Wat maakt Visible Light Communication (VLC) een veelbelovende technologie voor moderne communicatie?

Visible Light Communication (VLC) is een technologie die gebruik maakt van zichtbaar licht voor gegevensoverdracht, en het biedt een aantal voordelen ten opzichte van traditionele draadloze communicatiemethoden, zoals radiofrequentie (RF). In dit artikel worden de belangrijkste voordelen van VLC besproken en worden de basiscomponenten van een VLC-systeem uitgelegd.

Wat VLC verder aantrekkelijk maakt, is de veiligheid. In tegenstelling tot RF-gebaseerde communicatie, die mogelijk door muren en andere fysieke barrières kan dringen, is de transmissie van gegevens via zichtbaar licht beperkt tot de verlichte ruimte. Dit maakt afluisteren vrijwel onmogelijk in vergelijking met RF-systemen, die vaak een groter bereik hebben. VLC biedt daardoor een aanzienlijk hogere beveiliging en kan bovendien worden aangevuld met versleuteling en authenticatieprotocollen om de communicatie nog verder te versterken.

Daarnaast is VLC veel minder gevoelig voor elektromagnetische interferentie (EMI). Dit maakt VLC ideaal voor gebruik in omgevingen die gevoelig zijn voor RF-storingen, zoals ziekenhuizen of vliegtuigen. In dergelijke omgevingen kan de betrouwbaarheid van communicatie door VLC aanzienlijk beter zijn dan met traditionele draadloze technologieën. VLC biedt dus een stabiele en betrouwbare communicatie, zelfs in omgevingen met veel elektromagnetisch lawaai.

VLC biedt ook een hoge gegevensdichtheid dankzij de gerichte aard van zichtbare lichtbundels. Dit betekent dat in gesloten omgevingen meerdere communicatiekanalen tegelijkertijd kunnen worden gebruikt zonder onderlinge interferentie. Dit maakt VLC bijzonder geschikt voor drukke omgevingen zoals stadions, vliegvelden en andere openbare ruimtes waar veel gegevens tegelijkertijd moeten worden verzonden. De hoge signaal-ruisverhouding (SNR) die VLC biedt, maakt het mogelijk om gegevensoverdracht van hoge kwaliteit te garanderen, zelfs in omgevingen met veel achtergrondruis.

Wat betreft de systeemcomponenten bestaat een VLC-systeem uit verschillende belangrijke onderdelen die samenwerken om gegevens via zichtbaar licht te communiceren. Het systeem omvat onder andere een modulator/encoder, een digitale-naar-analoge omzetter (DAC), een LED-lamp en een fotodetector (PD) aan de ontvangende kant. De gegevens worden gemoduleerd met behulp van een geschikte modulatie-techniek, en de gemoduleerde signalen worden via de VLC-kanaalverbindingen (met zowel Line-of-Sight (LoS) als Non-Line-of-Sight (NLoS) paden) naar de ontvanger gestuurd. De fotodetector aan de ontvangende kant demoduleert de signalen en herstelt de oorspronkelijke gegevens.

Het gebruik van LED's in VLC-systemen heeft de manier waarop we denken over communicatie radicaal veranderd. LED's zijn halfgeleiders die snel genoeg kunnen worden gemoduleerd zodat het aan- en uitschakelen van de lichtbron onzichtbaar is voor het menselijk oog. Dit maakt LED's een ideaal medium voor gegevensoverdracht. De belangrijkste uitdaging van LED's is echter hun beperkte modulatiebandbreedte. Terwijl de modulatiebandbreedte van LED's doorgaans rond de 3 MHz ligt, kan deze worden vergroot tot 20 MHz door het gebruik van een blauwe filter.

VLC-systemen maken gebruik van verschillende modulatie-technieken, zoals On-Off Keying (OOK) en Variabele Pulspositie Modulatie (VPPM), die zijn gedefinieerd in de IEEE 802.15.7 standaard voor VLC-systemen. In een typisch VLC-systeem wordt de lichtintensiteit gemoduleerd om binaire gegevens over te dragen. Omdat de intensiteit van het licht kan variëren, is het mogelijk om een breed scala aan gegevens snel en efficiënt over te dragen. Demodulatie vindt plaats door het detecteren van de lichtintensiteit met behulp van een fotodetector aan de ontvangende kant, die de gegevens herstelt.

Naast de genoemde voordelen is het belangrijk te begrijpen dat VLC niet zomaar een vervanging is voor traditionele draadloze communicatie zoals Wi-Fi of Bluetooth. VLC heeft zijn eigen beperkingen, vooral wat betreft het bereik en de noodzaak voor zichtlijn (Line of Sight, LoS). Dit betekent dat VLC niet altijd geschikt is voor toepassingen waarbij draadloze communicatie door muren of andere obstakels moet kunnen plaatsvinden. In sommige gevallen kan het zelfs noodzakelijk zijn om extra apparatuur of technologieën in te zetten om de prestaties van VLC-systemen te verbeteren en obstakels te omzeilen.

Hoe OTFS en OFDM de Communicatieprestaties Verbeteren: Vergelijking en Toepassingen

Orthogonale frequentie-divisie multiplexing (OFDM) en Orthogonale tijd-frequentie-ruimte (OTFS) golfvormen zijn twee belangrijke technologieën in de moderne communicatiesystemen die beide voordelen bieden in verschillende scenario’s. Beide technologieën benutten het principe van het verdelen van de beschikbare bandbreedte in meerdere subdragers, maar hun benadering en voordelen verschillen op belangrijke punten, afhankelijk van de uitdagingen van het communicatiekanaal.

OFDM is een gevestigde technologie die bijzonder effectief is in omgevingen waar frequentieselectieve fading voorkomt, wat een veelvoorkomend probleem is in draadloze communicatie. Door de beschikbaarheid van meerdere subdragers die orthogonaal zijn aan elkaar, kan OFDM de kans op interferentie minimaliseren en tegelijkertijd een hoge spectrale efficiëntie behouden. Het belangrijkste voordeel van OFDM is de robuustheid tegen frequentieselectieve fading, wat wordt veroorzaakt door de reflectie van signalen op obstakels in het pad van de zender naar de ontvanger. Dit fenomeen is met name prominent in omgevingen met veel reflectie, zoals stedelijke gebieden.

Naast de robuustheid van OFDM tegen fading, biedt het ook de mogelijkheid om de beschikbare bandbreedte efficiënt te benutten. In plaats van een enkele draaggolf te gebruiken, verdeelt OFDM de data over meerdere subcarriers, elk met een relatief lage snelheid. Deze methode maakt het mogelijk om storingen als gevolg van multipadpropagatie te verminderen en zorgt voor een betrouwbare overdracht van gegevens, zelfs in dynamische omgevingen met snel veranderende kanalen.

OTFS, aan de andere kant, biedt een nieuw paradigma voor communicatie in omgevingen met hoge mobiliteit en snel variërende kanalen. OTFS maakt gebruik van zowel de tijd- als de frequentieruimte om de kanaalrespons volledig te benutten, wat het bijzonder geschikt maakt voor scenario’s waarin de communicatietrajecten snel veranderen, zoals bij voertuigen in beweging of in netwerken met grote variatie in de signaalsterkte. Het OTFS-systeem maakt gebruik van de gezamenlijke overweging van tijd en frequentie, waardoor het signaal robuuster en betrouwbaarder wordt, vooral in omgevingen met veel ruis en interferentie.

De OTFS-golfvorm is ontworpen om de nadelige effecten van tijdsvariërende kanalen te verminderen, waaronder de zogenaamde Delay-Doppler verspreiding, die kan optreden wanneer de afstand tussen zender en ontvanger verandert of de snelheid van het kanaal fluctueert. Dit probleem is vooral relevant voor communicatiesystemen die vereist zijn om signalen in dynamische omgevingen nauwkeurig te verwerken. OTFS maakt het mogelijk om de tijd- en frequentiekarakteristieken van het kanaal op een innovatieve manier te benutten, wat resulteert in verbeterde prestaties en grotere betrouwbaarheid in snel veranderende omstandigheden.

Hoewel zowel OFDM als OTFS voordelen bieden in draadloze communicatiesystemen, zijn de specifieke toepassingen van deze technologieën afhankelijk van de omstandigheden van het communicatiekanaal. OFDM heeft de voorkeur in scenario’s waar de communicatie voornamelijk wordt beïnvloed door frequentieselectieve fading en waar hoge spectrale efficiëntie nodig is, zoals in traditionele mobiele netwerken en Wi-Fi-systemen. OTFS, daarentegen, is bijzonder veelbelovend voor toepassingen die hoge mobiliteit en snel variërende omgevingen vereisen, zoals in voertuigcommunicatie, drones of mobiele communicatie in snel bewegende netwerken.

Een ander belangrijk verschil tussen deze twee technologieën ligt in de manier waarop ze omgaan met interferentie. OFDM biedt robuustheid tegen interferentie door de signalen over meerdere subcarriers te verspreiden, wat zorgt voor een verdeling van het energieverbruik over een breed spectrum. Dit verhoogt de kans op succesvolle transmissie, zelfs wanneer er interferentie is van andere signalen. OTFS gaat verder door de volledige tijd-frequentie ruimte te benutten en daarmee een hoger niveau van aanpassing aan de variaties in het kanaal te bieden.

Beide technologieën hebben hun rol in de huidige en toekomstige communicatienetwerken, waarbij OFDM uitmunt in systemen die stabiliteit en efficiëntie vereisen in minder dynamische omgevingen, en OTFS een veelbelovende keuze is voor omgevingen die snel veranderen en waarbij hoge snelheid en robuustheid cruciaal zijn. Beide systemen kunnen ook profiteren van aanvullende technieken zoals adaptieve modulatie en gelijkvorming om nog betere prestaties te leveren in uitdagende scenario’s.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat geen enkele technologie op zichzelf alle uitdagingen van draadloze communicatie kan oplossen. Het kiezen van de juiste technologie voor een specifiek gebruiksdoel vereist een grondige analyse van het communicatienetwerk, de omgevingsfactoren en de verwachtingen van de gebruiker. Bovendien zal de voortdurende vooruitgang in draadloze communicatietechnologieën, zoals 5G en de toekomstige 6G-netwerken, de mogelijkheden van zowel OFDM als OTFS verder verfijnen en de integratie van beide systemen in hybride netwerkstructuren bevorderen.

Hoe kan OTFS-gebaseerde ISAC-systemen de communicatie en sensoring optimaliseren?

De integratie van communicatiesystemen en sensortechnologieën heeft geleid tot de ontwikkeling van Integrated Sensing and Communication (ISAC) systemen, waarin OTFS (Orthogonal Time Frequency Space) een cruciale rol speelt. Deze systemen combineren de voordelen van communicatie- en radarfunctionaliteiten in één platform, wat de efficiëntie en effectiviteit van draadloze netwerken aanzienlijk kan verbeteren. In dit verband wordt het OTFS-gebaseerde ISAC-model steeds belangrijker voor zowel academisch onderzoek als industriële toepassingen.

Het OTFS-gebaseerde ISAC-systeem is ontworpen om informatie over meerdere doelen te verzamelen en tegelijkertijd betrouwbare communicatie te waarborgen. Het model is opgebouwd uit een serie opeenvolgende stappen die zowel de transmissie van signalen naar de doelen als de verwerking van ontvangen signalen omvatten. Dit begint bij de initiële systeemconfiguratie, waar parameters zoals het aantal doelen, het aantal zend- en ontvangantenne's, en de pulsduur van het signaal worden vastgesteld. Vervolgens wordt het transmissieproces geïnitieerd door informatie symbolen om te zetten naar het OTFS-domein via de inverse snelle Fourier-transformatie (ISFFT). Dit resulteert in gemoduleerde signalen die via multicarriermodulatie naar de doelwitten worden gezonden.

Het volgende belangrijke aspect is de beamforming en het modelleren van het communicatiekanaal. Hierbij wordt een beamforming matrix toegepast die de multibeam-signalen voor verschillende doelen combineert en verwerkt. Het communicatiekanaal voor elk doel wordt vervolgens gemodelleerd, waarbij rekening wordt gehouden met de specifieke eigenschappen van dat kanaal, zoals het vertraagde signaal en de Doppler-verschijnselen. De ontvangen signalen worden verder verwerkt door een ontvanger die OTFS-demodulatie uitvoert, zodat de informatie opnieuw kan worden geëxtraheerd.

Het belangrijkste kenmerk van het ISAC-systeem is de vermogen om meerdere doelen tegelijkertijd te volgen en te onderscheiden op basis van hun unieke kenmerken, zoals de hoek van aankomst (AoA) en Doppler-shifts. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van massieve MIMO-ontvangstantennes, die het mogelijk maken om interferentie tussen verschillende doelwitten effectief te onderdrukken. Dit resulteert in een gedetailleerd inzicht in de toestand van elk doel, wat cruciaal is voor zowel communicatie als sensoring.

Naast deze technische aspecten is het van groot belang te begrijpen dat de toepassing van OTFS in ISAC-systemen de betrouwbaarheid en robuustheid van de communicatie verbetert, zelfs in omgevingen met veel ruis of interferentie. Dit wordt bereikt door het gebruik van geavanceerde signalen die in staat zijn om zich efficiënt aan te passen aan de veranderende kanaalomstandigheden. OTFS heeft bewezen beter bestand te zijn tegen Doppler-verschijnselen dan traditionele systemen zoals OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), wat essentieel is voor toepassingen zoals voertuigcommunicatie en slimme steden.

Een ander belangrijk punt is de rol van ruis en interferentie. De toepassing van massieve MIMO-ontvangstantennes helpt niet alleen bij het verbeteren van de signaalverwerking, maar maakt ook het onderscheiden van meerdere doelwitten in drukke communicatieomgevingen mogelijk. Dit is cruciaal voor scenario's waarin meerdere doelen tegelijkertijd worden gemonitord of gecommuniceerd, zoals in toepassingen voor autonoom rijden of in defensieomgevingen.

In de toekomst zal het optimaliseren van ISAC-systemen met behulp van geavanceerde technologieën, zoals intelligente reflecterende oppervlakken (IRS), de communicatie verder kunnen verbeteren. IRS zijn oppervlakken die dynamisch het reflectiegedrag van elektromagnetische golven kunnen aanpassen, wat leidt tot een verbetering van de signaalsterkte en -kwaliteit in verschillende omgevingen. Het integreren van IRS met ISAC-systemen kan helpen om interfrequentieproblemen te verminderen en de algehele prestaties van communicatie- en sensornetwerken te verbeteren.