Comunicações ópticas MIMO abrem novos caminhos

Por Jon Gabay, Mouser Electronics

As comunicações ópticas são um dos métodos pré-tecnologia mais antigos para sinalização de longa distância. Superfícies reflexivas podem refletir os raios solares e direcioná-los para um local específico como um sinal ou alerta. Esta reflexão direcional também é bastante furtiva, já que, normalmente, a única pessoa que pode vê-la é aquela a quem se destina.

As comunicações ópticas ainda são usadas hoje, principalmente em controles remotos de fibra e TV, mas hoje em dia, a RF é o meio eletromagnético preferido para comunicações unidirecionais e omnidirecionais de alta velocidade. Mas não conte a saída óptica ainda. Uma forma relativamente nova de comunicações ópticas paralelas está ganhando alguma atenção à medida que os fabricantes de dispositivos procuram expandir as formas de entrada e saída de dispositivos móveis e de localização fixa.

Originalmente desenvolvido para RF, MIMO, que significa múltiplas entradas e múltiplas saídas, tem sido usado por engenheiros de rádio para aumentar a largura de banda e permitir que as comunicações de RF ocorram com taxas de dados mais altas do que seria possível com uma única banda. Aqui, um sinal é transmitido usando muitos sinais portadores em frequências diferentes para permitir a transferência paralela de dados em vez de apenas a transmissão serial. O MIMO óptico também faz isso, mas com luz.

O MIMO óptico utiliza luz visível para permitir que os sistemas de iluminação se comuniquem com outros equipamentos de uma das três maneiras. Uma técnica usa um único emissor composto por LEDs de múltiplas cores. Cada LED é um transmissor e, usando filtragem óptica na extremidade do receptor, cada cor transporta dados em paralelo com as outras cores. Essa técnica é chamada Lambda MIMO.

Uma abordagem alternativa é colocar múltiplos emissores em vários locais de um teto, por exemplo. Nesse caso, cada emissor é do mesmo tipo e cor de LED, e um receptor paralelo – como uma câmera de vídeo – combina os raios de luz separados espacialmente, novamente, para formar uma transferência de dados paralela. Isso é chamado de s-MIMO.

Uma terceira técnica combina ambas as abordagens e utiliza múltiplos emissores, cada um de uma cor diferente e colocados em locais diferentes. Isso é chamado de h-MIMO e também usa um sensor paralelo, como uma câmera de vídeo, para decodificar as ondas de luz separadas espacialmente e por cores em paralelo.

Falando em decodificação, diferentemente das técnicas de modulação de RF, os LEDs normalmente são de cor única para manter os custos baixos, portanto a modulação de comprimento de onda não é uma abordagem viável. Em vez disso, podem ser usadas técnicas de modulação por largura de pulso e frequência de pulso. As técnicas de RF, como a multiplexação por divisão de frequência ortogonal (OFDM), permitem múltiplos usuários, mas limitam as taxas de dados, de modo que as técnicas de acesso múltiplo não ortogonal (NOMA) parecem estar liderando a multidão.

A chave é controlar a amplitude de transmissão de cada cor e o ganho de recepção de cada cor. É por isso que a alocação de potência por diferença de ganho normalizada (NGDPA) é empregada para reduzir a complexidade e aumentar a eficácia.

O interessante é que os dados experimentais mostram que taxas de dados do canal de até 55 Mbit/s são alcançáveis ​​usando a alocação de potência de taxa de ganho (GRPA) e NGDPA. Embora ambos sejam eficazes, uma ligeira vantagem vai para o NGDPA. Taxas de soma de 110 Mbit/s são alcançáveis ​​com duas fontes usando técnicas NOMA.

Com tantas técnicas e protocolos de RF permitindo efetivamente que nossos dispositivos se comuniquem tão bem, por que alguém iria querer usar uma técnica óptica que depende tanto da proximidade e da linha de visão? Existem muitas razões e aplicações para esta técnica de iluminação inteligente.

Primeiro, não há licenças e aprovações incômodas necessárias para comunicações ópticas. Não há FCC, TUV ou qualquer obstáculo caro de padrão internacional para superar. Em segundo lugar, esta técnica é imune à EMI. A interferência de outras fontes de RF não degradará o desempenho e mesmo níveis muito altos de EMP e picos (como ligar motores grandes) não interferirão na integridade dos dados.

LEDs e receptores ópticos custam menos do que front-ends e filtros de antenas de RF e similares. É verdade que as comunicações ópticas de feixe divergente baseadas em LED são de alcance relativamente curto, mas ainda existem múltiplas aplicações que podem tirar vantagem dessas características.