Li-Fi (Işık Fidelity), Li-Fi sistemlerinin işleyişine yönelik yenilikçi bir kablosuz iletişim teknolojisidir ve elektronik cihazlar için ışık sinyalleri şifreleyen, optik alıcı tasarımı, performans ve bütünleme konularındaki temel bilgilerdir.

Li-Fi'nin arkasındaki ilke basit: optik ve elektronik alanların, esnek, filtreli ve şifreli bir ışık haline getirilmesinin bir parçası olan bir LED veya lazer kaynağı modülasyon.Inkücretsiz veri oranı, bağlantı mesafe ve elektronik domainler, Li-Fi'nin yükseltildiği elektrik akımına dönüştürülmesi, amplitüdül edilebilir hızlara ve şifreleyici bir şekilde yeniden yapılandırılması ve gürültü özellikleri doğrudan bir araya gelerek, bağlantı mesafeyi belirlemektedir.

Bu makale, gelişmekte olan Li-Fi teknolojilerinin rolünü araştırıyor, temel fotodetektör türlerinden 5G/6G döneminde tamamlayıcı veya alternatif bir kablosuz teknoloji olarak kesmelerini inceliyoruz.

Optik Alıcılar Nedir?

Optik bir alıcı ışık algılayan ve bir elektrik sinyaline dönüştürebilen bir cihazdır. Li-Fi bağlamında, bu alıcılar genellikle görünürde (400-700 nm) veya yakın-duygun (700-1000 nm) spektrumlarında, yüksek güç LED ve lazer diyotları genellikle yarı iletken fotodektörler içerir:

  • [FONT:0)PIN fotodiodes[[[Döntgen: 1) Düşük maliyetli, yaygın olarak iyi sorumluluk ve orta hız ile seçeneği kullanılır. PIN diyots, p- ve n tipi bölgeler arasındaki bir iç tabakaya sahiptir, kapasitance azaltır ve basit p-n eklemlerden daha hızlı yanıt verir.
  • [FONT:0)Avalanche fotodiodes (APDs)) - iç kazanç elde etmek için daha yüksek hassasiyet sunar. APDs daha zayıf sinyalleri tespit edebilir, bağlantı aralığı uzatabilir, ancak daha yüksek önyargılı gerilimler gerektirir ve daha fazla sıcaklık duyarlıdır.
  • [FONT=0)Fotoğraf transistörler[[[DÜT:1) - yüksek kazanç sağlar, düşük hızlı uygulamalar veya gigabit Li-Fi yerine düşük hızlı uygulamalar veya yakın algılama için uygun hale getirir.
  • [FONT:0) Tek foton avalanche diyotları (SPADs)) - bireysel fotonları tespit edebilecek cihazlar. SPAD serisi son derece yüksek hassasiyet elde edebilir ve Li-Fi'nin uzun mesafelere veya dim aydınlatmasına izin verebilir.

Optik alıcılar ayrıca ilişkili analog devreleri de içerir - transimpedans yükseltici (TIA) fotoğrafta bir gerilime dönüştürmek için, sinyale uygun bir yükselteç ve genellikle ortam ışığı müdahalesini reddetmek için filtreleme aşaması. fotodetector ve ön uç elektronik kombinasyonu, alıcının genel performansını belirler: sorumsuzluk, bant genişliği, gürültü eşdeğer bir güç (NEP), ve dinamik aralığı.

LiFi sistemlerinde, optik alıcı, alıcının bant genişliği ve lineerliğini takip edebilmelidir, bu nedenle birkaç yüz MHz anahtarlama (OOK) için basit bir şekilde, bazı laboratuvar prototipleri ile 1 GHz'yi aşıyor.

Li-Fi'deki Optik Alıcıların Eleştirel Rolü

Signal Tespit ve Demodulation

Bir optik alıcının birincil işlevi, Li-Fi verici tarafından yayılan modlu ışık sinyalini tespit etmektir. vericisi, ışık yoğunluğuyla ilgili verileri farklı olarak kodlamaktadır - genellikle OOK, naifasyon modülasyonunu veya multi-carrier OFDM. alıcının bu varyasyonları yüksek sadakatle yakalaması gerekir.In practice, alıcılar gelen optik gücü daha sonra gelişmiş ve sayısal bir şekilde kullanan bir fotoğrafa dönüştürür.Bu dönüşüm kalitesini doğrudan etkiler.

LiFi yoğunluk modülasyonu kullanır (kahraman algılaması değil), alıcının optik taşıyıcının fazını veya frekansını kurtarmak zorunda kalmaz, tasarıma basitleştirir. Ancak, geniş bant genişliği ve yüksek dinamik aralıklar için gerekli olan gereksinimin en az 1 GHz'in alıcı bant genişliği gerektirir, bir Gbps OOK bağlantı, bir OFDM bağlantısı biraz daha düşük bant genişliğine ihtiyaç duyarken, örneğin, geniş bantlı müdahaleden kaçınmak için katı doğrusallık gerekliliklerini basitleştirir.

Ambient Light Rejeksiyon

Optik alıcılar için en önemli zorluklardan biri güçlü ortam ışığının varlığıdır - güneş ışığından, incanlı ampullerden veya fluorescent lambalar.Stralight, iki fototlama ile ayırıcı algılamayı kullanan bir sabittir (veya yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş) - bir sinyale karşı savaşmak için, Li-Fi alıcıları, diğer ortak müdahaleyi iptal etmek için.

Optik bandpass filtreleri, doğrudan fotodetector üzerinde yerleştirilen, alıcının ortam ışıkını engelleyebilir, sinyal-to-noise oranını geliştirir. Ancak, filtreler istenen dalga için alınan optik gücü azaltır ve azaltılır. Gelişen çözümler analog-dijital dönüşümden sonra, alıcının ortam gürültü modelini öğrenir ve dijital alanda çıkarır.

Hız ve Band genişlik

Alıcının bant genişliği yüksek veri oranlarına ulaşmak için önemli bir faktördür. Fotodetector'in tek bir çiple birlikte, TIA'nın girişini engelleyerek, yarı zamanlı bir teknolojide gelişmiş bir bant oluşturur - örneğin, PureLiFi'de kullanmak ve APD tabanlı bant genişliği ile 10 Gbps'yi kullanarak oturum açma gibi - konserveç bant genişliğine iten alıcılara baskılar verir.For example, ticari Li-Fi sistemleri için, PureLiFi'de kullanmak gibi.

Spasal çokluxing - bir MIMO (multiple-input, multiple- ⁇ ) konfigürasyonu ile ilgili birçok verici ve alıcı kullanarak, bu tür sistemlerde, her optik alıcının sinyalleri farklı vericilerden ayırmak için dar bir alana sahip olması gerekir ve alıcı serisi dikkatli bir şekilde hizalanmalıdır.

Gelişen teknolojiler ve iyileştirmeler

Avalanche Fotodiodes ve SPAD Dizileri

APDs, avalanche sürecinin stoğuk doğası nedeniyle iç kazanç sağlar (fotoğraflı çokluplikasyon) sağlar ve Alman-Siyasi-Siyasi gibi malzemeleri kullanarak, daha düşük gürültü faktörlerine ulaşmak için çok önemlidir.

Singlephoton avalanche diyotlar (SPADs) daha radikal bir ilerlemeyi temsil eder: bireysel fotonları algılamak, onlara büyük bir hassasiyet vermek. SPADs, tek bir foton, Li-Fi bağlantılarını SPAD alıcıları diziler ile ayarladığında - 50 metre ötesinde, yüksek çözünürlükte kapalı aydınlatmak için kullanılabilir.

SPAD'ler ile bir meydan okuma, her foton algılamasından sonra ölü zamanlarıdır (tipik olarak birkaç on nanosaniye), bu da SPAD sayısını sınırlayan ve zaman ayarlanan algılamayı içeren birçok SPAD elementini kullanarak, araştırmacılar Multi-gigabit oranları elde ettiler.

Bütünleşik CMOS Alıcıları

Monolithic bütünleşmeye doğru hareket edin, birçok araştırmacı, tek bir çip üzerinde yaşamak için optik alıcılar tasarlıyor.Bu yaklaşım, akıllı telefonlar, tabletler ve IoT sensörleri gibi tüketici cihazları için gerekli olan fotoyotlara izin veriyor.

CMOS tabanlı alıcılar genellikle bir “spati-diversity” mimarisini kullanır: PureLiFi ve VLNComm dahil olmak üzere küçük bir fotodiodun bir matrixi, bir CMOS fotodetek dijital sinyal işleme ile birlikte, olay ışık modelini yeniden inşa etmeye yardımcı olur. Bu tasarım aynı zamanda parmaklama ve yanlışlama etkilerini azaltır.

AlıcıSide MIMO ve Boyut Çeşitlilik

Kanallı bileşenlere ihtiyaç duymadan, Li-Fi sistemleri MIMO tekniklerini kabul ediyor. Bir görüntüleme MIMO kurulumunda, alıcı farklı fotodiodes dizilerine göre, her biri farklı bir uzaysal alanı ele geçirmek için.In having more alıcı elements than the connection reliable. Advances in display MIMO installation, using a lens or a holografik diffüzatör kullanarak farklı olay açılarını farklı durumlarda farklı veri akışlarını farklı bir şekilde ayrıştırmak için etkili bir şekilde.

Örnek olarak, kullanıcı hareket ettiği veya sürücüyü yükselten beş fotoğraflı alıcının, trenlerde veya özerk araçlarda olduğu gibi, mobil Li-Fi uygulamaları için kritik olan bir bağlantıyı koruyabilmesi. Örneğin, farklı yönlere işaret eden bir alıcı, cihazı taşımak veya eğimli bir bağlantı tutabilir.

Gelişmiş Optik Alıcıların Gerçek Dünya Uygulamaları

Kapalı Yüksek Hız Ağlama

Li-Fi'nin en basit uygulaması, kapalı kablosuz iletişim için, bir alternatif sunmak veya Wi-Fi'ye tamamlamak için geçerlidir. Optik alıcılar 1-10 Gbps, Li-Fi ofislerde, hastanelerde ultra hızlı veri oranları sunabilir ve fabrikalar. radyo-frekans müdahalesinin sorunlu olduğu ortamlarda - örneğin MR suites, uçak kabinleri veya petrokimyasal bitkiler - Li-Fi özellikle çekicidir, çünkü bir odada bulunan ışık kullanır.

Tümleşik CMOS alıcıları tavana en fazla erişim puanlarına ve dongle-size USB alıcılara dizüstü bilgisayarları için izin veriyor. Örneğin, PureLiFi XC Li-Fi modülünün 1 GHz'de güvenilir bir şekilde erişimli bir CMOS fotodetektör kullanmasına izin veriyor ve ticari kullanım için sertifikalanıyor. Benzer şekilde, Signify (eski Philips Aydınlatma) LiFi luminaires'i aynı ışıkta entegre ediyor Li-way-iletişimini aynı ışıkta entegre ediyor.

Underwater Communication

Radyo dalgaları suya ağır bir şekilde absorbe edilir, radyo-fret iletişim pratikleri pratik olarak yapılır. Li-Fi, birden fazla açıdan ışık toplamak için görünür ve mavi renkli lensler ile çalışır.Kaynak:0IEEE Access – Underwater Wireless Communications: A Survey[Döneticileri)

Son deneyler, 500 Mbps'nin veri oranlarına, açık suda birkaç metreden fazla ulaştı, APD alıcıları mavi filtrelerle kullanıyor. Daha derin veya turbid su için, SPAD alıcıları aktif gider devreleri ile ilgili sinyalleri hala tek foton seviyesinde tespit edebilir, bağlantıları açık okyanus suyunda 100 metreye kadar tespit edebilir.

Araç her şeyi (V2X) İletişim-

Li-Fi araç kafa ışıklarını veya sokak ışıklarını verici olarak kullanarak, çarpışmadan kaçınmak, trafik yönetimi ve platooning. Optik alıcılar bu senaryoda yüksek hızlı hareketle başa çıkmak, güçlü güneş ışığı ve farklı mesafeler için elde etmek gerekir.Entelektüeller her biri belirli bir kafa ışığından dar bir FOV (probleks) ve hızlı AGC'den gelen sinyal ile fotoğraflama tasarımları.

Strathclyde Üniversitesi'nden yapılan araştırmalar, 100 Mbps V2X kablosuz iletişim sistemi ile bir dizi 50 metrede 4×4 APD serisi ve OFDM modulation. Source: [[0)Optics Express – 100 Mbps V2X kablosuz iletişim sisteminin Deneysel gösterimi).

Sağlık ve Hassas Çevreler

Hastaneler ve laboratuvarlar genellikle Wi-Fi kullanımını hassas ekipmanlarla elektromanyetik müdahale nedeniyle kısıtlar. Li-Fi, hafif tabanlı olmak, RF emisyonlarını üretmiyor, bu tür izleme veya teleurgery için sürekli veri akışı sağlamak.

Meydanlar ve Future Outlook

Orta ve Saturation

Filtre ve AGC'ye rağmen, güçlü güneş ışığı hala gelişmiş alıcılara saturate bile satabilir. Doğrudan açık hava ışığında, silikon fotodiode'den fotoğraflı fotoğraf makinesinden gelen fotoğraf, TIA'nın dinamik aralıklarını ezici bir şekilde ele alabilir.

Gölge ve Bloking

Li-Fi, cihazın dönen ve alıcı arasında doğrudan bir görüş hattı gerektirir.Eğer alıcı bir el, bir kitap veya hatta bir kağıt parçası, bağlantı çeşitli yönlerle (multiple fotodiodes işaret eder) bir bağlantıyı tutabilir, ancak tam bir iyonla başlayamazlar. Hybrid Li-hong-Wi-Fi sistemleri, ışık yolu bloke edildiğinde RF-dönüşümlülük çabaları.

Güç tüketimi ve ısı

Yüksek hızlı optik alıcılar, özellikle yüksek önyargı altında APD kullananlar, önemli bir güç tüketebilir. Her miliwatt önemli. Future alıcı tasarımları düşük gerilim APDs (toplama 10 V) altında çalışır, ancak mevcut Wi-Fi alıcılarını tespit ederken, aşırı enerji verimliliği için bazı hızları aşan.

Standartlaştırma ve Ekosistem Büyüme

LiFi için ana akım, sağlam bir optik alıcı, vericiler ve protokol yığınları gereklidir. IEEE 802.11bb standart, modulation (örneğin, frekans bantları ve alıcı duyarlılığı gereksinimleri dahil olmak üzere Li-Fi için fiziksel katmanlı özellikleri tanımlar.OOK ve OFDM'nin 320 MHz'ye kadar kullanımı ve alıcıların minimum hassasiyete sahip olmasını gerektirir.

PureLiFi gibi şirketler, Oledcomm ve Signify zaten standart taslağına uygun ürünler gönderiyor. Daha fazla tüketici elektronikleri Li-Fi transceivers entegre edebilir - dizüstü bilgisayarlar ve tabletlerle başlayarak, sonra yüksek performanslı, düşük maliyetli optik alıcılar için talepler artacaktır. uzun vadede Li-Fi alıcıları kapak cam tabakalarında, kapak cam tabakalarında veya hatta ekranların altında, yüksek performanslı teknolojiyi kullanarak kendilerini gösteren ekrandaki piksellerle başlayabilir.

5G/6G ve Visible Light Communications Beyond

Li-Fi, Wi-Fi veya hücresel ağlar için bir yedek değil, ancak yoğun ortamlarda yük trafiği kapatabilecek tamamlayıcı bir teknolojidir ve RF'in istenmeyen olduğu bağlantı sağlar. 5G/6G ağlarda, optik alıcılar “optik olmayan bir ağ” olarak hizmet edebilir, ancak temel ağ tarafından koordine edilen devreler ile. Araştırmacılar zaten Li-Fi ve RF sinyalleri aynı temel bant işlemcisini paylaşarak destekleyebilirler.

Gelecekte, Li-Fi için optik alıcılar sadece yoğunluk değil aynı zamanda varış açısına da tam olarak ulaşma olanağı sağlayarak metamalzeme ve nanofotoğraflarda ilerlemeler ile, alıcılar düz, lenssiz ve ışıktan uzak durmaya da olabilirler.

Özetle, optik alıcılar Li-Fi teknolojisinin linchpin'i oluştururlar. Basit PIN fotodiodes'dan karmaşık SPAD dizilerine kadar performanslarını, hızlarını ve ışık tabanlı kablosuz bağlantılarını belirler. Gelişen tasarımları olarak, Li-Fi, dijital yaşamlarımızın standart bir özelliğine taşınacaktır.