Можно ли передавать данные не по радиоканалу, а с помощью обычного света? Ученые из Токийского политехнического университета уверенно отвечают: да. Более того, они показали, что система связи на видимом свете (Visible Light Communication, VLC) может быть не только эффективной, но и дешевой, собранной из доступных компонентов и устойчивой даже к яркому солнечному свету.
Разработанная ими система обеспечивает стабильную передачу данных со скоростью до 3,48 Мбит/с на расстоянии нескольких метров — и это на улице, при освещенности свыше 90 000 люкс, то есть под прямыми солнечными лучами. Для VLC-систем, традиционно страдающих от «засветки» и искажений сигнала, это серьезный шаг вперед.
Что такое VLC и зачем она нужна?
Видимая световая связь — это беспроводная технология передачи данных с помощью светодиодов (LED). Источник света быстро мигает, кодируя информацию, а приемник с фотодиодами эти изменения считывает. Для человеческого глаза свет при этом выглядит непрерывным.
Почему это вообще интересно, если есть Wi-Fi и 5G? Дело в том, что VLC не использует радиочастоты. Это делает ее привлекательной там, где радиоканал перегружен, нестабилен или ограничен регуляторно. Один из самых перспективных сценариев — интеллектуальные транспортные системы (ITS): светофоры, уличные фонари и дорожные знаки могут одновременно освещать дорогу и передавать данные автомобилям.
Но до недавнего времени у VLC был серьезный набор проблем: чувствительность к внешнему освещению, искажения импульсов из-за особенностей светодиодов и сложность реализации надежной синхронизации.
Кодирование против солнца
Ключевым элементом новой разработки стала оригинальная линейная кодовая схема 8B13B, специально адаптированная под VLC. Ее реализовали на программируемой логической матрице FPGA с помощью Verilog HDL, а для обмена данными использовали обычный Raspberry Pi, подключенный по интерфейсу SPI. Никакой экзотики — только массово доступное «железо».
Как работает 8B13B? Каждые 8 бит полезных данных преобразуются в 13-битную последовательность в формате return-to-zero — сигнал регулярно возвращается к нулевому уровню. Это позволяет:
- поддерживать баланс между логическими «0» и «1»,
- избегать заметного мерцания света,
- обеспечивать устойчивую синхронизацию приемника и передатчика.
Особенно важно, что система опирается в основном на фронты оптических импульсов, а не на их длительность. Благодаря этому она устойчива к эффекту «сжатия импульсов», возникающему из-за инерционности светодиодов (так называемое data-dependent pulse width shrinkage). Проще говоря, даже если форма сигнала слегка «плывет», данные все равно доходят корректно.
Испытания под открытым небом
В экспериментальных тестах система уверенно работала на расстоянии около трех метров при очень ярком внешнем освещении. Для приема сигнала исследователи использовали модуль с несколькими фотодиодами и узкополосный оптический фильтр, который эффективно отсекал фоновый свет.
Такой подход показал, что VLC вполне может функционировать не только в лаборатории, но и в реальных уличных условиях — а это критично для транспортных приложений.
Зачем это нужно?
Разработчики считают, что их система может стать основой для передачи информации от дорожной инфраструктуры к автомобилям. Например, светофор или уличный фонарь способен отправлять данные о ситуации на перекрестке или в «слепой зоне» — вплоть до видеопотока. Это повышает безопасность движения и особенно актуально для автономного транспорта.
Есть и дополнительный бонус: платформа подходит для обучения. Она объединяет аналоговую электронику, цифровую логику и программное обеспечение в одном рабочем примере, что делает ее отличным инструментом для студентов инженерных специальностей.
Новая разработка показывает, что световая связь — это не футуристическая экзотика, а вполне практичная технология. Дешевые компоненты, устойчивость к солнечному свету и совместимость с существующей инфраструктурой делают VLC реальным кандидатом на роль дополнительного канала связи в умных городах.
Возможно, уже в ближайшем будущем уличные фонари будут не только освещать дорогу, но и незаметно обмениваться данными с машинами. И кто бы мог подумать, что главный враг VLC — солнце — окажется не таким уж непреодолимым?
