MIMO Optical Communications geht neue Wege

Von Jon Gabay, Mouser Electronics

Die optische Kommunikation ist eine der ältesten vortechnologischen Methoden zur Signalübertragung über große Entfernungen. Reflektierende Oberflächen können die Sonnenstrahlen reflektieren und als Signal oder Alarm an einen bestimmten Ort lenken. Auch diese Richtungsreflexion ist ziemlich unauffällig, da sie normalerweise nur von der Person gesehen werden kann, für die sie bestimmt ist.

Optische Kommunikation wird auch heute noch verwendet, hauptsächlich in Glasfaser- und TV-Fernbedienungen, aber heutzutage ist HF das bevorzugte elektromagnetische Medium für unidirektionale und omnidirektionale Hochgeschwindigkeitskommunikation. Aber zählen Sie die Optik noch nicht außer Acht. Eine relativ neue Form der parallelen optischen Kommunikation gewinnt zunehmend an Aufmerksamkeit, da Gerätehersteller versuchen, den Zugang zu und aus mobilen und ortsfesten Geräten zu erweitern.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) wurde ursprünglich für HF entwickelt und von Funkingenieuren verwendet, um die Bandbreite zu erhöhen und die HF-Kommunikation mit höheren Datenraten zu ermöglichen, als dies mit einem einzelnen Band möglich wäre. Hierbei wird ein Signal mit vielen Trägersignalen unterschiedlicher Frequenz übertragen, um eine parallele Datenübertragung statt nur einer seriellen Übertragung zu ermöglichen. Optical MIMO macht das auch, allerdings mit Licht.

Optisches MIMO nutzt sichtbares Licht, um Beleuchtungssystemen die Kommunikation mit anderen Geräten auf drei Arten zu ermöglichen. Eine Technik verwendet einen einzelnen Emitter, der aus mehreren Farb-LEDs besteht. Jede LED ist ein Sender, und durch die Verwendung einer optischen Filterung auf der Empfängerseite überträgt jede Farbe Daten parallel zu den anderen Farben. Diese Technik wird Lambda MIMO genannt.

Ein alternativer Ansatz besteht darin, beispielsweise mehrere Strahler an verschiedenen Stellen in einer Decke zu platzieren. In diesem Fall handelt es sich bei jedem Sender um eine LED des gleichen Typs und der gleichen Farbe, und ein paralleler Empfänger – wie eine Videokamera – kombiniert die räumlich getrennten Lichtstrahlen wiederum zu einer parallelen Datenübertragung. Dies wird als s-MIMO bezeichnet.

Eine dritte Technik kombiniert beide Ansätze und verwendet mehrere Emitter, jeder in einer anderen Farbe und an unterschiedlichen Orten platziert. Dies nennt sich h-MIMO und nutzt ebenfalls einen parallelen Sensor wie eine Videokamera, um die räumlich und farblich getrennten Lichtwellen parallel zu dekodieren.

Apropos Dekodierung: Im Gegensatz zu HF-Modulationstechniken sind LEDs normalerweise einfarbig, um die Kosten niedrig zu halten, sodass Wellenlängenmodulation kein praktikabler Ansatz ist. Stattdessen können Pulsweiten- und Pulsfrequenzmodulationstechniken verwendet werden. HF-Techniken wie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ermöglichen mehrere Benutzer, begrenzen jedoch die Datenraten. Daher scheinen nicht-orthogonale Mehrfachzugriffstechniken (NOMA) die Nase vorn zu haben.

Der Schlüssel liegt in der Steuerung der Sendeamplitude jeder Farbe und der Empfangsverstärkung jeder Farbe. Aus diesem Grund wird die normalisierte Verstärkungsdifferenz-Leistungszuteilung (NGDPA) eingesetzt, um die Komplexität zu reduzieren und die Wirksamkeit zu erhöhen.

Interessant ist, dass experimentelle Daten zeigen, dass Kanaldatenraten von bis zu 55 Mbit/s erreicht werden können, wenn sowohl GRPA (Gain Ratio Power Allocation) als auch NGDPA verwendet werden. Obwohl beide wirksam sind, hat NGDPA einen leichten Vorteil. Mit NOMA-Techniken sind mit zwei Quellen Summenraten von 110 Mbit/s erreichbar.

Warum sollte jemand bei so vielen HF-Techniken und Protokollen, die eine so gute Kommunikation unserer Geräte ermöglichen, eine optische Technik verwenden, die so stark von Nähe und Sichtlinie abhängig ist? Es gibt viele Gründe und Einsatzmöglichkeiten für diese smarte Lichttechnik.

Erstens sind für die optische Kommunikation keine lästigen Lizenzen und Genehmigungen erforderlich. Keine FCC-, TÜV- oder teuren internationalen Standards, durch die man springen muss. Zweitens ist diese Technik immun gegen elektromagnetische Störungen. Störungen durch andere HF-Quellen beeinträchtigen die Leistung nicht und selbst sehr hohe EMP- und Spitzenpegel – wie beim Einschalten großer Motoren – beeinträchtigen die Datenintegrität nicht.

LEDs und optische Empfänger kosten ebenfalls weniger als Antennen, HF-Frontends und Filter und dergleichen. Die LED-basierte optische Kommunikation mit divergentem Strahl hat zwar eine relativ kurze Reichweite, es gibt jedoch dennoch zahlreiche Anwendungen, die diese Eigenschaften nutzen können.

Beispielsweise beanspruchen Krankenhausbetten, die MIMO zur Übertragung wichtiger Statistiken wie Herzfrequenz, Blutdruck usw. verwenden, keine HF-Bandbreite, verfügen über feste Standorte für Sender und Empfänger (was eine hohe Zuverlässigkeit bedeutet) und werden dadurch nicht beeinträchtigt Blitzeinschläge oder andere starke Impulsrauschquellen, die Daten beeinträchtigen können.

Sensoren im Inneren von Motoren und Motoren können kabellos und mit sehr hoher Störfestigkeit ausgelesen werden. Sogar eine bidirektionale Kommunikation kann über verschiedenfarbige LEDs und gefilterte optische Empfänger erfolgen. Beispielsweise kann MIMO-basierte Kommunikation in jeden Flugzeugsitz integriert werden, sodass Passagiere ihre Mobilgeräte während des Fluges nutzen können, ohne jemals die Navigations-HF zu beeinträchtigen.

Telefonhersteller sind sich der vielen Vorteile der Nicht-RF-Kommunikation bewusst. Samsung bietet beispielsweise bereits 4×4 MIMO-Arrays für die S10-Serie an, die Download-Geschwindigkeiten von bis zu 2 Gbit/s und Upload-Geschwindigkeiten von 120 Mbit/s bieten. Apple bietet in seinen iPhone 12-Modellen auch ein 4×4 MIMO-Array an.

Auch Laptops, Tablets, Uhren und andere Geräte können von der Nutzung dieser Technologie profitieren. Es könnte sogar in Autos eingesetzt werden, um die Menge der von uns absorbierten HF-Energie zu reduzieren. Supermärkte können MIMO verwenden, um mit Preisanzeigen für jedes Produkt zu kommunizieren und so Zeit und Geld zu sparen, wenn die Preise steigen, wie wir wissen.

MIMO wurde ursprünglich für HF eingeführt, erweitert die Bandbreite und unterstützt HF-Kommunikation mit höheren Datenraten, als dies mit einem einzelnen Band möglich wäre. MIMO überträgt Signale unter Verwendung vieler Trägersignale mit unterschiedlichen Frequenzen, um eine parallele Datenübertragung statt nur einer seriellen zu ermöglichen. Optical MIMO macht das auch, allerdings mit Licht. Kostengünstige LED-basierte, auf Licht mit mehreren Wellenlängen basierende Kommunikation ist immun gegen HF-Rauschen und erreicht durch die Weiterleitung paralleler Daten gute Kurzstrecken-Datenraten auf Sichtlinie.