Draadloze communicatie met infrarood: beter dan radiogafie?

Tot nu toe is het merendeel van de draadloze communicatie radiografisch. Hoewel signaalmodulatietechnieken het mogelijk maken om meer data te persen in het beperkte radiofrequentiespectrum en ruimtelijke multiplexing meerdere datasignalen tot één signaal kunnen combineren zonder dat er meer spectrum nodig is, is het lastig om te voldoen aan onze exponentieel groeiende vraag naar data.

De oplossing zou optische draadloze communicatie kunnen zijn, waarbij gebruik wordt gemaakt van optische golflengten over een breed spectraal bereik van enkele honderden nanometers tot enkele micrometers, met zowel zichtbare en infrarode straling.

Ton Koonen en onderzoekers van het Instituut voor Fotonische Integratie, ontwerpen prototype systemen met een capaciteit die meer dan tweeduizend keer zo groot is als die van de huidige gedeelde wifi-systemen. Ze hebben op uitnodiging hun werk gepresenteerd in een paper voor het themanummer ‘Optische draadloze communicatie’ van Royal Society’s Philosophical Transactions A, het oudste nog bestaande wetenschappelijke tijdschrift ter wereld.

Veilig voor de ogen

Optische draadloze communicatie via smalle lichtbundels heeft vele voordelen. Ze zijn gemakkelijk te richten, energiezuiniger dan radiogolven, hebben een lagere latentie, bieden een aanzienlijk grotere capaciteit per gebruiker en vergemakkelijken een grotere gegevens- en communicatieprivacy voor de gebruiker.

Belangrijk is dat draadloze infraroodcommunicatie met een golflengte van meer dan 1400 nm oogveilig is. Dit komt doordat het licht op deze golflengten nooit het netvlies van het oog kan bereiken, omdat het wordt geabsorbeerd door de combinatie van de lens en het kamervocht in het oog. De voorschriften voor oogveiligheid staan daarom toe dat infrarode optische stralen in de vrije ruimte meer vermogen hebben dan zichtbare optische stralen, wat goed uitkomt als het gaat om gegevensoverdracht.

Voor draadloze communicatie binnenshuis zijn datadragende infraroodsignalen eenvoudig te sturen. Dit betekent dat een individuele bundel nauwkeurig naar één apparaat kan worden gestuurd via een ongedeelde communicatieverbinding. Zo kan de bundel bijvoorbeeld 128 afzonderlijke signalen met maximaal 112 Gbit s-1 per signaal te leveren. Ter vergelijking: gedeelde wifi-systemen kunnen maximaal 7 Gbit s-1 leveren, meer dan drie grootteordes minder dan die van bestuurbare infraroodsystemen.

Energie efficiënt

In hun indoor draadloze infraroodsysteem worden de stralen gedragen door optische vezels die afkomstig zijn van een centrale communicatiecontroller (CCC). Wanneer de bundels een kamer bereiken, worden ze met behulp van een op het plafond geplaatste pencil-radiating antenna (PRA) naar de beoogde apparaten gestuurd. Een nadeel van draadloze infraroodcommunicatie is echter dat er een duidelijke line-of-sight (LoS) nodig is tussen de PRA en het ontvangende apparaat, anders kan de bundel het apparaat niet bereiken. Daarom worden meerdere PRA’s meegeleverd om het signaal vanuit verschillende richtingen te verzenden als er geen LoS is.

Energie-efficiëntie in het stuurproces wordt gewaarborgd door een passieve methode van het sturen van de infraroodstralen. Dit soort methodes vereisen geen externe stroomvoorziening, kunnen zorgen voor een hogere stuursnelheid en zijn gemakkelijker op te schalen. Bij één van deze methodes wordt de golflengte van het licht in combinatie met golflengte-diffractieve functies afgestemd. Het rooster is ontworpen om een bepaalde golflengte in een bepaalde richting te diffracteren, waarbij het aantal golflengten, en de bijbehorende stralen, beperkt wordt door het afstembereik van de laserdiode-zenders.

Demonstratie van een infrarood draadloos communicatiesysteem in het lab van Ton Koonen.

Ontvangen en lokaliseren

De PRA’s kunnen de infraroodsignalen uitzenden, maar er is ook een optische ontvanger nodig om het signaal op het apparaat te detecteren. Koonen en het team hebben een ontvanger ontwikkeld die de inkomende straal opvangt met behulp van een rooster, die het signaal vervolgens langs een golfgeleider en uiteindelijk in een hogesnelheidsfotodiode stuurt.

Natuurlijk zou een straalstuursysteem niet effectief zijn als het de positie van het apparaat van de gebruiker niet goed kan lokaliseren. Daarom moet het systeem informatie verzamelen over de positie van de apparaten voordat het een signaal uitzendt. Om dit te vergemakkelijken heeft het team vier zichtbare lichtdioden rond de optische ontvanger op het apparaat geplaatst en een camera aan het plafond. Elk apparaat krijgt een unieke knipperende sequentie van LED’s toegewezen, die wordt opgenomen door de camera en vervolgens wordt geanalyseerd door een Raspberry PI-module. Een andere aanpak die door de groep werd overwogen was het scannen van het gebruikersgebied met een zoekbundel en het monitoren van het gereflecteerde licht op de PRA.

Om de haalbaarheid van hun systeem aan te tonen, hebben de onderzoekers een laboratoriumopstelling gebouwd bestaande uit PRA’s, lokalisatiedetectoren, optische ontvangers en een centrale communicatiecontroller (CCC). Met behulp van het systeem demonstreerden ze de real-time overdracht van twee HD-video’s van het ene paar monitoren naar het andere. De video-datasets werden in 10 Gbit s-1-streams overgedragen. De signaaloverdracht vond noodzakelijkerwijs met een zeer lage latentie plaats. Om rekening te houden met eventuele veranderingen in de positie van de apparaten, hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van een micro-elektrisch mechanisch systeem (MEMS) optische cross-connect (OXC) om de PRA-communicatie met de apparaten in stand te houden.

Een hybride systeem: radio en infrarood

Hoewel draadloze infraroodcommunicatie veel voordelen heeft, zal het draadloze radiografische communicatie niet volledig vervangen, aangezien line-of-sight nodig is voor optische communicatie. Het is de bedoeling dat optische draadloze communicatie radiografische netwerken ondersteunt en de nodige infrastructuur biedt voor het verwerken van intermitterende datapakketten met lage snelheid, die geassocieerd worden met apparaten die deel uitmaken van The Internet of Things. Gezien de manier waarop we apparaten gebruiken, is er meer vraag naar grotere downstreamcapaciteit dan naar upstreamcapaciteit. Een hybride systeem dat bestaat uit een straalgestuurde draadloze communicatie voor downstream met een op radio gebaseerd apparaat voor upstream zou de gebruiker in staat stellen de voordelen van beide technologieën te benutten.

Bij de toepassing van deze aanpak kan er gebruik worden gemaakt van draadloze instellingen waarbij onmiddellijke hoge capaciteit nodig is, zeer veilige en privacygevoelige communicatie vereist is, of gevallen waarin er ernstige bezwaren zijn met betrekking tot elektromagnetische storing. Op gebied van situaties binnenshuis kan deze aanpak worden gebruikt in woonhuizen, ziekenhuizen, kantoorgebouwen, vergaderzalen, musea, wachtruimtes op vliegvelden, vliegtuigen, in treinen of bussen, tentoonstellingszalen of winkelcentra.

Hoewel draadloze infraroodcommunicatie in de nabije toekomst misschien gemeengoed wordt, is het dus geen tijd om afscheid te nemen van op radio gebaseerde communicatie. In plaats daarvan zouden innovaties een toekomst kunnen inluiden waarin draadloze infraroodcommunicatie en radiotechnologieën zich verenigen, om te voldoen aan onze groeiende eisen op het gebied van online gegevensverwerking.