Contribución al estudio de receptores con diversidad angular para la interconexión de sensores mediante enlaces ópticos no guiados

Abstract

Las comunicaciones ópticas no guiadas se basan en la transmisión de datos usando radiación lumínica con longitudes de ondas comprendidas entre el infrarrojo y el ultravioleta. Esta región espectral permite disponer de un ancho de banda ilimitado y sin restricciones legales más allá de las referidas a la seguridad ocular en la banda del infrarrojo, y evitar cualquier tipo de incompatibilidad electromagnética con los sistemas de radiofrecuencia (RF) convencionales. Esto ha hecho que las comunicaciones ópticas no guiadas, tanto en el infrarrojo como en el visible (VLC), se postulen como una tecnología complementaria e incluso alternativa a la de RF en algunos entornos de aplicación. En este contexto, en el presente trabajo se realizan diferentes contribuciones sobre un algoritmo de simulación, basado en técnicas de trazado de rayos y en el método de Monte Carlo, y en el modelo de propagación existente, que conjuntamente con dicho algoritmo permite caracterizar el canal óptico no guiado en interiores. La herramienta de simulación desarrollada se ha aplicado al estudio del empleo de estructuras de recepción no formadoras de imagen con detección en diversidad angular para la interconexión de los nodos de una red de sensores óptica inalámbrica que trabaja en difusión para su uso en interiores.

Con la finalidad de simular configuraciones más realistas, además de modelar el ruido debido a las fuentes de iluminación ambiental, tanto natural como artificial, se ha realizado una revisión de los modelos existentes para caracterizar el ruido debido a la etapa de preamplificación que comúnmente se utiliza en el sistema receptor. Mientras que el modelo propuesto para aproximar el efecto de la iluminación natural mejora a los anteriores respecto a su eficiencia computacional, el propuesto para simular las fuentes de iluminación artificial permite considerar toda la potencia óptica debida a las múltiples reflexiones que sufre la iluminación antes de alcanzar al receptor.

Además de adaptar el modelo de propagación y el algoritmo para poder estudiar aquellos enlaces donde la transmisión óptica abarca un amplio rango espectral, tal y como acontece en los sistemas VLC, también se presentan varias mejoras orientadas a facilitar el uso de la herramienta de simulación y a disminuir su tiempo de ejecución. En relación con la utilización del programa de simulación, se proporciona la posibilidad de definir el enlace de comunicación mediante la utilización de aplicaciones gráficas comerciales de diseño 3D y caracterizar el canal óptico no guiado en cualquier entorno de interior por muy complejo que éste sea, donde pueden coexistir diferentes emisores y receptores en presencia de fuentes de iluminación ambiental. Con la finalidad de reducir el tiempo de simulación, se presentan dos optimizaciones basadas en mejorar la propagación de los rayos en el interior del entorno de simulación y en la paralelización del algoritmo de simulación. La primera permite reducir el tiempo de ejecución como mínimo en un treinta por ciento, y la segunda, obtener una aceleración de cómputo prácticamente proporcional al número de procesadores utilizados Por último, se presenta un estudio comparativo de las prestaciones derivadas de utilizar tres tipos de receptores no formadores de imagen en diversidad angular como elemento detector de la radiación óptica recibida por los nodos de una red de sensores infrarroja que trabaja en difusión en ambientes de interior y en la que se transmite con una tasa de bit inferior a 115 kb/s. Los recetores en diversidad estudiados son el receptor convencional (CDR), el auto-orientable (SOR) y el receptor sectorizado (SDR). Para este último se presenta un modelo matemático aplicable a algoritmos de trazado de rayos, que permite caracterizar su área efectiva de detección y que ha permitido establecer la estructura óptima que debe presentar este tipo de receptores respecto a los principales parámetros que caracterizan el canal óptico no guiado en interiores. Como resultado del estudio comparativo se demuestra que el receptor convencional en diversidad angular en conjunción con la técnica de combinación EGC es la solución que exhibe las mejores prestaciones en cuanto a la SNR, eficiencia en potencia transmitida, así como requerimientos de capacidad computacional y consumo de energía. Es decir, dicho receptor empleando EGC es el que mejor se ajusta a las principales limitaciones que presentan los nodos de una red de sensores infrarroja que opera en difusión.