Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 2

2. SEKILAS SISTEM VLC

Pada bagian ini, kami berikan sebuah ulasan sistem komunikasi cahaya tampak dan komponen pengirim serta penerimanya. Kemudian kami bahas berbagai jenis VLC.

1. Pengirim VLC

Pengirim pada sistem komunikasi cahaya tampak adalah sebuah pencahayaan LED. Sebuah pencahayaan LED merupakan sebuah unit penerangan lengkap yang terdiri dari lampu LED, ballast, rumah lampu dan komponen lainnya. Lampu LED (juga merujuk ke bola lampu LED dalam istilah sederhana) bisa berisi satu atau lebih LED. Lampu ini juga mencakup sebuah rangkaian driver yang mengendalikan arus yang mengalir melalui LED untuk mengatur terang gelapnya. Ketika pencahayaan LED digunakan untuk komunikasi, rangkaian driver dimodifikasi (detil lebih lanjut di Bagian 5) untuk memodulasi data melalui pancaran cahaya. Sebagai contoh, pada suatu modulasi On-Off Keying sederhana, bit data “0” dan “1” dapat dikirimkan dengan memilih dua tingkat intensitas cahaya yang terpisah.

Kebutuhan perancangan yang krusial untuk sistem VLC adalah penerangan, yang merupakan tujuan utama pencahayaan LED, yang seharusnya tidak terpengaruh kerena penggunaan komunikasi. Sehingga, kinerja sistem VLC juga dipengaruhi tergantung bagaimana pencahayaan LED dirancang. Cahaya putih sejauh ini merupakan bentuk yang selama ini paling banyak digunakan untuk penerangan baik di dalam ruangan maupun penerapan di luar ruangan. Hal ini disebabkan oleh warna obyek (yang disebut juga color rendering) sebagaimana terlihat di bawah cahaya putih mendekati warna obyek yang sama di bawah cahaya alami. Pada lampu solid-state, cahaya putih dihasilkan dengan beberapa cara –

1. LED Biru dengan Phosphor: Pada metode ini, cahaya putih dibangkitkan menggunakan LED biru yang memiliki pelapis phosphor warna kuning. Ketika cahaya biru merambat melalui pelapis warna kuning, kombinasinya menghasilkan cahaya putih. Perbedaan jenis cahaya putih (suhu warna) dihasilkan dengan memodifikasi ketebalan lapisan phosphor.

2. Kombinasi RGB: Cahaya putih juga dapat dihasilkan dari perpaduan tepat cahaya merah, hijau dan biru. Pada metode ini, tiga buah LED terpisah digunakan sehingga memperbesar biaya pencahayaan LED dibandingkan dengan menggunakan LED biru dengan phosphor.

Untuk kemudahan implementasi dan biaya murah, metode pertama dengan LED biru dan phosphor lebih banyak digunakan untuk merancang LED putih. Namun, untuk komunikasi, pelapis phosphor membatasi kecepatan sehingga LED hanya dapat disaklar hingga beberapa MHz. Sebagaimana akan kita bahas pada Bagian 3.2, berbagai solusi telah diajukan untuk menangani keterbatasan ini. Di sisi lain, kombinasi RGB lebih dipilih untuk komunikasi karena memberikan peluang juga untuk penggunaan Color Shift Keying dalam memodulasi data menggunakan tiga LED berwarna dengan panjang gelombang yang berbeda.

1. Penerima VLC

Terdapat dua jenis penerima VLC yang bisa digunakan untuk menerima sinyal yang dikirim oleh pencahayaan LED

1. Fotodetektor – juga merujuk pada fotodioda atau penerima non-imaging,

2. Sensor gambar – disebut juga sensor kamera

Fotodetektor adalah sebuah piranti semikonduktor yang mengubah cahaya yang diterima menjadi arus. Fotodetektor yang ada sekarang dapat dengan mudah mengambil sampel cahaya tampak yang diterima dengan kecepatan hingga puluhan MHz.

Sebuah sensor gambar atau sensor kamera dapat juga digunakan untuk menerima sinyal cahaya tampak yang dikirimkan. Karena sensor kamera tersedia pada hampir semua perangkat bergerak hari ini seperti telepon pintar untuk menangkap video dan gambar, piranti ini memiliki potensi untuk mengubah perangkat bergerak sebagai penerima VLC yang siap pakai. Sebuah sensor gambar terdiri dari banyak fotodetektor yang disusun dalam bentuk matriks pada sebuah rangkaian terpadu. Namun, keterbatasan sensor gambar adalah karena digunakan untuk fotografi dengan resolusi tinggi, jumlah fotodetektornya bisa sangat banyak. Hal ini secara signifikan mengurangi jumlah frame per sekon (fps) yang dapat ditangkap oleh sensor kamera. Contohnya, fps yang umumnya digunakan oleh sensor kamera pada telepon pintar tidak lebih dari 40. Hal ini berarti penggunaan langsung sensor kamera untuk menerima komunikasi cahaya tampak bisa memberikan kecepatan data yang sangat rendah.

Sifat “rolling shutter” dari sensor kamera dapar digunakan untuk menerima data dengan lebih cepat. Karena jumlah fotodetektor yang tersedia banyak pada sensor kamera, tidak mungkin membaca keluarannya setiap piksel secara parallel. Bahkan sensor kamera modern menggunakan scanning baris dimana fotodetektor dari satu baris matriks dibaca setiap waktu. Prosedur pembacaan keluaran fotodetektor baris per baris (atau kolom-per-kolom) ini mengacu pada rolling shutter. Gambar 2 menunjukkan bagaimana proses rolling shutter dapat digunakan untuk meningkatkan kecepatan data. Sebagai ilustrasi, kita asumsikan pengirim menggunakan modulasi ON-OFF. Pengirim bisa mengubah keadaannya (mengirimkan simbol berikutnya) dengan waktu yang lebih pendek daripada waktu yang dibutuhkan untuk memindai sebaris piksel. Sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2a, pengirim berada pada keadaan ON pertama kali yang menghasilkan intensitas yang lebih tinggi untuk piksel pada kolom pertama. Pada waktu berikutnya, pengirim mengubah keadaannya dengan mensaklar ke keadaan OFF. Hal ini dapat direkam sebagai keluaran intensitas rendah untuk piksel dari kolom kedua. Begitu semua kolom dipindai, semua kolom dari penggabungan gambar dapat diubah ke data biner. Hal ini ditunjukkan pada [16] bahwa throughput dengan kelipatan kbps dapat dicapai dengan menggunakan proses rolling shutter dari sensor kamera.

Gambar 2. Efek rolling shutter dan skenario penggunaan secara umum jaringan VLC dalam ruangan

Perlu diperhatikan bahwa sensor gambar bisa membuat perangkat bergerak apapun yang memiliki kamera untuk menerima komunikasi cahaya tampak. Namun, dalam bentuk yang ada sekarang, hanya bisa memberikan throughput yang terbatas (beberapa kbps) karena kecepatan samplingnya yang rendah. Di sisi lain, fotodetektor yang berdiri sendiri telah menunjukkan pencapaian signifikan untuk mencapai throughput yang lebih tinggi (ratusan mbps). Pada survei ini, kami asumsikan penerimanya adalah fotodetektor kecuali disebutkan secara khusus.

1. Mode Komunikasi VLC

Komunikasi cahaya tampak dapat diklasifikasikan ke dalam dua mode: (1) komunikasi infrastruktur-ke-perangkat dan (2) komunikasi perangkat-ke-perangkat. Skenario dalam ruangnan dimana pencahayaan LED digunakan untuk menerangi ruangan ditunjukkan pada Gambar 2b. Pada kasus ini, penerangan dapat mengirimkan data ke berbagai perangkat di dalam ruangan. LED dapat juga berkoordinasi di antara mereka sendiri untuk mengurangi interferensi dan bahkan memperbolehkan pengiriman multi-titik terkoordinasi ke perangkat penerima. Pengiriman uplink dari perangkat cukup sulit dilakukan karena penggunaan LED pada perangkat akhir pengguna dapat menyebabkan gangguan ke pengguna. Dalam beberapa kasus, komunikasi RF atau inframerah dapat digunakan untuk pengiriman uplink. Seperti halnya pada kasus dalam ruangan, LED yang digunakan pada lampu jalan begitu pula lampu lalu lintas dapat digunakan untuk menyediakan akses internet ke pengguna di dalam mobil dan pejalan kaki. Kita akan bahas beberapa penerapan di kendaraan pada Bagian 6.3.

Karena telah terpasangnya sensor kamera di hampir semua perangkat bergerak, komunikasi cahaya tampak juga dapat digunakan untuk komunikasi perangkat-ke-perangkat jarak dekat. Di sini, piksel-piksel LED pada layar sebuah telepon pintar dapat digunakan untuk mengirimkan data ke sensor kamera di telepon pintar lainnya. Dengan rancangan terkini kode yang efisien, suatu rentetan layar-ke-kamera telah dipertunjukkan mencapai throughput yang sangat tinggi. Kita akan bahasa teknik ini pada bagian 6.2. Dalam bentuk lain komunikasi perangkat-ke-perangkat, mobil dan kendaraan lainnya di jalan dapat berkomunikasi satu sama lain untuk membentuk sebuah jaringan ad-hoc menggunakan VLC.

Walaupun kita membahas jaringan kendaraan dan komunikasi layar-kamera, fokus utama kami pada survei ini adalah rancangan dan analisis jaringan infrastruktur-ke-perangkat dalam ruangan menggunakan cahaya tampak.