Le comunicazioni ottiche MIMO aprono nuovi orizzonti

Di Jon Gabay, Mouser Electronics

Le comunicazioni ottiche sono uno dei metodi pretecnologici più antichi per la segnalazione a lunga distanza. Le superfici riflettenti possono riflettere i raggi del sole e dirigerli verso un luogo specifico come segnale o come avviso. Anche questa riflessione direzionale è piuttosto furtiva poiché, in genere, l'unico che può vederla è la persona a cui è destinata.

Le comunicazioni ottiche sono ancora utilizzate oggi, principalmente in fibra e telecomandi TV, ma al giorno d'oggi la RF è il mezzo elettromagnetico preferito per le comunicazioni unidirezionali e omnidirezionali ad alta velocità. Ma non contare ancora l'uscita ottica. Una forma relativamente nuova di comunicazioni ottiche parallele sta guadagnando una certa attenzione poiché i produttori di dispositivi cercano di espandere le modalità di entrata e uscita dai dispositivi mobili e fissi.

Originariamente sviluppato per RF, MIMO, che sta per multiple input multiple output, è stato utilizzato dagli ingegneri radiofonici per aumentare la larghezza di banda e consentire alle comunicazioni RF di avvenire con velocità di dati più elevate rispetto a quelle possibili con una singola banda. Qui, un segnale viene trasmesso utilizzando molti segnali portanti a frequenze diverse per consentire il trasferimento dati parallelo invece della semplice trasmissione seriale. Anche il MIMO ottico fa lo stesso, ma con la luce.

Il MIMO ottico utilizza la luce visibile per consentire ai sistemi di illuminazione di comunicare con altre apparecchiature in tre modi. Una tecnica utilizza un singolo emettitore composto da più LED di colore. Ogni LED è un trasmettitore e, utilizzando il filtraggio ottico all'estremità del ricevitore, ciascun colore trasporta i dati in parallelo con gli altri colori. Questa tecnica si chiama Lambda MIMO.

Un approccio alternativo consiste, ad esempio, nel posizionare più emettitori in varie posizioni nel soffitto. In questo caso, ciascun emettitore è LED dello stesso tipo e colore e un ricevitore parallelo, come una videocamera, combina ancora una volta i raggi luminosi spazialmente separati per formare un trasferimento dati parallelo. Questo si chiama s-MIMO.

Una terza tecnica combina entrambi gli approcci e utilizza più emettitori, ciascuno di colore diverso e posizionato in posizioni diverse. Questo si chiama h-MIMO e utilizza anche un sensore parallelo come una videocamera per decodificare in parallelo le onde luminose separate spazialmente e per colore.

Parlando di decodifica, a differenza delle tecniche di modulazione RF, i LED sono generalmente monocolore per mantenere bassi i costi, quindi la modulazione della lunghezza d’onda non è un approccio fattibile. È invece possibile utilizzare tecniche di modulazione della larghezza di impulso e della frequenza di impulso. Le tecniche RF come il multiplexing a divisione di frequenza ortogonale (OFDM) consentono più utenti ma limitano la velocità dei dati, quindi le tecniche di accesso multiplo non ortogonale (NOMA) sembrano essere in testa.

La chiave sta nel controllare l'ampiezza di trasmissione di ciascun colore e il guadagno di ricezione di ciascun colore. Questo è il motivo per cui viene utilizzata l'allocazione di potenza con differenza di guadagno normalizzata (NGDPA) per ridurre la complessità e aumentare l'efficacia.

Ciò che è interessante è che i dati sperimentali mostrano che velocità di trasmissione dati del canale fino a 55 Mbit/s sono ottenibili utilizzando sia l'allocazione della potenza del rapporto di guadagno (GRPA) che l'NGDPA. Sebbene entrambi siano efficaci, un leggero vantaggio va all’NGDPA. Velocità totali di 110 Mbit/s sono ottenibili con due sorgenti utilizzando le tecniche NOMA.

Con così tante tecniche e protocolli RF che consentono effettivamente ai nostri dispositivi di comunicare così bene, perché qualcuno dovrebbe voler utilizzare una tecnica ottica che dipende così tanto dalla prossimità e dalla linea di vista? Ci sono molte ragioni e applicazioni per questa tecnica di illuminazione intelligente.

Innanzitutto, non sono richieste fastidiose licenze e approvazioni per le comunicazioni ottiche. Nessuna FCC, TUV o altri costosi standard internazionali da superare. In secondo luogo, questa tecnica è immune alle EMI. Le interferenze provenienti da altre sorgenti RF non degraderanno le prestazioni e anche livelli EMP e picchi molto elevati, come l'accensione di motori di grandi dimensioni, non interferiranno con l'integrità dei dati.

I LED e i ricevitori ottici costano meno delle antenne, front-end RF e filtri e simili. È vero, le comunicazioni ottiche a raggio divergente basate su LED sono relativamente a corto raggio, ma esistono ancora molteplici applicazioni che possono trarre vantaggio da queste caratteristiche.