LI-FI: Propagacion de informacion a traves de LuzJose Lopez

UNIVERSIDAD DE CUENCAEmail: jose.lopezm@ucuenca.ec

Danilo PachecoUNIVERSIDAD DE CUENCA

Email: danilo.pacheco03@ucuenca.ec

AbstractTechnological advance shows that the light can uselike data transmission, this paper wants to identify some topicsabout the use of this technology taking into account like how bornthe idea, theoretical foundation, electronic and electrical scheme,apliccations, advantages and disadvantages and future projection .

Palabras ClaveLI-FI, VLC, LED, WI-FI, lumenes.

I. Introduccion

EN la actualidad mucho se da a conocer sobre lostrascendentes cambios que se producen a niveltecnologico y que a la vez permiten crear y/o mejoraraplicaciones que ayuden mejorar la relacion costo-beneficio.Uno de los factores cruciales que se tiene hoy en da sonlos multiples dispositivos que necesitan conectarse a una red,limitandonos a una tasa de bit inferior de lo que se esperara.Una alternativa es explotar las bandas de frecuencia queposee el espectro de la luz visible que tiene una banda de400THz comparado con la banda de radiofrecuencia quecontiene 300Ghz [1].

LI-FI es un nuevo paradigma dentro de las comunicacionesopticas, esta brillante idea fue exhibido por primera vezpor Harald Haas de la Universidad de Edimburgo, ReinoUnido, lo cual expuso de una manera muy simple si elLED esta encendido, se transmite un 1; si esta apagadose transmite un 0haciendo alusion al sistema binario, y aesto sumese el perodo de conmutacion on/off de un LEDque es extremadamente rapido e imperceptible para el ojohumano, basado en esta filosofa se permitira extender lasredes inalambricas en el hogar,oficina, inclusive en zonasdonde las bandas de radio frecuencia son prohibidas(aviones,gasolineras, hospitales), puesto que la luz visible no realizaninguna interferencia con las frecuencias que se trabaja enlos lugares mencionados, cabe senalar que la transferenciade datos a 10 Gbps en estado sin movimiento, y enmovimiento la tasa de transferencia de datos sera a 100Mbps lo cual implicara una de las desventajas de estatecnologa [2],[4].

II. Fundamento TeoricoII-A. Caractersticas y Funcionamiento de un LED

La estructura interna de un diodo LED esta conformada porcristales de material semiconductor, al unir estos materialesentre si se forman dos tipos de regiones: N y P, en el

punto de union o juntura de esas dos regiones se forma, unabarrera de potencial, cuya funcion es impedir el paso de loselectrones desde la region N hacia la region P cuando nose encuentran debidamente polarizados y los electrones noposeen la suficiente energa para poder atravesarla.

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Figura 1. Principio de Funcionamiento del LED

Cuando a los extremos del LED alimentemos una tensionque permita polarizar directamente (vease la figura 1), loselectrones provenientes de la fuente de suministro de corrientedirecta comienzan a fluir a traves del diodo. Entonces, cadavez que un electron en exceso con carga negativa () presenteen la region N adquiere la suficiente energa como parapoder vencer la resistencia que le ofrece la barrera depotencial, la atraviesa y se combina con un hueco positivo (+)en exceso en la region P. En el mismo instante que ocurreesa combinacion, la energa en exceso que adquirio dichoelectron para poder atravesar la barrera de potencial, setransforma en energa electromagnetica, que libera, en esepreciso momento, en forma de foton de luz. La emision decolor de un determinado LED depende de la composicionqumica de los materiales semiconductores utilizados en lafabricacion del mismo, [3].

II-B. Comunicacion por Luz Visible (VLC, visible ligthcommunication)

Con el estandar IEEE 802.15.7, se encuentran los sistemasVLC, que utilizan la mayora de principios que usa la tecno-

loga IrDA pero con la diferencia de que su rango de frecuen-cias se centra en la zona visible del espectro electromagneticoen lugar de la zona de infrarrojos. Comunmente se utilizanLEDs para transmitir a 500 Mbit/s o lamparas fluorescentespara senales a 10 Kbit/s. El espectro de luz visible va desde los375 nm a 780nm (algunas fuentes situan solo hasta los 700nmvease la figura 3), segun este rango nos indica que la anchode banda disponible sera cercano a los 400THz (789THz),es decir si comparamos con el ancho total de la banda deradio frecuencia, tenemos que RF es 1333.333 veces inferioral espectro de luz visible.

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Figura 2. Espectro de Luz Visible

II-C. Principio de Operacion: LI-FI

LI-FI es el termino que algunos utilizan para etiquetar elsistema de comunicacion inalambrica rapido y barato quees la version optica de WI-FI. Es posible codificar datos atraves luz variando la velocidad a la que los LEDs parpadeanencendido y apagado para dar diferentes cadenas de 0s y 1s.La intensidad del LED es modulada tan rapidamente queel ojo humano no puede notar, por lo que la salida aparececonstante.La informacion que se va a enviar, por ejemplo (vease lafigura 3), a traves de Internet comienza la transmision decontenido hacia una lampara LED, lo que hace tan atractivoa LI-FI es que se trata de una bombilla normal LED con unmicrochip para emitir la informacion, esto desde un puntode vista de transmision (Tx). Por otra parte el receptor estacompuesto por un foto-detector (Rx) que hace que cada vezque el dispositivo entra en contacto con la luz del LED,recibe automaticamente la informacion entregada por este,

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Figura 3. Arquitectura LI-FI

convirtiendo las senales de impulsos de luz en datos [5].

III. Breve analisis Electronico y Electrico

La tecnologa LI-FI permitira no hacer un gasto mas a lahora del equipamiento de esta red, puesto que la idea es verterla informacion sobre la red electrica que llega al hogar, oficinao sitio de trabajo llegando al concepto de PLC (Power LineTransmition), tecnologa que hace tiempo atras se utilizaba,que debido al alto costo de equipos que representaba a lascomercializadoras y la competencia sobre ADSL, fibra opticaen incluso las comunicaciones inalambricas, restringiendoseunicamente su uso dentro de una misma empresa (red local).

Comunicaciones mediante cable electrico (traduccion PLC)es un sistema que opera mediante la adicion de una senalportadora modulada al sistema de cableado. PLC soportadatos en el conductor que tambien se utiliza simultaneamentepara transmision de energa electrica de CA o distribucion deenerga electrica a los consumidores. En la figura 4 se logravisualizar la manera de operar de un PLC, en la fase uno setiene propiamente la componente de senal AC que se trasmitepor las redes electricas, en la segunda fase tenemos la senalde datos que se va a transmitir, en la fase tres se combinan lassenales formando una sola, finalmente se extrae de la senalsuperpuesta cada una de las componentes: componente ACy la de datos. Una vez que se ha logrado separa las senalesse las envia hacia el LED, el cual se encarga de emitir lainformacion desde el servidor hacia el espectro visible comose ilustra en la figura 5. A partir de aqu las luz emitida por elLED es captado por el receptor y que su elemento principales un foto-receptor, finalmente el receptor se encarga de hacer

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Figura 4. Etapas PLC

de la demodulacion de la senal y pasarla al cliente [6].

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Figura 5. Esquema Electrico y Electronico

IV. Aplicaciones de LI-FIIV-A. Campo de la salud

Desde la existencia de las redes inalambricas, la tecnologamedica ha sido un fiel seguidor de las innovaciones de lascomunicaciones, pues en quirofanos no se permiten WI-FIu otras tecnologas debido a las preocupaciones de radiaciony a las interferencias telefonos celulares y otros dispositivosinalambricos que provoca el bloqueo de los equipos querealizan el monitoreo de senal de distintos dispositivos bajo

el campo de la salud.Li-fi resuelve estos problemas, las luces son los accesorios masevidentes dentro de la habitacion, por esta evidencia se puederevolver los problemas de interferencia y radiacion, como sehaba senalado el espectro de luz visible no causa ningunainterferencia y las bombillas LED son de bajo consumo depotencia [7].

IV-B. Energa EficienteWi-Fi y muchos otros tipos de radiacion son malos para

zonas sensibles como las plantas de energa en especial paralas nucleares. Pero las centrales termicas necesitan sistemasde datos rapidas, interconectados para controlar cosas como lademanda, la integridad de la red y (en las centrales nucleares)la temperatura central. Li-Fi podra ofrecer una conectividad(sin ninguna radiacion) para estos lugares sensibles [7].

IV-C. Expediciones SubmarinasLI-FI incluso puede trabajar bajo el agua donde WI-FI y

otras tecnologas fallan completamente, arrojando con ellomultiples oportunidades abiertas para las operaciones militaresy de navegacion bajo el agua.

IV-D. ConferenciasTodo el contenido de una conferencia puede ser trasmi-

tida en HD, descargado y reproducido en cada dispositivoindividual por los participantes en la habitacion. De prontouna conferencia lenta sobre un tema difcil puede ser unaexperiencia de aprendizaje sinergico y adaptativo debido aluso de esta tecnologa.

V. Ventajas y DesventajasSin duda el abanico de optar por nuevas aplicaciones

utilizando tecnologa LI-FI es demasiado grande, sin embargohabra que destacar las ventajas y desventajas que nos en-trega la tecnologa comparandola con otras tecnologas y/olas limitaciones en ambientes o factores que no posibilitensu eficiente funcionamiento, los cuales se desarrollan en lossiguientes subsecciones.

V-A. VentajasDentro de las multiples ventajas que presenta la tecnologa

LI-FI se ha realiza una lista que enfoca las virtudes de estetema de moda.

1. Comparacion con otras Tecnologas: Primeramente po-demos comparar las diferencias abismales que existefrente a otras tecnologas que se encuentran en desa-rrollo o simplemente estan llegando a su apogeo que semuestran en el cuadro I.Como se podra visualizar en funcion de los parametrosy densidad de datos LI-FI pesar de ser una tecnologainalambrica posee mayor ventaja sobre las alambricasque se tienen en la actualidad, y no se diga sobre lastecnologas inalambricas convencionales.

2. Comparacion respecto a WI-FI: la tecnologa mas di-vulgada es sin duda WI-FI, la cual es comun en nuestro

Tecnologa Velocidad Densidad DatosCableado

FIRE WIRE 800Mbps *****USB 3.0 5Gbps *****THUNDERBOLT 2x10Gbps *****

Inalambrico (Presente)WI-FI 150Mbps *BLUETHOOT 3Mbps *IrDA 4Mbps ***

Inalambrico (Presente Venidero)WI-GIg 2Gbps **GIGA-IR 1Gbps ***LI-FI 10Gbps *****

Cuadro ICOMPARACION CON OTRAS TECNOLOGIAS [1]

ambiente tecnologico, sin embargo en el cuadro II sepuede ir desnudando ciertas falencias respecto a LI-FI. Por ejemplo la tasa de transmision es sumamenteinferior, y otros que se encuentran en la tabla. Tambiencabe hacer mension que WI-FI trabaja en una banda defrecuencia fija alrededor de los 2.4GHz, lo cual implicauna posible interferencia con otros usuarios que utilizanesta tecnologa.

LI-FI vs WI-FIParametro LI-FI WI-FIVelocidad *** ***Rango * **Densidad de Datos *** *Seguridad *** **Confiabilidad ** **Disponibilidad de Potencia *** *Potencia Tx/Rx *** **Impacto ambiental * **Conectividad D-D *** ***Interferencia por Obstaculos *** *Madurez del Mercado * ***

Ponderacion: * bajo ** medio *** altoCuadro II

COMPARACION DE LI-FI VS WI-FI [2]

3. Al no atravesar paredes que podra resultar una desven-taja, resulta ser mas seguro que WI-FI.

4. Es mucho mas barato que WI-FI.5. Muy rapido, su velocidad de transferencia va desde los

15 Mb/s, hasta velocidades superiores a los 10Gb/s.6. Al usar la luz de bombillas LED, permite ahorrar energa

gracias a la dualidad de uso, mientras se ilumina con labombilla, tambien se recibe internet por medio de LI-FI,de modo que con la misma energa, y el mismo productose hace 2 cosas diferentes.

V-B. Desventajas

LI-FI al estar en una fase en desarrollo posee ciertas falenciaque se indican a continuacion:

1. Al ser una tecnologa en desarrollo no tiene participacionen el mercado como se indica en el cuadro II.

2. Al no poder atravesar paredes, no puede usarse fuera dela habitacion donde se instala.

3. Funciona hasta a 10 metros como maximo de la fuentede conexion dependiendo de la intensidad de la luz.

4. LI-FI en si funciona con las redes electricas, es deciren el caso de colapso de la red no habra servicio deinternet.

5. No funciona bajo la luz solar directa y tampoco funcionacon la luz apagada, aunque esto no representara un granaumento de la tarifa del consumo electrico, debido al usode LEDs.

VI. Proyeccion FuturaDebido a que es una tecnologa que usa la luz de

una bombilla para transmitir informacion, resulta un granahorro de energa y potenciara el uso complementariocon energas limpias, ya que las tecnologas LED son demuy bajo consumo, su baja complejidad al instalar unared LiFi servira para implementar un zona de coberturacuyos transeuntes reciban noticias recientes o diversaspublicidades al instante deambulan por las calles o veredas;de la misma forma se lograra vincular el control de traficocon autos y semaforos para evitar accidentes. LI-FI abre laspuertas a un mundo de posibilidades innovadoras y modosde optimizar su uso, y favorecerse de la dualidad que presenta.

VII. ConclusionesEl desarrollo y uso de tecnologas nuevas siempre

sera un desafo para la poblacion, que debido a la faltade conocimiento y estereotipos tecnologicos desconocenlos ventajas que presentan sobre las que se utilizancotidianamente. Con LI-FI todava en desarrollo y debido asu baja complejidad de implementacion como son bombillasLED, el cableado electrico resulta ser un nuevo giro en latelecomunicaciones debido a al dualidad de uso (Internet,iluminacion), tasas altas de transmision, bajo consumoenergetico, aplicaciones en campos donde no se utilizanondas de radiofrecuencias debido a la interferencia.

Por otro lado LI-FI esta en desarrollo todava no hay un mo-delo de negocio entre las empresas duenas del tendido electricay los ISP, sera hora tambien de volcarse la implementacionde una vez a la implementacion de redes inteligentes (SmartGrids), lo cual implicara una regulacion bien estructurada quelogren controlar tarifas a bajo costo.

Referencias[1] Rahul R. Sharma, Raunak & Akshay Sangana, Li-Fi Technology Trans-

mission of data through light , Rahul R. Sharma et al, Int.J.ComputerTechnology & Applications,Vol 5 (1),150-154, 2014.

[2] M.Thanigavel, Li-Fi Technology in Wireless Communication, Inter-national Journal of Engineering Research & Technology (IJERT),Vol. 2Issue 10, October - 2013.

[3] http://www.asifunciona.com/fisica/af leds/af leds 3.htm[4] Dhakane Vikas Nivrutti & Ravi Ramchandra Nimbalkar, Light-Fidelity:

A Reconnaissance of Future Technology, International Journal ofAdvanced Research in Computer Science and Software Enginee-ring,Volume 3, Issue 11, November 2013.

[5] Vaishali Jadhav,A Study on LiFiLight Fidelity Technology, Interna-tional Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 6,June-2014.

[6] K. Prasad Pujapanda, LiFi Integrated to Power-lines for Smart Illumina-tion cum Communication, International Conference on CommunicationSystems and Network Technologies, 2013.

[7] Akshit Aggarwal & Deepali Jhanji, COMPARATIVE STUDY:LI-FIV/S WI-FI, International Journal of Research & Development inTechnology and Management Science Kailash, Volume - 21 Issue1ISBN - 978-1-63102-445-0 March 2014.

I IntroduccinII Fundamento TericoII-A Caractersticas y Funcionamiento de un LEDII-B Comunicacin por Luz Visible (VLC, visible ligth communication)II-C Principio de Operacin: LI-FI

III Breve anlisis Electrnico y Elctrico IV Aplicaciones de LI-FIIV-A Campo de la saludIV-B Energa EficienteIV-C Expediciones SubmarinasIV-D Conferencias

V Ventajas y DesventajasV-A VentajasV-B Desventajas

VI Proyeccin FuturaVII ConclusionesReferencias