Les communications optiques sont l'une des plus anciennes méthodes pré-technologiques de transmission de signaux à longue distance. Les surfaces réfléchissantes permettent de refléter les rayons du soleil et les diriger vers un endroit spécifique en tant que signal ou alerte. Cette réflexion directionnelle est également assez discrète puisque, en général, la seule personne qui peut la voir est celle à qui elle est destinée.

Les communications optiques sont toujours utilisées aujourd'hui, principalement dans les fibres optiques et les télécommandes de télévision, même si de nos jours, les radiofréquences sont le support électromagnétique privilégié pour les communications unidirectionnelles et omnidirectionnelles à haut débit. Mais l'optique n'a pas encore dit son dernier mot. Il s'agit d'une forme relativement nouvelle de communications optiques parallèles qui intéresse les fabricants d'appareils qui cherchent à élargir les capacités d'entrée et de sortie des appareils mobiles et fixes.

Développée à l'origine pour la radiofréquence, la technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output - multiples entrées multiples sorties) était utilisée par les ingénieurs radio pour augmenter la largeur de bande et permettre aux communications RF d'atteindre des débits de données plus élevés que ceux possibles avec une seule bande. Un signal est transmis en utilisant plusieurs signaux porteurs à des fréquences différentes pour permettre un transfert de données parallèle au lieu d'une simple transmission en série. La technologie MIMO optique permet de faire la même chose, mais avec la lumière.

La technologie MIMO optique utilise la lumière visible pour permettre aux systèmes d'éclairage de communiquer avec d'autres équipements de trois manières différentes. L'une des techniques consiste à utiliser un émetteur unique composé de plusieurs diodes électroluminescentes de couleur. Chaque LED est un émetteur et, grâce à un filtrage optique au niveau du récepteur, chaque couleur transmet des données en parallèle avec les autres couleurs. Cette technique est appelée Lambda MIMO.

Une autre approche consiste à placer plusieurs émetteurs à différents endroits d'un plafond, par exemple. Dans ce cas, chaque émetteur est une LED du même type et de la même couleur, et un récepteur parallèle - comme une caméra vidéo - combine les rayons lumineux séparés dans l'espace, une fois de plus, 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 placé à des endroits différents. C'est ce qu'on appelle le h-MIMO, qui utilise également un capteur parallèle comme une caméra vidéo pour décoder en parallèle les ondes lumineuses séparées dans l'espace et dans la couleur.

En ce qui concerne le décodage, contrairement aux techniques de modulation RF, les diodes électroluminescentes sont généralement unicolores pour maintenir des coûts bas, la modulation de la longueur d'onde n'est donc pas une approche réalisable. On utilise plutôt des techniques de modulation de largeur d'impulsion et de fréquence d'impulsion. Les techniques RF telles que le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) permettent des utilisateurs multiples mais limitent les débits de données, de sorte que les techniques d'accès multiple non orthogonal (NOMA) sont en passe de s'imposer.

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

Il est intéressant de noter que les données expérimentales montrent qu'il est possible d'atteindre des débits de 55 Mbit/s en utilisant à la fois l'attribution de puissance en fonction du rapport de gain (GRPA) et le NGDPA. Bien que les solutions soient toutes deux efficaces, le NGDPA bénéficie d'un léger avantage. Des taux cumulés de 110 Mbit/s sont réalisables avec deux sources en utilisant des techniques NOMA.

Voyez-vous la lumière ?

Avec autant de techniques et de protocoles RF qui permettent à nos appareils de communiquer efficacement, pourquoi vouloir utiliser une technique optique qui dépend tellement de la proximité et de la ligne de mire ? Les raisons et les applications de cette technique d'éclairage intelligent sont nombreuses.

Premièrement, les communications optiques ne requièrent pas de licences ou d'approbations gênantes. Il n'est pas nécessaire de passer par la FCC, le TUV ou d'autres normes internationales coûteuses. Deuxièmement, cette technique est insensible aux interférences électromagnétiques. Les interférences provenant d'autres sources RF n'altèrent pas les performances et même les niveaux très élevés d'EMP et de pics - comme la mise en marche de gros moteurs - n'interfèrent pas avec l'intégrité des données.

Les LED et les récepteurs optiques coûtent moins cher que les antennes, tout comme les extrémités frontales ou les filtres RF. Il est vrai que les communications optiques à faisceaux divergents basées sur des LED ont une portée relativement courte, mais il existe encore de nombreuses applications qui peuvent tirer parti de ces caractéristiques.

Par exemple, les lits d'hôpitaux utilisant la technologie MIMO pour la transmission de statistiques vitales telles que le rythme cardiaque, la tension artérielle, etc., n'utilisent pas de bande passante RF. L'emplacement des émetteurs et des récepteurs est fixe (ce qui garantit une grande fiabilité) et ils ne sont pas affectés par la foudre ou d'autres sources de bruit impulsionnel de haut niveau susceptibles d'interférer avec les données.

Les capteurs à l'intérieur des moteurs peuvent être lus sans fils et avec une très grande insensibilité au bruit. Il est même possible d'établir des communications bidirectionnelles en utilisant des LED de couleurs différentes et des récepteurs optiques filtrés. Par exemple, les communications basées sur la technologie MIMO peuvent être intégrées dans chaque siège d'avion, ce qui permet aux passagers d'utiliser leurs appareils mobiles pendant le vol sans jamais interférer avec les radiofréquences de navigation.

Les fabricants de téléphones sont conscients des nombreux avantages des communications sans fil. Samsung, par exemple, propose déjà des réseaux MIMO 4x4 sur la série S10 qui affiche des vitesses de téléchargement de 2 Gbit/s et de 120 Mbit/s en chargement. Apple propose également un réseau MIMO 4x4 sur ses modèles iPhone 12.

Les ordinateurs portables, les tablettes, les montres et d'autres appareils peuvent également bénéficier de cette technologie. Elle pourrait même être utilisée dans les voitures pour réduire la quantité d'énergie RF que nous absorbons. Les supermarchés peuvent utiliser la technologie MIMO pour communiquer avec les écrans d'affichage des prix de chaque produit, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent lorsque les prix augmentent, ce qui ne manquera pas d'arriver.

Conclusion

Initialement lancée pour la RF, la technologie MIMO élargit la bande passante et prend en charge les communications RF à des débits de données plus élevés que ce qui est possible avec une seule bande. La technologie MIMO transmet des signaux en utilisant plusieurs signaux porteurs à des fréquences différentes afin de permettre un transfert de données en parallèle plutôt qu'en série. La technologie MIMO optique permet de faire la même chose, mais avec la lumière. Les communications basées sur des LED à longueurs d'onde multiples et peu coûteuses sont insensibles au bruit RF et permettent d'atteindre de bons débits de données en visibilité directe sur de courtes distances en transmettant des données en parallèle.

À propos de l’auteur

Après avoir terminé ses études en génie électrique, Jon Gabay a travaillé avec des entreprises de défense, commerciales, industrielles, de consommation, d'énergie et médicales en tant qu'ingénieur de conception, codeur de micrologiciels, concepteur de systèmes, chercheur scientifique et développeur de produits. Chercheur et inventeur en énergies alternatives, il s'est impliqué dans la technologie d'automatisation depuis qu'il a fondé et dirigé Dedicated Devices Corp. jusqu'en 2004. Depuis, il fait de la recherche et du développement, rédige des articles et met au point des technologies pour la prochaine génération d'ingénieurs et d'étudiants.