Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 1

Artikel ini adalah terjemahan bebas dari jurnal IEEE Communications Surveys & Tutorials tahun 2015, yang berjudul “Visible Light Communication, Networking, and Sensing: A Survey, Potential and Challenges“, oleh Parth H. Pathak, Xiaotao Feng ; Pengfei Hu ; Prasant Mohapatra.

Abstrak – Teknologi lampu solid-state sedang merevolusi penerangan dalam ruangan. Lampu pijar dan flouresens sedang digantikan oleh LED dengan cepatnya. Selain dari efisiensi energi yang sangat tinggi, LED memberikan keuntungan lainnya seperti waktu penggunaan yang lebih lama, menghasilkan panas yang lebih rendah dan meningkatkan pembangkitan warna tanpa menggunakan bahan kimia berbahaya. Salah satu keuntungan LED adalah kemampuan pensaklaran ke intensitas cahaya yang berbeda dengan kecepatan sangat tinggi. Fungsi ini telah memberikan keuntungan kepada teknologi komunikasi baru (yang disebut Komunikasi Cahaya Tampak atau Visible Light Communication) di mana pencahayaan LED bisa digunakan untuk pengiriman data kecepatan tinggi. Survei ini menyediakan sebuah napak tilas dan ulasan teknologi dari literatur yang ada mengenai komunikasi dan penginderaan menggunakan cahaya tampak.

Artikel ini menyediakan sebuah survei detil tentang (1) sistem komunikasi cahaya tampak dan karakteristik berbagai komponennya seperti pengirim dan penerima, (2) Sifat lapis fisik kanal komunikasi cahaya tampak, metode modulasi dan teknik MIMO, (3) Teknik akses medium, (4) perancangan sistem dan platform yang dapat diprogram dan (5) penginderaan cahaya tampak dan penerapannya seperti lokalisasi dalam ruangan, pengenalan gestur, komunikasi layar-kamera serta jaringan kendaraan. Penulis juga mengulas tantangan penting yang harus diselesaikan untuk merancang jaringan bergerak kecepatan tinggi menggunakan komunikasi cahaya tampak.

1. PENDAHULUAN

Penerangan dalam ruangan sedang mengalami sebuah revolusi. Lampu pijar yang telah digunakan secara luas untuk menerangi sekitar kita semenjak penemuannya berabad-abad lalu secara perlahan sedang mulai digantikan disebabkan efisiensi energi yang sangat rendah. Bahkan pada lampu pijar yang paling modern sekalipun,  tidak lebih dari 10% daya listriknya yang dapat diubah menjadi pancaran cahaya yang bisa digunakan. Lampu flouresens yang diperkenalkan pada tahun 1990 telah mengalami popularitasnya pada satu dekade terakhir karena dapat memberikan efisiensi energi yang lebih baik (lebih banyak lumen per watt). Namun, perkembangan lampu solid-state saat ini dengan teknologi LED-nya telah menghasilkan efisiensi energi dan waktu pakai yang belum pernah terjadi sebelumnya. Kemampuan pencahayaan rata-rata (berapa banyak listrik yang digunakan untuk menyediakan penerangan yang diinginkan) dari LED yang paling bagus adalah hingga 113 lumen/watt pada tahun 2015 [1], dan diproyeksikan akan mencapi 200 lumen/watt pada tahun 2020. Hal ini dalam banyak hal mengalami peningkatan dibandingkan dengan lampu pijar dan flouresens yang rata-rata menghasilkan kemampuan pencahayaan masing-masing sekitar 15 hingga 60 lumen/watt [1]. Begitu pula, jangkauan waktu pakai LED dari 25,000 hingga 50,000 jam – secara signifikan lebih tinggi dari pada lampu fluoresens (10,000 jam). Selain dari keuntungan penghematan energi dan waktu pakai, LED juga memiliki keuntungan lainnya seperti bentuk yang lebih sederhana, mengurangi penggunaan bahan berbahaya dalam perancangan dan menghasilkan panas yang lebih rendah bahkan setelah penggunaan terus menerus dalam waktu lama. Karena keuntungan ini, penggunaan LED meningkat secara konsisten dan diharapkan semua penerangan yang menggunakan LED akan mendekati 75% pada tahun 2030 [1].

Gambar 1. Mata manusia dapat menangkap sinyal elektromagnetik pada jangkauan frekuensi 430 THz hingga 790 THz yang dirujuk sebagai spektrum cahaya tampak.

     Peningkatan yang sangat cepat dalam penggunaan LED telah memberikan sebuah kesempatan unik. Berbeda dari teknologi penerangan lama, LED mampu berganti ke tingkat intensitas yang berbeda  dengan kecepatan yang sangat tinggi. Kecepatan pensaklarannya cukup cepat sehingga tidak dapat dibedakan oleh mata manusia. Sebuah fotodetektor (merujuk juga pada sensor cahaya atau sebuah fotodioda) atau sebuah sensor gambar (matriks fotodioda) dapat menerima sinyal termodulasi dan mendekode data. Hal ini berarti bahwa LED memiliki dwi fungsi untuk menyediakan penerangan begitu pula komunikasi. Dalam beberapa tahun terakhir, riset VLC telah menunjukkan kemampuannya dalam mencapai kecepatan data sangat tinggi (mendekati 100 Mbps menurut standar IEEE 802.15.7 hingga kelipatan Gbps dalam riset). Komunikasi melalui cahaya tampak menempati kepentingan khusus saat dibandingkan dengan bentuk komunikasi nirkabel yang sudah ada. Pertama, dengan meningkatnya secara eksponensial trafik data bergerak dalam dua dekade terakhir telah mengidentifikasi keterbatasan komunikasi bergerak dengan hanya menggunakan RF. Bahkan dengan penggunaan ulang frekuensi dan spasial yang efisien, spektrum RF yang ada terbukti tidak berdaya menghadapi permintaan trafik yang terus meningkat. Jika dibandingkan, spektrum cahaya tampak yang di dalamnya termasuk ratusan bandwidth terahertz yang tak berlisensi (lihat Gambar 1) sepenuhnya belum dimanfaatkan untuk komunikasi. Komunikasi cahaya tampak (VLC) dapat melengkapi sistem komunikasi bergerak berbasis RF saat merancang jaringan data bergerak kapasitas tinggi. Kedua, karena menggunakan frekuensi tinggi, cahaya tampak tidak dapat menembus kebanyakan obyek dan dinding. Karakteristik ini membolehkan siapapun untuk menciptakan sel-sel kecil dari transmitter LED tanpa isu interferensi intersel melewati dinding dan partisi. Hal ini juga dapat meningkatkan kapasitas kanal nirkabel yang tersedia secara dramatis. Ketidakmampuan sinyal menembus dinding juga menyediakan keamanan komunikasi kabel dengan sendirinya. Ketiga, VLC memfasilitasi penggunaan ulang infrastruktur penerangan yang ada untuk tujuan komunikasi. Hal ini berarti bahwa suatu sistem tertentu dapat dibangun dengan usaha yang relatif lebih sedikit dan dengan biaya yang lebih murah. Potensi komunikasi cahaya tampak yang belum termanfaatkan ini memotivasi kita untuk mengkompilasi survei ini.

Usaha pertama kali dalam memanfaatkan LED untuk penerangan sekaligus komunikasi ialah pada tahun 2000 dimana para periset [2] dari Universitas Keio di Jepang mengajukan penggunaan LED putih di rumah untuk membangun jaringan akses. Hal ini selanjutnya dipercepat dengan riset cepat, terutama di jepang, untuk membangun komunikasi kecepatan tinggi menggunakan cahaya tampak dengan perkembangan VLC yang mendukung perangkat hand-held dan kendaraan transportasi. Hal ini mendorong terbentuknya Visible Light Communication Consortium (VLCC) [3] di Jepang pada bulan November 2003. VLCC mengajukan dua standar – Standar Sistem VLC dan Standar Sistem Visible Light ID – pada tahun 2007. Standar ini selanjutnya diterima oleh Japan Electronics and Information Technology Industries Association (JEITA) [4] sebagai JEITA CP-1221 dan CP-1222. VLCC juga bekerjasama dan mengadaptasi lapisan fisik komunikasi inframerah yang diajukan oleh international Infrared Data Association (IrDA) [5] pada tahun 2009. Secara bersamaan, proyek hOME Gigabit Access (OMEGA) [6], yang disponsor oleh European Union, juga mengembangkan komunikasi optik sebagai cara perpanjangan jaringan komunikasi RF. Pada tahun 2014, VLCA (Visible Light Communications Associations) [7] didirikan sebagai kelanjutan VLCC di Jepang untuk standarisasi VLC lebih lanjut. Standar IEEE pertama untuk komunikasi cahaya tampak diajukan pada tahun 2011 dalam bentuk IEEE 802.15.7 [8] yang mencakup rancangan spesifikasi lapisan link dan fisik. Pada beberapa tahun terakhir, kapasitas link VLC yang berhasil dicapai telah melebihi 1 Gbps, dan berkembangnya upaya riset menuju realisasi potensi penuh VLC ke depan.

Pada survei ini, kami memberikan sebuah paparan sistematis mengenai riset VLC dan mengidentifikasi beberapa tantangan penting. Khususnya, kami memberikan ulasan teknologi dan kilas balik literature mengenai

1. Komponen sistem komunikasi cahaya tampak, karakteristik detil pengirim dan penerima,

2. Karakteristik lapisan fisik seperti model kanal dan propagasi, skema modulasi dan pengkodean, serta teknik Mutiple-Input Multiple-Output,

3. Lapisan link, teknik dan isu akses pengguna jamak,

4. Perancangan sistem dan berbagai platform VLC yang dapat deprogram,

5. Penginderaan cahaya tampak dan penerapannya seperti lokalisasi cahaya tampak dalam ruangan, interaksi manusia computer, komunikasi perangkat-ke-perangkat dan aplikasi komunikasi kendaraan.

Berdasarkan ulasan, kemudian kami menggarisbawahi sejumlah daftar tantangan yang perlu diselesaikan oleh riset di masa yang akan datang untuk merealisasikan potensial penuh dari VLC.

Peningkatan minat pada bidang VLC telah dihasilkan dalam beberapa survey dalam beberapa tahun belakangan. Artikel ini membedakan dari survey lainnya dalam banyak hal. Pada [9], penulis membahas VLC berbasis LED di mana fokus utama bahasannya adalah pada rancangan teknik lapisan fisik (modulasi, rancangan sirkuit dsb) yang dapat meningkatkan performansi VLC. Dibandingkan dengan [9], artikel ini fokus pada pembahasan yang lebih luas tentang VLC, mencakup aspek jaringan lainnya seperti akses medium sebagaimana penginderaan menggunakan cahaya tampak. Protokol akses medium untuk VLC telah disurvei pada [10], namun, tidak disediakan ulasan komprehensif dan perbandingan teknik jaringan. Juga, pada artikel ini, kami menunjukkan penggunaan kamera dan sensor cahaya telepon pintar untuk menerima sinyal cahaya tampak memperluas VLC ke bidang terkait lainnya dari komputasi bergerak dan penginderaan. Beberapa topik riset pada bidang ini seperti lokalisasi dalam ruangan dan komunikasi layar-kamera telepon pintar belum disurvei pada pekerjaan manapun sebelum artikel ini. Pada artikel ini, kami memberikan sebuah survei komprehensif topik ini dengan fokus tambahan pada penginderaan cahaya tampak. Dibandingkan dengan [11] dan [12] dimana penulis mensurvei komunikasi udara-bebas bersama dengan bentuk lain komunikasi optik nirbel, fokus utama artikel ini lebih sempit dan lebih detil pada komunikasi cahaya tampak. Dalam survey terkait lainnya, penulis memberikan ulasan detil tentang bagaimana komunikasi optik nirkabel dapat digunakan untuk rancangan jaringan seluler pada [13], dengan aspek lingkungan luar ruangan yang berbeda dan pengaruhnya terhadap performansi komunikasi. Dibandingkan dengan ini, fokus utama kami pada artikel ini ialah terutama pada pemilihan komunikasi cahaya tampak dalam ruangan. Penulis memberikan sebuah survei menyeluruh dari penerapan VLC pada [14] berfokus pada aplikasi baru VLC seperti lokalisasi dalam ruangan, komunikasi layar-kamera dsb. Kami juga memberikan detil dari berbagai aspek praktis dari rancangan sistem komunikasi dengan mengulas platform tersedia yang dapat diprogram serta pengirim/penerima LED. Hal ini memberikan periset dengan latar belakang komunikasi RF dengan mudah memperluas keahlian mereka pada jaringan akses nirkabel cahaya tampak.

Selanjutnya survey ini disusun sebagi berikut. Kami memulai dengan memberikan ulasan berbagai komponen sistem komunikasi cahaya tampak dengan pengenalan pencahayaan LED dan berbagai jenis penerima pada bagian 2. Pada bagian 3, kami mensurvei sifat-sifat lapisan fisik VLC dengan detil pada kanal dan propagasi, metode modulasi dan teknik MIMO. Bagian ini juga mencakup ulasan tentang standar VLC IEEE 802.15.7 [8]. Kemudian selanjutnya pada bagian 4 dibahas mengenai berbagai lapisan link dan protokol akses medium. Bagian 5 memaparkan berbagai aspek perancangan sistem VLC dan mensurvei platform tersedia yang bisa diprogram untuk digunakan dalam riset. Bagian 6 mengulas berbagai macam topik pada penginderaan cahaya tampak dan penerapannya termasuk lokalisasi dalam ruangan, komunikasi layar-kamera, komunikasi kendaraan dan interaksi manusia-komputer. Berdasarkan ulasan tersebut, bagian 7 menggarisbawahi berbagai tantangan yang perlu diriset lebih lanjut untuk membangun jaringan VLC bergerak, kapasitas tinggi.