Tag: Visible Light Communication

Categories
5.0-Refleksi

Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 4

3.1.2 Rugi-rugi Jalur dan Daya Terima

Berdasarkan luminous flux yang dihitung di atas, kita akan turunkan nilai dari path loss sekarang. Telah dibuktikan pada [24] bahwa path loss pada ranah photometrik (dirujuk sebagai luminous path loss LL) sama dengan path loss pada ranah radiometrik (dirujuk sebagai path loss daya optik LP). Hal ini disebabkan oleh kenyataan bahwa pada propagasi udara bebas line-of-sight, path loss dapat diasumsikan tidak tergantung pada panjang gelombang. Kemudian, kita bisa hitung LL menggunakan luminous flux yang diturunkan pada bagian sebelumnya. Khususnya, LL adalah perbandingan luminous flux penerima ( FR) dan pengirim (FT). FT dapat dihitung seperti persamaan (4).

Untuk menghitung FR, perlu ditentukan posisi relatif pengirim dan penerima. Penentuan posisi relatif ini ditunjukkan pada Gambar 6. Di sini, jarak antara penerima dan pengirim adalah D, dan jari-jari permukaan penerima adalah r. Sudut antara normal penerima dan garis pengirim-penerima adalah is a (dirujuk juga sebagai sudut datang). Jika sudut pandang pengirim adalah b (dirujuk juga sebagai sudut pancar). Sudut penerima jika dilihat dari pengirim adalah Wr dan daerah penerima adalah Ar sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 6, maka

Dari Gambar 6, flux penerima  dapat dihitung sebagai

Path loss optik  dapat dihitung menggunakan persamaan (4), (5) dan (6) sebagai

Kebanyakan sumber LED memiliki distribusi berkas Lambertial yang artinya intensitas luminous spasialnya adalah fungsi kosinus

dimana m adalah orde dari emisi Lambertial. Nilai m tergantung pada sudut LED pada setengah pancaran

Dengan mensubsitusi persamaan (8) dan qmax pada persamaan (7), kita dapatkan nilai path loss untuk sumber LED Lambertian sebagai berikut

Jika pancaran LED tidak dapat dimodelkan menggunakan fungsi kosinus Lambertian, maka perlu dilakukan pengukuran  untuk LED yang diberikan, dan menggunakannya untuk menghitung  dari persamaan (7).

Daya terima optik sekarang dapat dihitung menggunakan path loss. Biasanya fotodetektor penerima dilengkapi dengan filter optik.  menyatakan respon spektral dari sebuah filter optik. Gambar 7 menunjukkan  dari sebuah fotodetektor tertentu.Dengan menggunakan , daya terima optik  untuk link optik line-of-sight dapat dihitung sebagai

dimana  dan  serta  masing-masing adalah nilai cut-off panjang gelombang bawah dan atas dari filter optik.

Dengan mempertimbangkan persamaan (10) dan (11), daya terima tergantung pada tiga faktor – jarak pengirim-penerima (D), sudut datang (a) dan sudut pancar (b). Ketiga faktor ini tidak bergantung pada perangkat keras pengirim dan penerima, dan bergantung pada pergerakan dan orientasi penerima. Sebagai contoh, jika penerima merupakan telepon pintar yang dilengkapi dengan fotodioda, ketiga faktor tersebut akan berubah tergantung pada pergerakan pengguna dan orientasi perangkat. Adalah penting untuk memahami akibat fator-faktor ini terhadap daya terima untuk  mengevaluasi kapasitas yang dapat dicapai. Penulis pada [26] mengamati akibat penggunaan fotodioda telepon pintar sebagai penerima. Gambar 8 menunjukkan bagaimana daya terima ternormalisasi (yang diukur sebagai intensitas cahaya pada fotodioda telepon pintar) bervariasi terhadap perubahan D, a dan b. Gambar 8a, menunjukkan bagaimana daya terima teredam oleh D sebagai fungsi kuadrat terbalik (persamaan (10)). Sudut datang mengukur perubahan pada orientasi telepon pintar (0o artinya fotodioda menghadap langsung pada LED). Begitu sudut datang (a) membesar, energi dimana foton menumbuk fotodioda akan mengecil, yang selanjutnya mengakibatkan penurunan daya terima. Begitu pula, daya terima menurun dengan kenaikan sudut pancar (b) yang mengkonfirmasi pola pancar Lambertian dari LED. Akibat dari ketiga faktor ini memiliki implikasi penting terhadap penjaminan SNR tinggi pada jaringan akses VLC dan pengaturan interferensi inter-sel yang akan kita bahas pada bagian 4.2.

 

Categories
5.0-Refleksi

Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 3

3. Lapisan Fisik

Kita mulai dengan ulasan komprehensif mengenai lapisan fisik VLC dengan membahas (1) model dan karakteristik kanal, (2) metode modulasi dan (3) teknik MIMO untuk VLC

3.1  Model Kanal dan Karakteristik Propagasi

Pada bagian ini, kita paparkan model kanal untuk propagasi cahaya tampak. Berdasarkan model kanal, dimungkinkan untuk memilih sebuah LED dengan spesifikasi yang sesuai dan memperkirakan kinerja link komunikasinya.

3.1.1 Daya kirim sebuah LED – Luminous Flux

Sebuah pengirim LED melayani dwifungsi penerangan dan komunikasi. Oleh karena itu, perlu kiranya untuk pertama-tama membangun pengertian parameter fotometrik dan radiometrik yang relevan. Dengan parameter ini, kita akan mampu menghitung Luminous Flux yakni daya kirim sebuah pengirim LED. Pertama-tama, kita akan menghitung daya kirim, rugi-rugi jalur dan daya terima dari suatu link Line-of-Sight dan kemudian menganalisa pengaruh multijalur untuk jalur pantulannya.

Parameter fotometrik mengkuantifikasi karakteristik cahaya (seperti kecerahan, warna, dsb) sebagaimana diterima oleh mata manusia. Hal ini berguna dalam memahami aspek penerangan dari LED. Parameter radiometrik mengukur karakteristik energi elektromagnetik radian dari cahaya. Hal ini berguna dalam menentukan komunikasi yang berhubungan dengan sifat LED. Ada dua cara perhitungan Luminous Flux – menggunakan integral spektral atau integral spasial. Tergantung pada parameter yang diberikan pada sebuah pengirim LED, salah satu dari kedua metode tersebut dapat dipilih untuk menghitung luminous flux.

Integral spektral : Metode integral spektral menggunakan fungsi luminosity mata manusia dan distribusi spektral daya sebuah LED untuk menurunkan luminous flux.

Fungsi luminosity V(λ): penglihatan fotopik mata manusia membolehkan manusia bisa membedakan warna, membuatnya menjadi faktor krusial dalam merancang teknologi penerangan [17]. Ditunjukkan pada [18] bahwa penglihatan fotopik manusia mengalami tingkat sensitifitas yang berbeda-beda terhadap spektrum panjang gelombang cahaya tampak yang berbeda. Aspek ini ditunjukkan pada Gambar 3 menggunakan fungsi luminosity V(λ). Fungsi tersebut menunjukkan bahwa mata manusia dapat melihat warna yang berada pada jangkauan 380 nm hingga 750 nm dengan sensitifitas maksimum pada panjang gelombang 555 nm (daerah kuning-hijau).

Distribusi Daya Spektral ST(λ): ST(λ) sebuah LED merupakan fungsi yang merepresentasikan daya LED pada semua panjang gelombang pada spektrum cahaya tampak. Para pembuat LED biasanya mempublikasikan distribusi tersebut untuk menjelaskan bagaimana warna yang berbeda akan dirender dengan keberadaan LED. Fungsi ini merupakan parameter radiometrik yang diukur dalamWatt/nm. Distribusi daya spektral tiga LED yang berbeda warna ditunjukkan pada Gambar 4. Dapat diamati bahwa ketiga LED memiliki daya radian yang tinggi pada dua panjang gelombang – biru dan kuning. Seperti telah dijelaskan pada bagian 2.1, kebanyakan LED saat ini menghasilkan warna putih dengan menggabungkan cahaya biru yang dipancarkan oleh LED biru dengan pelapis phosphor warna kuning. Tergantung pada warna putih yang diinginkan (hangat, alami atau adem), cahaya warna biru dan kuning yang dipancarkan dikendalikan menggunakan pelapis phosphor. Contohnya, cahaya kuning yang lebih banyak akan diberikan pada cahaya putih hangat dan alami dibanding LED putih adem.

Luminous Flux: Luminous flux menggabungkan fungsi luminosity dan distribusi daya spectral untuk menghitung daya pancar LED “yang bisa diterima”. Parameter ini memberikan bobot V(λ) (sensitifitas mata manusia terhadap panjang gelombang yang berbeda) pada fungsi ST(λ) karena kita mengetahui dari Gambar 3 bahwa mata manusia tidak memberikan tanggapan yang sama terhadap semua panjang gelombang. Luminous flux LED pengirim (FT) diukur dalam satuan lumen dan dapat dihitung dengan cara

Konstanta 683 lumens/watt adalah efisiensi luminous maksimum. Efisiensi luminous adalah perbandingan antara luminous flux dengan radian flux, yang mengukur seberapa baik energi elektromagnetik yang dipancarkan dan listrik yang diperlukan LED ditransformasikan untuk menyediakan penerangan cahaya tampak. Kita ketahui dari Gambar 3 bahwa mata manusia paling sensitif untuk mendeteksi panjang gelombang 555 nm (hijau). Daya listrik yang diperlukan untuk menghasilkan satu lumen cahaya pada panjang gelombang 555 nm diturunkan menjadi 1/683 watt [20]. Hal ini berarti bahwa untuk sumber warna apapun, daya yang dibutuhkan untuk menghasilkan satu lumen cahaya selalu lebih besar dari 1/683 watt. Sehingga, efisiensi luminous maksimum adalah 683 lumen/watt yang muncul di panjang gelombang 555 nm.

Integral spasial: Cara lain untuk menghitung luminous flux adalah dengan memanfaatkan sifat emisi spasial dari LED. Untuk itu, kita akan menggunakan intensitas luminous dan aksial seperti yang akan dipaparkan selanjutnya.

Intensitas Luminous gt(θ): Sementara flux luminous mengukur jumlah total cahaya yang dipancarkan oleh sebuah LED, luminous intensity mengukur seberapa terang LED pada arah tertentu. Hal ini diukur dalam Candela yang merupakan luminous flux per satuan sudut (1 steradian). Hal ini membuat kita memahami ke mana LED mengarahkan cahayanya. Gambar 5 menunjukkan distribusi intensitas luminous tiga jenis LED. Pada Gambar 5a, kedua LED memancarkan cahaya dengan sudut yang lebih luas dengan membolehkan pencahayaan yang lebih baik ke semua arah, sementara Gambar 5b, dapat diamati bahwa LED memancarkan cahaya dengan sudut yang lebih sempit (lebih seperti lampu spot). Kebanyakan sumber LED memiliki distribusi sinar Lambertial[23] yang artinya intensitasnya akan turun mengikuti kosinus sudut datang.

Terdapat dua parameter penting yang perlu diturunkan dari distribusi intensitas.

Intensitas Aksial (I0) yang didefinisikan sebagai intensitas luminous dalam candela pada sudut 0o. Untuk LED pada Gambar 5b, intensitas aksialnya adalah 987 candela. Umumnya, distribusi intensitas luminous yang disediakan oleh pembuatnya dinormalisasi dengan intensitas aksial yang ditunjukkan pada Gambar 5a.

Sudut Setengah Pancar (θmax) adalah sudut di mana intensitas cahaya menurun setengah dari intensitas aksialnya. Untuk LED pada Gambar 5b, sudut setengah pancarnya adalah 47o. Untuk sumber Lambertian seperti LED, sudut setengah pancar dihitung dari seluruh sudut pancar (Ωmax) berikut ini :

Flux luminous dapat dihitung dengan mengintegralkan fungsi intensitas luminous di seluruh sudut pancar Ωmax. Berbeda dari persamaan (1) yang merupakan integral spektral, di sini flux dihitung menggunakan integral spasial seperti berikut

dimana  adalah distribusi intensitas luminous spasial ternormalisasi. Dengan menggabungkan persamaan (2) dan (3), kita dapatkan

Categories
5.0-Refleksi

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.

Categories
5.0-Refleksi

Komunikasi Cahaya Tampak: Potensi dan Tantangannya – bagian 1

Visible Light Communication

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.