Sistemas VLC Para Comunicaciones e Iluminación
VLC Systems for Communications and Lighting
Diego Intriago Rodríguez
Universidad Técnica Estatal de Quevedo
dintriagor3@uteq.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-4829-0089
Byron Wladimir Oviedo Bayas
Universidad Técnica Estatal de Quevedo
boviedo@uteq.edu.ec
Resumen
La comunicación por medio de la región de luz visible
(VLC) es un campo emergente en la comunicación
inalámbrica óptica (OWC) que utiliza la modulación
directa de diodos emisores de luz (LED) para transmitir
datos. En los sistemas de comunicación actuales, la
banda de frecuencia más popular es la radiofrecuencia
(RF) principalmente debido a la poca interferencia y la
buena cobertura. Visible Light Communications (VLC)
está atrayendo cada vez más no solo el interés de los
investigadores como un desafío para reemplazar o
complementar WIFI en el futuro, sino también de las
empresas para mantenerse posicionadas en el mercado
y aumentar su capital. Hace varios años, cuando los
LED eran una interesante combinación y variación de
la iluminación, generando un mayor ahorro energético
y económico, ya se generaban expectativas en cuanto
al desarrollo e impacto tecnológico que se puede
desarrollar en parte del espectro, específicamente en lo
visible. Se han desarrollado tecnologías que permiten
aprovechar este canal y variantes de estas tecnologías
que se acoplan a la elaboración química y principios
fotónicos de los LED, permitiendo modulaciones
avanzadas con mayor eficiencia bitrate. En base a esto,
estudiamos esquemas orientados a potencia, cobertura
y bitrates, brindándonos la oportunidad de estudiar el
mercado actual con el fin de hacer un listado de
componentes factibles a emplear en varias propuestas a
implementar en un escenario convergente con
múltiples funcionalidades y ventajas conocidas del
sistema VLC.
Palabras clave Comunicación, VLC, LED,
Tecnología, OWC.
http://centrosuragraria.com/index.php/revista, Published by: Edwards Deming Institute,
Quito - Ecuador, E1 2021, This work is licensed under a Creative Commons License,
Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International.
https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es
Abstract
Visible Light Communication (VLC) is an emerging field in Optical Wireless Communication (OWC)
which utilizes the direct modulation of Light Emitting Diodes (LEDs) to transmit data. In current
communication systems, the most popular frequency band is Radio Frequency (RF) mainly due to little
interference and good coverage. Visible Light Communications (VLC) is increasingly attracting not
only the interest of researchers as a challenge to replace or complement WIFI in the future but also
companies to remain positioned in the market and increase their capital. Several years ago, when LEDs
were an interesting combination and variation of lighting, generating greater energy and economic
savings, expectations were already created regarding the development and technological impact that
can be developed on part of the spectrum, specifically on the visible. Technologies have been developed
that make it possible to take advantage of this channel and variants of these technologies that are coupled
to the chemical elaboration and photonic principles of the LEDs, allowing advanced modulations with
higher bitrate efficiency. Based on this, we study schemes oriented towards power, coverage and
bitrates, providing us the opportunity to study the current market in order to make a list of feasible
components to employ in several proposals to implement in a converged scenario with multiple
functionalities and the VLC system well known advantages.
Keywords Communications, VLC, LED, Technologies, OWC.
Introducción
La bombilla incandescente que ha sido largamente manejada para la iluminación en nuestro
entorno desde que se inventó hace más de un siglo está siendo reemplazada paulatinamente
debido a su extremada baja eficiencia energética. En las más modernas bombillas
incandescentes, no más del 10% de la energía eléctrica se convierte en luz emitida útil. Por otra
parte, las bombillas fluorescentes compactas introducidas en la década de 1990 han ganado
popularidad en la última década ya que proporcionan una mejor eficiencia energética (más
lúmenes por watt). Sin embargo, los más recientes avances en la iluminación están basados en
tecnología LED, esta tecnología ha permitido una eficiencia energética y una prolongación de
la luminaria muy satisfactoria. La eficacia luminosa media (cuánta electricidad se utiliza para
proporcionar la iluminación deseada) de los mejores LEDs en su clase es de hasta 113
lúmenes/watt en 2015, y se proyecta que sea de alrededor de 200 lúmenes/watt para el año
2020. De esta manera se proyecta un aumento muy significativo en comparación con las
bombillas incandescentes y fluorescentes actuales, que proporcionan una eficacia luminosa
media de 15 y 60 lúmenes/watt respectivamente. La vida útil de los LEDs oscila en el rango de
25 000 y 50 000 horas, significativamente superior a la de los fluorescentes compactos (10 000
horas). Además del ahorro de energía y las ventajas de duración, los LEDs también tienen otras
ventajas; un menor uso de materiales nocivos en el diseño y una menor generación de calor
incluso después de un largo período de uso continuo. Debido a estos beneficios, la decisión de
optar por la tecnología LED está en constante aumento y se espera que casi el 75% de toda la
iluminación sea proporcionada por LEDs para el año 2030.
Los LEDs son capaces de cambiar a diferentes niveles de intensidad de luz a un ritmo muy
rápido a diferencia de las antiguas tecnologías de iluminación. La frecuencia de conmutación
es lo suficientemente rápida lo que la hace imperceptible para el ojo humano. Esta
funcionalidad se puede utilizar para la comunicación en la que los datos se codifican,
permitiendo generar en este documento el estudio de las diferentes maneras de codificación en
la luz emitida. Un fotodetector (también llamado sensor de luz o fotodiodo) ya sea PIN o APD,
pueden recibir las señales moduladas y decodificar los datos. Esto significa que los LEDs
pueden servir para proporcionar iluminación y comunicación. En los últimos dos años según
los artículos estudiados [10], [16] y [22], la investigación de VLC ha demostrado que es capaz
de alcanzar velocidades de datos muy altas (casi 100 Mbps en el estándar IEEE 802.15.7,
estándar para comunicaciones inalámbricas por el VLC a corta distancia). La comunicación a
través de luz visible tiene especial importancia en comparación con las formas de comunicación
inalámbrica existentes. Una de las principales ventajas es que se muestra como una solución
para el aumento exponencial del tráfico de datos móviles en las últimas dos décadas, se han
identificado las limitaciones de las comunicaciones móviles sólo de RF. Incluso con una
frecuencia eficiente y una reutilización espacial, el espectro de RF actual está demostrando ser
escaso para satisfacer la creciente demanda de tráfico. [1]
Las técnicas de comunicaciones con sus diversas modulaciones y tecnologías, permitiéndonos
elegir la más óptima para generar velocidades altas de transmisión. Los parámetros
fotométricos y radiométricos, el diseño de sus celdas de acuerdo a la estructura de mi espacio
a iluminar y transmitir. El estudio del mercado actual con los diferentes componentes ofertados
por varias empresas, sus diferentes propuestas experimentales implementadas en diversos
sectores y aun investigando la forma de acelerar procesos de masificación y pronta llegada de
este tipo de comunicación inalámbrica a niveles macro. El análisis de diversas publicaciones
orientadas a demostrar capacidades de velocidades altas a consecuencia de modificaciones en
las modulaciones, elementos de transmisión, recepción, enlaces híbridos y diferentes
tecnologías empleadas para la comunicación. Facultando la elaboración de enlistar
componentes seleccionados y concebir un escenario en los que se pueda aplicar y dotar de
iluminación y transmisión; visualizando un escenario futurista descrito en una planificación.
Materiales y métodos
Ha sido necesario estudiar los diferentes tipos de componentes empleados en los sistemas de
comunicación óptica inalámbrica en la región del VLC, así como los parámetros que
caracterizan el enlace de comunicación e iluminación. Para lo cual se trabajó en la revisión y
estudio de publicaciones orientadas hacía el VLC y de los productos del mercado.
Desarrollos teóricos realizados — Se estudiaron los parámetros, estructura de componentes,
técnicas de comunicación, métodos de modulación, tecnologías empleadas en los dispositivos
actuales, diseño y parámetros de las celdas, todo orientado a la capacidad de iluminación y
transmisión. La propuesta basada en componentes actuales incluye el cálculo de iluminación
en una red VLC para entorno indoor.
Desarrollo de prototipos — Se analizaron varios esquemas publicados, para posteriormente
generar un esquema de planificación que permita implementar los componentes propuestos en
las distintas alternativas, en un futuro demostrador experimental.
Resultados
Como resultado se ha realizado una propuesta, basado en componentes de distintos fabricantes
que permiten implementar una red indoor de comunicaciones VLC.
PROPUESTA DE SISTEMA VLC
Nuestro estudio se basa en dar a conocer los componentes del mercado actual, orientados hacia
la iluminación de interiores y transmisión de datos por el VLC [3]. Al tratarse de iluminación,
tomaremos en cuenta los rangos establecidos en iluminación de interiores “Fig.3.”.
DEFINICIÓN DE ESCENARIO
Para realizar nuestro escenario, tomaremos en cuenta los parámetros del tamaño y geometría
de una sala.
Proporciones de la sala: Hemos tomado una medida estándar de sala, como se muestra
en la “Fig.1.”. En esta sala la bombilla LED tendrá una distancia de enlace (línea de vista entre
el transmisor y el receptor) de 2,20 m, es decir hasta la mesa “Fig. 2.”.
Fig.1. Proporciones de la sala
Fig.2. Distancia del LED hasta la mesa
SELECCIÓN DE COMPONENTES
Al haber realizado un estudio sobre las características científicas y técnicas de los
componentes, podemos realizar una selección de transmisores y receptores, sin descuidar los
parámetros antes descritos, para generar alternativas de transmisión por el VLC. Para
posteriormente realizar la respectiva comparación y establecer las alternativas de sistemas VLC
para comunicaciones e iluminación indoor.
Para los parámetros lumínicos nos referenciaremos en la UNE 12464.1 norma europea
sobre la iluminación para interiores “Fig.3.” [16], posteriormente elaboraremos una alternativa
que permitan cumplir con los rangos de iluminación de acuerdo al espacio y la actividad,
“Fig.4.” [13], es necesario obtener una media de iluminación en lux. Para lo cual se necesitan
realizar los cálculos que consientan una comparación entre los valores que entregan las
luminarias LED estudiadas y los niveles requeridos.
Fig.3. UNE 12464.1 Norma europea sobre la iluminación para interiores, sección oficinas
[16]
Fig.4. Cuadro de iluminación según el lugar y la actividad de trabajo. [13]
DESARROLLO DEL CÁLCULO DE ILUMINACIÓN:
!𝛷
!
= !
"
!
#$
%
"
#%
!
(1)
Donde:
!𝛷
!
= Flujo luminoso que un determinado local o zona necesita (en lúmenes): Este dato viene
dado por el fabricante en los catálogos.
𝐸
&
= Nivel de iluminación del medio (en lux).
𝑆
= Superficie a iluminar (en
𝑚
'
), para la superficie no utilizamos el dato total del escenario,
porque necesitamos la iluminación hasta la altura de la mesa como se muestra en la “Fig.2.”
Fig.5. Distribución de la altura respecto a la mesa.
Y para calcular su superficie tendremos que definir el alto, el largo y el ancho de la
mesa como se muestra en la siguiente “Fig.6.”
Fig.6. Dimensiones y medidas de la mesa a utilizar.
𝑆
&()*
= 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 ∗ 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜!
(2)
𝑆
&()*
= 1,2 ∗ 0,7 = 0,84!𝑚
'
Este flujo luminoso se ve afectado por dos coeficientes de utilización
𝐶
+
!
y
𝐶
&
:
𝐶
+
= Coeficiente de utilización: Es la relación entre el flujo luminoso recibido por un
cuerpo y el flujo emitido por la fuente luminosa. Lo proporciona el fabricante de la luminaria.
Y al tratarse de iluminación LED están en el rango de 0,91 a 0,97. [16] Nosotros trabajaremos
con la media entre estos dos valores:
𝐶
+
=
,-./0,-.1
'
= 0,94
(3)
𝐶
&
= Coeficiente de
mantenimiento: Es el cociente que indica el grado de conservación de una luminaria, al ser
nuevas para este caso de estudio trabajaremos con el valor asignado en la “Fig.7.”.
Fig.7. Valores del coeficiente de mantenimiento. [16]
Parámetro generado por la suma del nivel de luz recomendado en el espacio interior y
su trabajo, divido para 2, (en lux).
"
#$%&$'()#)*
0"
#$%&$$+#),)-$-
'
(4)
Ahora que tenemos definido nuestros parámetros dentro de la fórmula del cálculo de
iluminación, procedemos a desarrollar las alternativas.
PLANIFICACIÓN
Después de haber estudiado y verificado las alternativas, podemos planificar un escenario
donde se proyecte la transmisión y la iluminación basada en los componentes y diseño de
celdas.
Para desarrollar una planificación de escenario, es necesario el cálculo del número de
luminarias, para lo cual lo desarrollaremos en base a la siguiente fórmula. [16]
𝑁
2
=
34
.
5#34
/
(6)
Donde:
𝑁
2
= Número de luminarias
!𝛷
!
= Flujo luminoso total necesario en la zona o local
𝛷
2
= Flujo luminoso de una lámpara (dada por el catálogo)
𝑛
= Número de lámparas que tiene la luminaria
Para hallar el flujo luminoso total necesario en la zona o local, es necesario calcularlo
en base a toda la capacidad física del escenario “Fig.1”. Para lo cual necesitaremos el valor de
toda la superficie.
𝑆
!6!72
= 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 ∗ 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜
𝑆
!6!72
= 5!m ∗ 3!m = 15!m
'
Ahora procedemos a calcular con los valores de la bombilla LED seleccionada la
capacidad máxima que tiene de iluminación.
!𝛷
!
= !
𝐸
&
∗ 𝑆
𝐶
+
∗ 𝐶
&
=
400 ∗ 15
0,94 ∗ 0,8
= 7!978,72!𝑙𝑚
Este es el valor requerido para cumplir con la iluminación
7!978,72!𝑙𝑚
.
𝑁
2
=
!𝛷
!
𝑛 ∗ !𝛷
2
=
7978,72
2 ∗ 1000
= 3,98
Aproximo ese valor 3,98 ≈ 4 luminarias LED necesito para cubrir toda la superficie que
deseo iluminar. Ahora promedio las 4 luminarias con respecto al ancho y al largo de mi
escenario, como se muestra en la “Fig.8.”. Cabe recalcar que cada luminaria está compuesta
por 2 bombillas LED.
Fig.8. Esquema de planificación de la distribución de las luminarias.
PLANIFICACIÓN
FABRICANTES
PRESUPUESTO EN
EUROS
Tabla 1: Descripción de la Planificación
Basta con realizar un solo cálculo de iluminación, púes el escenario de planificación
planteado “Fig.8.” es equidistante y se plantea la misma mesa como área de trabajo “Fig.6.”.
Relacionando sería:
𝐸
&
=
!𝛷
!
∗ 𝐶
+
∗ 𝐶
&
𝑆
≥
𝐸
8*9:*3);8;<
+ 𝐸
8*9:**=8;>;?*?
2
𝐸
&
=
2000 ∗ 0,94 ∗ 0,8
0,84
≥
300 + 500
2
!!!!!!!!!!𝐸
&
= 1!790,47!𝑙𝑢𝑥! ≥ 400!𝑙𝑢𝑥
Fig.9. Visualización del escenario de Planificación.
Líneas futuras — Simulación - teórica de la cobertura de datos e iluminación, en un escenario
interior utilizando los parámetros experimentales que facilitan los fabricantes. Montaje
experimental del sistema y medida de ancho de banda, cobertura e iluminación.
Conclusiones
Sin duda una de las conclusiones más destacadas que permite obtener este trabajo es la
progresión exponencial de los dispositivos encontrados en el mercado a lo largo del mismo,
que evolucionan proporcionalmente a las necesidades del mercado y a la evolución de las
tecnologías de comunicaciones e iluminación. Todos los esfuerzos que se están desarrollando
en la actualidad por estudiar tanto técnicas de modulación como tecnologías que nos permitan
aprovechar los sistemas VLC permiten afirmar que esta alternativa de comunicación e
iluminación pronto tendrá el impacto comercial y será el hito que marque las comunicaciones
inalámbricas indoor.
Al ser este una parte del espectro poco saturada, libre, fiable y generar velocidades altas de
transmisión, debido a que su información se puede transmitir empleando multiplexación
espacial, llama altamente la atención de gigantes tecnológicos, que apuestan por esta tecnología
que permite la convergencia de servicios de comunicación e iluminación para ofertarlas en un
solo producto que les permita seguir posicionados en el mercado.
Empleando la recomendación de iluminación estándar de 400 lux, según las normas de
iluminación europeas para interiores estandarizadas y la media de acuerdo al trabajo que se
pueda desempeñar dentro del espacio físico, se realiza una propuesta basada en componentes
comerciales que permite garantizar la iluminación y la transmisión de datos en el interior.
Las empresas que más destacan por la aportación tecnológica, escenarios experimentales e
impacto comercial son: Philips, Oledcomm, Pure LiFi, VLNCComm, destacando Philips y
Pure LiFi; Philips en la actualidad a diferencia de las otras posee bombillas LED que transmiten
a velocidades más altas y tiene un rango mayor de iluminación, pero aún no lanza un Dongle
USB receptor y es en este panorama que sucede la aparición de Pure LiFi, generando un Dongle
USB con capacidad de generar una transmisión bidireccional, permitiendo un enlace con
velocidades altas.
Entre los componentes estudiados, destaca el DONGLE USB, que se muestra en los mercados
actuales como el dispositivo de recepción que permite realizable la comunicación bidireccional
por el VLC.
Las demostraciones experimentales previas que se estudiaron fueron de vital importancia,
potenciando el estudio, asimilación y conocimiento de principios básicos para generar una
transmisión por el VLC, los µLED, son tendencia en enlaces híbridos de fibra óptica de
plástico, permitiendo mitigar la interferencia entre símbolos, así como la tecnología MIMO es
la más utilizada para aprovechar el espectro en el rango del visible, además si se trata de
velocidades, OFDM está entre las favoritas en transmisiones IM/DD de VLC.
En el mundo de las comunicaciones inalámbricas Li-Fi se convertirá en algo asequible para
todas las personas, aunque ahora no tenga precios muy bajos en un futuro con la masificación
del mismo sin duda abaratara costos y tendrán una demanda elevada.
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