Le monde moderne devient rapidement un monde infrarouge sans fil

Les technologies basées sur l'optique telles que les fibres optiques ont fortement influencé l'âge de la communication filaire. Désormais, ils semblent prêts à révolutionner les communications sans fil et à résoudre les problèmes clés avec les approches radio traditionnelles en utilisant des faisceaux infrarouges orientables et étroits pour envoyer de grandes quantités de données aux appareils des utilisateurs individuellement de manière économe en énergie et sécurisée. Des chercheurs de l'Université de technologie d'Eindhoven développent de nouvelles méthodes de communications sans fil infrarouges qui pourraient changer la façon dont nous accédons aux données pour toujours.

Le monde moderne devient rapidement un monde infrarouge sans fil! Jusqu'à présent, la majorité des communications sans fil, à l'intérieur comme à l'extérieur, étaient basées sur la radio. Bien que les techniques de modulation du signal puissent compresser plus de données dans le spectre radioélectrique limité et que le multiplexage spatial puisse combiner plusieurs signaux de données en un seul signal sans nécessiter plus de spectre, nous avons du mal à répondre à nos demandes de données en croissance exponentielle.

La solution pourrait être des communications optiques sans fil, qui utilisent des longueurs d'onde optiques sur une large gamme spectrale allant de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres qui incluent le rayonnement visible et infrarouge. Ton Koonen et des chercheurs de l'Institut d'intégration photonique conçoivent des systèmes prototypes d'une capacité plus de deux mille fois supérieure à celle des systèmes WiFi partagés actuels. Ils ont présenté leur travail dans un article invité pour le numéro thématique "Optical Wireless Communication" du Royal Society's. Transactions philosophiques A, la plus ancienne revue scientifique en cours au monde. Le premier article d'Isaac Newton, «Nouvelle théorie sur la lumière et les couleurs», a été publié dans le même journal en 1672.

Orientable

Les communications optiques sans fil par faisceaux lumineux étroits présentent de nombreux avantages; ils sont facilement orientables, plus éconergétiques que les ondes radio, ont des niveaux de latence plus faibles (le délai avant le début du transfert de données après l'émission d'une commande pour commencer le transfert de données), offrent une capacité considérablement plus grande par utilisateur et facilitent une plus grande quantité de données et confidentialité des communications pour l'utilisateur.

De manière significative, les communications sans fil infrarouges avec une longueur d'onde au-delà de 1400 nm sont sans danger pour les yeux car la lumière à ces longueurs d'onde ne peut jamais atteindre la rétine de l'œil, car elle est absorbée par une combinaison de la lentille et de l'humeur vitreuse liquide à l'intérieur de l'œil. Par conséquent, les règles de sécurité oculaire permettent aux faisceaux optiques infrarouges dans l'espace libre de transporter plus de puissance que les faisceaux optiques visibles, ce qui augure bien en matière de transmission de données.

Pour les communications sans fil en intérieur, les signaux infrarouges porteurs de données sont facilement orientables. Cela signifie qu'un faisceau individuel peut être dirigé avec précision vers un seul appareil via une liaison de communication non partagée, par ex. fournir 128 signaux séparés transportant jusqu'à 112 Gbit s^-1 par signal, comme indiqué dans le laboratoire de Koonen. En comparaison, les systèmes WiFi partagés peuvent fournir un maximum de 7 Gbit s^-1, plus de trois ordres de grandeur de moins que celui des systèmes infrarouges orientables.

A faible consommation

Dans leur système sans fil infrarouge intérieur, les faisceaux sont transportés par des fibres optiques provenant d'un contrôleur de communication central (CCC). Lorsque les faisceaux atteignent une pièce, ils sont transmis aux appareils prévus à l'aide d'une antenne rayonnante au plafond (ARP). Cependant, un inconvénient des communications sans fil infrarouges est qu'elles nécessitent une ligne de visée claire (LoS) entre le PRA et l'appareil récepteur, sinon le faisceau ne peut pas atteindre l'appareil. Par conséquent, plusieurs PRA sont inclus pour transmettre le signal de différentes directions en cas d'absence de LoS.

L'efficacité énergétique dans le processus de direction est assurée en utilisant une approche passive pour diriger les faisceaux infrarouges. De telles approches ne nécessitent pas d'alimentation externe, peuvent fournir une vitesse de direction plus rapide et sont plus faciles à augmenter. Une telle approche consiste à régler la longueur d'onde de la lumière en combinaison avec des fonctions de diffraction de longueur d'onde. Le réseau est conçu pour diffracter une certaine longueur d'onde dans une certaine direction, où le nombre de longueurs d'onde et de faisceaux associés est limité par la plage d'accord des émetteurs à diode laser.

Réception de signaux, localisation de dispositifs et démonstration pratique

Les PRA peuvent transmettre les signaux infrarouges, mais un récepteur optique est également nécessaire pour détecter le signal au niveau de l'appareil. Koonen et l'équipe ont développé un récepteur optique basé sur la technologie optique intégrée. Le récepteur capte le faisceau entrant à l'aide d'un réseau, qui envoie ensuite le signal le long d'un guide d'ondes et enfin dans une photodiode à haute vitesse.

Bien sûr, un système de direction de faisceau serait inefficace s'il ne peut pas localiser correctement la position de l'appareil d'un utilisateur. Par conséquent, le système doit collecter des informations sur la position des appareils avant d'envoyer un signal. Pour faciliter cela, l'équipe a placé quatre LED de lumière visible autour du récepteur optique de l'appareil et une caméra au plafond. Chaque appareil se voit attribuer une séquence de clignotements unique de LED, qui est enregistrée par la caméra puis analysée avec un module Raspberry PI. Une autre approche envisagée par le groupe consistait à balayer la zone utilisateur avec un faisceau de recherche et à surveiller la lumière réfléchie à l'ARP.

Pour démontrer la faisabilité de leur système, Koonen et l'équipe ont construit une configuration de laboratoire comprenant des PRA, des détecteurs de localisation, des récepteurs optiques et un contrôleur de communication central (CCC). À l'aide du système, ils ont démontré le transfert en temps réel de deux vidéos HD d'une paire de moniteurs à une autre. Les ensembles de données vidéo ont été transportés en 10 Gbit s^-1 ruisseaux. Impérativement, le transfert du signal a eu lieu avec une latence très faible. Pour tenir compte de tout changement dans la position des appareils, les chercheurs ont inclus une interconnexion optique (OXC) du système mécanique micro-électrique (MEMS) pour maintenir la communication PRA avec les appareils

Un système hybride: radio et infrarouge

Bien que les communications sans fil infrarouges présentent de nombreux avantages, elles ne remplaceront pas entièrement les communications sans fil basées sur la radio, étant donné que les communications optiques nécessitent une visibilité directe. Il est envisagé que le sans-fil optique prendra en charge les réseaux radio et fournira l'infrastructure nécessaire pour gérer les paquets de données intermittents à faible vitesse associés aux dispositifs qui font partie de l'Internet des objets. Compte tenu de la façon dont nous utilisons les appareils, la demande de capacité en aval est plus importante que la capacité en amont. Un système hybride consistant en une communication sans fil à faisceau dirigé pour l'aval avec un dispositif radio pour l'amont permettrait à l'utilisateur d'exploiter les avantages des deux technologies.

L'application de cette approche peut inclure des paramètres sans fil où des services instantanés à haute capacité sont nécessaires, une communication hautement sécurisée et privée sont nécessaires, ou des cas où il existe de sérieuses objections en ce qui concerne les interférences électromagnétiques. En termes de situations intérieures, cette approche pourrait être utilisée dans les résidences, les hôpitaux, les immeubles de bureaux, les salles de conférence, les musées, les salles d'attente dans les aéroports, les avions, les trains ou les bus, les halls d'exposition ou les centres commerciaux.

Bien que les communications sans fil infrarouges puissent devenir monnaie courante dans un proche avenir, il n'est pas temps de dire adieu aux communications radio. Au lieu de cela, des innovations comme celle de Koonen et de l'équipe de l'Université de technologie d'Eindhoven pourraient annoncer un avenir où les communications sans fil infrarouges et les technologies radio s'uniraient pour répondre à nos demandes croissantes de traitement des données en ligne. Et puis, il sera temps de vraiment embrasser le monde, sans fil.