Las comunicaciones ópticas MIMO abren nuevos caminos

Por Jon Gabay, Mouser Electronics

Las comunicaciones ópticas son uno de los métodos pretecnológicos más antiguos para la señalización a larga distancia. Las superficies reflectantes pueden reflejar los rayos del sol y dirigirlos a un lugar específico como señal o alerta. Este reflejo direccional también es bastante sigiloso ya que, normalmente, el único que puede verlo es aquel a quien está destinado.

Las comunicaciones ópticas todavía se utilizan hoy en día, principalmente en fibra y controles remotos de TV, pero hoy en día, la RF es el medio electromagnético preferido para comunicaciones unidireccionales y omnidireccionales de alta velocidad. Pero no descarte la óptica todavía. Una forma relativamente nueva de comunicaciones ópticas paralelas está ganando cierta atención a medida que los fabricantes de dispositivos buscan ampliar las formas de entrada y salida de dispositivos móviles y de ubicación fija.

Desarrollado originalmente para RF, MIMO, que significa múltiples entradas y múltiples salidas, ha sido utilizado por los ingenieros de radio para aumentar el ancho de banda y permitir que las comunicaciones por RF se realicen con velocidades de datos más altas que las posibles con una sola banda. Aquí, una señal se transmite utilizando muchas señales portadoras en diferentes frecuencias para permitir la transferencia de datos en paralelo en lugar de solo la transmisión en serie. El MIMO óptico también hace esto, pero con luz.

Optical MIMO utiliza luz visible para permitir que los sistemas de iluminación se comuniquen con otros equipos de una de tres maneras. Una técnica utiliza un único emisor compuesto por LED de varios colores. Cada LED es un transmisor y, mediante el uso de filtración óptica en el extremo del receptor, cada color transporta datos en paralelo con los demás colores. Esta técnica se llama Lambda MIMO.

Un enfoque alternativo es colocar varios emisores en distintos lugares del techo, por ejemplo. En este caso, cada emisor es un LED del mismo tipo y color, y un receptor paralelo, como una cámara de vídeo, combina los rayos de luz espacialmente separados, nuevamente, para formar una transferencia de datos paralela. Esto se llama s-MIMO.

Una tercera técnica combina ambos enfoques y utiliza múltiples emisores, cada uno de un color diferente y colocados en diferentes ubicaciones. Esto se llama h-MIMO y también utiliza un sensor paralelo, como una cámara de vídeo, para decodificar en paralelo las ondas de luz separadas espacialmente y por colores.

Hablando de decodificación, a diferencia de las técnicas de modulación de RF, los LED suelen ser de un solo color para mantener los costos bajos, por lo que la modulación de longitud de onda no es un enfoque viable. En su lugar, se pueden utilizar técnicas de modulación de ancho de pulso y frecuencia de pulso. Las técnicas de RF como la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) permiten múltiples usuarios pero limitan las velocidades de datos, por lo que las técnicas de acceso múltiple no ortogonal (NOMA) parecen liderar la multitud.

La clave es controlar la amplitud de transmisión de cada color y la ganancia de recepción de cada color. Es por eso que se emplea la asignación de potencia de diferencia de ganancia normalizada (NGDPA) para reducir la complejidad y aumentar la eficacia.

Lo interesante es que los datos experimentales muestran que se pueden lograr velocidades de datos de canal de hasta 55 Mbit/s utilizando tanto la asignación de potencia de relación de ganancia (GRPA) como NGDPA. Si bien ambos son eficaces, la NGDPA tiene una ligera ventaja. Se pueden lograr velocidades totales de 110 Mbit/s con dos fuentes utilizando técnicas NOMA.

Con tantas técnicas y protocolos de RF que permiten que nuestros dispositivos se comuniquen tan bien, ¿por qué alguien querría utilizar una técnica óptica que depende tanto de la proximidad y la línea de visión? Existen muchas razones y aplicaciones para esta técnica de iluminación inteligente.

En primer lugar, no se requieren molestas licencias ni aprobaciones para las comunicaciones ópticas. Sin FCC, TUV ni ningún estándar internacional costoso que superar. En segundo lugar, esta técnica es inmune a la EMI. La interferencia de otras fuentes de RF no degradará el rendimiento e incluso niveles muy altos de EMP y picos (como encender motores grandes) no interferirán con la integridad de los datos.

Los LED y los receptores ópticos cuestan menos que las antenas, los extremos frontales y los filtros de RF, y similares también. Es cierto que las comunicaciones ópticas de haz divergente basadas en LED son de alcance relativamente corto, pero todavía existen múltiples aplicaciones que pueden aprovechar estas características.

Por ejemplo, las camas de hospital que utilizan MIMO para la transmisión de estadísticas vitales como frecuencia cardíaca, presión arterial, etc., no ocupan ningún ancho de banda de RF, tienen ubicaciones fijas para transmisores y receptores (lo que significa alta confiabilidad) y no se verán afectadas por rayos u otras fuentes de ruido impulsivo de alto nivel que pueden pisar los datos.

Los sensores dentro de motores y motores se pueden leer sin cables y con una inmunidad al ruido muy alta. Incluso se pueden realizar comunicaciones bidireccionales utilizando LED de diferentes colores y receptores ópticos filtrados. Por ejemplo, se pueden integrar comunicaciones basadas en MIMO en todos los asientos de los aviones, lo que permite a los pasajeros utilizar sus dispositivos móviles durante el vuelo sin interferir nunca con la RF de navegación.

Los fabricantes de teléfonos son conscientes de los numerosos beneficios de las comunicaciones sin RF. Samsung, por ejemplo, ya ofrece matrices MIMO 4×4 en la serie S10 que cuenta con velocidades de descarga de hasta 2 Gbit/s y velocidades de carga de 120 Mbit/s. Apple también ofrece una matriz MIMO 4×4 en sus modelos de iPhone 12.

Las computadoras portátiles, tabletas, relojes y otros dispositivos también pueden beneficiarse del uso de esta tecnología. Incluso podría usarse en automóviles para reducir la cantidad de energía de RF que absorbemos. Los supermercados pueden usar MIMO para comunicarse con pantallas de precios para cada producto, ahorrando tiempo y dinero cuando los precios suben, como sabemos que sucederán.

Introducido inicialmente para RF, MIMO amplía el ancho de banda y admite comunicaciones de RF a velocidades de datos más altas que las posibles con una sola banda. MIMO transmite señales utilizando muchas señales portadoras en diferentes frecuencias para permitir la transferencia de datos en paralelo en lugar de solo en serie. El MIMO óptico también hace esto, pero con luz. Las comunicaciones basadas en luz de longitud de onda múltiple basadas en LED de bajo costo son inmunes al ruido de RF y logran buenas velocidades de datos con línea de visión de corta distancia al pasar datos en paralelo.