Les communications optiques MIMO innovent

Par Jon Gabay, Mouser Electronics

Les communications optiques sont l’une des méthodes pré-technologiques les plus anciennes de signalisation longue distance. Les surfaces réfléchissantes peuvent réfléchir les rayons du soleil et les diriger vers un endroit spécifique comme signal ou comme alerte. Cette réflexion directionnelle est également assez furtive puisque, généralement, le seul qui peut la voir est celui à qui elle est destinée.

Les communications optiques sont encore utilisées aujourd'hui, principalement dans les télécommandes à fibre optique et de télévision, mais de nos jours, la RF est le support électromagnétique préféré pour les communications unidirectionnelles et omnidirectionnelles à haut débit. Mais ne comptez pas encore les optiques. Une forme relativement nouvelle de communications optiques parallèles retient l'attention alors que les fabricants d'appareils cherchent à élargir les voies d'entrée et de sortie des appareils mobiles et fixes.

Développé à l'origine pour la RF, MIMO, qui signifie entrées multiples sorties multiples, a été utilisé par les ingénieurs radio pour augmenter la bande passante et permettre aux communications RF d'avoir lieu avec des débits de données plus élevés que ceux possibles avec une seule bande. Ici, un signal est transmis à l'aide de nombreux signaux porteurs à différentes fréquences pour permettre un transfert de données parallèle au lieu d'une simple transmission série. Le MIMO optique fait cela aussi, mais avec la lumière.

Le MIMO optique utilise la lumière visible pour permettre aux systèmes d'éclairage de communiquer avec d'autres équipements de trois manières. Une technique utilise un seul émetteur composé de plusieurs LED de couleurs. Chaque LED est un émetteur et, en utilisant une filtration optique à l'extrémité du récepteur, chaque couleur transporte des données en parallèle avec les autres couleurs. Cette technique s'appelle Lambda MIMO.

Une approche alternative consiste par exemple à placer plusieurs émetteurs à différents endroits dans un plafond. Dans ce cas, chaque émetteur est du même type et de la même couleur LED, et un récepteur parallèle, comme une caméra vidéo, combine les rayons lumineux spatialement séparés, encore une fois, pour former un transfert de données parallèle. C'est ce qu'on appelle le s-MIMO.

Une troisième technique combine les deux approches et utilise plusieurs émetteurs, chacun d’une couleur différente et placés à des endroits différents. C'est ce qu'on appelle h-MIMO et il utilise également un capteur parallèle tel qu'une caméra vidéo pour décoder en parallèle les ondes lumineuses séparées spatialement et par couleur.

En parlant de décodage, contrairement aux techniques de modulation RF, les LED sont généralement d'une seule couleur pour maintenir les coûts à un niveau bas, la modulation de longueur d'onde n'est donc pas une approche réalisable. Des techniques de modulation de largeur d'impulsion et de fréquence d'impulsion peuvent être utilisées à la place. Les techniques RF telles que le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) autorisent plusieurs utilisateurs mais limitent les débits de données. Les techniques d'accès multiple non orthogonal (NOMA) semblent donc en tête.

La clé consiste à contrôler l’amplitude de transmission de chaque couleur et le gain de réception de chaque couleur. C'est pourquoi l'allocation normalisée de puissance et de différence de gain (NGDPA) est utilisée pour réduire la complexité et augmenter l'efficacité.

Ce qui est intéressant, c'est que les données expérimentales montrent que des débits de données de canal allant jusqu'à 55 Mbit/s sont réalisables en utilisant à la fois l'allocation de puissance par rapport au gain (GRPA) et NGDPA. Bien que les deux soient efficaces, le NGDPA présente un léger avantage. Des débits cumulés de 110 Mbit/s sont réalisables avec deux sources utilisant les techniques NOMA.

Avec autant de techniques et de protocoles RF permettant à nos appareils de communiquer si bien, pourquoi voudrait-on utiliser une technique optique si dépendante de la proximité et de la ligne de vue ? Il existe de nombreuses raisons et applications pour cette technique d’éclairage intelligent.

Premièrement, aucune licence ni approbation embêtante n’est requise pour les communications optiques. Pas de normes FCC, TUV ou autres normes internationales coûteuses à franchir. Deuxièmement, cette technique est insensible aux EMI. Les interférences provenant d'autres sources RF ne dégraderont pas les performances et même des niveaux d'EMP et de pointes très élevés (comme le démarrage de gros moteurs) n'interféreront pas avec l'intégrité des données.

Les LED et les récepteurs optiques coûtent moins cher que les antennes frontales RF et les filtres, etc. Certes, les communications optiques à faisceau divergent basées sur des LED ont une portée relativement courte, mais il existe encore de nombreuses applications qui peuvent tirer parti de ces caractéristiques.