Contribution to the experimental channel evaluation of optical camera communication for wireless sensor networks

Resumen

Las infraestructuras de telecomunicaciones han cobrado relevancia para todos los servicios que se ofrecen actualmente en nuestra sociedad: automatización, mensajería, streaming, acceso a datos, seguridad, transporte, entre otros. Los sistemas inalámbricos son la alternativa más popular para establecer enlaces de comunicación de datos en una amplia variedad de entornos gracias a su funcionamiento transparente, movilidad e interoperabilidad. Sin embargo, estas infraestructuras están experimentando el agotamiento de su capacidad a causa de la congestión de los espectros de radiofrecuencia (RF) y microondas, lo que ha motivado la exploración de nuevas alternativas que utilicen frecuencias más altas del espectro electromagnético, como las ondas milimétricas y la luz visible, que proporcionan una mayor reutilización y densidad celular, ya que se enfrentan a grandes pérdidas de propagación y tienden a cubrir sólo cortas distancias. Además de la demanda cada vez mayor de infraestructuras de comunicaciones inalámbricas fiables y ubicuas, estimulada por los dispositivos móviles de uso personal, han surgido en el mercado las nuevas máquinas del Internet de las cosas (IoT, Internet of Things), que en la mayoría de los casos, requieren una comunicación inalámbrica de máquina a máquina (M2M) de baja velocidad, que últimamente se están convirtiendo en una parte considerable de las conexiones, lo que aumenta, aún más, la congestión de los espectros de RF y microondas. Los dispositivos IoT suelen consistir en aparatos domésticos, de oficina o industriales que mediante la comunicación M2M pueden proporcionar funcionalidades ampliadas y automatización, mejorando potencialmente la eficiencia de los procesos y la comodidad de los usuarios. En contextos industriales, a menudo se demanda el despliegue de sensores y actuadores en una amplia variedad de condiciones. El uso de redes de sensores inalámbricos (WSN, Wireless Sensor Networks) es relevante en entornos que requieren máquinas móviles o semimóviles que integren el sensado con las comunicaciones, o incluso en casos que los nodos aún en estático prefieren conectividad inalámbrica pues el uso de redes cableadas no es práctico. La búsqueda de nuevas alternativas de comunicación inalámbrica ha aumentado el interés en desarrollar las comunicaciones por luz visible (VLC, Visible Light Communications) y la comunicación óptica basada en cámaras (OCC, Optical Camera Communications), un subconjunto de tecnologías de comunicación óptica inalámbrica (OWC, Optical Wireless Communications) que utilizan dispositivos fotosensibles, como las cámaras digitales o fotodiodos, para la demodulación de datos transmitidos por luces de intensidad modulada basadas en diodos emisores de luz (LED, Light-emitting Diodes) y monitores. Las OCC y VLC se han desarrollado ampliamente en los últimos años para aplicaciones de interior y pueden ser una alternativa complementaria a los sistemas de comunicación inalámbricos en hogares y oficinas, con tecnologías conocidas como Light Fidelity} (LiFi), que ya están incluidas en la estandarización del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) a través de la norma IEEE 802.15.7 y la recomendación ITU G.9991. Aunque el desarrollo de las aplicaciones OCC y VLC para interiores está considerablemente avanzado, su funcionamiento en exteriores es todavía limitado. Como en todos los sistemas OWC, las condiciones atmosféricas tienen un efecto considerable en la degradación del canal óptico inalámbrico debido a fenómenos meteorológicos, que son incontrolables y poco predecibles, tales como la presencia de aerosoles o partículas en suspensión y la turbulencia inducida por diferencias de temperatura, entre otros. La evaluación de la influencia de estos eventos sobre el canal óptico inalámbrico es actualmente un reto a abordar en el campo de la investigación de OCC, que podría abrir una amplia variedad de aplicaciones en las Smart Cities. Dichas aplicaciones tienen la ventaja de poder aprovechar ciertas infraestructuras existentes. Algunos ejemplos son la comunicación de coche a coche mediante faros y cámaras dashcam, enlaces desde otras luminarias a cámaras de vigilancia, transmisión desde pantallas publicitarias a móviles, entre otras. En esta tesis se ha evaluado experimentalmente la viabilidad de desplegar enlaces OCC de baja velocidad en exteriores en condiciones atmosféricas adversas, tanto emuladas en laboratorio como en escenarios reales, utilizando cámaras y componentes LED disponibles en el mercado. En la mayoría de las configuraciones experimentales en el campo de investigación de OCC, los únicos parámetros fotográficos que se tienen en cuenta son el tiempo de exposición y la tasa de fotogramas. En este trabajo se estudió el impacto de la variación de la ganancia analógica, lo que condujo a una nueva metodología para optimizar la calidad de la comunicación en términos de la relación señal-ruido (SNR, Signal-to-Noise Ratio) mediante la reducción del ruido de conversión analógico-digital. Por último, en esta tesis se propone una nueva topología de OCC denominada sub-píxel, que tiene el potencial de proporcionar comunicación reutilizando el hardware de cámaras mediante el uso de pequeños dispositivos ópticos en transmisores y receptores, asegurando un uso mínimo del campo de visión de la cámara para las comunicaciones, dejando los fotogramas libres para uso fotográfico general. Entre los resultados destacados que se obtuvieron de la experimentación en condiciones atmosféricas adversas, se vio que la dispersión causada por los aerosoles desvía la energía de rayos fuera de la línea de vista hacia el sensor de imagen de la cámara, haciendo que los transmisores parezcan más grandes de lo esperado y permitiendo obtener más información en cada fotograma, aumentando la tasa de datos alcanzable en comparación con atmósferas limpias. Sin embargo, aunque los sistemas OCC pueden aprovechar el aparente ensanchamiento de los transmisores en presencia de aerosoles, la intensidad de la señal luminosa es atenuada de todas maneras, reduciendo la SNR y aumentando en consecuencia la tasa de error de bit. En este trabajo se encontró que el uso del amplificador analógico incorporado en el sensor de imagen puede ayudar a superar el efecto de la atenuación en los experimentos realizados en condiciones de baja visibilidad. Frecuentemente, los montajes experimentales de OCC aprovechan la adquisición rolling shutter que realizan la mayoría de las cámaras disponibles en el mercado. Esta técnica requiere el uso de grandes porciones del campo de visión para las comunicaciones. En este sentido, OCC no puede reutilizar el hardware disponible si necesita que esté totalmente dedicado a la recepción de datos. Para solucionar este problema, se llevó a cabo el experimento de OCC sub-píxel mencionado anteriormente. Se desplegaron dos transmisores que empleaban un único LED de 5~mm a aproximadamente 100~m de la cámara, logrando hasta 20~dB de SNR. Aunque la tasa de datos por nodo era relativamente baja (8~bps), la topología de sub-píxel permite aumentar considerablemente el número de transmisores. Si se tienen en cuenta algunas de las aplicaciones de las WSN, como por ejemplo en la agricultura de precisión, en la que es necesario medir variables relativamente estáticas, la aplicación de OCC muestra unas capacidades adecuadas y potencialmente podría convertirse en una alternativa de comunicación inalámbrica para WSN e IoT.