Anastasia Mavrommati, Graduation Thesis. Physics Department. Faculty of Electronics, Computers, Telecommunications and Control. National Kapodistrian University of Athens.

1. ΕΘΝΙΚΟ & ΚΑΠΟΔΙΣΤΡΙΑΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ
Σχολή Θετικών Επιστημών
Τμήμα Φυσικής
Τομέας Ηλεκτρονικής, Υπολογιστών, Τηλεπικοινωνιών και Αυτοματισμού
ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
“ Συστήματα Ασύρματων Οπτικών Επικοινωνιών
στην Περιοχή του Ορατού Φάσματος
και η Επίδραση του Θορύβου στην Απόδοση τους ”
Μαυρομμάτη Αναστασία, Α.Μ.:200600285
Επιβλέποντες:
Ε.Νισταζάκης, Eπικ. Καθηγητής, ΕΚΠΑ
Γ. Τόμπρας, Καθηγητής, ΕΚΠΑ
Αθήνα, 2014

2. Η εικόνα που χρησιμοποιήθηκε στο εξωφύλλο είναι απο την ιστοσελίδα http://visiblelightcomm.com/.
2

3. Συντομογραφίες
APD - Avalanche Photo Diode (Φωτοδίοδος χιονοστοιβάδας)
AWGN - Additive White Gaussian Noise (Προσθετικός λευκός θόρυβος με κανονική κατανομή)
BER - Bit Error Rate (Ρυθμός λαθών bit)
BEP – Bit Error Probability (Πιθανότητα λαθών bit)
BPF – Band Pass Filter (Φίλτρο διέλευσης ζώνης)
CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor (Ημιαγωγος Μετάλλου Οξειδίου)
CRI - Color Rendering Index (Πίνακας ανάλυσης χρωμάτων)
DC - Direct Current (Συνεχές ρεύμα)
DD - Direct Detection (Άμεση ανίχνευση)
EMI - Electromagnetic Interference (Ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή)
FET – Field Effective Transistor (Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου)
FFT - Fast Fourier Transform (Γρήγορος μετασχηματισμός Fourier)
FOV - Field of View (Οπτικό πεδίο)
FSO - Free Space Optics (Οπτικά ελευθέρου χώρου)
HPF - High Pass Filter (Φίλτρο υψηλής διέλευσης)
IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers (Ινστιτούτο ηλεκτρολόγων και ηλεκτρονικών μηχανι-
κών)
IFFT - Inverse Fast Fourier Transform (Αντίστροφος γρήγορος μετασχηματισμός Fourier)
IM - Intensity Modulation (Διαμόρφωση έντασης)
IPPM - Inverse Pulse Position Modulation (Ανεστραμμένη διαμόρφωση θέσης παλμού)
IR - Infrared (Υπέρυθρη)
IrDA - Infrared Data Association (Όμιλος δεδομένων υπέρυθρης ακτινοβολίας)
ISI - Intersymbol Interference (Διασυμβολική παρεμβολή)
ISO - International Organization for Standardization (Διεθνής οργανισμός προτυποποίησης)
LED - Light Emitting Diode (Δίοδος εκπομπής φωτός)
LOS - Line Of Sight (Γραμμή οπτικής επαφής)
LP – Long Pass (Μακράς διόδου)
LPF - Low Pass Filter (Φίλτρο χαμηλής διέλευσης)
3

4. MPPM - Multiple Pulse Position Modulation (Πολλαπλή διαμόρφωση θέσης παλμού)
NLOS – Non Line of Sight (Μη γραμμική οπτική επαφή)
NRZ - Non Return to Zero (Χωρίς επιστροφή στο μηδέν)
OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (Ορθογώνια πολυπλεξία διαίρεσης
συχνότητας)
OOK - On Off Keying (Δυαδική διαμόρφωση ύπαρξης και μη ύπαρξης παλμού)
PDA - Personal Digital Assistants (Προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί)
PLC - Power Line Communication(Επικοινωνία γραμμής ρεύματος)
PPM - Pulse Position Modulation (Διαμόρφωση θέσης παλμού)
PSK - Phase Shift Keying (Διαμόρφωση κατά φάση)
RF - Radio Frequency (Ραδιοσυχνότητα)
RZ - Return to Zero (Με επιστροφή στο μηδέν)
RGB - Red Green Blue (Κόκκινο πράσινο μπλέ)
SCPPM – Sucarrier Pulse Positin Modulation (Διαμόρφωση θέσης παλμού φέροντος)
SNR - Signal to Noise Ratio (Λόγος σήματος προς θόρυβο)
SIR – Signal-to-Interference (Λόγος σήματος προς παρεμβολή)
SP – Short Pass (Βραχείας διόδου)
UGS - Unattended Ground Sensors (Ασυνόδευτοι αισθητήρες εδάφους)
UV - Ultra Violet (Υπεριώδης)
VBR - Variable Bit Rate (Μεταβλητός ρυθμός bit)
VHF - Very High Frequency (Ύπερβραχέα συχνότητα)
VLC - Visible Light Communications (Επικοινωνίες ορατού φωτός)
VLCC - Visible Light Communications Consortium (Σύμπραξη για επικοινωνίες ορατού φωτός)
WBAN – Wireless Body Area Network (Ασύρματο δίκτυο κάλυψης σώματος)
WLAN – Wireless Local Area Network (Τοπικό ασύρματο δίκτυο)
WPAN – Wireless Personal Arean Network (Προσωπικό ασύρματο δίκτυο)
WLED – White Light Emitting Diodes (Δίοδοι εκπομπης λευκού φωτός)
4

5. Πίνακας περιεχομένων
Κεφάλαιο 1.............................................................................................................................................................
Εισαγωγή ............................................................................................................................................................ 9
1.1 Ιστορία των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών.........................................................................9
1.2 Εξέλιξη των οπτικών ασύρματων επικοινωνιών μικρής εμβέλειας...................................11
1.3 Σύγχρονη ιστορία των συστημάτων VLC.....................................................................................16
1.4 Εφαρμογές εσωτερικού - εξωτερικού χώρου.............................................................................17
1.4.1 Εφαρμογές Εσωτερικού Χώρου ..............................................................................................................18
1.4.2 Εφαρμογές Εξωτερικού Χώρου ...............................................................................................................20
1.4.3 Ασύρματες εφαρμογές μικρής εμβέλειας.............................................................................................22
1.4.4 Άλλες εφαρμογές...........................................................................................................................................24
1.5 Σύγκριση συστημάτων VLC με άλλες ασύρματες επικοινωνίες..........................................26
1.5.1 Πλεονεκτήματα σε σχέση με τις ραδιοσυχνότητες. ........................................................................28
1.5.2 Πλεονεκτήματα σε σχέση με την υπέρυθρη επικοινωνία..............................................................29
1.5.3 Μειονεκτήματα των συστημάτων VLC.................................................................................................30
Κεφάλαιο 2.............................................................................................................................................................
Βασικές Αρχές Λειτουργίας ....................................................................................................................... 31
2.1 Ασύρματη Οπτική Ζεύξη ..................................................................................................................... 31
5

6. 2.2 Το ασύρματο οπτικό κανάλι............................................................................................................... 34
2.3 Πομπός........................................................................................................................................................ 35
2.3.1 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LED)................................................................................................................36
2.3.2 Λευκές Λυχνίες LED.......................................................................................................................................38
2.3.2.1 Πολυχρωματικές Λευκές LED (RGB LEDs).............................................................................38
2.3.2.2 LED φωσφόρου (Phosphor-based LEDs )..............................................................................39
2.3.3 Πλεονεκτήματα των LEDs..........................................................................................................................41
2.3.4 Μειονεκτήματα των LEDs..........................................................................................................................43
2.4 Δέκτης ......................................................................................................................................................... 48
2.4.1 Φωτοανιχνευτές/Φωτοδίοδοι..................................................................................................................48
2.4.2 Φωτοδίοδοι p-i-n...........................................................................................................................................49
2.4.3 Φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας (Avalanche Photo diodes - APD).....................................................53
2.4.4 Σύγκριση φωτοδιόδων PIN και APD......................................................................................................53
2.5 Χαρακτηριστικά της VLC ζεύξης.......................................................................................................54
2.5.1 Βασικές Ιδιότητες των LED........................................................................................................................54
2.5.2 Μοντέλο Διαμόρφωσης...............................................................................................................................57
2.5.3 Ρυθμός Μετάδοσης Σφαλμάτων..............................................................................................................60
2.6 Διασυμβολική Παρεμβολή (Intersymbol Interference)..........................................................64
2.7 Κρουστική απόκριση (Impulse Response)...................................................................................65
6

7. Κεφάλαιο 3.............................................................................................................................................................
Θόρυβος............................................................................................................................................................. 67
3.1 Γενικά .......................................................................................................................................................... 68
3.2 Τύποι θορύβου......................................................................................................................................... 68
3.2.1 Θερμικός θόρυβος (Thermal noise)........................................................................................................69
3.2.2 Θόρυβος βολής (Shot noise) .....................................................................................................................69
3.2.3 Θόρυβος τρεμοπαίγματος (Flicker noise) ...........................................................................................69
3.2.4 Θόρυβος Ριπής (Burst noise) ....................................................................................................................69
3.2.5 Θόρυβος χρόνου μεταφοράς (Transit-time noise)...........................................................................70
3.2.6 Θόρυβος Χιονοστιβάδας (Avalanche noise)........................................................................................70
3.3 Θόρυβος στα συστήματα VLC............................................................................................................ 70
3.3.1 Θερμικός Θόρυβος ........................................................................................................................................71
3.3.2 Θόρυβος βολής................................................................................................................................................72
3.4 Βασικές πηγές θορύβου βολής..........................................................................................................74
3.4.1 Λαμπτήρες πυρακτώσεως..........................................................................................................................74
3.4.2 Λαμπτήρες φθορισμού με συμβατικά στραγγαλιστικά πηνία....................................................74
3.4.3 Λαμπτήρες φθορισμού με ηλεκτρονικά στραγγαλιστικά πηνία.................................................74
3.5 Λόγος Σήματος προς Θόρυβο ............................................................................................................75
3.6 Αποδοτικότητα – Επιδόσεις – Οριακές περιπτώσεις...............................................................76
7

8. 3.7 Eπικοινωνία με μονή πηγή λευκών LED........................................................................................78
3.8 Δωμάτιο Φωτιζόμενο με λευκές LED (πολλές πηγές)..............................................................81
3.9 Απόδοση με Διασυμβολική Παρεμβολή ........................................................................................86
3.10 Λόγος Σήματος προς Θόρυβο και οπτικό πεδίο του δέκτη ................................................90
3.11 Λειτουργία με σύστημα εντοπισμού (tracking system).......................................................92
3.12 Θόρυβος και ρυθμός σφαλμάτων..................................................................................................93
Κεφάλαιο 4.............................................................................................................................................................
Τεχνικές αντιμετώπισης της επίδρασης του θορύβου ..................................................................97
4.1 Φίλτρα......................................................................................................................................................... 97
4.1.1 Ηλεκτρικά Φίλτρα ........................................................................................................................................97
4.1.2 Οπτικά Φίλτρα................................................................................................................................................99
4.2 Μείωση του θορύβου με χρήση φίλτρων...................................................................................102
4.2.1 Αύξηση των επιδόσεων με ισοστάθμιση (equalization)..............................................................104
4.3 Απόρριψη θορύβου με χρήση αισθητήρων φάσματος.........................................................105
4.4 Άλλες τεχνικές ακύρωσης του θορύβου.....................................................................................107
4.4.1 Αφαίρεση μέσω επεξεργασίας σήματος.............................................................................................107
4.4.2 Προσαρμοστική ακύρωση ελάχιστη τάσης......................................................................................108
Κεφάλαιο 5 Επίλογος................................................................................................................................. 110
Βιβλιογραφία................................................................................................................................................ 112
8

9. Κατάλογος εικόνων
Εικόνα 1: Ο οπτικός τηλέγραφος του C.Chappe, 1790 [7]............................................................13
Εικόνα 2: Σχέδιο του φωτόφωνο από τους Alexander Graham Bell, Charles Sumner
Tainter,............................................................................................................................................................... 14
Εικόνα 3: Το οπτικό φάσμα και οι διάφορες ακτινοβολίες. [27]................................................19
Εικόνα 4: Αριστερά: Μετάδοση σε εσωτερικό χώρο με VLC / Δεξιά: VLC με παράλληλη
μετάδοση δεδομένων [4]............................................................................................................................. 23
Εικόνα 5: Περιπτώσεις εξωτερικών εφαρμογών VLC [4]..............................................................25
Εικόνα 6: Λήψη πληροφοριών θέσης από φωτεινό σηματοδότη..............................................27
Εικόνα 7: Λήψη πληροφοριών θέσης από κινητό.............................................................................27
Εικόνα 8: Καροτσάκι για ψώνια και δέκτης........................................................................................29
Εικόνα 9: Ένα σύστημα ήχου που χρησιμοποιεί κόκκινες, μπλε και πράσινες LED [7]....30
Εικόνα 10: Κόκκινη, πράσινη και μπλε LED [20]..............................................................................30
Εικόνα 11: Ασύρματες οπτικές συνδέσεις..........................................................................................36
Εικόνα 12: Η φασματική κατανομή ισχύος.........................................................................................39
Εικόνα 13: Δομή της Διόδου Εκπομπής Φωτός.................................................................................40
Εικόνα 14: Ένα παράδειγμα μεταβολής των διαστάσεων του ενεργειακού χάσματος σε
σχέση με τον κυματάριθμο......................................................................................................................... 41
9

10. Εικόνα 15: Ένα παράδειγμα διαγράμματος ενεργειακού χάσματος σε ορθά πολωμένη
LED.[1]................................................................................................................................................................ 42
Εικόνα 16: Λευκές LED................................................................................................................................. 44
Εικόνα 17: Φάσμα εκπομπής λευκών LED. (Αριστερά: Μονοχρωματική LED
Φωσφόρου / Δεξιά: Πολυχρωματική LED)[13].................................................................................44
Εικόνα 18: Δομή μιας απλής p-i-n φωτοδιόδου σιλικόνης. [1]...................................................50
Εικόνα 19: Διάγραμμα ενός front-end φωτοανιχνευτή μαζί με τις διαταραχές του κανα-
λιού.[1]................................................................................................................................................................ 53
Εικόνα 20: Απαιτούμενη ισχύς για επίτευξη BER =10−6 και για διαφορετικούς ρυθμούς
μετάδοσης [4].................................................................................................................................................. 61
Εικόνα 21: Η τοπολογία του συστήματος που περιγράφεται.....................................................62
Εικόνα 22: BEP για διάφορες αποστάσεις σε οριζόντια διάταξη (θ=0, φ=0) [34]..............62
Εικόνα 23: BEP για διάφορες τιμές της γωνίας ανύψωσης (θ) σε απόσταση πομπού-
δέκτη 3m [34].................................................................................................................................................. 63
Εικόνα 24: Η κρουστική απόκριση.........................................................................................................66
Εικόνα 25: Φάσματα οπτικής ισχύος συνηθισμένων πηγών διάχυτου φωτός. [12].........73
Εικόνα 26: Πιθανές διατάξεις των LEDs σε σύγκριση με τα μεταξύ τους διαστήματα.[13]
................................................................................................................................................................................ 76
Εικόνα 27: Απλό μοντέλο οπτικής επικοινωνίας. [14]....................................................................78
Εικόνα 28: Λόγος σήματος προς θόρυβο και γωνία πρόσπτωσης σε σύγκριση με την
απόσταση. [14]................................................................................................................................................ 80
10

11. Εικόνα 29: Πολικό διάγραμμα του λόγου σήματος προς θόρυβο με την γωνίας πρόσπτω-
σης. [14]............................................................................................................................................................. 80
Εικόνα 30: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση A.......................84
Εικόνα 31: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση Β.......................84
Εικόνα 32: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση C.......................85
Εικόνα 33: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση D.......................85
Εικόνα 34: Η διανομή SNR σε έναν τερματικό χρήστη για την περίπτωση E.......................86
Εικόνα 35: Η επίδραση του θορύβου στο ρυθμό δεδομένων.[10].............................................88
Εικόνα 36: Η κατανομή του SNR με διασυμβολική παρεμβολή (απευθείας φως)..............89
Εικόνα 37: Η κατανομή του SNR με διασυμβολική παρεμβολή (ανακλώμενο φως).........89
Εικόνα 38: Το δωμάτιο του μοντέλου....................................................................................................90
Εικόνα 39: Σχέση του οπτικού πεδίου με το μέσο λαμβανόμενο SNR με ύπαρξη διασυμ-
βολικής παρεμβολής (χωρίς εντοπισμό) [10]....................................................................................92
Εικόνα 40: Σχέση του οπτικού πεδίου με το SNR με ύπαρξη διασυμβολικής παρεμβολής
(χωρίς εντοπισμό) [10]................................................................................................................................ 92
Εικόνα 41: Σχέση του ρυθμού δεδομένων με το SNR με ύπαρξη διασυμβολικής παρεμβο-
λής (με εντοπισμό) [10]............................................................................................................................... 93
Εικόνα 42: Σχέση του οπτικού πεδίου με το μέσο λαμβανόμενο SNR με ύπαρξη διασυμ-
βολικής παρεμβολής (με εντοπισμό) [10]............................................................................................93
Εικόνα 43: BER συναρτήσει του SNR (dB) για δίαφορους τύπους διαμόρφωσης [4]......95
11

12. Εικόνα 44: Λειτουργία ενός φίλτρου απορρόφησης (πηγή: http://photojojo.com)..........99
Εικόνα 45:Φίλτρα παρεμβολής ή Διχρωϊκά φίλτρα [23]...........................................................100
Εικόνα 46: Έγχρωμα γυάλινα φίλτρα [23].......................................................................................101
Εικόνα 47: Διάγραμμα ενός αισθητήρα φάσματος.[32]..............................................................106
Εικόνα 48: Αναπαράσταση ενός αισθητήρα φάσματος με πίνακα φίλτρων.[32]............107
12

13. Κεφάλαιο 1
Εισαγωγή
1.1 Ιστορία των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών
Η χρήση οπτικών εκπομπών για τη μετάδοση πληροφοριών χρησιμοποιείται από την αρ-
χαιότητα. Πυρσοί ανάβονταν ανάμεσα στις βουνοκορφές με σκοπό τη μετάδοση μηνυμάτων
σε μεγάλες αποστάσεις. Ο Όμηρος στην Ιλιάδα αναφέρει τη χρησιμότητα των οπτικών ση-
μάτων για τη μετάδοση ενός μηνύματος που αφορούσε την πολιορκία της Τροίας από τους
Έλληνες περίπου το 1200 π.Χ. [1].
Στις αρχές της δεκαετίας του 1790 ο Claude Chappe, επινόησε τον οπτικό τηλέγραφο, που
ήταν εγκατεστημένος σε έναν ψηλό πύργο και μπορούσε να στέλνει μηνύματα σε μεγάλες
αποστάσεις αλλάζοντας τον προσανατολισμό των τριών άκρων απ' τα οποία απαρτιζόταν. Για
τη μετάδοση της πληροφορίας αναπτύχθηκε ένας κώδικάς ανάλογα με τις θέσεις των τριών
13
Εικόνα 1: Ο οπτικός τηλέγραφος του C.Chappe, 1790 [7]

14. άκρων για να κωδικοποιηθούν γράμματα, νούμερα, κοινές λέξεις και σήματα ελέγχου. Τα μη-
νύματα μπορούσαν να σταλούν σε αποστάσεις εκατοντάδων χιλιομέτρων σε μερικά λεπτά.[1]
Μια από τις πιο πρόσφατες συσκευές ασύρματης οπτικής επικοινωνίας με την χρήση ηλε-
κτρονικών ανιχνευτών ήταν το φωτόφωνο (photo-phone) το οποίο επινοήθηκε από τον
Alexander Graham Bell και τον Charles Sumner Tainter και προτυποποιήθηκε στις 14 Δεκεμ-
βρίου του 1880 (U.S. Patent 235,496). Το σύστημα σχεδιάστηκε για να μεταδίδει τη φωνή
του χειριστή σε απόσταση μέσω της διαμόρφωσης ηλιακών ακτινών οι οποίες ανακλώνται
από ένα λεπτό μεταλλικό διάφραγμα. Ο δέκτης ήταν φτιαγμένος από έναν κρύσταλλο σεληνί-
ου που μετέτρεπε το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό ρεύμα. Με τη μέθοδο αυτή έγινε εφικτή η με-
τάδοση ακουστικού σήματος σε απόσταση 213 m [1].
H σύγχρονη εποχή των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών δωματίου, ξεκίνησε το 1979 από
τον F.R. Gfeller και τον U. Bapst, που πρότειναν τη χρήση της διάχυσης ακτινοβολίας υπερύ-
θρου για επικοινωνίες δωματίου. Από τότε έχουν γίνει αρκετές μελέτες που αφορούν το χα-
14
Εικόνα 2: Σχέδιο του φωτόφωνο από τους Alexander Graham Bell, Charles Sumner Tainter,
Απρίλιος 1880 [1]

15. ρακτηρισμό των καναλιών δωματίου, το σχεδιασμό του δέκτη και του πομπού, την ανάπτυξη
νέων τοπολογιών καναλιού όπως επίσης και στο θέμα της σχεδίασης συστημάτων επικοινωνί-
ας [1].
1.2 Εξέλιξη των οπτικών ασύρματων επικοινωνιών μικρής εμβέλειας
Καθώς αναπτύσσονται οι κινητές επικοινωνίες τρίτης γενιάς, οι κατασκευαστές και η επιστη-
μονική κοινότητα στρέφουν την έρευνα τους στα μελλοντικά ασύρματα συστήματα. Είναι
κοινά συμφωνημένο ότι τα συστήματα τέταρτης γενιάς (4G) καθώς και τα επόμενα συστή-
ματα, δεν θα βασίζονται σε μόνο μία τεχνική πρόσβασης. Αντίθετα τα συστήματα αυτά θα
περιλαμβάνουν και διαφορετικές συμπληρωματικές τεχνολογίες πρόσβασης. Τα μελλοντικά
συστήματα δε θα συνδέουν απλώς τους χρήστες με τον προσωπικό τους εξοπλισμό, αλλά θα
έχουν τη δυνατότητα πρόσβασης και σε ανεξάρτητο εξοπλισμό. Τελικά, κάποιος θα περίμενε
όλες οι συνδέσεις να είναι αποκλειστικά ασύρματες. Αυτή η λογική, τοποθετεί τις ασύρματες
επικοινωνίες μικρής εμβέλειας σε θέση ισχύος. Βέβαια κάποιος θα μπορούσε να διαφωνήσει,
ότι οι περισσότερες ασύρματες ζεύξεις στα μελλοντικά δίκτυα θα εγκατασταθούν σε σχετικά
μικρές αποστάσεις. Επιπλέον, ένα σημαντικό μέρος αυτών των ζεύξεων θα χαρακτηρίζονται
από υψηλούς ρυθμούς δεδομένων. Πιθανόν, το μεγαλύτερο μέρος των πρακτικών εφαρμογών
των επικοινωνιών μικρής εμβέλειας παίρνουν τη μορφή των τοπικών (local), προσωπικών
(personal), και δικτύων κάλυψης σώματος (body) ή WLAN, WPAN, και WBAN αντίστοιχα,
καλύπτοντας εμβέλειες από μερικές δεκάδες μέτρα έως επικοινωνίες μικρότερης εμβέλειας
από ένα μέτρο [2].
Ένα μεγάλο μέρος της κατανάλωσης ενέργειας οφείλεται στο φωτισμό. Εκτιμάται ότι το ένα
τρίτο της παγκόσμιας κατανάλωσης ηλεκτρισμού, διατίθεται για λόγους φωτισμού. Έτσι είναι
σημαντική η ανάπτυξη πιο αποδοτικών πηγών φωτισμού. Αυτή η αλήθεια για τη κατανάλω-
15

16. ση, έχει δημιουργήσει μια σημαντική δραστηριότητα για την ανάπτυξη πηγών στερεάς κα-
τάστασης για να αντικαταστήσουν τις λάμπες πυρακτώσεως, και τις λάμπες φθορισμού. Οι
λάμπες φθορισμού εμπεριέχουν υλικά που μολύνουν το περιβάλλον. Έτσι η εξάλειψη τους θα
αφαιρέσει μια σημαντική πηγή περιβαλλοντικής μόλυνσης. Πιο συγκεκριμένα, η αντικα-
τάστασή τους με πολύ αποδοτικές LED (Light Emitting Diodes), που παράγουν λευκό φως,
θα ελαττώσει τη κατανάλωση ενέργειας. Είναι ευτύχημα, ότι οι λευκές LED είναι ήδη εμπο-
ρικά διαθέσιμες. Οι λευκές LED (White LED - WLED) απαιτούν στη χειρότερη περίπτωση
20 φορές μικρότερη ενέργεια από τις συμβατικές πηγές λευκού φωτός, που ισούται με 5 φο-
ρές μικρότερη ισχύ από τις λάμπες φθορισμού, οι οποίες καταναλώνουν μικρότερη ενέργεια.
Ένα ολόκληρο αγροτικό χωριό μπορεί να φωτιστεί με λιγότερη ενέργεια από αυτή που χρησι-
μοποιείται από μια συμβατική λάμπα 100W. Η μετάβαση σε φωτισμό στερεάς κατάστασης
θα μειώσει τη παγκόσμια χρήση ηλεκτρισμού κατά 50%, και θα μειώσει την κατανάλωση
ενέργειας κατά 760 GW μόνο στις ΗΠΑ σε μια περίοδο 20 ετών. Για να διαμορφωθεί μια κα-
θαρή εικόνα για τον θετικό αντίκτυπο των WLEDs, παρακάτω παρουσιάζονται μερικές συ-
γκεκριμένες εκτιμήσεις για τις ΗΠΑ :
“Αν όλοι οι υπάρχοντες λαμπτήρες αντικατασταθούν με πηγές WLED, σε μια περίοδο 10 ετών
θα είχαμε τα ακόλουθα οφέλη: οικονομία στην ενέργεια της τάξης των 1.9x1020
joules, και οι-
κονομία 1.83 τρισεκατομμύρια US $, μείωση στη παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα της τάξης
των 10.68 γιγατόνων, και μείωση κατανάλωσης ακατέργαστου πετρελαίου 962 εκατομμύρια
βαρέλια [2].”
Ο τομέας της φωτονικής ξεκινά με την αποδοτική γενιά φωτός. Η γενιά του αποδοτικού αλλά
και πολύ ελεγχόμενου φωτισμού, μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση LEDs. H χρήση μιας
WLED αντί του συμβατικού φωτισμού, σημαίνει σημαντική μείωση του όγκου, του κόστους
και της κατανάλωσης ενέργειας, αφού οι οπτικές συσκευές είναι μικρότερες και απλούστερες
από τις ηλεκτρικές συσκευές. Οι WLEDs είναι ημιαγώγιμες συσκευές. Πριν από περίπου 12
16

17. έτη, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι οι WLEDs, εκτός του ότι ήταν πού κατάλληλες για
φωτισμό χώρου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για ασύρματες επικοινωνίες. Τα θετικά
μιας τέτοιας τεχνολογίας είναι πολλά. Ένα είναι ότι ανήκουν στην πράσινη τεχνολογία όταν
χρησιμοποιούνται για φωτισμό, και γίνονται ακόμα πιο φιλικές στο περιβάλλον, όταν αυτές
χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνιακούς σκοπούς, όταν συγκρίνονται με τις εναλλακτικές
τεχνολογίες ραδιοσυχνοτήτων (RF). Επίσης οι LED και οι φωτοανιχνευτές (photo-detectors),
τείνουν να γίνουν αρκετά φθηνότεροι συγκρινόμενα με τα RF αντίστοιχά τους. Οι οπτικές
ασύρματες επικοινωνίες επιτρέπουν την εύκολη επαναχρησιμοποίηση εύρους ζώνης, και βελ-
τιώνουν την ασφάλεια, αφού το φως περιορίζεται στο δωμάτιο που φωτίζει. Επίσης δεν πα-
ράγουν RF μόλυνση, ούτε επηρεάζονται από RF παρεμβολή. Έτσι, αντικαθιστώντας RF συ-
σκευές με συσκευές που χρησιμοποιούν λευκό φως ως μέσο για τις τηλεπικοινωνίες (τουλάχι-
στον σε κλειστούς χώρους) θα μειωθεί η παρεμβολή στις RF ζώνες συχνοτήτων. Θα πρέπει
να τονιστεί ότι καθώς οι καταναλωτές και οι κατασκευαστές προϊόντων θα επωφεληθούν, η
τεχνολογία μπορεί να εισχωρήσει αρκετά σε περιπτώσεις που δεν μπορεί η RF τεχνολογία,
όπως σε νοσοκομεία, σχολεία, αεροπλάνα και ορυχεία. Οι RF παρεμβολές έχουν προκαλέσει
ατυχείς πυροδοτήσεις εκρήξεων όταν χρησιμοποιούνται συσκευές πυροδότησης από απόστα-
ση.
Ομοσπονδιακοί κανονισμοί θέτουν το 1Watt ως μέγιστο επιτρεπτό όριο RF ισχύος μέσα σε
ορυχεία που χρησιμοποιούν ασύρματους πυροκροτητές. Επίσης, σήματα RF έχουν παρεμβλη-
θεί σε οδηγίες προσγείωσης σε αεροπλάνα που προσγειώνονται. Αντικαθιστώντας τους συμ-
βατικούς λαμπτήρες με WLED και χρησιμοποιώντας τα για διαβίβαση δεδομένων και φωτι-
σμό, μπορούν να εξοικονομηθούν μεγάλα ποσά ενέργειας [2].
17

18. H ευρέως διαδεδομένη εμπορική χρήση της οπτικής επικοινωνίας ελευθέρου χώρου (Free
Space Optics - FSO), εμφανίστηκε πριν επικρατήσει η χρήση των αντίστοιχων RF. Αυτά τα
συστήματα χρησιμοποιούσαν υπέρυθρες συχνότητες (IR), ήταν για εσωτερική χρήση, και
χρησιμοποιήθηκαν σε διάφορες εφαρμογές (π.χ. για μονάδες τηλεχειρισμού, και ως θύρες
επικοινωνίας ανάμεσα σε συσκευές). Σε αυτά τα πρώτα χρόνια, μόνο οι IR LED ήταν δια-
θέσιμες με μικρό κόστος. Το 1993 δημιουργήθηκε ο Infrared Data Association (IrDA), για να
παράγει χαμηλού κόστους παγκόσμια - συμβατή υπέρυθρη τεχνολογία και ένα forum για την
ανάπτυξη των IR FSO προτύπων. Το πρωτόκολλο IrDA, αναπτύχθηκε και έχει μεταβληθεί σε
βιομηχανικό πρότυπο. Το πρότυπο ΙΕΕΕ 802.11 παρείχε λεπτομέρειες για το φυσικό επίπεδο
(physical layer) του IR. Ωστόσο, αυτά μπορεί να μην είναι εφαρμόσιμα σήμερα. Σε όρους
διαμόρφωσης και ανίχνευσης, η διαμόρφωση έντασης (Intensity Modulation - IM) και η άμε-
ση ανίχνευση (Direct Detection–DD), δύνανται να παρέχουν ένα οικονομικό τηλεπικοινωνια-
κό σύστημα FSO, πολύ οικονομικότερο από το αντίστοιχο RF [2].
Ενώ το FSO μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλούς ρυθμούς bit, σε περίπτωση ανεμπόδιστης οπτι-
κής επαφής (Line Of Sight - LOS) ανάμεσα στον πομπό και στον δέκτη, ο ρυθμός μετάδοσης
μειώνεται σημαντικά όταν δεν υπάρχουν συνθήκες LOS. Σε πολλές περιπτώσεις, η διασφάλι-
ση των συνθηκών LOS είναι μια μεγάλη πρόκληση, και συνήθως απαιτεί τη χρήση σχετικά
περίπλοκης και ακριβής τεχνολογίας. Βέβαια, η παρεμβολή από το φως του περιβάλλοντος
έχει αρνητική επίδραση και μπορεί να αντιμετωπιστεί με τη χρήση εύρωστων μορφών ση-
μάτων, ή/και οπτικών φίλτρων [2].
Η ερευνητική περιοχή των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών, δεν είχε αρκετή απήχηση για
αρκετά χρόνια, εκτός από κάποιες στρατιωτικές εφαρμογές λόγω της ασφάλειας που προ-
σφέρει. Εν τούτοις, ο μεγαλύτερος αριθμός ασύρματων συσκευών που έχουν πωληθεί, τα τη-
18

19. λεχειριστήρια TV, χρησιμοποιούν ακτίνες IR για να λειτουργήσουν. Ο αριθμός των ερευνη-
τών και ερευνητικών συνεργασιών, που ασχολούνται με ασύρματες οπτικές επικοινωνίες δεν
συγκρίνεται με τον αριθμό των αντίστοιχων ερευνητών που ασχολούνται με ασύρματες RF
τεχνολογίες [2].
Οι ασύρματες οπτικές τεχνολογίες, χρησιμοποιούν οπτικά φέροντα για τη μετάδοση της πλη-
ροφορίας από το ασύρματο οπτικό κανάλι από το ένα μέρος στο άλλο. Αυτά τα κανάλια δια-
χωρίζονται μεταξύ τους από τα αντίστοιχα RF. Αυτά μπορούν να απασχολήσουν χωρίς άδεια
οπτικό φάσμα πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο, στις περιοχές του υπερύθρου (IR), του
ορατού (VL), και του υπεριώδους (UV), και έτσι να προσφέρουν μεγάλες δυνατότητες σε
ρυθμούς υψηλής μετάδοσης με βελτιωμένη ασφάλεια δεδομένων. Αυτές οι συχνότητες δεν
προσβάλλονται από ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (Electromagnetic Interference - EMI), ιδα-
νική για πολιτικές εφαρμογές σε ευαίσθητα περιβάλλοντα όπως νοσοκομεία και αεροπλοΐα,
όπως και στρατηγικές εφαρμογές που απαιτούν προστασία από παρεμβολές (anti-jamming).
Το πολύ μικρό μήκος κύματος ενός οπτικού φέροντος, δίνει τη δυνατότητα σε ένα πομπο-
δέκτη πολύ μικρών διαστάσεων, να ακτινοβολεί οπτικά σήματα υψηλής πυκνότητας με μικρή
19
Εικόνα 3: Το οπτικό φάσμα και οι διάφορες ακτινοβολίες. [27]

20. ισχύ και μπορεί να οδηγήσει σε υψηλή διακριτική ικανότητα (resolution) στην οπτική απει-
κόνιση [2].
Οι ανάγκες για υψηλή διακριτική ικανότητα στην οπτική απεικόνιση, εκτείνονται από βιοϊα-
τρικές εφαρμογές μέχρι προσωπικές και στρατιωτικές εφαρμογές. Η UV απεικόνιση βασίζε-
ται στους άριστα εξελιγμένους ημιαγώγιμους ανιχνευτές UV όπως οι φωτοανιχνευτές χιονο-
στιβάδας (Avalanche Photodetectors – APD), είναι ένα αναδυόμενο πεδίο για την προσγείω-
ση αεροπλάνων σε ομιχλώδη και ασαφή περιβάλλοντα, καθώς και πληροφορίες ατμοσφαιρι-
κής ρύπανσης για την προστασία του περιβάλλοντος. Όταν η UV ακτινοβολία χρησιμοποιεί-
ται για τηλεπικοινωνίες, η ελάχιστη ηλιακή ακτινοβολία και η ατμοσφαιρική σκέδαση που
συμβαίνει σε αυτές τις συχνότητες, βοηθά στην κατασκευή μιας υψηλής ποιότητας μη-άμε-
σης (NLOS) ζεύξης. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό τα εξωτερικά τηλεπικοινωνιακά συστήματα
να λειτουργούν χωρίς περιορισμούς στροφής πομποδεκτών. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι
ελκυστικό στην εφαρμογή δικτύων των Unattended Ground Sensors (UGS–εφαρμογή για μα-
χητικά συστήματα των HΠΑ). Για την εύρωστη συνδεσιμότητα των κόμβων των αισθητήρων
του συστήματος [2].
1.3 Σύγχρονη ιστορία των συστημάτων VLC
Οι ερευνητικές ομάδες που έστρεψαν τις έρευνές τους για εφαρμογές των LED ορατού φωτός
στις τηλεπικοινωνίες, εντοπίζονται χρονικά περίπου στα 1998 - 1999. Ωστόσο, σε σύγκριση
με άλλες περιοχές των ασύρματων επικοινωνιών, οι ερευνητικές μελέτες που έχουν ανακοι-
νωθεί είναι αξιοσημείωτα περιορισμένες. Οι πολύ αρχικές μελέτες, υποδεικνύουν εφαρμογές
και συστήματα στενού φάσματος και μικρού ρυθμού δεδομένων. Έρευνες που παρουσιάζουν
ευρυζωνικές επικοινωνίες ορατού φωτός (VLC), με χρήση WLED ξεκίνησαν να εμφανίζονται
το 2001 και συνεχίστηκαν τα επόμενα χρόνια με έρευνες που διεξήχθησαν από το Keio
20

21. University στη Yokohama της Ιαπωνίας. Το Νοέμβριο του 2003 ιδρύθηκε στην Ιαπωνία o
VLCC (Visible Light Communications Consortium), έχοντας ανάμεσα στα μέλη του με-
γάλους Ιαπωνικούς βιομηχανικούς οργανισμούς: Toshiba, NEC, KDDI, Panasonic, Sony,
Toyota, Sumitomo, Mitsubishi, NTT DoCoMo, Casio, και Sharp είναι ανάμεσα σε αυτούς.
Και η Samsung από τη Νότιο Κορέα έγινε μέλος του consortium. O VLCC ιδρύθηκε από αυ-
τές τις μεγάλες εταιρίες για να εξελίξει, να σχεδιάσει, να ερευνήσει, και να προτυποποιήσει
τα ιαπωνικά συστήματα VLC. Ο στόχος του είναι να εξελίξει, να ερευνήσει, να σχεδιάσει και
να προτυποποιήσει τα μόνιμης πρόσβασης, υψηλής ταχύτητας και φιλικά για υγεία συστήμα-
τα VLC [2].
Αργότερα ο WWRF (Wireless World Research Form) ξεκίνησε κάποια δραστηριότητα στον
τομέα αυτόν. Παρόλο που μερικές ακόμα ερευνητικές ομάδες εμφανίστηκαν την περίοδο
ανάμεσα στο 2000 και 2006 από άλλους ερευνητές, η έρευνα στην περιοχή αυτή άρχισε να γί-
νεται αξιοπρόσεκτη από το 2007 όταν μια έρευνα από τον J. Kahn με τίτλο “Imaging
Diversity Receivers for High-Speed Infrared Wireless Communication”, εμφανίστηκε στο πε-
ριοδικό Scientific American το οποίο μεταφράστηκε σε πολλές γλώσσες. Η Ευρώπη και οι
ΗΠΑ ξεκίνησαν τη χρηματοδότηση μεγάλων προγραμμάτων στον τομέα αυτόν το 2008. Η
Ευρωπαϊκή Ένωση χρηματοδότησε πολύ καλά το σχέδιο hOME Gigabit Access (OMEGA),
με σκοπό την ανάπτυξη παγκόσμιων προτύπων για οικιακά δίκτυα, που να περιλαμβάνουν τη
χρήση οπτικών επικοινωνιών στις συχνότητες των τεχνολογιών IR και VLC. Αυτό ιδρύθηκε
σαν μέρος του προγράμματος Framework Programme 7 (P7) R&D της Ευρωπαϊκής Ένωσης.
Κυριότερα βιομηχανικά μέλη είναι η France Telecom, η Thomson, η IHP Microelectronics, η
ComNets (RWTH), και η Siemens. Τελικά ο IEEE εξέδωσε μια έκλυση για συμμετοχή (Call
for Contributions) στο IEEE 802.15.7 VLC το 2009, και διεξήχθη η πρώτη συνάντηση [2]
21

22. 1.4 Εφαρμογές εσωτερικού - εξωτερικού χώρου.
Τα παραπάνω πλεονεκτήματα των ασύρματων επικοινωνιών ορατού φάσματος με πηγές στε-
ρεάς κατάστασης καθιστούν ιδιαίτερα θελκτική την υιοθέτησή τους σε πολλούς τομείς της
καθημερινότητας για επικοινωνία από σημείο σε σημείο (point to point) ή από σημείο προς
πολλά σημεία (point to multipoint).
 Στον χώρο της υγείας και των αερομεταφορών θα επιτρέψουν την επικοινωνία χωρίς
τον κίνδυνο αλληλεπίδρασης με τον υπάρχοντα ηλεκτρομαγνητικό εξοπλισμό.
 Οι δίοδοι εκπομπής φωτός χρησιμοποιούνται ήδη στους φωτεινούς σηματοδότες και
αναμένεται να κυριαρχήσουν ως μέσα φωτισμού στα αυτοκίνητα στο άμεσο μέλλον.
Επομένως, είναι δυνατή η ανταλλαγή δεδομένων ανάμεσα σε σηματοδότες - αυτοκί-
νητα ή και αυτοκίνητα - αυτοκίνητα για λόγους ασφαλείας και για διαχείριση της κυ-
κλοφορίας.
 Σε περιπτώσεις ανταλλαγής δεδομένων ανάμεσα σε φωτεινές επιγραφές ή πινακίδες
και κινητά τερματικά, όπως προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (Personal Digital
Assistants/ PDAs) για την παροχή υπηρεσιών που σχετίζονται με τη θέση του χρήστη
(μουσεία, εκθεσιακοί χώροι, κτλ).
 Σε εσωτερικούς χώρους για τη δημιουργία τοπικών δικτύων ορατού φάσματος σε
αντιστοιχία με τα τοπικά δίκτυα ραδιοσυχνοτήτων, ικανοποιώντας ταυτόχρονα τη λει-
τουργία του φωτισμού.
 Σε υποβρύχιες εφαρμογές, όπου τα ραδιοκύματα δεν διαδίδονται σε μεγάλες απο-
στάσεις.
22

23. 1.4.1 Εφαρμογές Εσωτερικού Χώρου
Με την εγκατάσταση VLC συστημάτων θα είναι δυνατή η μετάδοση ευρυζωνικής πληροφο-
ρίας σε διάφορα περιβάλλοντα όπως γραφεία τα οποία φωτίζονται ούτως η άλλως. Στην περί-
πτωση αυτή, ένα PLC (Power Line Communication) σύστημα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν
τροφοδότης. Τα δεδομένα που φτάνουν σε ένα γραφείο ή ένα σπίτι από το δίκτυο, ακτινοβο-
λούνται από οπτικά σημεία πρόσβασης που αποτελούνται από LED σε κάθε δωμάτιο ενώ πα-
ράλληλα λειτουργούν και ως πηγές φωτισμού. Οι εγκατεστημένες LED σε κάθε σημείο
πρόσβασης (access point), δεν φωτίζουν απλά το δωμάτιο, αλλά παράλληλα διαμορφώνουν
το ηλεκτρικό σήμα σε ορατό σήμα και τα σήματα αυτά ακτινοβολούνται στον αέρα [4].
Η σκίαση (shadowing), μπορεί να αποφευχθεί χρησιμοποιώντας κατανεμημένη πηγή φωτός.
Κανονικά όλες οι LED μεταδίδουν το ίδιο σήμα δεδομένων. Ωστόσο είναι δυνατό να χρησι-
μοποιηθούν LED διαφορετικών χρωμάτων όπως φαίνεται στην εικόνα 4 [4].
Οι μεταδιδόμενοι οπτικοί παλμοί από τα φώτα LED λαμβάνονται από ένα τερματικό χρήστη
το οποίοι αποτελείται από φωτοδιόδους και μετατρέπει τους οπτικούς παλμούς σε ηλεκτρικά
σήματα. Ο οπτικός δέκτης στο τερματικό του χρήστη, χρησιμοποιεί ένα ζωνοπερατό οπτικό
φίλτρο για να εξαφανίσει το περιβάλλον φως. Ερευνητές (όπως ο Komine και ο Nakagawa,
23
Εικόνα 4: Αριστερά: Μετάδοση σε εσωτερικό χώρο με VLC / Δεξιά: VLC με παράλληλη μετάδοση δε-
δομένων [4].

24. 2003) έχουν αναλύσει και επιδείξει ένα VLC συνδεδεμένο με PLC σε ρυθμούς δεδομένων της
τάξης του 1 Mbps με BER της τάξης του 10−6
[4].
Το PLC κάνει εφικτή τη χρήση των υπαρχόντων γραμμών μετάδοσης ηλεκτρισμού για τηλε-
πικοινωνιακούς σκοπούς. Σε ένα σπίτι, οι ήδη εγκατεστημένες ηλεκτρικές γραμμές και οι έξο-
δοι τους, συμπεριφέρονται σαν δίκτυα δεδομένων και πύλες (ports). Αφού πολλοί εξοπλισμοί
δεδομένων και ηλεκτρικές συσκευές είναι ήδη συνδεδεμένες με τις εξόδους των ηλεκτρικών
γραμμών, δεν είναι υποχρεωτική η εισαγωγή συνεστραμμένων καλωδίων για επικοινωνίες.
Χρησιμοποιώντας λευκές LED οι ερευνητές πρότειναν την εφαρμογή VLC συστημάτων [4].
Η οπτική ασύρματη ζεύξη είναι κατάλληλη για μη δημόσιο δίκτυο ή για ένα τηλεπικοινωνια-
κό δίκτυο καταναλωτών, όπως το WHL διότι δεν απαιτεί κάποια άδεια στη χρήση του. Επι-
πλέον, τα φωτεινά σήματα περιορίζονται μόνο από φυσικά εμπόδια και είναι πολύ εύκολο να
αποφευχθεί η παρεμβολή από διπλανά δωμάτια. Έτσι η διάδοση με οπτικό σήμα είναι καταλ-
ληλότερη σε εφαρμογές εσωτερικού χώρου σε σχέση με τα ραδιοκύματα [4].
1.4.2 Εφαρμογές Εξωτερικού Χώρου
Τα VLC συστήματα είναι αντίστοιχα λειτουργικά και σε εξωτερικές εφαρμογές. Μια τέτοια
εφαρμογή είναι τα έξυπνα συγκοινωνιακά συστήματα ITS (Intelligent Transport System) και
η εφαρμογή ασφάλειας δρόμου (Road Safety Application). Διαβιβάζοντας διαφορετικές πλη-
ροφορίες κυκλοφορίας από φανάρια LED στα διερχόμενα αυτοκίνητα συνδυαζόμενο με το
σύστημα λήψης του VLC μπορεί να μειώσει τα ατυχήματα (Traffic Light Communication).
Επιπλέον τέτοιες πληροφορίες θα βοηθήσουν στη ρύθμιση της κυκλοφορίας. Το σήμα από τα
φανάρια της κυκλοφορίας μπορούν να ενημερώνουν για την κατάσταση της κυκλοφορίας για
να βοηθήσουν τους πεζούς και άτομα με ειδικές ανάγκες. Δε θα είναι έκπληξη η επικοινωνία
24

25. ανάμεσα στα αυτοκίνητα με τη χρήση των πίσω, μπροστινών ή πλαγίων φώτων, όπως και η
λήψη πληροφοριών από φώτα δρόμου και φώτα παρκαρίσματος [4].
Σε περιοχές για παρκάρισμα, τα LED φώτα μπορούν να μεταδίδουν πληροφορίες για τις κενές
θέσεις παρκαρίσματος σε κάθε αυτοκίνητο που εισέρχεται στο parking. Τα συστήματα VLC
μπορεί να είναι χρήσιμα μέσα σε αεροπλάνα όπου είναι ήδη εγκατεστημένα εκατοντάδες χι-
λιόμετρα καλωδίων, και μπορούν να αντικατασταθούν. Εν τούτοις, λίγα μόνο πειράματα
έχουν διεξαχθεί σε εξωτερικό περιβάλλον. Ερευνητές έχουν κάνει αρχικές μελέτες για με-
τάδοση πληροφορίας από φανάρια σήμανσης με τη χρήση λευκών LED [4].
Ο Kitano et. al. 2004 πρότεινε ένα σύστημα φωτισμού και διαβίβασης πληροφορίας των
δρόμων βασισμένο σε LED, το οποίο εκπληρώνει τα πρότυπα φωτισμού των δρόμων στην Ια-
πωνία ενώ μέσα από αριθμητική ανάλυση δικαιολόγησε τις πιθανότητες της επικοινωνίας αυ-
τής. Επίσης έχει αναλυθεί και προταθεί ένα σύστημα VLC που λειτουργεί χρησιμοποιώντας
25
Εικόνα 5: Περιπτώσεις εξωτερικών εφαρμογών VLC [4]

26. αισθητήρα εικόνων δύο διαστάσεων (Wook, et al. 2006). Τέλος ο Arai (2007) πρότεινε ένα
τρόπο κωδικοποίησης με ιεραρχία που βασίζεται σε έναν γρήγορο 2D Harr μετασχηματισμό
μήκους κύματος [4].
Τα προτεινόμενα ιεραρχικά σχέδια διαβίβασης, παρουσιάζουν συμβατική διαμόρφωση OOK
(Οn-Off Keying), και η λήψη δεδομένων υψηλής προτεραιότητας είναι εγγυημένη ακόμα και
αν η απόσταση κάμερας - LED είναι μεγάλη. O Iwasaki (2007), προχώρησε ακόμα ένα βήμα
προτείνοντας την παράλληλη επικοινωνία με VLC. Πρότεινε ένα τρόπο επικοινωνίας του
δρόμου με το όχημα, με τη χρήση κάμερας υψηλής ταχύτητας. Στο σύστημα αυτό τα δεδο-
μένα λαμβάνονται από την κάμερα υψηλής ταχύτητας που βρίσκεται πάνω στο όχημα, κάνο-
ντας εφικτή την αναγνώριση κάθε μιας LED ξεχωριστά. Μελέτες έχουν διεξαχθεί όσων αφο-
ρά την ταχύτητα επικοινωνίας και έχει διεξαχθεί πείραμα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων
σε εργαστηριακές συνθήκες [4].
1.4.3 Ασύρματες εφαρμογές μικρής εμβέλειας
Για μελλοντικές εφαρμογές μικρής εμβέλειας, οι οπτικές ασύρματες επικοινωνίες, και κυρίως
τα VLC, παρουσιάζουν μια βιώσιμη και υποσχόμενη συμπληρωματική τεχνολογία στα RF
ασύρματα συστήματα επικοινωνίας. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να συνδυάσει το φωτισμό κα-
θώς και διαβίβαση δεδομένων με ταχύτητες οπτικής ίνας, εφόσον αυτή είναι εγκατεστημένη
σε μια κατάλληλη συσκευή όπως PDA, κινητό τηλέφωνο ή mp3 player [4].
Σε διάφορες εκθέσεις, δίνεται η δυνατότητα να ληφθούν σχετικές με την έκθεση πληροφορίες
εφόσον κάποιος βρίσκεται κάτω από έναν VLC λαμπτήρα. Από ηλεκτρονικές διαφημιστικές
πινακίδες επίσης, θα μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικές με το διαφημιζόμενο προϊόν.
26

27. Στο γραφείο αντίστοιχα μια VLC λάμπα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως modem σχεδόν
οπουδήποτε σήμερα χρησιμοποιείται Wi-Fi [4].
Το ορατό φως ως μέσο για επικοινωνίες μικρής εμβέλειας έχει και πλεονεκτήματα και μειονε-
κτήματα συγκρίνοντας με την IR, τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα. Από την άλλη μεριά
τα LED και οι φωτοανιχνευτές τα οποία έχουν τη δυνατότητα γρήγορης λειτουργίας είναι δια-
θέσιμα με μικρό κόστος [4].
Όπως και στο IR, το φάσμα του ορατού φωτός δεν έχει ανατεθεί πουθενά παγκοσμίως και δε
χρειάζεται άδεια για τη χρήση του. Και το ορατό φως και η υπέρυθρη ακτινοβολία διαπερ-
νούν το γυαλί αλλά όχι τους τοίχους [4].
27
Εικόνα 7: Λήψη πληροφοριών θέσης από κινητό
(VLCC member companies NEC and Matsushita
Electric works) [7]
Εικόνα 6: Λήψη πληροφοριών θέσης από φωτεινό
σηματοδότη
( πηγή: The Nippon Signal Co.,Ltd., JAPAN
SHOP 2006) [7]

28. Όπως και τα μικροκύματα, η δέσμη ορατού LED φωτός ακολουθεί ευθεία γραμμή, και είναι
κατάλληλη για την ασύρματη διαβίβαση μεγάλης ποσότητας πληροφορία φωνής και δεδο-
μένων. Κατά την πρακτική χρήση, θα πρέπει να γίνει εκμετάλλευση της υψηλής κατευθυντι-
κότητας των LED.
1.4.4 Άλλες εφαρμογές
Ανίχνευση Θέσης
Αυτό μπορεί να γίνει εφικτό σε ένα VLC σύστημα, όταν οι πληροφορίες που στέλνονται από
τους οπτικούς πομπούς στέλνουν πληροφορίες σχετικές με τη θέση. Είναι το ίδιο αποτελε-
σματική σε εφαρμογές εσωτερικού και εξωτερικού χώρου. Διάφορες εταιρίες έχουν παρου-
σιάσει πρωτότυπα ανίχνευσης θέσης βασισμένα στην τεχνολογία VLC. Τέτοιες εφαρμογές εί-
ναι η επικοινωνία πεζού-φαναριού σήμανσης και η εφαρμογή Παγκόσμιου Συστήματος
Πλοήγησης[3].
Έξυπνες αγορές.
Το σύστημα VLC χρησιμοποιείται για τη διαβίβαση πληροφοριών σχετικά με χαρακτηριστι-
κά προϊόντων. Οι VLC δέκτες μπορούν να εφαρμοστούν στα καροτσάκια για ψώνια [3].
Μια άλλη εφαρμογή είναι η επικοινωνία με αισθητήρα εικόνας (Ιmage Sensor
Communications). Ένα VLC σύστημα συνήθως χρησιμοποιεί μια φωτοδίοδο ως συσκευή λή-
ψης. Εν τούτοις, στις επικοινωνίες με αισθητήρα εικόνας, ο δέκτης που χρησιμοποιείται είναι
ο αισθητήρας εικόνας που χρησιμοποιείται στις κάμερες. Αν και η χρήση ενός αισθητήρα ει-
κόνας αντί για φωτοδίοδο είναι πιο ακριβή, έχει κάποια πλεονεκτήματα:
28

29.  O ανιχνευτής εικόνας αποτελείται από μεγάλο αριθμό pixel, και κάθε pixel μπορεί
να χρησιμοποιηθεί ως ανεξάρτητο κανάλι λήψης. Έτσι είναι διαθέσιμα πολλά κα-
νάλια λήψης.
 Τα pixel είναι διαχωρισμένα στο χώρο (space diversity), έτσι η επίδραση της παρεμ-
βολής εξαλείφεται.
 Το κάθε κανάλι έχει την πληροφορία της θέσης του κάθε pixel, έτσι μπορεί να βρε-
θεί η θέση του πομπού κατά τη λήψη.
 Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε επικοινωνία μακρινής απόστασης. Αν και η
διακριτική ικανότητα της πηγής φωτός είναι μικρότερη σε μεγάλες αποστάσεις, η
πληροφορία μπορεί να ληφθεί από έναν μακρινό πομπό, με τη χρήση φακών τηλε-
σκοπίου [3].
Η τεχνολογία αυτή, παρόλα τα πλεονεκτήματά της, δύσκολα εφαρμόζεται λόγω του κόστους
των οργάνων της. Οι κατασκευαστές παρακολουθούν την μεγάλη απήχηση της τεχνολογίας
των εξελιγμένων κινητών. Αφού τα κινητά αυτά είναι εξοπλισμένα με κάμερες υψηλού ρυθ-
μού. Οι κάμερες αυτές μπορούν πιθανόν να χρησιμοποιηθούν ως δέκτες στις επικοινωνίες με
αισθητήρα εικόνας όταν έχουν ανεκτό κόστος [3].
29
Εικόνα 8: Καροτσάκι για ψώνια και δέκτης
(πηγή: NEC and Matsushita Electric Works) [7]

30. Μια άλλη εφαρμογή των VLC είναι η αποστολή ψηφιακού ήχου με χρήση LED κόκκινου,
μπλε και πράσινου χρώματος. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης σε ένα σιωπηρό κονσέρτο
όπου μεταδίδονται διαφορετικοί ήχοι σε κάθε χρώμα. Οι χρήστες έχουν την επιλογή να ακούν
τα μουσικά όργανα που αυτοί επιθυμούν διαλέγοντας ανάμεσα στις διαφορετικές δέσμες
φωτός, ενώ οι καλλιτέχνες παίζουν μπροστά τους. Με το τρόπο αυτό τα VLC χρησιμοποιού-
νται και στην ψυχαγωγία. [3]
1.5 Σύγκριση συστημάτων VLC με άλλες ασύρματες επικοινωνίες
Τα χαρακτηριστικά που κάνουν τα συστήματα ασύρματης επικοινωνίας ορατού φωτός να
έχουν προβάδισμα σε σχέση με τις υπόλοιπες ασύρματες επικοινωνίες μπορούν να συνοψι-
στούν παρακάτω:
Ασφάλεια για την ανθρώπινη υγεία: Τα VLC συστήματα δεν αποτελούν κίνδυνο για το αν-
θρώπινο σώμα. Έτσι η μεταδιδόμενη ισχύς μπορεί να είναι υψηλή[3].
30
Εικόνα 9: Ένα σύστημα ήχου που
χρησιμοποιεί κόκκινες, μπλε και
πράσινες LED [7]
Εικόνα 10: Κόκκινη, πράσινη και μπλε LED [20]

31. Υψηλοί ρυθμοί δεδομένων: Τα VLC κληρονομούν τους υψηλούς ρυθμούς των οπτικών επι-
κοινωνιών. Έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για υψηλού ρυθμού ασύρματες συνδέσεις[3].
Εύρος Ζώνης: Τα VLC εκμεταλλεύονται το ορατό μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Έτσι προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ζώνη συχνοτήτων (300 THz) σε σχέση με τις αντίστοιχες
συχνότητες των RF (300 GΗz)[3].
Εκμετάλλευση της ήδη εγκατεστημένης τεχνολογίας φωτισμού: Χρησιμοποιώντας ήδη
εγκατεστημένα φώτα LED, των οποίων η εφαρμογή διαδίδεται με γοργούς ρυθμούς σε όλο
τον κόσμο[3].
Ασφάλεια: Αφού τα συστήματα VLC εμπλέκουν LOS επικοινωνία, είναι αδύνατη η υποκλο-
πή πληροφοριών αν δεν υπάρχει LOS. Έτσι προσφέρει πολύ ασφαλή ζεύξη και μπορεί να
χρησιμοποιηθεί σε στρατιωτικές περιοχές υψηλής ασφάλειας όπου δεν μπορεί να εφαρμοστεί
RF τεχνολογία [3].
Ορατότητα: Είναι πολύ όμορφο αισθητικά να μεταφέρονται πληροφορίες μέσω φωτός δια-
φόρων χρωμάτων. Έτσι τα συστήματα VLC μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δραστηριότητες
ψυχαγωγίας όπως σιωπηρά κονσέρτα, συστήματα διακόσμησης, κλπ [3].
Ελεύθερο φάσμα: Αφού τα συστήματα VLC χρησιμοποιούν το ορατό μέρος του φάσματος,
το οποίο δεν χρειάζεται άδεια για τη χρησιμοποίησή του, αντίθετα με τις RF επικοινωνίες [3].
31

32. 1.5.1 Πλεονεκτήματα σε σχέση με τις ραδιοσυχνότητες.
Τα πλεονεκτήματα της χρήσης οπτικής ακτινοβολίας σε σύγκριση με τις ραδιοσυχνότητες
(Radio Frequency - RF) περιλαμβάνουν:
Περιορισμένη ισχύς μετάδοσης: τις RF επικοινωνίες, η ηλεκτρική ισχύς διαβίβασης, δεν
μπορεί να αυξηθεί πέρα από ένα βαθμό (1Watt) διότι δημιουργεί μεγάλους κινδύνους για το
ανθρώπινο σώμα [3]. Αυτό δεν συμβαίνει στην περίπτωση του ορατού φάσματος όπως είναι
φυσικό.
Μη ελεύθερη χρήση φάσματος: Λόγω του περιορισμένου φάσματος, δεν υπάρχει χώρος για
χρήση άλλων ραδιοσυχνοτήτων. Επιπλέον η χρήση του RF φάσματος πρέπει να συμφωνηθεί
[3]. Αντίθετα στα συστήματα ορατού φάσματος έχουμε πρακτικά απεριόριστο εύρος ζώνης
πάνω από 540 TΗz για μήκη κύματος στην περιοχή [200-1550 nm]. Αυτή η ζώνη συχνοτήτων
δεν έχει εκχωρηθεί πουθενά και είναι διαθέσιμη για άμεση χρήση [2].
Απαγορευμένο σε ευαίσθητες περιοχές: Οι RF συχνότητες δεν μπορούν να χρησιμοποιη-
θούν σε νοσοκομεία, σε ορυχεία, σε διαστημικούς σταθμούς και αλλού διότι επηρεάζουν αρ-
νητικά την λειτουργία συγκεκριμένων οργάνων [3]. Έτσι η απουσία ηλεκτρομαγνητικής πα-
ρεμβολής με άλλες συσκευές, καθιστά τις VLC συνδέσεις πολύ κατάλληλες για περιβάλλοντα
όπου χρησιμοποιούνται συσκευές ευαίσθητες στις παρεμβολές. Όπως νοσοκομεία, αερο-
δρόμια και εργοστάσια, εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας (power plants), στρατιωτικά
κτήρια και κτήρια εθνικής ασφάλειας [2].
32

33. Αλλοίωση επιδόσεων: Μια μικρή επιφάνεια δέκτη (φωτοανιχνευτές) παρέχει χωρική ποικι-
λομορφία (spatial diversity), εξαλείφοντας την εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών (multipath
fading) που υποβιβάζει τις επιδόσεις μιας απροστάτευτης RF ζεύξης.[3]
Ασφάλεια Ζεύξης: Ο περιορισμός των οπτικών σημάτων σε συγκεκριμένο χώρο (σε σχέση
με τις RF συνδέσεις όπου υπάρχει διαπερατότητα από υλικά π.χ. τοίχους) δίνει τη δυνατότη-
τα για ασφαλή ανταλλαγή δεδομένων χωρίς το φόβο υποκλοπής από κάποιον εισβολέα. Έτσι
παρέχεται ασφάλεια φυσικού επιπέδου (physical-layer), ο οποίος είναι και ο ασφαλέστερος
τύπος [3].
1.5.2 Πλεονεκτήματα σε σχέση με την υπέρυθρη επικοινωνία
H υπέρυθρη ακτινοβολία (Infrared – IR) χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές όπως σε κινη-
τά και σε φορητούς υπολογιστές. Αν και οι IR επικοινωνίες προσφέρουν τα ίδια πλεονεκτή-
ματα όσων αφορά το διαθέσιμο εύρος ζώνης, μένει πίσω σε σχέση με τα VLC σε άλλα πράγ-
ματα [3].
Περιορισμένοι Ρυθμοί Δεδομένων: Όσων αφορά τις IR επικοινωνίες, οι ρυθμοί δεδομένων
δεν μπορούν να αυξηθούν πάνω από έναν προκαθορισμένο βαθμό καθώς αποτελεί σημαντικό
κίνδυνο για τα ανθρώπινα μάτια. Αυτό μπορεί να οφείλεται στην υψηλή πυκνότητα ενέργειας
που δημιουργείται από την IrDA λόγω της μη ορατότητας της ακτινοβολίας [3].
Ασφάλεια ματιών: Το πρόβλημα της ασφάλειας των ματιών μπορεί να λυθεί με τη χρήση
VLC. Η επικοινωνία ορατού φωτός είναι καταλληλότερη για τα ανθρώπινα μάτια σε σχέση
με την υπέρυθρη λόγω ορατότητας (ο κίνδυνος μπορεί να γίνει αντιληπτός). Το σύστημα χρη-
σιμοποιεί LED τα οποία μπορούν να μεταδώσουν μερικά Watt. Η οποία είναι μια μεγάλη ισχύ
33

34. για χρήση φωτισμού. Αυτό σημαίνει ότι το VLC σύστημα είναι ικανό να μεταδώσει δεδομένα
σε υψηλότερους ρυθμούς σε σχέση με τα IR συστήματα [3].
1.5.3 Μειονεκτήματα των συστημάτων VLC
Μικρή εμβέλεια: Η τεχνολογία αυτή συνήθως λειτουργεί σε μικρές σχετικά αποστάσεις πο-
μπού δέκτη. Για να αυξηθεί η απόσταση διαβίβασης, η ισχύς της πηγής πρέπει να αυξηθεί.
Για να αυξηθεί η εμβέλεια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί επικοινωνία αισθητήρα εικόνας (Ιmage
Sensor Communication), σε συνδυασμό με φακούς τηλεσκοπίου για να γίνει αντιληπτή η εμ-
βέλεια μεγάλων αποστάσεων. Δυστυχώς αυτές οι βελτιώσεις εμβέλειας οδηγούν σε υπολογί-
σιμη αύξηση του κόστους [3].
Ευαισθησία στις παρεμβολές: Τα συστήματα VLC είναι ευαίσθητα στις παρεμβολές από
άλλες πηγές φωτός [3].
34

35. Κεφάλαιο 2
Βασικές Αρχές Λειτουργίας
2.1 Ασύρματη Οπτική Ζεύξη
Μία ζεύξη VLC αποτελείται από έναν πομπό, το κανάλι διάδοσης και ένα δέκτη.
Ο πομπός/πηγή μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε ένα οπτικό σήμα ενώ ο δέκτης, και ανι-
χνευτής, μετατρέπει την οπτική ενέργεια σε ηλεκτρικό ρεύμα.
Οι επικοινωνίες ορατού φάσματος έχουν υιοθετήσει την κατηγοριοποίηση των επικοινωνιών
υπερύθρων όσον αφορά των σχεδιασμό των ζεύξεων. Οι διαφορές τους οφείλονται στο δια-
φορετικό μήκος κύματος λειτουργίας, επομένως και στις διατάξεις που εξαρτώνται από αυτό,
όπως πηγές - δέκτες, αλλά και στο γεγονός ότι οι επικοινωνίες ορατού φάσματος εξυπηρετούν
και την ανάγκη φωτισμού. Οι υπόλοιπες φυσικές αρχές που σχετίζονται με την διάδοση και
τις ανακλάσεις ισχύουν ομοίως και στα δύο είδη επικοινωνιών [8].
Έτσι, οι ζεύξεις κατατάσσονται με βάση δύο κριτήρια. Το πρώτο είναι ο βαθμός κατευθυντι-
κότητας του πομπού και του δέκτη. Οι κατευθυνόμενες ζεύξεις εφαρμόζουν ευθεία εκπομπή
και λήψη, απαιτώντας στόχευση ώστε να εγκαθιδρυθεί η σύνδεση. Αντίθετα, οι μη κατευθυ-
νόμενες ζεύξεις βασίζονται σε πομπούς και δέκτες ευρείας γωνίας καταργώντας την ανάγκη
στόχευσης [8].
Το δεύτερο κριτήριο διαχωρισμού των ζεύξεων σχετίζεται με την ύπαρξη εμποδίων ανάμεσα
σε πομπό και δέκτη. Αν δεν υπάρχουν εμπόδια τότε έχουμε ζεύξη οπτικής επαφής ενώ στην
αντίθετη περίπτωση έχουμε ζεύξη μη οπτικής επαφής [8].
35

36. Στις ασύρματες επικοινωνίες ορατού φάσματος εσωτερικού χώρου η ζεύξη είναι συνήθως μη
κατευθυντική καθώς πρέπει να εξυπηρετείται και η ανάγκη φωτισμού, ωστόσο θεωρείται ότι
η σύνδεση πομπού-δέκτη βασίζεται σε κανάλια οπτικής (LOS) και μη (Non-LOS) επαφής. Τα
δεύτερα ονομάζονται και κανάλια διάχυσης (Diffuse) και περιγράφουν τις ανακλάσεις στις
οποίες υπόκειται το σήμα [8].
Η εικόνα 11 δείχνει έναν αριθμό από διαφορετικές περιπτώσεις ασύρματης οπτικής σύνδεσης.
Υπάρχουν δύο βασικές περιπτώσεις. Τα κανάλια επικοινωνίας χρησιμοποιούν είτε διάχυτες
διαδρομές (Diffuse) (εικόνα 11-α) ή απευθείας (Line Of Sight - LOS) διαδρομές (εικόνα 11-
β) μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Σε ένα διάχυτο σύστημα μια μη κατευθυνόμενη πηγή
36
Εικόνα 11: Ασύρματες οπτικές συνδέσεις.
(α)Διάχυτο σύστημα. (β) Απευθείας σύστημα ευρείας δέσμης. (γ) Απευθείας σύστημα στε-
νής δέσμης με εντοπισμό. (δ) Απευθείας σύστημα πολλαπλής στενής δέσμης για την καλύ-
τερη κάλυψη. (ε) Ήμι-διάχυτο σύστημα. [5]

37. (συνήθως Lambertian) φωτίζει το χώρο κάλυψης, τόσο όσο θα πρέπει να φωτίζεται με τεχνη-
τό φωτισμό. Η υψηλή ανακλαστικότητα των συνηθισμένων οικοδομικών επιφανειών δια-
σκορπίζει το φως έτσι ώστε στη συνέχεια να δημιουργήσει έναν οπτικό "αιθέρα". Ένας
δέκτης εντός του χώρου κάλυψης μπορεί να ανιχνεύσει αυτή την ακτινοβολία, η οποία είναι
διαμορφωμένη έτσι ώστε να παρέχει μετάδοση δεδομένων. Τα διάχυτα συστήματα είναι αν-
θεκτικά στο μπλοκάρισμα και δεν απαιτούν είναι ευθυγραμμισμένοι ο πομπός και ο δέκτης,
μιας και υπάρχουν πολλά μονοπάτια από τον πομπό στον δέκτη. Ωστόσο, η παρεμβολή από
πολλά μονοπάτια στο δέκτη μπορεί να προκαλέσει διασυμβολική παρεμβολή (Intersymbol
Interference - ISI) και η απώλεια διαδρομής για τα περισσότερα συστήματα είναι υψηλή. Η
εναλλακτική προσέγγιση είναι να χρησιμοποιηθεί κατευθυνόμενη απευθείας διαδρομή μεταξύ
πομπού και δέκτη. Ευρεία LOS συστήματα, όπως φαίνονται στην εικόνα 11-β χρησιμοποιούν
πομπούς τοποθετημένους στο ταβάνι που φωτίζουν την περιοχή κάλυψης, αλλά ελαχιστο-
ποιούν την αντανάκλαση από τους τοίχους, εξασφαλίζοντας την ύπαρξη ενός δυνατού LOS
καναλιού. Η ευρεία δέσμη εξασφαλίζει την κάλυψη. Καθώς στενεύει η δέσμη η απώλεια δια-
δρομής μειώνεται και ο επιτρεπόμενος ρυθμός μετάδοσης bit, αυξάνεται σε βάρος του κόστος
της κάλυψης. Τα συστήματα στενής δέσμης ωστόσο είτε απαιτούν εντοπισμό για να επιτραπεί
η κινητικότητα του χρήστη (εικόνα 11-γ), ή κάποιο είδος της κυτταρικής αρχιτεκτονικής για
να επιτρέπει πολλαπλές στενές δέσμες να χρησιμοποιηθούν (εικόνα 11-δ). Υπάρχει επίσης
μια τρίτη κατηγορία συστημάτων. Τα ήμι-διάχυτα (Quasi diffuse) συστήματα ελαχιστοποιούν
τον αριθμό των πολλών διαδρομών περιορίζοντας έτσι τις ανακλάσεις από τις επιφάνειες,
αλλά επιτρέπουν την ισχυρή κάλυψη της απευθείας ακτινοβολίας μιας σειράς από επι-
φάνειες, έτσι ώστε ένας κατάλληλος δέκτης μπορεί να επιλέξει μία διαδρομή από τη μία επι-
φάνεια μόνον (εικόνα 11-ε). Παραλλαγές αυτού χρησιμοποιούν δομημένο φωτισμό (ίσως
χρησιμοποιώντας γραμμές πομπών). Υπάρχει ένα μεγάλο ποσό της προσομοίωσης και πιο πε-
ριορισμένο ποσό των δεδομένων μέτρησης που περιγράφει αυτά τα κανάλια με λεπτομέρεια.
37

38. Σε αντίθεση με την προσομοίωση ραδιοσυχνοτήτων της κάλυψης σε εσωτερικούς χώρους,
δίνει γενικά μια καλή εκτίμηση των χαρακτηριστικών του διαύλου [5].
2.2 Το ασύρματο οπτικό κανάλι
Τα LOS οπτικά κανάλια υπόκεινται σε απώλεια διαδρομής, και αυτό μπορεί να μοντελοποιη-
θεί χρησιμοποιώντας είτε ανίχνευση ακτινών ή αναλυτικές τεχνικές. Το διάχυτο κανάλι έχει
τόσο υψηλή απώλεια διαδρομής (> 40dB συνήθως) και υπόκειται σε διασπορά πολλαπλών
διαδρομών (multipath dispersion). Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά εξαρτώνται από τον προ-
σανατολισμό της πηγής και του δέκτη μέσα στο χώρο. Υπήρξε εκτεταμένη εργασία στην
πρόβλεψη των χαρακτηριστικών του διάχυτου καναλιού, συμπεριλαμβανομένων και των απο-
τελεσμάτων παλμού καναλιού από αναλυτικά μοντέλα [5].
Σε εσωτερικούς χώρους, το λαμβανόμενο οπτικό σήμα υφίσταται διασπορά χρόνου λόγω
ανακλάσεων από τους τοίχους και άλλα αντικείμενα. Μολονότι οι φασματικές ανακλάσεις
μπορεί να προκύψουν από έναν καθρέφτη ή άλλο γυαλιστερό αντικείμενο, οι περισσότερες
αντανακλάσεις είναι συνήθως διάχυτες στη φύση. Υποθέτουμε ότι τα εσωτερικά υλικά ή τα
σώματα είναι αμιγώς διαχυτικά [19]. Τα περισσότερα δομικά υλικά βρέθηκαν να έχουν υψη-
λή ανακλαστικότητα (0,4 έως 0,9) και μπορούν να μοντελοποιηθούν περίπου σαν Lambertian
ανακλαστήρες. Τεχνικές ανίχνευσης ακτινών (ray-tracing) επιτρέπουν επομένως γενικά καλές
προβλέψεις για την απoκρισιμότητα του διαύλου, ακόμα και με την παρουσία καρεκλών και
άλλων αντικειμένων. Ανάλογα με την ισορροπία των LOS και διάχυτων διαδρομών μέσα στα
κανάλια, ο χώρος μπορεί να μοντελοποιηθεί ως Rician-Rayleigh ή, με εκθετικές παλμικές
αποκρίσεις. Πρόσφατα δεδομένα υψηλής ανάλυσης δείχνουν ότι διάχυτα κανάλια με διάφανο
«απεριόριστο» εύρος ζώνης είναι διαθέσιμα σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις για τα περισ-
σότερα διάχυτα περιβάλλοντα [5].
38

39. 2.3 Πομπός
Σαν πηγές στο VLC σύστημα χρησιμοποιούνται λευκές LED, οι οποίες αποτελούνται από
κόκκινες, πράσινες και μπλε LED, που συνδυάζονται μεταξύ τους για τη δημιουργία του επι-
θυμητού χρώματος. Άλλος τρόπος είναι η χρησιμοποίηση μίας μόνο LED (συνήθως μπλε), η
οποία διεγείρει ένα κίτρινο φωσφορίζον υλικό για να προκαλέσει συνολικά λευκή εκπομπή.
Με την τριπλή εκπομπή, δίδεται η δυνατότητα της αλλαγής του χρώματος, αλλάζοντας τα
χρώμα στις LED, και επίσης δίδεται η δυνατότητα αποστολής διαφορετικών δεδομένων σε
κάθε συσκευή. Παρόλα αυτά, η διατήρηση της ισορροπίας των χρωμάτων μπορεί να είναι δύ-
39
Εικόνα 12: Η φασματική κατανομή ισχύος
(συνεχής γραμμή, που αντιστοιχεί στον αριστερό άξονα) συγκρίνεται με την μετρούμενη φασματική
ανακλαστικότητα (που αντιστοιχεί στον δεξιό άξονα) των γύψινων και πλαστικών τοίχων (διακεκομ-
μένη γραμμή με τελείες), του πατώματος (διακεκομμένη γραμμή) και της οροφής (γραμμή με τελείες)
[19]

40. σκολη και οι συσκευές είναι πολύπλοκες. Η προσέγγιση της μιας LED είναι απλούστερη και
είναι πιο ελκυστική για εφαρμογές γενικής χρήσης [6].
2.3.1 Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (LED)
Δίοδος Εκπομπής Φωτός, (LED – Light Emitting Diode), αποκαλείται ένας ημιαγωγός ο οποί-
ος εκπέμπει φωτεινή ακτινοβολία στενού φάσματος όταν του παρέχεται μία ηλεκτρική τάση
κατά τη φορά ορθής πόλωσης (forward-biased) [20]. Η χρήση τους για φωτισμό αναπτύσσε-
ται ραγδαία. Παρουσιάστηκε για πρώτη φορά το 1962, σαν ηλεκτρονική συσκευή. Οι πρώτες
LED ακτινοβολούσαν κόκκινο φως χαμηλής έντασης, αλλά οι σύγχρονες LED ακτινοβολούν
στο ορατό, υπεριώδες και στο υπέρυθρο μέρος του φάσματος, με πολύ μεγάλη φωτεινότητα
[7].
Η βασική αρχή των LED είναι μια επαφή p-n η οποία πολώνεται ορθά για να εγχέει ηλε-
κτρόνια και οπές μέσα στις p- και n- πλευρές αντίστοιχα. Το εγχεόμενο φορτίο μειονότητας
επανασυνδέεται με το φορτίο πλειονότητας στην περιοχή απογύμνωσης ή στην ουδέτερη πε-
40
Εικόνα 13: Δομή της Διόδου Εκπομπής Φωτός.
(A) Άνοδος (B) Κάθοδος (1) Φακός/Θήκη (2) Σύρμα Δεσμού (3) Αντανακλαστική Κοιλότητα
(4) Μήτρα Ημιαγωγού (5) Άκμονας (6) Ανάρτηση (7) Πλαίσιο Μολύβδου (8) Επίπεδο Σημείο
[20]

41. ριοχή. Η συχνότητα των εκπεμπόμενων φωτονίων εξαρτάται από τα ημιαγώγιμα υλικά από τα
οποία αποτελείται η διάταξη (Πίνακας 1). Σε ημιαγωγούς αμέσου διάκενου η επανασύνδεση
οδηγεί σε εκπομπή φωτός αφού η ακτινοβόλα επανασύνδεσης κυριαρχεί σε υλικά υψηλής
ποιότητας. Σε υλικά έμμεσου χάσματος, η απόδοση εκπομπής φωτός είναι αρκετά φτωχή και
οι περισσότερες από τις διαδρομές επανασύνδεσης είναι μη ακτινοβόλες με παραγωγή θερ-
μότητας μάλλον παρά φωτός. Η ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτονίων, ισούται κατά προσέγ-
γιση με το ενεργειακό χάσμα Eg = Eφωτονίου = h·v.
41
Εικόνα 14: Ένα παράδειγμα μεταβολής των διαστάσεων του ενεργειακού χάσματος σε
σχέση με τον κυματάριθμο
(α) άμεσο ενεργειακό χάσμα (β) έμμεσο ενεργειακό χάσμα.[1]
Πίνακας 1: Ημιαγώγιμα υλικά και το μήκος κύματος του ορατού
φάσματος στο οποίο εκπέμπουν [35].

42. Εικόνα 15: Ένα παράδειγμα διαγράμματος ενεργειακού χάσματος σε ορθά πολωμένη
LED.[1]
Η δομή μίας LED πρέπει να είναι τέτοια ώστε τα εκπεμπόμενα φωτόνια να μπορούν να απο-
μακρύνονται από την διάταξη χωρίς να επαναπορροφώνται από το ημιαγώγιμο υλικό. Αυτό
σημαίνει ότι η p- περιοχή πρέπει να είναι επαρκώς ρηχή, ή διαφορετικά πρέπει να χρησιμο-
ποιήσουμε διατάξεις ετεροδομών [20].
2.3.2 Λευκές Λυχνίες LED (White LEDs)
Όπως και προαναφέρθηκε υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής λευκών LED υψηλής έντασης. Ο
ένας είναι η χρήση και η πρόσμιξη LED τριών χρωμάτων (κόκκινη, πράσινη, μπλε), για την
παραγωγή λευκού φωτός. Ο άλλος είναι η χρήση ενός φωσφορίζοντος υλικού για τη μετατρο-
πή μονοχρωματικού φωτός από μια μπλε ή UV LED, σε λευκή LED με ευρύ φάσμα. Με τον
ίδιο περίπου τρόπο που λειτουργεί μια λάμπα φθορισμού [3].
42