit heat and does not contribute to global warming.

It provides energy savings, which makes it very cost effective to places where higher speed internet is needed and several routers are used to cover a large area connection.

The speed of data transmission makes this technology be feasible to be installed in shopping centers or places that offer internet service and possess desktops or kept under a light source also fixed.

Every point where one LED bulb is located, is a potential internet site, traffic lights, the lights of a car, a street lamp, etc.

Because it is an emitter of internet and light, makes two functions at once, which means an additional savings.

La tecnología Li-fi es una herramienta segura para la transmisión de datos puesto a que puede ser utilizada en hospitales y aviones, lugares en donde el wi-fi no puede ser implementado por su interferencia con otras señales espectrales radioeléctricas.

Se trata de una energía limpia y amigable con el medio ambiente, pues no emite calor y no contribuye al calentamiento global.

Proporciona ahorros de energía, lo que la convierte en sumamente rentable para lugares en donde se necesita un internet de mayor velocidad y se usan varios roturadores para cubrir un área grande de conexión.

La velocidad de transmisión de datos hace que esta tecnología sea factible de ser instalada en centros comerciales o lugares que brinden servicio de internet y posean computadores de escritorio o que se mantengan bajo una fuente lumínica también fija.

Todo punto en donde se encuentre una bombilla led, es un lugar potencial de internet, un semáforo, las luces de un automóvil, una lámpara de calle, etc.

Al ser un emisor de internet y de luz, realiza dos funciones a la vez, lo que supone un ahorro adicional.

Referencias

[1] El diodo de emisión de luz (LED), Universidad de Valencia, Escuela técnica superior de ingeniería, recurso disponible en: http://www.uv.es/~esanchis/cef/pdf/Temas/B_T3.pdf

[2] Importancia del parpadeo en un led. "Flicker happens. But does it have to?" 2014 Cree.

[3] Pure lifi, acerca del grupo de investigación del profesor Harald Haas, recurso disponible en: http://purelifi.com/about-us/

[4] Equipo de pureLiFi, recurso disponible en: http://purelifi.com/about-us/people/

[5] Pure Li-fi, definición dada por el grupo de investigación del profesor Harald Haas, recurso disponible en: http://purelifi.com/what_is_l

[6] Li-Fi: Access the Internet Through LED Bulbs, sección "Up in the sky", recurso disponible en: http://thenextweb.com/insider/2014/08/21/purelifi-li-fi-vlc-led/

[7] "Shedding-Light-On-LiFi" 2012, Harald Haas.

[8] CNN en español, entrevista de George Webster a Harald Haas 30 de Septiembre de 2012, recurso disponible en: http://cnnespanol.cnn.com/2012/09/30/li-fi-internet-inalambrico-a-traves-de-la-luz/

[9] El li-fi permitirá que el internet se transmita a través de la luz, Tendencias21.net, recurso disponible en: http://www.tendencias21.net/El-Li-Fi-permitira-que-Internet-se-transmita-a-traves-de-la-luz_a35547.html

[10] "The Siren Call of Li-Fi" 2013, Harald Haas, publicación.

[11] Enhanced Subcarrier Index Modulation (SIM) OFDM, Dobroslav Tsonev, Sinan Sinanovic and Harald Haas, publicación de 2013.

[12] InternetLedCom, proyecto de implementación de Li-Fi en México, Sección: Ayuda e información, recurso disponible en: http://www.internetledcom.com/

[13] Desafíos de las nuevas tecnologías: Un análisis a LiFi y otras tecnologías. Evelyn Aravena y Agustín González, 2013, recurso disponible en: http://profesores.elo.utfsm.cl/~agv/elo322/1s13/project/reports/ Desafios_de_las_nuevas_tecnologias.pdf

[14] Iluminet, entrevista a Arturo Campos (Julio de 2014), Director General de Sisoft de México. Recurso disponible en: http://www.iluminet.com/tecnologia-datos-luz-led/

[15] Relación de indeterminación de Heisenberg, principio de la incertidumbre, recurso disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3% B3n_de_indeterminaci%C3%B3n_de_Heisenberg

[16] AN001 – LIFIä Design Considerations for Projection Display, Lumix Corporation, reurso disponible en: http://www.luxim.com/pdfs/ApplicationNoteLIFI-PRJ.pdf

[17] DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MODULADOR Y UN DEMODULADOR SSK PARA COMUNICACIÓN POR LUZ VISIBLE UTILIZANDO LA FPGA CYCLONE III DE ALTERA. Tesis de pre grado. UPS Quito Ecuador, recurso disponible en: http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/5367

[18] Visible Light Communication for Wireless Data Transmission, Febrero de 2014, Christ the King Engineering College, Coimbatore, India. Recurso disponible en: http://www.ijireeice.com/upload/2014/february/IJIREEICE3J__a_sathiya _Visible.pdf

[19] Visible Light Communication Using OFDM, Mostafa Z. Afgani, Harald Haas, Hany Elgala, y Dietmar Knipp, 28759 Bremen, Germany, recurso disponible en: http://www.see.ed.ac.uk/~hxh/Li-Fi_PAPERS/06_afgani_1.pdf

[20] Secretaría de ciencia, tecnología e investigación, México, Los focos LED acelerarán el futuro de Internetledcom, recurso disponible en: http://www.seciti.df.gob.mx/mas-noticias-sector/34-tecnologia/253-los-focos-led-aceleraran-el-futuro-de-internetledcom

[21] Computadores Cuánticos, Lic. Jesús Peña., monografías.com

Autor:

David Isaac Pinos Méndez,

Universidad Politécnica Salesiana – Cuenca Analógica II