Investigación tecnología de transmisión de datos inalámbricos Li-Fi

Resumen

This paper presents the features of the
alternative data transmission technology: Li-Fi. Li -fi is a way
to connect to the internet but using light, faster and safer than
wi-fi. Also the properties of this technology, its implementation
and one of the recent Latin American research related to the
advancement of this technology is presented in this
text.

Términos
índice— li-fi research, wireless connection
2015, VLC.

Introducción

La saturación del espectro
radiológico va en aumento debido a la exigencia de la masa
de población de comunicaciones inalámbricas, para
solucionar este problema, apareció el Li-Fi
[10].

La tecnología li-fi es una manera de
transmitir datos tanto para envío como para
recepción, como se muestra en la figura: 1, pero difiere
de las maneras convencionales de transmisión, pues esta no
usa el espectro radiológico, cada vez más escaso y
codiciado, ni el de luces infrarojas o ultravioletas, esta
tecnología utiliza el espectro de luz que es visible para
el ojo humano, como la luz de una bombilla común y
corriente[10, 11, 5, 6].

Para transmitir datos es necesario poseer
una bombilla de diodos led como emisor, pues estos pueden enviar
datos en base a parpadeos [6].

Li-fi viene del inglés "ligth
fidelity" pues se basa en la luz para transmitir datos. Aunque se
llevan ya varios años investigando (desde 2008) esta clase
de tecnologías de conexión bautizadas VLC, que ya
fue estudiada por Alexander Graham Bell en 1880 (Visible Ligth
Connections), Li-fi fue presentado en una conferencia de la
organización TED en julio de 2011 por el profesor de la
universidad de Edimburgo Harald Haas[2, 6].

La empresa "pureLiFi" es líder en
soluciones li-fi, fundada con la ayuda del mismo Harald Haas,
cuenta con un equipo de ingenieros, internacionalmente
reconocidos en las investigaciones en comunicación por luz
visible (VLC), con cerca de 50 años de
experiencia[3].

Aunque la tecnología li-fi
aún se encuentra en etapas de desarrollo, promete ser un
un complemento de la conexión wi-fi en algunos aspectos, y
un seguro reemplazo en otros ámbitos, pues al no usar la
radiofrecuencia para transmitir datos, se puede utilizar en
lugares en donde una red de wi-fi no puede ser implementada como
en aviones, hospitales, etc [4, 5].

Sisoft México, busca convertirse en
la primera empresa en implementar esta tecnología en su
país. Arturo Campos, Director General de esta empresa, es
quién está a cargo de este ambicioso proyecto [12,
20]. A demás se encuentra realizando investigaciones sobre
la mejora de esta tecnología y en varias entrevistas ha
aclarado que planea implementarlo este año (2015) [14,
20].

Figura 1: Transmisión de datos por
li-fi, fotografía tomada de:
www.areatecnologia.com

Diodos
Led

El diodo led es un componente con varias
aplicaciones, una importante de ellas es que es capaz de emitir
luz con un muy bajo consumo de potencia, otra es su fácil
fabricación y su capacidad para responder velozmente a
circuitos electrónicos que le hacen parpadear para
conseguir transmitir información a manera de estados de
luz que se traducen en un código binario (cero: apagado,
uno: encendido) que puede ser codificado o decodificado[1, 2].
Este parpadeo es tan veloz que es imperceptible para el ojo
humano [2, 7].

Concepto de
Li-fi

Como se mencionó en la
introducción del documento, el li-fi es una
tecnología que transmite datos igual que el wi-fi, la
radio o la Tv, pero esta usa el rango de frecuencias que es
visible para el ojo humano: la luz [6, 10, 5].

Puesto a que el rango de espectros de la
frecuencia de la luz es mucho más amplio que el de las
radiofrecuencias, es posible transmitir más datos y a
mayor velocidad [7, 10].

2 Cómo trabaja el Li-fi

Lo que hace realmente esta bombilla, es
enviar un tren de bits compuestos por unos y ceros (código
binario), para que al llegar a un foto receptor, colocado en el
dispositivo en el que se quiere procesar los datos, la
señal enviada, ahora recibida, es decodificada y utilizada
por el usuario[6, 13, 14].

Estos códigos de unos y ceros,
implica que en "uno" está llegando un valor de luz y en
"cero" otro valor. Comunmente se utiliza el "uno" como foco
encendido, y el "cero" como foco apagado, esto hace que se
requiera una respuesta veloz a este acontecimiento de encender y
apagar la luz, esta respuesta se consigue gracias a los diodos
led [7, 6].

Para la comunicación dual, o de dos
canales, uno de ida y otro de regreso, se debe usar un led emisor
en el dispositivo que recibió anteriormente los datos,
ahora los envía, y en la bombilla de led, que ahora se
convertiría también en receptora, llegaría
el código enviando de manera similar al proceso anterior,
para ser decodificado y entendido como información [9,
10].

2.1 Enfoque del Li-fi

Inicialmente Li-fi apareció como una
manera de transmitir datos de audio y video, pero debido a su
capacidad de procesamiento, y la velocidad que brinda esta
tecnología (la velocidad se mencionará en la
siguiente subsección) se enfocó muy
rápidamente a la transmisión de internet. Aunque
aparecieron varias características propias de esta
tecnología en el transcurso del diseño y ha tomado
un enfoque diferente a los pensados al principio, pues al ser
necesario el hecho de que el dispositivo receptor esté
dentro del rango de iluminación de la bombilla emisora de
Li-fi, se ha buscado también enfocar esta
tecnología, además del enfoque de internet, a la
publicidad, buscando sustituir los códigos QR u otras
formas de interacción con los usuarios, pues como un
ejemplo, si el usuario de un dispositivo receptor de Li-fi se
encuentra en un comercial y desea hallar un lugar en particular
que no conoce, se acercaría a una isla de ubicación
y al ingresar en el rango de recepción de la luz emitida
por una lámpara Li.fi en esta isla, en su smartphone o
dispositivo, aparecería una aplicación capas de
interactuar con el usuario y guiarlo hacia su destino, o en lugar
de leer con una cámara un código QR, solo
acercaría su dispositivo a la luz Li-fi y esperaría
obtener en instantes toda la información de un producto de
interés[4, 5, 6, 9].

3 Características del
Li-fi

Es importante buscar las
características de esta tecnología para luego poder
compararlas con las ya existentes que cumplen funciones
similares. Por esto es que se enlistarán las
características de esta tecnología para conocerla
mejor.

• Transmite datos vía
  inalámbrica [8, 9, 10].

• Para transmitir datos usa el espectro
  de frecuencias que está dentro del rango visible para
  el ser humano (aprox. entre 400 y 800 THz) [8, 9].

• Tiene la capacidad de la dualidad,
  transmisión de datos de la bombilla al dispositivo y
  viceversa [10].

• Comprende velocidades de
  transmisión muy altas (cercanas a los 10 Gbps) [12,
  14].

• Rango de alcance moderado 2-3 metros
  [12, 18, 19].

• No penetra las paredes [1,
  10].

• Acceso múltiple [11].

• No se desconecta al pasarse desde un
  punto de conexión (roturado o bombilla) a otro [10,
  11].

• Simboliza un importante ahorro
  energético [11].

• Es muy seguro [14, 15].

• Tendrá problemas de
  transmisión en lugares abiertos y más
  aún, en zonas donde la luz solar tenga acceso directo
  [19].

Multi
comunicación a bajo costo

Comunmente para la codificación se
usan modelos QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Modulación de amplitud en cuadratura, que consiste en
enviar una señal en una onda portadora a la que
previamente se le moduló la amplitud y la fase para que
lleve así dos informaciones independientes, por lo que no
existe confusión entre una señal y la
otra.

La conexión Li-fi utiliza un
método de multiplexación mejorado al comunmente
usado, llamado SIM-OFDM (Subcarrier Index Modulation – Orthogonal
frequency-division multiplexing) es un sistema más
eficiente que el clásico sistema de multiplexación
de frecuencias, pues este al ganar una unidad de potencia por bit
de codificación, consume menos energía que el
sistema OFDM [11, 19].

Esto provocaría que sea posible la
comunicación con varios dispositivos bajo la misma
bombilla emisora de luz (multiplexación) pero con un
consumo menor que los convencionales (SIM-OFDM), haciendo
rentable a esta tecnología [11, 19].

En la siguiente gráfica se muestra
una curva de comparación de la tasa de error de bit que
ocurre conforme a una unidad de potencia respecto al orden de
modulación QAM con el sistema OFDM versus el sistema
SIM-OFDM.

Figura 2: Comparación de tasa de
error de bit respecto a la potencia por orden de
modulación. [11]

Comparación de tasa de error de bit
respecto a la potencia por orden de modulación.
[11]

En esta gráfica se puede rescatar
como información de mayor relevancia el hecho de que para
un sistema SIM-OFDM se necesita menos energía para
conseguir una tasa de error de bit (BER).

Como es obvio y de esperar, la tasa de
error de bit aumenta de dos maneras, si se separan de la fuente
lumínica, o si el ambiente de luz no es adecuado. En la
siguiente figura, figura 3, se aprecia la BER con respecto a la
distancia existente entre el receptor y la fuente de luz led
transmisora de li-fi en diferentes escenarios lumínicos.
Revisar más detalladamente [11].

Figure 3: BER respecto a distancia entre
emisor y receptor en diferentes escenarios. [19]

BER respecto a distancia entre emisor y
receptor en diferentes escenarios. [19]

2 Seguridad

La primera característica por la que
es seguro es porque para que alguien más tenga acceso a la
red que se está usando en una bombilla, es necesario que
ese alguien ingrese dentro del rango de iluminación de esa
bombilla, y la luz no traspasa paredes [14, 18].

Otra razón para considerar a este
sistema, sumamente seguro es: puesto a que su transmisión
de datos, al ser realizado a través de espectros de luz,
es imposible de hakear, pues, como lo expresó en una
entrevista el director general de Sisoft México, Arturo
Campos, "Los fotones de luz son incapaces de ser interceptados"
quien seguramente se basó en el principio de la
incertidumbre de Werner Heisenberg [14, 15]. Revisar "Recientes
investigaciones relacionadas"

Implementación

Resulta relativamente sencillo implementar
este sistema, pues lo único que requiere es agregar un
microcontrolador a una bombilla led para que se encargue de
codificar la información de datos y controlar la
intensidad de la luz de los leds de la bombilla que emisora [12,
13, 16, 17]. Cada led posee una alta velocidad de respuesta a la
variación de intensidad lumínica manipulando la
corriente que circula por él, esto crea una
transmisión de datos en código binario a una
velocidad relativamente baja por cada led, pero, una bombilla al
estar formada por varios de estos, superpondrá la
información y desarrollará velocidades elevadas que
equivaldrán a la suma de los datos enviados por cada led
[14, 16]. El receptor, como ya se mencionó, deber poseer
un foto receptor para captar las señales emitidas por la
bombilla para luego ser decodificada en el dispositivo que
recibirá la información para presentarla al
usuario.

Estos foto receptores deberán ser
especiales pues deben captar diferentes longitudes de onda e
interpretarlas, además de distinguir entre las
intensidades que son consideradas como unos y ceros, tornando un
sistema de codificación y decodificación complejos,
pero que son resueltos por los microprocesadores ya mencionados
[17].

Recientes
investigaciones relacionadas

En el laboratorio de Sisoft México,
se ha iniciado una investigación para usar los llamados
QuantumLED que aumentarían la velocidad de
transmisión de información a Terabytes por segundo
en lugar de la ya alcanzada velocidad en Gigabytes por segundos
[20]. Esto es debido a las propiedades de enlace y
superposición de cuantos, por esto es que a su unidad
fundamental de dato se le llama "qubit". Al usar cuantos es
posible procesar más de 1 par de datos al mismo tiempo,
esto debido a que los cuantos tienen la capacidad de encontrarse
en dos estados simultáneos: cero y uno, los cuales pueden
ser superpuestos [13, 21]. Los microprocesadores que
tendrán incorporados los emisores y los receptores deben
tener la capacidad de trabajar con estas unidades, debido a que
sus estados están superpuestos, es necesario determinar su
descripción antes de ser medidos, pues su estado se ve
forzado a ser cero o uno luego de que sucede la medición,
esta descripción se la determina por medio de la
probabilidad de su ocurrencia [15, 21].

Conclusiones y
recomendaciones

The Li-fi technology is a secure tool for
data transmission because it can be used in hospitals and
airplanes, places where the wi-fi can not be implemented because
of its spectral interference with other radio signals.

It is a clean and friendly energy with
environment because does not emit heat and does not contribute to
global warming.

It provides energy savings, which makes it
very cost effective to places where higher speed internet is
needed and several routers are used to cover a large area
connection.

The speed of data transmission makes this
technology be feasible to be installed in shopping centers or
places that offer internet service and possess desktops or kept
under a light source also fixed.

Every point where one LED bulb is located,
is a potential internet site, traffic lights, the lights of a
car, a street lamp, etc.

Because it is an emitter of internet and
light, makes two functions at once, which means an additional
savings.

La tecnología Li-fi es una
herramienta segura para la transmisión de datos puesto a
que puede ser utilizada en hospitales y aviones, lugares en donde
el wi-fi no puede ser implementado por su interferencia con otras
señales espectrales radioeléctricas.

Se trata de una energía limpia y
amigable con el medio ambiente, pues no emite calor y no
contribuye al calentamiento global.

Proporciona ahorros de energía, lo
que la convierte en sumamente rentable para lugares en donde se
necesita un internet de mayor velocidad y se usan varios
roturadores para cubrir un área grande de
conexión.

La velocidad de transmisión de datos
hace que esta tecnología sea factible de ser instalada en
centros comerciales o lugares que brinden servicio de internet y
posean computadores de escritorio o que se mantengan bajo una
fuente lumínica también fija.

Todo punto en donde se encuentre una
bombilla led, es un lugar potencial de internet, un
semáforo, las luces de un automóvil, una
lámpara de calle, etc.

Al ser un emisor de internet y de luz,
realiza dos funciones a la vez, lo que supone un ahorro
adicional.

Referencias

[1] El diodo de emisión de luz
(LED), Universidad de Valencia, Escuela técnica superior
de ingeniería, recurso disponible en:
http://www.uv.es/~esanchis/cef/pdf/Temas/B_T3.pdf

[2] Importancia del parpadeo en un led.
"Flicker happens. But does it have to?" 2014 Cree.

[3] Pure lifi, acerca del grupo de
investigación del profesor Harald Haas, recurso disponible
en: http://purelifi.com/about-us/

[4] Equipo de pureLiFi, recurso disponible
en: http://purelifi.com/about-us/people/

[5] Pure Li-fi, definición dada por
el grupo de investigación del profesor Harald Haas,
recurso disponible en: http://purelifi.com/what_is_l

[6] Li-Fi: Access the Internet Through LED
Bulbs, sección "Up in the sky", recurso disponible en:
http://thenextweb.com/insider/2014/08/21/purelifi-li-fi-vlc-led/

[7] "Shedding-Light-On-LiFi" 2012, Harald
Haas.

[8] CNN en español, entrevista de
George Webster a Harald Haas 30 de Septiembre de 2012, recurso
disponible en:
http://cnnespanol.cnn.com/2012/09/30/li-fi-internet-inalambrico-a-traves-de-la-luz/

[9] El li-fi permitirá que el
internet se transmita a través de la luz,
Tendencias21.net, recurso disponible en:
http://www.tendencias21.net/El-Li-Fi-permitira-que-Internet-se-transmita-a-traves-de-la-luz_a35547.html

[10] "The Siren Call of Li-Fi" 2013, Harald
Haas, publicación.

[11] Enhanced Subcarrier Index Modulation
(SIM) OFDM, Dobroslav Tsonev, Sinan Sinanovic and Harald Haas,
publicación de 2013.

[12] InternetLedCom, proyecto de
implementación de Li-Fi en México, Sección:
Ayuda e información, recurso disponible en:
http://www.internetledcom.com/

[13] Desafíos de las nuevas
tecnologías: Un análisis a LiFi y otras
tecnologías. Evelyn Aravena y Agustín
González, 2013, recurso disponible en:
http://profesores.elo.utfsm.cl/~agv/elo322/1s13/project/reports/
Desafios_de_las_nuevas_tecnologias.pdf

[14] Iluminet, entrevista a Arturo Campos
(Julio de 2014), Director General de Sisoft de México.
Recurso disponible en:
http://www.iluminet.com/tecnologia-datos-luz-led/

[15] Relación de
indeterminación de Heisenberg, principio de la
incertidumbre, recurso disponible en:
http://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%
B3n_de_indeterminaci%C3%B3n_de_Heisenberg

[16] AN001 – LIFIä Design
Considerations for Projection Display, Lumix Corporation, reurso
disponible en:
http://www.luxim.com/pdfs/ApplicationNoteLIFI-PRJ.pdf

[17] DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
DE UN MODULADOR Y UN DEMODULADOR SSK PARA COMUNICACIÓN POR
LUZ VISIBLE UTILIZANDO LA FPGA CYCLONE III DE ALTERA. Tesis de
pre grado. UPS Quito Ecuador, recurso disponible en:
http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/5367

[18] Visible Light Communication for
Wireless Data Transmission, Febrero de 2014, Christ the King
Engineering College, Coimbatore, India. Recurso disponible en:
http://www.ijireeice.com/upload/2014/february/IJIREEICE3J__a_sathiya
_Visible.pdf

[19] Visible Light Communication Using
OFDM, Mostafa Z. Afgani, Harald Haas, Hany Elgala, y Dietmar
Knipp, 28759 Bremen, Germany, recurso disponible en:
http://www.see.ed.ac.uk/~hxh/Li-Fi_PAPERS/06_afgani_1.pdf

[20] Secretaría de ciencia,
tecnología e investigación, México, Los
focos LED acelerarán el futuro de Internetledcom, recurso
disponible en:
http://www.seciti.df.gob.mx/mas-noticias-sector/34-tecnologia/253-los-focos-led-aceleraran-el-futuro-de-internetledcom

[21] Computadores Cuánticos, Lic.
Jesús Peña., monografías.com

Autor:

David Isaac Pinos
Méndez,

Universidad Politécnica Salesiana –
Cuenca Analógica II