Openday PUC-RIO - Transmissão de dados pela luz visível

Desenvolvimento de aplicações por VLC
(Visible Light Communication)

Dra. Renata Marè
Lattes: http://lattes.cnpq.br/4095237743382926
Orientador: Prof. Dr. Carlos Eduardo Cugnasca
Dr. Osvaldo Gogliano Sobrinho
Engenharia de Computação
Escola Politécnica da USP

Desenvolvimento de aplicações por VLC (Visible Light Communication)
• CONTEXTUALIZAÇÃO
• Pesquisa de doutorado
intitulada:
• Proposta e Avaliação de um
Sistema Complementar de
Posicionamento
Baseado em Comunicação
por Luz Visível Aplicado a
Sistemas Inteligentes de
Transporte
LED
VLC
ITS
GPS
IoT
Mobile
O
P
O
R
T
U
N
I
D
A
D

• OBJETIVO
• Propor e avaliar a viabilidade de um sistema de comunicação por luz visível entre
luminárias públicas a LED e os ônibus que trafegam em faixas exclusivas, capaz de
transmitir informações posicionais em locais onde não haja a recepção das mesmas
pelo GPS, provendo subsídios essenciais aos gestores, responsáveis pelo
dimensionamento e gestão da frota.

• CONCEITOS: LED
• LED X Demais tecnologias de iluminação:
• Modulação da luz;
• Alto fluxo luminoso;
• Maior vida útil;
• Capacidade de dimerização;
• Não emite radiação ultravioleta ou infravermelha;
• Não contém mercúrio;
• Baixo consumo de energia...

• CONCEITOS: VISIBLE LIGHT COMMUNICATION
• Transmissão de dados a partir da modulação de LEDs.
• O LED pode ser comutado em alta velocidade (em poucos nanosegundos), de modo
a gerar na saída um sinal detectável por um dispositivo ótico, mas não pelo olho
humano.
• Desta forma, pode-se utilizar este recurso para a transmissão de dados, inclusive
em altas velocidades (superiores a 1 Gb/s), sem causar dano ou desconforto ao ser
humano.

• CONCEITOS:
• Intelligent Transport
Systems (ITS)
• TICs aplicadas à
infraestrutura e aos
veículos, integrando todos
os atores envolvidos,
visando a proporcionar
maior segurança e fluidez
ao tráfego.

• VLC em ITS

• GPS EM ITS
• Prejudicado quando não há visada a satélites (túneis, terminais e garagens
cobertas), canyons urbanos e multicaminhamento de sinais.
• Alternativa complementar: VLC

• MATERIAIS E MÉTODOS: APLICAÇÃO PROPOSTA

• GPS em ITS

• MATERIAIS E MÉTODOS: CONDIÇÕES DE CONTORNO

• CONDIÇÕES DE CONTORNO
• Velocidade máxima = 60 km/h
• Altura do poste = 10 m
• Distância entre postes = 30 m
• Potência da luminária = 150 W
• Demais parâmetros = segundo normas pertinentes

• MATERIAIS E MÉTODOS: PROTÓTIPO

• Teste de Desempenho (CIAM-IPT)

• MATERIAIS E MÉTODOS: SIMULAÇÃO
Computacional:
• MatLab 2016b e Simulink
• Bibliografia: estudos realizados
com VLC ao ar livre
FERRAMENTAS

• MATERIAIS E MÉTODOS: SIMULAÇÃO
• As simulações efetuadas buscaram a modelagem do canal ótico, a avaliação da
taxa de erro de bits (BER), cálculo da relação sinal/ruído (SNR).
• Isso permitiu determinar-se o tamanho do pacote de dados que pode ser
transmitido, e assim, avaliar-se a viabilidade da proposta.
• Considerou-se como a somatória dos ruídos aos quais o sistema proposto está
sujeito o modelo Additive White Gaussian Noise (AWGN), com distribuição
considerada Gaussiana ou Normal.
• Criou-se uma interface gráfica mais amigável utilizando-se o Graphical User
Interface (GUI) do próprio MATLab.

• MATERIAIS E MÉTODOS: ATIVIDADES COMPLEMENTARES
• Atividades complementares:
–Medições de intensidade luminosa (diurnas e noturnas) em túneis (onde
circulam ônibus) e terminais da capital paulista.
• Túneis:
–José Roberto Fanganiello Melhem, Daher Cutait (ou 9 de Julho) e Anhangabaú.
• Terminais:
–Pinheiros, Lapa e Barra Funda.

• RESULTADOS E DISCUSSÕES: PROTÓTIPO
Efetividade da comunicação
Túneis:
•O sistema seria factível (exceto no Fanganiello), desde que a
distância máxima entre Tx e Rx fosse de 2,90 m (0,40 m do
laboratório).
•Intensidade dos ruídos de fundo menor que a medida no laboratório.

Efetividade da comunicação
Terminais:
•O sistema não seria factível (exceto no Lapa, à noite).
•Intensidade dos ruídos de fundo maior que a medida no laboratório,
especialmente onde há cobertura mista.

Taxas de Erro de Transmissão (BER)
Possíveis causas 1:
BER sofre influências do alinhamento e distância entre Tx e Rx, além das
suas características.
Sugestão: aplicar-se lentes em Tx e/ou Rx de modo a alterar-se o campo
de visão entre eles (FOV).

Taxas de Erro de Transmissão (BER)
Possíveis causas 2:
• O receptor pode ter enviado sinais numa faixa intermediária que o
microcontrolador do Raspberry Pi2 não conseguiu definir como 0 ou 1,
provocando erros e aumentando o valor de BER.
• Utilização do módulo Raspberry Pi 2 não se mostrou satisfatória para essa
aplicação: operou muito próximo ao seu limite de desempenho, comprometendo
algumas leituras.

Tamanho do Pacotes de Dados x Velocidade do Bólido
Latitude: -23.533773;
Longitude: -46.625290
De acordo com o padrão IEEE 754 para representação de números binários com ponto
flutuante, obter-se-ia como representação:
11000001101111000100010100101011
11000010001110101000000001001100
Portanto, seriam necessários 32 bits ou 4 bytes por coordenada, totalizando 8 bytes (8 B).

Tamanho do Pacotes de Dados x Velocidade do Bólido
Na modulação camada PHY I, modulação OOK, codificação Manchester, na pior
condição pode-se atingir uma taxa de transmissão de 11,67 kb/s (IEEE 802.15.7).
Para ônibus a 60 km/h, com janela de comunicação de 1,26 s, poderiam ser
transmitidos 14,7 kb ou 1,83 kB, volume bastante superior ao necessário, 8 B.

• RESULTADOS E DISCUSSÕES: SIMULAÇÃO
As simulações englobaram os aspectos:
–Modelagem do canal de comunicação
–Avaliação da taxa de erros de transmissão (BER)
–Avaliação da relação sinal/ruído (SNR)
–Avaliação do tamanho do pacote de dados em função da velocidade do
bólido.

Modelagem do Canal
–Modelo de canal adotado: visada direta, ou Line of Sight (LoS)
–Luminária (Tx): modelo de emissão de Lambert (literatura)
–Distribuição da irradiância recebida ao longo de uma faixa exclusiva para
ônibus, ao nível do piso, sendo:

Modelagem do Canal
–Largura da faixa: 3,5 m
–Comprimento do trecho: 90,0 m (3 luminárias consecutivas)
–Semi-ângulo de meia-potência, Φ1/2 = 38,7°
–Luminárias: 3
–Distância entre luminárias: 30,0 m
–Altura da luminária: 10,0 m
–Fluxo luminoso: 13.841 lm

Diferencial da PesquisaILUMINÂNCIA AO LONGO DA VIA (LX)

Taxa de Erros de Transmissão (BER)
–Pelo Simulink: diagrama de blocos para representar a intensidade de luz
transmitida pela luminária Maestra 150, já modulada segundo a
codificação Manchester.

+
Gera 0 e 1
aleatórios
(simula os dados
transmitidos)
Gera onda quadrada com frequência = dobro da dos sinais
Codificação
Manchester
Osciloscópio
(visualização dos 3
sinais)
Transforma valores inteiros em double
(valores reais)

+
33
Dados
originais
Clock
Sinal modulado
(Manchester)
SINAIS GERADOS PELO
MÓDULO LUMINÁRIA

+
34
Módulo
Luminária
Canal de transmissão sujeito a ruído
Recuperação do sinal
Compara sinais de entrada e saída
(calcula o BER)
Taxa de erros medida; Número
de erros encontrado; Total de
amostras analisadas

+
Idealmenteidênticos(moduladoerecuperado) SINAIS DO MÓDULO DE SIMULAÇÃO
Sinal Recuperado

Avaliação da Relação Sinal/Ruído (SNR)
–Objetivo maior: verificar a viabilidade ou não do sistema proposto, ou seja,
BER <= 10-6.
–Realizaram-se 8 simulações (bloco principal), variando-se o SNR no bloco
AWGN.
–Em cada uma, geradas 100.000 amostras de sinal X BER.

Avaliação do tamanho do pacote de dados X velocidade do ônibus
–Desenvolveu-se um script Matlab para o cálculo de SNR em um plano paralelo ao
piso (3,0 m acima deste - teto de um ônibus - altura do receptor).
–O valor de SNR varia à medida que o receptor se aproxima da fonte luminosa:
valor máximo com alinhamento perfeito entre Tx e Rx, decrescendo à medida que
ocorre o afastamento entre eles.

Diferencial da PesquisaVARIAÇÃO DE SNR AO LONGO DO PLANO
À ALTURA DO TETO DO ÔNIBUS (RECEPTOR)

Da Projeção dos Valores de SNR:
–Observa-se que para 41,8 db - BER 10-6, o ônibus estaria a cerca de 20 m da
luminária (antes e depois), ou seja, numa faixa de cerca de 40 m seria possível
transmitirem-se os dados necessários.
–Considerando-se o ônibus a 60 km/h e com a pior taxa de transmissão segundo a
norma (11,67 kb/s) - a pior situação - o tempo para percorrer este trecho seria de
2,4 s e ter-se-ia um total 3,5 kB, mais que suficiente para a transmissão dos
dados posicionais (8 B).

• CONCLUSÕES
PROTÓTIPO
✓Viabilidade do sistema proposto em túneis, dmáx = 2,90 m (Tx-Rx), mas não nos
terminais avaliados.
✓BER: taxas superiores a 10-6 mas sem criticidade.
✓Pacotes de dados maiores que os necessários.
✓Resultados gerais indicam viabilidade do sistema proposto

• CONCLUSÕES
SIMULAÇÕES
✓A 60 km/h, o ônibus conseguiria receber dados de uma luminária por um trecho
de cerca de 40 m de comprimento, mesmo sob a pior taxa de transmissão
apontada pela norma IEEE.802.15.7, 11,67 kb/s.
✓O pacote de dados transmitido seria de cerca 1,83 kB, amplamente superior ao
payload de 8 bytes (8 B).
✓Resultados gerais indicam viabilidade do sistema proposto

• AGRADECIMENTOS
✓À OPENCADD pela cessão das licenças do Matlab 6B e Simulink.
✓Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológio – CNPQ pela
bolsa concedida.

OBRIGADO!
Dra. Renata Marè – renatamare@gmail.com
Dr. Osvaldo Gogliano Sobrinho – ogogli@gmail.com
Escola Politécnica Universidade de São Paulo

Openday PUC-RIO - Transmissão de dados pela luz visível

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Semelhante a Openday PUC-RIO - Transmissão de dados pela luz visível

Semelhante a Openday PUC-RIO - Transmissão de dados pela luz visível (9)

Mais de Opencadd Advanced Technology

Mais de Opencadd Advanced Technology (20)

Último

Último (7)

Openday PUC-RIO - Transmissão de dados pela luz visível