Беспроводные оптические системы передачи данных на основе многокристальных светодиодов видимого спектрального диапазона и инфракрасных лазеров с распределенной обратной связью тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ширяев Даниил Сергеевич

• Ширяев Даниил Сергеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Ширяев Даниил Сергеевич

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Аналитический обзор научно-технической литературы

1.1 Беспроводные оптические системы передачи данных

1.2 Оптические системы квантовых коммуникаций

1.3 Основные параметры оценки качества канала связи

1.4 Выводы по Главе

Глава 2. Разработка оптической системы передачи данных на основе многокристальных светодиодов видимого спектрального диапазона

2.1 Разработка передающего модуля на основе многокристальных светодиодов

2.2 Описание нисходящего и восходящего каналов связи

2.3 Разработка оптической системы передачи данных по технологии Li-Fi

2.4 Оценка характеристик качества канала связи по технологии Li-Fi

2.5 Оценка влияния изменения цветности излучения на качество оптического канала связи

2.6 Выводы по Главе

Глава 3. Разработка оптико-электронной системы передачи данных в ближнем инфракрасном диапазоне

3.1 Конструкция оптико-электронной системы передачи данных

3.2 Оценка оптических потерь в оптико-электронной системе передачи данных

3.3 Оценка эффективности атмосферного квантового канала связи

3.4 Выводы по Главе

Глава 4. Разработка передающего модуля на основе лазера с распределенной обратной связью для атмосферных оптических систем передачи данных

4.1 Конструкция передающего модуля для атмосферных оптических систем передачи данных

4.2 Исследование характеристик передающего оптико-электронного модуля для атмосферных каналов связи

4.3 Выводы по Главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Благодарности

Список литературы

Приложение А. Акты о внедрении результатов диссертационного исследования

Приложение Б. Тексты основных публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Беспроводные оптические системы передачи данных на основе многокристальных светодиодов видимого спектрального диапазона и инфракрасных лазеров с распределенной обратной связью»

Актуальность темы.

Увеличение объемов передаваемой информации, рост количества устройств Интернета вещей и повышение требований к защищенности передаваемых данных стимулируют разработку новых систем передачи информации. В настоящее время основной объем мирового трафика приходится на беспроводные системы, реализуемые в радиочастотном (РЧ) диапазоне спектра электромагнитных волн. Однако РЧ-диапазон перегружен и требует лицензирования для вещания, что создает необходимость его разгрузки там, где это возможно. Альтернативой беспроводным РЧ-сетям может выступить беспроводная оптическая связь, функционирующая как в видимом [1-3], так и в ближнем инфракрасном диапазоне [4-6]. Беспроводные оптические системы передачи данных обладают рядом преимуществ: они не требуют лицензирования частоты вещания, обеспечивают повышенную безопасность передаваемой информации на физическом уровне благодаря необходимости прямой видимости между передатчиком и приемником, а также имеют широкий спектр применений, включая использование на подвижных объектах. Более того, системы беспроводной оптической связи находят применение в области квантовых коммуникаций, где они обеспечивают беспроводное квантовое распределение ключей, открывая новые перспективы для развития защищенных систем связи.

Актуальность проводимого исследования обусловлена растущей потребностью в системах беспроводной оптической связи различного назначения, особенно в условиях, где применение РЧ-систем беспроводной связи невозможно или нежелательно. Объектами исследования в данной работе выступают беспроводные системы передачи данных, а именно вопросы их разработки, прикладного применения, а также методы оценки качества беспроводных оптических каналов связи. Несмотря на наличие на рынке ряда беспроводных

оптических систем передачи данных, они имеют определенные недостатки, особенно в части интеграции с существующей инфраструктурой.

Исследование посвящено решению задачи загруженности радиочастотного спектра, обеспечения беспроводной связи для мобильных объектов, устройств Интернета вещей и других систем, требующих защищённого канала передачи данных, и предлагает инновационные беспроводные оптические системы передачи данных, которые расширяют возможности и области применения технологий беспроводных оптических коммуникаций.

Целью диссертационной работы является разработка беспроводных оптико-электронных систем передачи данных на основе многокристальных светодиодов видимого спектрального диапазона (RGBW светодиоды) и лазеров ближнего инфракрасного диапазона с распределенной обратной связью путем объединения на одной платформе радиочастотного и оптического трактов передачи данных, обеспечивающих беспроводной защищенный доступ к подвижным устройствам и устройствам Интернета вещей.

Для достижения обозначенной цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка беспроводной оптической системы передачи данных на основе многокристальных светодиодов видимого диапазона длин волн;

2. Исследование спектральных и частотных характеристик системы передачи данных, амплитуды вектора ошибок и вероятности битовой ошибки в канале передачи данных в видимом диапазоне длин волн на основе многокристальных светодиодов;

3. Разработка оптической системы для квантового распределения ключей по атмосферному каналу связи в ближнем инфракрасном диапазоне;

4. Исследование вероятности квантовой ошибки по битам, оптических потерь и скорости генерации квантовых ключей в атмосферном канале связи;

5. Разработка передающего модуля ближнего инфракрасного диапазона на основе лазера с распределенной обратной связью с длиной волны излучения 1550 нм для передачи служебной информации в системе квантового распределения ключей по атмосферному каналу связи;

6. Исследование амплитуды вектора ошибок, скорости передачи данных и вероятности битовой ошибки в канале передачи служебной информации системы квантового распределения ключей.

Методы исследования. В настоящей работе использовались следующие методы исследования: анализ научной и технической литературы по теме исследования; численное моделирование прохождения лучей методом Монте-Карло; численное моделирование высокочастотных параметров электрической схемы методом многочастотного гармонического баланса; методы экспериментальной оценки динамических параметров (измерение параметров матрицы рассеяния, измерение амплитуды вектора ошибки, построение глазковой диаграммы, построение сигнального созвездия) для экспериментального исследования систем передачи данных; оценка вероятности битовой ошибки на основе гауссова интеграла ошибок.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оптико-электронная система дуплексной передачи данных на основе многокристальных светодиодов видимого спектрального диапазона (RGBW светодиодов), совместимая с существующими стандартами беспроводной связи IEEE 802.11, осуществляет потоковую передачу данных со скоростями до 42 Мбит/с и оценочной вероятностью битовой ошибки до 10-3 на расстоянии до 4 м за счет применения гетеродинной схемы понижения частоты при объединении радиочастотного и оптического трактов передачи данных на одной платформе, что реализует на одном устройстве одновременный высокоскоростной доступ к сети Интернет, защищенный от перехвата информации, и функцию освещения внутри

помещений с возможностью изменения коррелированной цветовой температуры освещения в диапазоне от 2000 К до 8000 К, охватывая кривую Планка в соответствии с концепцией человеко-ориентированного освещения.

2. Оптико-электронная система передачи данных обеспечивает беспроводную передачу оптического сигнала с длиной волны излучения 1550 нм сверхмалой мощности (~10 пВт) между передающей и приемной частями системы квантового распределения ключей на боковых частотах модулированного излучения на расстояние до 25 метров при допустимых оптических потерях до 20 дБ, вероятности квантовой ошибки по битам до 4,5 % и скоростью генерации квантовых ключей до 200 бит/с, реализуя квантовое распределение ключей беспроводным способом по протоколу BB84 без применения дополнительных источников и приемников излучения, за счет разработанной структуры системы, использующей оптическую схему телескопов для точного совмещения оптических осей торцов одномодовых волокон передатчика и приемника.

3. Оптико-электронный модуль оптической беспроводной системы передачи данных на основе лазера с распределенной обратной связью ближнего инфракрасного диапазона с дифференциальным входом, совместимым со стандартными интерфейсами (LVDS, CML, PECL, LVPECL), осуществляет передачу квадратурно-модулированного оптического сигнала с длиной волны излучения 1550 нм для обмена служебной информацией по атмосферному оптическому каналу связи со скоростью передачи данных до 100 Мбит/с, оценочной вероятностью битовой ошибки 1 0-7 за счет применения преобразователя интерфейсов и лазерного драйвера в разработанной структуре радиочастотного и оптического трактов передачи информации объединенных на одной платформе, обеспечивая полностью беспроводное оптическое соединение в системах квантового распределения ключей на боковых частотах модулированного излучения.

Научная новизна диссертации:

1. Впервые предложен метод реализации дуплексной беспроводной оптической системы передачи данных по технологии Li-Fi в видимом диапазоне оптического спектра на основе многокристальных светодиодов, в которой применение коммерческого модема с последующим переносом несущей частоты сигнала обеспечивает работу системы по протоколу TCP/IP и совместимость с Ethernet интерфейсом, а использование многокристальных светодиодов позволяет добиться более высоких скоростей передачи данных по сравнению с системами на основе люминофорных светодиодов, а также позволяет управлять цветностью освещения, задавая различные сценарии освещения, в том числе в рамках концепции человеко-ориентированного освещения.

2. Впервые предложен метод передачи оптических сигналов сверхмалой мощности по атмосферному оптическому каналу связи от торца одномодового волокна источника до торца одномодового волокна приемника для применения в системах квантового распределения ключей, а наведение передающей и приемной телескопических частей осуществляется автоматически.

3. Предложена структура передающего оптико-электронного модуля на основе полупроводникового лазера с распределенной обратной связью, преобразователя логических интерфейсов и лазерного драйвера, позволяющая передавать модулированный квадратурной модуляцией оптический сигнал со скоростью и вероятностью битовой ошибки, соизмеримой с существующими системами беспроводной связи для применений в служебном канале систем квантового распределения ключей.

Объектами исследования являются оптико-электронные беспроводные системы передачи данных:

1. Оптико-электронная система передачи данных в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн на основе многокристальных светодиодов.

2. Оптико-электронная система для квантового распределения ключей по протоколу ВВ84 по атмосферному оптическому каналу в ближнем инфракрасном диапазоне.

3. Оптико-электронный передающий модуль на основе лазера с распределенной обратной связью для служебного канала систем квантового распределения ключей.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы:

Теоретическая значимость работы заключается в том, что модель расчета вероятности битовой ошибки для беспроводных оптических каналов связи в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах длин волн построена на оценке вероятности ошибки посредством гауссова интеграла ошибок. Модель предусматривает применение для различных схем модуляции с различной позиционностью. Представленная модель подходит для первичной оценки вероятности битовой ошибки в беспроводных оптических каналах связи.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

1. Разработана система передачи данных по технологии Ы-Б1, обеспечивающая беспроводной широкополосный доступ в интернет со скоростью передачи данных по нисходящему каналу 42 Мбит/с и восходящему каналу 7,65 Мбит/с на расстоянии 4 м, снижающая нагрузку на каналы радиочастотного диапазона, без значительного снижения скорости передачи данных, а также с возможностью изменения цветности освещения в широком диапазоне цветовой гаммы, в том числе полностью охватывающем кривую Планка цветовых температур. Представленная система не имеет прямых аналогов в Российской Федерации и по своим рабочим характеристикам сопоставима с зарубежными аналогами, но работающими на основе люминофорных светодиодов.

2. Разработана оптико-электронная система, позволяющая передавать оптические сигналы мощностью порядка 10 пВт из одномодового оптического

волокна источника по атмосферному каналу на расстояние до 25 м, реализуя квантовое распределение ключей в атмосферном канале связи со скоростью генерации квантовых ключей до 200 бит/с и вероятностью квантовой ошибки по битам до 4,5%. Представленная система позволяет обеспечить квантовозащищенной связью подвижные объекты и не имеет прямых аналогов, по рабочим характеристикам сравнима с системами квантовых атмосферных коммуникаций на основе зеркально-линзовой оптики.

3. Разработан передающий оптико-электронный модуль, совместимый с существующими системами квантового распределения ключей, осуществляющий передачу служебной информации в системах квантового распределения ключей по атмосферному оптическому каналу связи со скоростями передачи данных до 100 Мбит/с и вероятностью битовой ошибки до 10-7, что сравнимо с обычно используемыми радиочастотными методами реализации служебного канала.

Достоверность результатов работы обуславливается применением современных методов исследования. Экспериментальные результаты диссертации получены на материально-технической базе, обеспечивающей повторяемые результаты экспериментальных исследований. Результаты расчетов радиочастотных и оптических параметров разработанных систем качественно совпадают с результатами измерений. Результаты экспериментальных исследований параметров оценки качества каналов беспроводной оптической связи качественно согласуются с данными по аналогичным системам, описанным в литературе (там, где возможно провести сравнение).

Внедрение результатов работы

Данная диссертационная работа может быть отнесена к прикладным научным исследованиям. Полученные результаты в части исследования характеристик беспроводных оптических систем передачи данных в сетях квантовых коммуникаций использовались в ходе выполнения научно-

исследовательских работ по теме «Исследование фундаментальных процессов генерации и детектирования одиночных фотонов» в рамках государственного задания №2019-1442 (код научной темы FSER-2020-0013). Акт о внедрении результатов диссертационного исследования от 23.09.2024 (Приложение А).

Результаты в части представленного метода передачи оптических сигналов сверхмалой мощности по атмосферному оптическому каналу связи с целью квантового распределения ключей были использованы в научной деятельности компании ООО «СМАРТС-Кванттелеком». Результаты работ по методам передачи оптических сигналов сверхмалой мощности применялись в ходе выполнения работ по разработке макета системы квантового распределения ключей в атмосферном канале связи. Акт о внедрении результатов диссертационного исследования №01/06-И от 19.06.2024 (Приложение А).

Апробация результатов работы

Основные результаты были представлены на региональных, всероссийских и международных конференциях: XI Электроника и микроэлектроника СВЧ 2022; XLVIII, XLIX, L, LII Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 2019, 2020, 2021, 2023; VIII Конгресс молодых ученых 2019; International Youth Conference On Electronics, Telecommunications And Information Technologies YETI 2020; Перспективные материалы и технологии 2023; IX Диановская конференция по волоконной оптике 2023; International Conference Laser Optics ICLO 2024.

Личный вклад автора

Автором совместно с научным руководителем были сформулированы цель диссертационного исследования и задачи для её достижения. Автором лично проведены расчёты радиочастотных и оптических параметров разработанных систем беспроводной оптической связи; разработаны и изготовлены их экспериментальные образцы; проведены измерения характеристик

экспериментальных образцов; на основе обработанных данных дана оценка качества реализованных беспроводных оптических каналов связи, работающих в видимом диапазоне длин волн и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Автором лично или при его определяющем участии были подготовлены публикации в рецензируемых научных журналах и представлены научные результаты на всероссийских и международных конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Материал работы изложен на 215 страницах, содержит 36 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 117 наименований.

Публикации

Основные научные результаты, представленные в диссертационной работе, опубликованы в 8 научных работах, из них 6 публикаций - в изданиях, индексируемых Web of Science, Scopus или ВАК. Также по теме диссертационной работы зарегистрировано 2 патента на полезную модель на результаты интеллектуальной деятельности.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, поставлена цель и сформулированы задачи диссертации, проведена оценка научной новизны темы работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, сведения о внедрении и публикации результатов работы.

Глава 1 «Аналитический обзор научно-технической литературы» посвящена обзору существующих технических решений и применений систем беспроводной оптической связи.

В разделе 1.1 подробно рассмотрены различные варианты реализации систем беспроводной оптической связи в видимом диапазоне длин волн по технологии Li-

Fi. Представлены варианты реализации Li-Fi систем на основе белых люминофорных светодиодов и многокристальных RGB (red, green, blue - красный, зеленый, синий) светодиодов, при этом системы передачи данных на основе многокристальных светодиодов имеют более широкий спектр применений и особенностей. Например, использование RGB светодиодов позволяет реализовать технологию спектрального уплотнения канала для повышения битовой скорости передачи информации. А изменение цветности в рамках концепции человеко-ориентированного освещения расширяет функционал системы.

С точки зрения схемы модуляции сигнала показано, что квадратурные модуляции представляют наибольший интерес при разработке беспроводных оптических систем связи, так как обеспечивают передачу данных с большими скоростями при более высокой помехозащищенности.

Раздел 1.2 содержит краткое описание существующих алгоритмов асимметричного шифрования информации и протоколов симметричного шифрования, а также описаны некоторые протоколы квантового распределения ключей.

Увеличение вычислительных мощностей современных компьютеров постепенно создает угрозу для классических асимметричных алгоритмов шифрования, поэтому высокий интерес представляют квантовые криптографические системы, такие как квантовое распределение ключей (КРК). Системы КРК имеют множество вариантов реализаций, но для установки их на подвижные объекты необходимо обеспечить беспроводное соединение между модулями отправителя и получателя.

Беспроводные системы КРК чаще всего реализуют в атмосферном оптическом канале связи, но на основе объемной оптики с отдельными источником и приемником оптического излучения. Совместимые по входу и выходу атмосферные системы КРК с одномодовым оптическим волокном в литературе представлены не были.

Раздел 1.3 представляет собой описание различных параметров оценки качества канала связи, таких как параметры матрицы рассеяния (S-параметры), которые описывают отражение и пропускание радиочастотного сигнала через четырехполюсник. Описание амплитуды вектора ошибки, как меры присутствующих в канале связи шумов. Изменение рисунка сигнального созвездия показывает тип воздействующих на канал связи шумов. Также представлена модель оценки вероятности битовой ошибки (BER) при воздействии на канал связи аддитивного белого гауссова шума с применением гауссова интеграла ошибок.

В Главе 2 представлен процесс и результаты разработки беспроводной оптической системы передачи данных по технологии Li-Fi.

В разделе 2.1 описан процесс разработки передающего модуля на основе многокристальных светодиодов. В качестве источника излучения были выбраны RGBW (red, green, blue, white - красный, зеленый, синий, белый) светодиоды Cree XLamp MCE.

В разрабатываемом передающем модуле передача информации ведется посредством излучения красной области спектра, так как в качестве фотоприемника применяется кремниевый фотодиод, имеющий наибольшую чувствительность в красной области спектра.

Была разработана схема радиочастотного (РЧ) согласования (Рисунок 1) импедансов РЧ-тракта, обеспечивающая коэффициент отражения РЧ-сигнала от нагрузки до -30 дБ в рабочем диапазоне частот от 30 МГц до 50 МГц (Рисунок 2).

ТС9-1-75<

Рисунок 1 - Схема согласования импедансов линии передачи и кристалла светодиода, излучающего в красном диапазоне длин волн

о

10

10 30 50 70 90 100

Частота. МГц

Рисунок 2 - Расчетная и экспериментальная частотные зависимости

коэффициента отражения Б11

Также было рассчитано, что для создания требуемой освещенности на рабочем месте согласно своду правил СП 52.13330.2016 необходимо 64 светодиода. Был разработан передающий модуль на основе 64 RGBW светодиодов, расположенных на четырех печатных платах, со схемой РЧ-согласования импедансов РЧ-тракта и кристалла светодиода, излучающего в красном диапазоне длин волн, реализована схема деления сигнала на 64 синфазные части.

Раздел 2.2 посвящен описанию нисходящего и восходящего каналов связи.

Нисходящий канал реализован на основе излучения видимого спектрального диапазона, который осуществляет передачу информации от сети Интернет до конечного пользователя. Восходящий канал, осуществляющий передачу информации от конечного пользователя обратно в сеть Интернет, выполнен на основе излучения ближнего инфракрасного диапазона. Источником излучения для восходящего канала связи служит лазерный диод с длиной волны излучения 1550 нм.

Основным устройством, объединяющим в себе радиочастотную составляющую с оптической, является модем Li-Fi (light fidelity - световая точность), который разработан на базе модема MikroTik RB911G с рабочей несущей частотой 5260 МГц. Модем Li-Fi также содержит схему преобразования несущей частоты на основе гетеродинной схемы, которая осуществляет перенос сигнала на несущую частоту 40 МГц. Сигнал на несущей частоте 40 МГц поступает на каждый светодиод передающего модуля, после чего распространяется в свободном пространстве. На приемной стороне оптико-электронное преобразование осуществляет лавинный фотодиод Hamamatsu S8664-30K. Прием, перенос несущей частоты до 5260 МГц и демодуляция осуществляются гетеродинной схемой и чип-контроллером RealTek RTL8812AU-GG, который затем передает информацию на персональный компьютер по интерфейсу USB3.0.

Восходящий канал связи организован подобным образом, но в обратную сторону, за исключением того, что источником излучения выступает лазерный диод Thorlabs FPL1055T, а приемником выступает матрица из четырех фотодиодов Thorlabs FDGA05.

В разделе 2.3 приведено описание всей системы передачи данных по технологии Li-Fi и результатов измерения скорости Интернет-соединения.

Разработанная система передачи данных по технологии Li-Fi состоит из ведущего модуля и клиентского модуля. Ведущий модуль содержит модем Li-Fi, четыре печатные платы, на каждой из которых находится по 16 RGBW светодиодов, являющихся источником излучения нисходящего канала связи, фотоприемный модуль восходящего канала связи, состоящий из четырех фотодиодов, контроллер DALI (Digital addressable lighting interface - цифровой протокол управления освещением), обеспечивающий изменение цветности освещения. Выполнен ведущий модуль в корпусе светильника, который устанавливается в подвесной потолок типа «армстронг» (Рисунок 3 а).

Клиентский модуль исполнен в виде небольшого USB-устройства (Рисунок 3б), которое подключается к персональному компьютеру, и содержит лавинный

фотодиод для приема нисходящего сигнала, лазерный диод, являющийся источником восходящего сигнала, Wi-Fi чип-контроллер с гетеродинной схемой переноса несущей частоты.

а) б)

Рисунок 3 - Фотографии ведущего модуля (а) и клиентского модуля (б)

Представленная конфигурация позволила получить скорость передачи данных по протоколу TCP/IP до 42 Мбит/с в нисходящем канале и до 8 Мбит/с в восходящем канале связи.

Раздел 2.4 посвящен результатам экспериментальной оценки качества канала связи по технологии Li-Fi.

Оценка качества канала связи проводилась на основе амплитуды вектора ошибки (EVM - error vector magnitude). Измерение проводилось на экспериментальном стенде, состоящем из генератора сигналов произвольной формы Keysight M8195A и осциллографа реального времени, работающего в режиме векторного анализа спектра Keysight UXR0204A.

Проведены измерения EVM для сигналов различной модуляции на различных несущих частотах с символьной скоростью от 7 МБод до 10 МБод, результаты которых приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Зависимость амплитуды вектора ошибки от значения несущей частоты сигнала для излучения красного чипа светодиода, где BPSK (binary phase-shift keying) - двоичная фазовая манипуляция; QPSK (quadrature phase-shift keying) --квадратурная фазовая манипуляция; QAM (quadrature amplitude modulation) - квадратурная амплитудная модуляция

Минимальное значение EVM наблюдается на несущей частоте 40 МГц для всех исследованных типов модуляции. Дополнительно снизить уровень EVM позволяет снижение символьной скорости, а следовательно, и полосы модуляции, но для сохранения битовой скорости увеличивается позиционность модуляции. Также по виду сигнального созвездия наблюдается воздействие на канал связи аддитивного белого гауссова шума.

Воздействие в основном аддитивного белого гауссова шума позволяет оценить вероятность битовой ошибки на основе гауссова интеграла ошибок. Вероятность битовой ошибки для четырехпозиционной модуляции составила до 10~7, а для 16-позиционной модуляции до 10~3.

В разделе 2.5 показано, что изменение цветности излучения посредством изменения протекающего тока через остальные кристаллы многокристального

светодиода, кроме красного, позволяет получить коррелированную цветовую температуру освещения в рамках всей кривой Планка, отражающей цветовую температуру излучения абсолютно черного тела. Также показано, что изменение сценариев освещения практически не оказывает влияния на качество канала связи и количество ошибок в нем.

В главе 3 представлен процесс разработки оптико-электронной системы передачи данных в ближнем инфракрасном диапазоне.

В разделе 3.1 описана конструкция оптико-электронной системы передачи данных. Система передачи данных разрабатывается совместимой с существующей системой КРК на боковых частотах (БЧ) модулированного по фазе излучения, а следовательно, должна иметь одномодовые оптоволоконные вход и выход.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ширяев Даниил Сергеевич, 2024 год

СПИСОК источников

1. Brassard Gilles. Quantum communication complexity//Foundations of Physics. 2003. V. 33. P. 1593 1616. h ttps://doi .org/10.10 23/A:1026009100467

2. Wootters W.K., Zurek W.II. A single quantum cannot be cloned // Nature. 1982. V. 299. N2 5886. I*. 802-803. https://doi.org/10,1038/299802a0

3. Kumar A., GarhwalS. State-of-tlie-art survey of quantum cryptography // Archives of Computational Methods in Engineering. 2021. V. 28. P. 3831-3868. https:// doi.org/10.1007/sl 1831-021-09561-2

4. Syed Rakib Hasan, Mostafa Zaman Chowdhury et al. Quantum communication systems: Vision, protocols, applications, and challenges // IEEE Access. 2023. V. 11. P. 15855-15877, https://doi.org/10.1109/ ACCESS,2023.3244395

5. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Computers Systems and Signal Processing Bangalore India. 1984. P. 175.

6. Gleim A,V,, Egorov V.L, Nazarov Y,V. et al. Secure polarization-Independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using HI 18 1 protocol with a strong reference // Optics express. 2016. V. 24. № 3. P. 2619 2633. https://doi.org/mi364/OE.24.002619

7. Глейм А.В., Анвфннов A.A., Асние .Tl.H. и др. Квантовая рассылка криптографического ключа по опти-

распределения квантового ключа по атмосферному оптическому каналу связи на расстояниях от 5 м до 25 м.

Затухание оптического сигнала в образованном атмосферном оптическом канале связи составляло не более 18 дБ на расстояниях до 25 м между передающей и принимающей частями телескопов КРК системы, а скорость генерации квантовых ключей находилась в диапазоне от 190 бит/с до 500 бит/с при вероятности погрешности квантования по битам 3-5%. Значение вероятности погрешности квантования по битам не преодолевает пороговое значение в 6%, которое является показателем дискредитации безопасности квантового распределения ключа.

Разработанная оптико-электронная система позволяет распределять квантовый ключ через атмосферный оптический канал на длине волны 1550 ± 5 нм. Такую систему можно встраивать в магистральные оптоволоконные линии квантовых коммуникаций для обеспечения защищенного доступа к подвижным объектам (автомобиль, дрон, корабль). Основным преимуществом данной системы является то, что атмосферный квантовый канал является продолжением оптоволоконной линии связи и не требует никаких дополнительных устройств сопряжения.

REFERENCES

1. Brassard Gilles. Quantum communication complexity //Foundations of Physics. 2003. V. 33. P. 1593 1616. https: //doi .org/10.1023/A:1026009100467

2. Wootters W.K., Zurek W.II. A single quantum cannot be cloned // Nature. 1982. V. 299. NL> 5886. P. 802-803. https://doi.org/10.1038/299802a0

3. Kumar A., Garhwal S. State-of-the-art survey of quantum cryptography // Archives of Computational Methods in Engineering. 2021. V. 28. P. 3831-3868. https:// doi.org/ 10.1007/sl 1831-021- 09561-2

4. Syed Rakib Hasan, Mostafa Zaman Chowdhury et al. Quantum communication systems: Vision, protocols, applications, and challenges // IEEE Access. 2023. V. 11, P, 15855-15877. https://doi.org/10.1109/ ACCESS. 2023.3244395

5. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing // Proc. of the IEEE Int. Conf. on Computers Systems and Signal Processing Bangalore India. 1984. P. 175.

6. Gleim A.V., Rgorov V.I., Nazarov Y.V. et al. Secure polarization-independent subcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BB84 protocol with a strong reference // Optics express. 2016. V. 24. № 3. P. 2619 2633. https://doi.org/10.1364/OE.24.002619

7. Glejm A.V., Anisimov A.A., Asnis L.N. et al. Quantum key distribution in an optical fiber at distances of up to

ческому волокну на расстояние 200 км со скоростью 180 бит/с // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2014. Т. 78. № 3. С. 266. https:// doi.org/10.7868/S0367676514030090

8. Mi I'd fill nirhor ko (I.I'.. Kozubov A.V., Gaidash A.A. et al. Security of я и b carrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 2018. V. 26. №9. I*. 11292-11308. https:// doi .org/10.1364/OE, 26,011292

9. Moll F., Nauerth S., Fuchs C. et al. Communication system technology for demonstration of BB81 quantum key distribution in optical aircraft downlinks // Laser Communication and Propagation through the Atmosphere and Oceans. SPIE. 2012. V. 8517. P. 9-16. https://doi.org/10.1117/12.929739

10. Pugh C.J., Kaiser S., Bourgoin J.P. et al. Airborne demonstration of a. quantum key distribution receiver payload // Quantum Science and Technology. 2017. V. 2. NL 2. I'. 02-1009. https://doi.org/10.1088/2058-9565/aa701f

11. Liu ELY., Tian X.II., Gu C. etal. Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes // Physical Review Letters. 2021. V, 126, № 2. P, 020503, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503

12. Marderbacll T.S. Experimental demonstration of freespace decoy-state quantum key distribution over 144 km // Phys. Rev. Lett. 2007. T. 98. P. 01504-1-01504-2. http://doi.org/10.1109/CLEOE-IQEC.2007.4386756

13. HeimB,, Peuntiager C„ Killoran N. et al. Atmospheric continuous-variable quantum communication // New Journal of Physics. 2014. V. 16. №11. P. 113018. http:// doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/113018

14. Jain A., Khanna A., Bhatt -J. et al. Experimental demonstration of free space quantum key distribution system based on the bb84 protocol // 2020 11th International Conference Oil Computing, Communication and Networking Technologies (ICCCNT). 2020. P, 1-5, https://doi.org/10.1109/ICCCNT49239.2020.9225317

15. Samsonov E., Goncharov R., Gaidash A. et al. Subcarrier wave continuous variable quantum key distribution with discrete modulation: mathematical model and finite-key analysis // Scientific Reports. 2020. V, 10. № 1. P. 10034. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66948-0

16. Gaidash A., Miroshnichenko G., Kozubov A, Subcarrier wave quantum key distribution with leaky and flawed devices // -JOSA B. 2022. V. 39. № 2. P. 577-585. https://doi.org/10.1364/JOSAB.439776

17. Miroshnichenko G. P., Kozubov A.V., Gaidash Л.A. et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 2018, V. 26. №9. P. 11292-11308. https:// doi.org/10.1364/OE .26.011292

18. Быковский А.Ю., Компанец И.Н. Квантовая криптография и комбинированные схемы коммуникационных сетей на ее основе // Квантовая электроника. 2018. Т. 48. № 9. С. 777-801. https://doi.org/10.1070/ QEL16732

19. Ширяев Д.С,, Разживина К.Р., Кундиус А.А. гт др. Оптическая система для рассылки квантовых ключей по атмосферному каналу свяаи // Фотон-экспресс. 2023. № 6 (190). С. 501-502. https://doi, org/10,24412/2308-6920-2023-6-501-502

20. Elder Т., Strong J. The infrared transmission of atmospheric windows // Journal of the Franklin Institute. 1953. T. 255. № 3. P. 189-208. https://doi. org/10.1016/0016-0032(53)90002-7

200 km and a bit rate of 180bit/s //Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2014. V. 78. P. 171175. https://doi.org/10.3103/S1062873814030095

8. Miroshnichenko G.P., Kozubov A.Y., Gaidash A.A. et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 2018. V. 26. №9. P. 11292-11308. https:// doi.org/10.1364/OE. 26.011292

9. Moll F., Nauerth S,, Fuchs C, et al. Communication system technology for demonstration of BB84 quantum key distribution in optical aircraft downlinks // Laser Communication and Propagation through the Atmosphere and Oceans. SPIE. 2012. V. 8517. P. 9-16. https://doi. org/10.1117/12.929739

10. Pugh C.J., Kaiser S., Bourgoin J.P. et al. Airborne demonstration of a quantum key distribution receiver payload // Quantum Science and Technology. 2017. V. 2. № 2. P. 024009. https://doi.org/10.1088/2058-9565/aa701f

11. Liu H.Y., Tian X.H., Gu C. et al. Optical-relayed entanglement distribution using drones as mobile nodes // Physical Review Letters. 2021. V. 126. № 2. P. 020503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.020503

12. Manderbach T.S. Experimental demonstration of freespace decoy-state quantum key distribution over 144 km // Phys. Rev. Lett. 2007. T. 98. P. 01504-1-01504-2. http://doi.org/10.1109/CLEOE-IQEC.2007.4386755

13. Heim B., Peuntinger C., Killoran N. et al. Atmospheric continuous-variable quantum communication // New Journal of Physics. 2014. V. 16. № 11. P. 113018. http:// doi.org/10,1088/1367-2630/16/11/113018

14. Jain A., Khanna A., Bhatt J. et al. Experimental demonstration of free space quantum key distribution system based on the bhS4 protocol // 2020 11th International Conference on Computing, Communication and Networking Technologies (ICCCNT). 2020. P. 1 5. https://doi.org/10.! 109/ICCCNT49239.2020,9225317

15.Samsonov E., Goncharov R., Gaidash A. et al. Subcarrier wave continuous variable quantum key distribution with discrete modulation: mathematical model and finite-key analysis // Scientific Reports. 2020. V. 10. M 1. P. 10031. https://doi.org/10.1038/s415S8-020-66948-0

16. Gaidash A., Miroshnichenko G., Kozubov A. Subcarrier wave quantum key distribution with leaky and flawed devices // JOSA B. 2022. V. 39. № 2. P. 577-585. https://doi. org/10.1364/JOSA B.439776

17. Miroshnichenko G. P., Kozubov A.V., Gaidash A.A, et al. Security of subcarrier wave quantum key distribution against the collective beam-splitting attack // Optics express. 201«, V. 26, № 9. P. 11292-11308. https:// doi.org/10,1364/OE. 26.011292

15.Bykovsky A.Y., Kompanets l.N. Quantum cryptography and combined schemes of quantum cryptography communication networks // Quantum Electronics. 2018. T. 48. № 9. P. 777. https://doi.org/10.1070/ QEL16732

19.Shiryaev D.S., Razzhivina K.R., Kundius A.A. et al. Optical system for quantum key distribution over atmospheric communication channel [in Russian] // Photon-express. 2023. № 6 (190). P. 501-502. https://doi. org/10.24412/2308-6920-2023-6-501-502

20. Elder T„ Strong J. The infrared transmission of atmospheric windows // Journal of the Franklin Institute. 1953. T. 255. № 3. P. 189-208. https://doi. org/10.1016/0016-0032(53)90002-7

авторы

Даниил Сергеевич Ширяев — аспирант, младший научный сотрудник, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 190031, Россия; Scopus ID: 57210103 692; https://orcid.org/0000-0001-8612-0297; [e-mail] Карина Poiiauouiia Разжшшиа — инженер, Упиверситет ИТМО, Санкт-11егер5ург, 190031, Россия; https://orcid.org/ 0009-0000-6104-286Х; [e-mail] Андрей Алексеевич Куидиус - аспирант, инженер, Унииер-еитет ИТМО, Санкт-Петербург, 190031, Россия; https://orcid. org/0009-0003-6664-0676; [e-mail] Никита Александрович Беляков — аспирант, младший научный сотрудник, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 100031, Россия; Scopus ID: 57221529296: https://orcid.org/0000 0002-1271-М9Б; [e-mail]

Иван Сергеевич Полухин — научный сотрудник. Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 190031, России: Scopus ID: 56251826100; https://orcid.org/0000-0001-6817-7871; [e-mail]

Евгений Сергеевич Колодезный — канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 190031, Россия; Scopus ID: 56520395600; https://oreid. org/0000-0002-8056-8663; [e-mail]

Статья поступила в редакцию 10.01.2024 Одобрена после рецензирования 20.02.2024 Принята к печати 28.06.2024

authors

Daniil S. Shiryaev- — PhD Student, Junior Research Fellow, ITMO University, Saint-Petersburg, 190031, Russia; Scopus ID: 57210103692; https://orcid.org/0000-0001-8612-0297; d an i ilshiryae v@n iuitmo.ru

Karina R. Riizzhivina — Engineer, ITMO University, Saint-Petersburg, 190031, Russia; https://orc id .org/0009-0000-6104-286X; [e-mail]

Andrei A, Kuudius PhD Student , Engineer, ITMO University, Saint-Petersburg, 100031, Russia; https://orcid.org/0009-0003-6664-0676; [e-mail]

Nikita A. Belyakov — PhD Student, Junior Research Fellow, ITMO University, Saint-Petersburg, 190031, Russia; Scopus ID: 57221529296; https://orcid.org/0000-0002-1271-0195; [e-mail]

Ivan S. Polukhin — Research Fellow, ITMO University, Saint-Petersburg, 190031, Russia; Scopus ID: 56251826100; https:// orcid.org/0000-0001-6817-78714 [e-mail]

Evgenii S, Kolodeznyi — PhD in Physics and Mathematics, Head of the Laboratory, ITMO University, Saint-Petersburg, 190031, Russia; Scopus ID: 56520395600; https://orcirf.Org/0000-0002-3055-8663; [e-mail]

The article was submitted to the editorial office 10.01.2024 Approved after review 20.02.2024 Accepted for publication 28.06.2024

Rev. Adv. Mater. Technol., 2022, vol. 4, no. 4, pp. 62-66

DOl: 10.17586 2687-0568-2022-4-4-62-66

Visible Light Communication: a Brief Review

D.S. Shiryaev*, K.R. Razzhivina, I.S. Polukhin, V.E. Bougrov

Institute of Advanced Data Transfer Systems, ITMO University. Kronverkskiy pr., 49. lit. A, St. Petersburg, 197101. Russia

Article history

Received December 02. 2022 Received in revised form December 21,2022 Accepted December 25, 2022 Available online December 30, 2022

Abstract

A brief review is devoted to an evolving technology of visible light communication. The information volume transfened between users is increasing and visible light communication is becoming the option for organizing information transfer channel due to the liccnsc free broadcasting frequency range, high communication channel capacity, high noise-immunity, and high-level communication channel security. The paper presents various data transfer systems based on white phosphor LEDs and RGB LEDs by various modulation and signal processing schctncs to increase the data rate.

Keywords: Visible light communication (VLC); Optical wireless communication (OWC); Free space optics (I S()); OFDM. QAM modulation: Li-Fi

1. INTRODUCTION

The increasing of data rate transfer is a novel challenge for rcscarchcrs and engineers. The data volume grows up extensively every year and data transfers technologies have to answer this challenge. Radio frequency (RF) range already involved in various communication systems, but it has restrictions on the carrier frequency and broadcast band. Furthermore, the Internet of Things (IoT) is intensively growing field of industry and it requires the high quality, secure, and wide-range bandwidth communication between devices The visible light communication is one of technologies solving the RK range problems.

Visible light communication (VLC) is a novel technology of data transfer using the visible light for data transfer by LEDs and laser diodes. The usage of optical-frequency carrier allows organize secure data transmission channel which does not require any licenses for broadcast bandwidth. VLC systems potentially have 10000 times more channel capacity than RF wireless communication systems due to working at frequency range of 400 800 THz.

"Corresponding author: D.S. Shiryaev, e-mail: daniil [e-mail] © ITMO University, 2022

One of VLC technologies is the Li-Fi (Light Fidelity) [1-3]. Li-Fi is a duplex wireless data transfer system implementing intensity modulated LED-based lightning. The LEDs radiation intensity modulation at high frequencies is not noticeable to the human eye, however, it is successfully detected by modern semiconductor pho-todetectors, which allow to combine two functions into one Li-Fi system — artificial lightning and broadband Internet access [4,5].

White phosphor LEDs are widely implemented as artificial lighting sources now. But the maximum data transfer rate with phosphor LEDs is limited because phosphor has a long upper-state lifetime about 5-20 ns. Thus, the phosphor significantly restricts the LEDs bandwidth, typically at frequencies about 50-200 MHz [6].

The alternative sources of the white light are the RGB (red. green, blue) LEDs which consist of three chips radiating three visible wavelengths red, green, and blue. This LEDs are not limited by the upper-state lifetime of the phosphor and have wider bandwidth up to 300 500 MHz [7]. Besides, the VLC systems based on the RGB LEDs are able to utilize the wavelength division multiplexing leading to the growth of the transfer data rate [8].

Visible Light Communication: a Brief Review

2. WIRELESS COMMUNICATION BASED ON

PHOSPHOR LEDS

In visible communication systems, the IM-DD (intensity modulation-direct detection) method is frequently used. Which allows to simplify transmission and receiving of optical signal bul has a lower noise immunity compared lo other methods of coherent detection (Fig. 1).

The fu st VLC systems used the OOK (on-off keying) modulation schcmc due to its case of implementation [9-11]. However, such a modulation scheme has a wide broadcast band, and provides low data rates (10-100 Mbit/s) [9].

VLC system proposed in Rcf. [12] uses a blue laser diode (LD) with a cerium(III)-doped yttrium aluminum garnet (YAG:Cc) phosphor as transmitter. It is shown the application of YAG:Ce phosphor and blue LD provides significant increase in the bandwidth of the radiation source because a LED has bandwidth about lOOMIIz, but a LD has bandwidth about I GHz. Thus, the authors obtained wireless optical communication channel with data rate of about 2 Gbit/s,

The data rate of VLC systems with OOK. modulation is limited by the narrow bandwidth of LEDs, therefore, multiplexing of the communication channel was suggested to increase data rate. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) [13 15] was proposed as one of the options for multiplexing in Li-Fi systems, with first application lor VLC systems in 2001 [16j,

The OFDM technology makes it possible to increase the efficiency of using ihc radio frequency spectrum, simplify the hardware of the rccciving and transmitting modules, reduces the impact of inter-symbol interference (IS!) and intcr-subearricr interference (JO), which ensures the possibility of multipath signal propagation, and allows the use of various modulation schemes for each subcarrier to provide the best compromise between system noise immunity and data rale.

However, the OFDM technology needs to be adapted for effective work in the VLC systems. For example, in Rcf. [ 17] the authors proposed to implement novel original technologies: asymmetrically clipped optical OFDM (ACO-OFDMl 011 odd subcarricrs and DC biased optical OFDM (DCO-OFDM) on even subcarricrs, which allows obtaining the values of the bit error ratio (BER) about 10-4 and 011c bit energy to the noise power density ratio in additive white Gaussian noise (A WON) fiom 10 dB to 25 dB.

In Rcf. [18] D.W. Dawoud ct al. proposed another novel method of unipolar OFDM technology (U-OFDM) for data transfer in VLC systems. The authors presented simulation results for IM-DD channels of VLC systems and showed that the designed modulation method would allow increasing the signal to noise ratio (SNR) by at least 3 dB relative to Ihe well-known ACO-OFDM

63

Fig, I. Wireless optical communication system in the visible wavelength range.

technology, and up to 10 dB compared to DCO-OFDM modulation schcmc.

The power supply of LLD lighting sources is most often realized by means of pulse-width modulation (PWM) at frequencies of several kHz which also makes it possible to dim the lighting by changing the PWM duty cycle.

H, Elgala and T.D.C, Little in their work [19J presented the results of modeling reverse polarity optical OFDM (RPO-OFDM) technology for gigabit VLC networks. The technology proposed by the authors performs optical OFDM (O-OFDM) modulation of the PWM signal that feeds the LED lighting device in such a way, that during the high-level state of the PWM signal, reverse polarity O-OFDM modulation is performed, and during the low-level state of the PWM signal, direct O-OFDM modulation is used. The authors showed (hut the use of RPO-OFDM makes it possible to transmit data through a dimmable lighting device with BER values from 10"*.

Modulation schcmcs in VLC systems arc not limited to OFDM technology. For example, in Ref. [20] carrier-less amplitude-phase modulation (CAP) is used to modulate a commercially available phosphor white LED. As a result, the authors were able lo demonstrate a data rate of

I.1 Gbit/s with a maximum BER of 10~3 at a distance of 23 cm between transmitter and receiver. BER measurements for 128-CAP, 64-CAP, 32-CAP modulations at 110 MBaud, 170 MBaud, and 220 MBaud symbol rates with and without pre-compensation were presented.

The limiting modulation frequency of phosphor LEDs is defined by the frequency response of the phosphor. Consequently, it is not possible to obtain data rates of more than 1-2 Gbit/s. VLC systems based oil RGR LEDs enable channel multiplexing not only by OFDM methods, but also by wavelength division multiplexing (WMD) methods, where each color of an RGB LED transmits a separate

I--!

I Internet I connection

64

D.S, Shiryaev, K.R. Razzhivina, I.S. Polukhin, V.E. Bougrov

parallel information flow, which allows to significantly increase the data rate.

3. WIRELESS COMMUNICATION BASED ON RGB LEDS

RGB LEDs permit lo significantly increase the data rate in VLC systems due to the ahscncc of a phosphor in them that limits (he bandwidth of the LED, as well as the possibility of using WDM for parallel transmission of information to channels at different wavelengths of visible radiation (Fig. 2),

In Rcf. [8] authors presented a VLC system based on RGB LEDs with a downlink organized using red and green colors of radiation, and ail uplink using a phosphor LED. Most often, LEDs have a rather steep slope in the amplitudc-frequcncy characteristic, so the authors used pre- and post-equalization to obtain a Hat frequency response. Quadrature amplitude modulation orthogonal frequency-division multiplexing (QAM-OFDM) technology of modulation with 64 subcarricrs was used, which made it possible to provide a bit rate with maximum value of 575 Mbit/s with a RER of about 10 However, data transmission was carried out at distances up to 80 cm, which does not allow using the proposed system for combining illumination and data transfer.

Due to narrow bandwidth of LEDs, it becomes necessary to efficiently use the available bandwidth to modulate the radiation. To do this, discrete multitone modulation, which occupies the entire available frequency spectrum is used. Thus, in works [21- 23] authors reached the data rates up to 3.4 Gbit/s, using various equalization algorithms on the receiving side. However, in these works, record data rates were achieved by the calculation method. In laboratory conditions, at relatively short distances between the receiver and transmitter (up to 1 m), the bit rate was measured for each channel of the WDM system, after which, using mathematical calculations, rates from 1.25 to 3,4 Gbit/s were obtained.

Data rales over 4 Gbit/s per channel have been obtained by other methods of signal modulation. The paper [24] presents a data transfer rale of up lo 4.4 Gbit/s for each WDM channel, but laser diodes of three RGB wavelengths were used as a transmitter, since laser diodes have a much higher speed than LEDs. The BER was about 3-10 1 with an SNR of 15.3 and an error vector amplitude of about 17%. However, the dislancc between the transmitter and rcccivcr remained low, about 20 cm, which limits the application possibilities of this scheme.

Data transmission for a longer distance in the VLC system was presented by Y. Wang etal. [25J. The authors demonstrated a VLC system based on RGB LEDs. which allowed obtaining data rates up lo 4.5 Gbil/s and a BER

O O

Kl

s

o

o o

e

o

I-1

o

§

.2

Fig. 2. Visible light communication system based on RGB LEDs.

of the order of 3,8 TO"3 at a distance of more than 1.5 m. This data rate was obtained by CAP modulation scheme combined with recursive least square based adaptive equalization.

4. VLC SYSTEMS COMPATIBLE WITH IEEE S02.ll PROTOCOL

The inception of VLC systems into the existing infrastructure is costly due lo ihe different set of architectures and data transfer protocols. Therefore, in the early stages of the growth of the VLC market, solutions as compatible as possible with current data transmission systems are needed. At the moment, the most common family of standards governing wireless networks is the IEEE 802.11. In Refs. [26-28], a duplex VLC system based oil white phosphor LEDs and compatible with existing Ethernet networks was presented. The transmitter was based on a Wi-Fi modem with output signal adapted to modulate LEDs, that made it possible to connect the system to the Internet without additional interfaces. According to calculations, (he expected data transfer rate should have been up to 100 Mbit/s at a distance of up to 4 meters between the transmitter and receiver, however, due to the effect of additive white Gaussian noise on the communication channel, the speed was 40 Mbit/s at Ihis distance,

A similar system, but based on RGB LEDs, was presented in Refs. [29-3 1]. An Internet connection speed of 65 Mbit/s at a distance of 2 m between the transmitter and receiver, and 42 Mbit/s at a distance of 4 m was demonstrated, Moreover, the use of RGB LEDs as a source of radiation allows to control the color of lighting within the Human Centric Lighting concept. This concept proposes to introduce adaptive artificial lighting, which will change

color in accordancc willi the change in color during daylight hours of a natural lighting — the Sun. Such an adaptive change in lighting can favorably affect the productivity and overall well-being of consumere [32,331.

5. CONCLUSION

Developing visible light transmission technology can solve several existing problems inherenl in radio frequency wireless networks. VLC systems do not require licensing of the broadcasting frequency range, data transmission has a high security level due to the fact that it is limited to direct visibility between the transmitter and receiver and allows to combine the functions of lighting and data transmission in one device, which will improve energy efficiency and ergonomics of household devices.

Li-Hi technologies has high noise immunity, intersymbol interference and interference between subcarriers, and the review shows that data transmission over visible light can provide users with high-speed Internet access at data rates of the order of several Gbit/s, and the increasing use of RGB LliDs for development of such systems will improve the quality of lighting within the concept of Human Ccntric Lighting.

The application of VLC technology is becoming relevant due to the intensive development of the loT, which requires the presence ofbroadband communication channels that will not interfere with each other. Taking into consideration the small information volumes from IoT devices, Li-Fi is becoming the most appropriate way to transfer information between IoT devices.

REFERENCES

[1] H. Haas, L, Yin, Y. Wang, C. Chen, What is lift? Journal of Lightwave Technology, 2015, vol. 34, no. ft, pp. 15331544.

[2] A. Sarkar, S, Agarwal. A. Nath, Li-Fi technology: data transmission through visible tight. International Journal of Advance Research in Computer Science and Management Studies, 2015, vol. 3,no. 6, pp. 1 12.

[3] D. Tsoncv, S. Videv, H. Haas, Light fidelity (Li-Fi): towards all-optical networking, Proceedings of SPIE, 2014, vol. 9007, art. no. 900702.

[4] Y. Wang, H. Haas, Dynamic load balancing with handover in hybrid Li-Fi and Wi-Fi networks. Journal of Lightwave Technology, 2015, vol. 33, no, 22, pp. 4ft71—4682.

[5] H. Haas, LiFi is a paradigm-shifting *', technology, Reviews in Physics, 2018, vol. 3, pp. 26-31.

[6] H. Lc Minh, D. O'Brien, G, Faulkner, L. Zeng, K. Lee, D. Jung, Y. Ob, 80 Mhit/s visible tight communications using pre-equalized white LED, in: 2008 34th European Conference on Optical Communication, IEEE, 2008.

[7] Y. Wang, Y. Wang, N. Chi, J, Yu, H. Shatig, Demonstration of575-Mb/s downlink and 225-Mb/s uplink hi-directional SCM-WDM visible light communication using

RGB LED and phosphor-based LED, Optics Express, 2013, vol. 21, no. 1, pp. 1203-1208.

[8] H. Chun, S. Rajbhandari, G. Faulkner. D. Tsoncv, E, Xic, J.J.D. McKendrv, R. Gu, M.D. Dawson, D C, O'Brien, H. Haas, LED based wavelength division multiplexed 10 Gb/s visible light communications, Journal of Lightwave Technology, 2016, vol. 34, no. 13, pp. 3047-3052.

19] T. Komine, M. Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights, IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2004, vol. 50, no. 1, pp. 100-107.

110] F. Cho, J.II Choi, C. Park, M Kang, S, Shin, Z. Ghassemlooy, C.G. Lee, NRZ-OOK signaling with LED dimming for visible light communication link, in 2011 16th European Conference on Networks and Optical Communications, 11:1:1:. 2011, pp. 32—35.

[1 1 ] Y. Zhao, J. Vongkulbhisal, Design of visible light communication receiver for on-off keying modulation by adaptive minimum-voltage cancelation. Engineering Journal, 2013, vol. 17, no. 4. pp. 125-130.

[12] C Lee, C. Shell, H.M. Oubei, M. Cantore. B. Janjua, T.K. Ng, R.M. Farrel, M.M. El-Dcsouki, J.S. Speck, S. Naka-mura, B.S. Ooi, S,P. DenBaars, 2 Gbit/s data transmission from an unfiltered laser-hased phosphor-converted white lighting communication system, Optics Express, 2015, vol. 23, no. 23, pp. 29779-29787.

[13] 0. Watig, Z, Wang, L. Dai, Asymmetrical hybrid optical OFDM for visible light communications with dimming control, IEEE Photonics Technology Letters, 2015, vol. 27, no. 9, pp. 974-977.

[14] T. Komine, S. Harayama, M, Nakagawa, Performance evaluation of narrowband OFDM on integrated system of power line communication and visible light wireless communication, in: 2006 1st International Symposium on Wireless Pervasive Computing, IEEE, 2006.

[15] M.Z. Afgani, 11. Haas, II. Elgala, D. Knipp, Visible light communication using OFDM, in: 2nd International Conference on Testbeds and Research Infrastructures for the Development of Networks and Communities, IEEE, 2006.

[16] Y. Tanaka, T. Komine, S. Haruyama, VI. Nakagawa, Indoor visible communication utilizing plural white LEDs us lighting, in: 12th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, IEEE, 2001, pp. F-8 l-F-85.

[17] S.D. Dissanayake, K. Panla, J. Armstrong, A novel technique to simultaneously transmit ACO-OFDM and DCO-OFDM in IM/DD systems, in: 2011 IEEE GLOBECOM Workshops (GC Wkshps), IEEE. 2011, pp. 782-7S6.

[18] D.W. Dawoud, F. Heliot, M.A. lmran, R. Tafazolli. A novel unipolar transmission scheme for visible light communication, IEEE Transactions on Communications, 2019, vol. 68, no. 4, pp. 2426-2437.

[19] H. Elgala, T.D. Little, Reverse polarity optical-OFDM (RPO-OFDM): dimming compatible OFDM for gigabit VLC links. Optics Express, 2013, vol. 21, no. 20. pp. 24288-24299.

[20] F.M. Wu, C.T. Lin, C.C. Wei, C.W. Chen, H.T. Huang. C.H. Ho, 1. I-Gb/s white-LED-based visible Hght communication employing carrier-less amplitude and phase modulation, IEEE Photonics Technology Letters, 2012, vol. 24, no. 19, pp. 1730 1732.

[21] C. Kottke,J, I lilt, K. Mabel, J.Vucic, K.D, Langer, 1.25 Gbit/s visible light WDM link based on DMT

66

D.S. Shiryaev, K.R. Razzhivina, LS. Polukhin, V.E. Bougrov

modulation of a single RGB LED luminary, in: European Conference and Exhibition on Optical Communication, OSA Technical Digest (online), Optica Publismg [28] Group, 2012, art. no. We.3.B.4.

[22] G. Cossu, A.M. Khalid. P. Choudhury, R. Corsini, E. Ciaramella, 2.1 Gbit/s visible optical wireless transmission . in: European Confcrcncc and Exhibition on Optical Communication, OSA Technical Digest (online). Optica Publising Group, 2012, art. no. P4.16. [29]

[23] G. Cossu, A.M. Khalid, P. Choudhury, R. Corsini, E. Ciaramella, 3.4 Gbit/s visible optical wireless transmission based on RGB l.ED, Optics F.xpress, 2012, vol. 20, no. 26, pp. B50I-B5Q6.

[24] B. Janjua, H.M. Oubei, J.K.D. Retamal, TX Ng, C.T. [30] Tsai, H.Y. Wang, Y.C. Chi, H.C. Kuo, G.R. Lin, J.H. He,

B.S. Ooi, Going beyond 4 Gbit/s data rate by employing RGB laser diodes for visible light communication. Optics Express, 2015, vol. 23, no. 14, pp. 18746-18753.

[25] Y, Wang, X. Huang, L. Tao. J. Shi, N. Chi, 4.5-Gb/s RGB-I.ED based WDM visible light communication stem employing CAP modulation and RLS based adaptive equalization. Optics Express, 2015, vol. 23, no. 10, [31] pp. 13626-13633.

[26J O.A. Kozyieva, I.S, Poluk.liin, D.S. Shiryaev, S.A. Shcheglov, A.l. Borodkin, E.Z. Gareev, D.V. Kondakov, Y.A. Matvccv, M.A. Odnoblyudov, V.E. Bougrov, Wireless local data transmission network through LED light- [32] ing compatible with IEEE 802.11 protocol communication systems, in: Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1236, no. 1, art. no. 012085.

[27] Z. Zenji, M.D, So Ham, Y, Wang, X, Wu, H. Haas, Real- [33] istic indoor hybrid WiFi and QFDMA-based LiFi

networks, IEEE Transactions on Communications, 2020, vol. 68.no. 5, pp. 2978-2991.

M.D Sollani, M.A. Arfaoui, 1. Tavakkolnia, A. Ghraycb, M. Safari, C.M. Assi, M.O. i lasna, H. 1 laas, Bidirectional optical spatial modulation for mobile users: Toward a practicald*■;;.'.' for LiFi systems, IEEE Juurnal on Selected Areas in Communications, 2019, vol. 37, no. 9.

pp. um-um.

D.S. Shiryaev, O.A. Kozyreva, IS. Polukhin, S.A. Shchcglov, S.A. Degtiareva, M.A. Odnoblyudov, V.E. Bougrov, The Intellectual Lighting und Dula Transmission System based on RGBW Light Emitting Diodes, Light & Engineering, 2021, vol. 29, no. I, pp. 63-68. D.S. Shiryaev, O.A. Kozyreva, I.S. Polukhin, A.l. Bo-rodkm. M.A. Odnoblyudov, V.E. Bougrov. Visible Light Communication System with Changing lighting Color, in: International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies, Springer Proceedings in Physics, vol, 255, cd. by E. Vclichko. M. Vinnichenko, V. Kapralova, Y. Koucheryavy, Springer, Cham, 2021, pp-213-221.

L. Grobe, A. Paraskevopoulos, J. Hilt, D. Schulz, F. Lassak, F. Harllieb, C. Kotlke, V. Jungnickel, K-D. Langer, High-speed visible tight communication systems, IEEE Communications Magazine, vol. 51, no. 12, pp. 60-66.

M.G. Figueiro. M.S. Rea, The effects of red and blue tights on circadian variations in Cortisol, alpha amylase, and melatonin, International Journal of Endocrino logy, 2010, vol. 2010, art. no. 829351.

J. Randall, Real-time lighting system for large group interaction, SB Thesis, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, 2002, pp. 1-12.

УДК 621.391.63

Связь в видимом диапазоне длин волн: краткий обзор

Д.С. Ширяев, К.Р. Разживина, И.С. Полухин, В.Е, Бугров

Институт перспективных систем передачи данных. Университет ИТМО, Кронверкский пр., 49, лит. А, Санкт-Петербург

197101, Россия

Аппотаиня. Короткий обзор посвящен такой развивающейся технология, как связь по видимому диапазону длин волн. С ростом количества передаваемой информации между пользователями связь по видимому свету становится все более актуальном отщией организации ка El ало в передачи информации благодаря отсутствию необходимости лицензировать частотный диапазон вещания, высокой емкостью канала связи, высокой помехоустойчивости, высокой защищенности канала связи. В работе представлены различные системы передачи данных па основе белых люминофор пых еветодиодов и RGB свстодиодов, которые используют различные схемы модуляции и обработки сигнала для повышения скорости передачи информации.

Ключевые слова: связь в видимом диапазоне длин волн (VLC); оптическая беспроводная связь {OWC); free space optics (FSO); OFDM, QAM модуляция; Li-Fi

Rev. Adv. Mater. Technol., 2023, vol. 5, no. 1, pp. 10-15

DOl: 10.17586/2687-0568-2023-5-1 -10-15

This article was presented at the Lll Scientific and Educational Conference of ITMO University, January 31 - February 03, 2023. St. Petersburg, Russia

Near-Infrared Optical Transmitting Module for Service Channel of Atmospheric Quantum Communication Line

A.A. Kundius*, K.R. Ra/zhivina, D.S. Shiryaev, I.S. Polukhin, V.E. Bougrov

Institute of Advanced Data Transfer Systems, ITMO University. Kronverkskiy pr.. 49, lit. A, St. Petersburg, 197101, Russia

Article history

Abstract

Received March 03. 2023 Received in revised form March 23, 2023 Accepted March 24, 2023 Available online March 30, 2023

This work presents an optical transmitting module operating in the near-infrared wavelength range for the organization of a wireless service channel in an atmospheric optical quantum communication channel. The main characteristics were measured to demonstrate the functionality of the module and to assess the quality of the transmitted signal, such as the values of the error vector magnitude and the eye diagram opening level. It was determined that the transmitting module can operate at symbol rates up to 5 GBaud. In addition, the optimal signal modulation parameters were found and the possible bit rate of data transmission in the atmospheric optical communication channel was estimated: a QPSK-modulated signal with a carrier frequency of 80 MHz and a symbol rate of 50 MBaud allowed to get a bit rate of 100 Mbit/s w ith an EVM value of 14%.

Keywords: Atmospheric communication channcl; Quantum communication; Signal modulation; Optical wireless communication

I. INTRODUCTION

One of the perspective optical communication channels is atmospheric channel, which has several advantages, for example, high noise immunity, since the emission of the optical range is practically not affected by radio disturbances. In addition, atmospheric optical communication lines relieve the radio frequency band, thereby solving the problem of saving radio frequency resources [ I ]. Moreover, one of the important advantages of atmospheric optical communication lines is the security of data transmission, as it is difficult to read or intercept the signal unnoticed [2]. Therefore, such communication lines arc used to solve specific problems where it is not always possible to apply fiber-optic communication lines, for example, in quantum communications [3].

Quantum communication is a technology that allows to encode and transmit data in quantum states of photons. Quantum communication systems contain three channels; quantum channel, synchronization channel, and service channel [4,5J. The quantum channel transmits the encrypted key, the synchronization channel synchronizes the transmitting and receiving modules of the quantum communication system, and the service channel transmits data.

Atmospheric quantum communication lines are the object of several research. For example, in 2014, the transmission of quantum bit sequences in urban environments over distances of up to 210 m via an atmospheric communication channcl was studied inside the model hall of the Venetian Lagoon, which is in the Padua region [6]. And in 2017, quantum key distribution was demonstrated over 53 km for satellite communications. The experiment was executed with an operating wavelength of 1550 nm and single-photon detectors with an ultra-low noise level, which made it possible to overcome the noise from sunlight [7]. However, in all of the above experiments service channel was implemented using wired fiber-optic networks. which arc not available everywhere. Therefore, the task of a service channel implementation in quantum communication systems using atmospheric optical communication lines is relevant.

This paper presents an optical transmitting module operating in the near-infrared wavelength range for the organization of a wireless service channel in an atmospheric optical quantum communication system. The module was developed for the XI All-Russian scientific and technical conference "Electronics and microwave microelectronics" [8]. The following tasks were set to show the functionality of the module:

"Corresponding author: A.A. Kundius, e-mail: kundius7!« gmail.com © ITMO University, 2023

12

A.A. Kundius, K.R. Razzhivina, D.S. Shiryaev, LS. Polukhin, V.E. Bougrov

Constant voltage source

Arbiii

Constant voltage source

Differential Information signal Personal Computer

V

¡¡Configuration settings

Fig. 3. Measurement setup.

influence of external noise on the signal coming to the receiving module. To increase the power density of the emission coming to the photodiodes, LAI576 converging lenses by Thorlabs are used. The operating bandwidth of photodiodes can be estimated using the following cxprcs-

hir ~

2 it R, C

L j

where R, is the load resistance equal to 50 Ohm, C. is the photodiode capacitance equal to 10 pF. After the calculations, the value of the photodiode's operating bandwidth is about 300 MHz.

This receiving module reduces the transmission speed due to a bandpass filter in it, however, the lack of alternative receivers and element base for their production leads us to the choice of the considered receiving module. In further studies it is planned to develop a receiving module based on avalanche photodiodes with a bandpass filter of higher bandwidth.

Before measuring the main parameters to assess the quality of the transmitted signal over the atmospheric communication channel, the performance of the transmitting module was checked. For this purpose, the module was connected directly to an oscilloscope to measure eye diagrams at various symbol rates. The modulation amplitude was 35 mA. The obtained data are presented in the Results section.

Measurements of the main parameters for assessing the quality of the transmitted signal over the atmospheric communication channel were carried out using the experimental measurement schcme shown in Fig. 3. The differential information signal with a given modulation and pseudorandom binary sequence (PRBS) is sent to the transmitting module from an arbitrary waveform generator Keysight M8195A. Configuration settings are transmitted to the microcontroller of the transmitting module

from a personal computer. After that, the signal is transmitted via the atmospheric channci to the rccciving module, from where it enters the oscilloscope Keysight UXR0204A. The transmitting and receiving modules are powered from constant voltage sources Keysight N6715C. The eye diagrams were measured at distances of 7,45, and 85.5 cm from the sourcc. The EVM values were measured at 45 cm between source and receiver. The choice of these distances is due to the fact that under laboratory conditions it was not possible to carry out measurements at large distances.

3. RESULTS

The eye diagram opening level was measured using the transmitting module conncctcd directly to the oscilloscope. The step of symbol rate change in the measurement of the eye diagram was 0.1 GBaud. The resulting eye diagrams are shown in Fig. 4. It was determined that the transmitting module can operate at symbol rates up to 5 GBaud. After that, an optical wireless communication channci was organized using both transmitting and receiving modules for further research.

Fig. 5 shows the results of measuring the eye diagram opening level depending on the symbol rate at various

lmoo= 35 mA

Symb. rate = 0.1 GBaud

Symbol rate step: 0.1 GBaud

Lod= 35 mA Symb. rate = 4.7 GBaud

Fij>. 4. The result of measuring the eye diagrams when checking the performance of the transmitting module.

14 A.A. Kundius, K.R. Razzhivina, D.S. Shiryae\>, I.S. Polukhin, V.E. Bougrov

The measurements were carried out for the following carrier frequency ranges:

• 60 MHz to 100 MHz for 8-PSK modulation;

• 60 MHz to 160 MHz for QPSK and BPSK modulations.

The range of symbol rates was from 20 to 60 MBaud for all modulations.

From the obtained results, it follows that with ati increase in Ihe symbol rate and carrier frequency, Ihe quality of the signal constellations deteriorates, which leads to an increase in (he EVM values. The increase in EVM values at high carricr frequencies is explained by the receiving module limitation in bandwidth at a frcqucncy of about 120 MH/ as a bandpass filler is used in it. In addition, the obtained results can be affected by external noises. The main noise effect on the service communication channel is "white noise", which causcs a scatter of points on the signal constellation diagram around the true signal values. However, from the obtained results, it is possible to determine the optimal zones with a minimum number of errors in the channel, which can be implemented using these transmitting and receiving modules. For example, a QPSK-modulated signal with a carrier frequency of 80 MHz and a symbol rate of 50 MBaud allows to get a bit rate of 100 Mbit/» with an EVM value of 14%. This bit rate is sufficient to organize a service channel in a quantum communications system.

4. CONCLUSION

In this work, near-in flared optical transmitting module for service channel of atmospheric quantum communication line was presented. The values of the error vcctor magnitude and the eye diagram opening level were measured to assess the quality of the transmitted signal. It has been found that the transmitting module is capable of operating at symbol rates up to 5 UBaud, In addition, it was determined that in laboratory conditions with the use of the described receiving module, the optimal distance lor data transmission was approximately 0.5 meters, and the optimal modulation parameters were QPSK modulation with a carrier frequency of 80 MHz and a symbol rate of 50 MBaud. An increase in working distances can be achieved by using avalanche photodiodes in the receiving

module, which is planned in further studies. Increase in transmission rates can be achieved by using a bandpass filter of higher frequency in the rccciving module.

REFERENCES

[1] S.V. Polyanskiy, A.N. Ignatov, Defining the distance of atmospheric link with necessary readiness factor for Novosibirsk, The Herald of the Siberian State University of Telecommunications and Informatics, 2009, vol. 4, pp. 73-82 (in Russian),

[2] E.M. Scil::". AH-yveatker atmospheric optical communication line, Proceedings of the International Symposium "Reliability and Quality", 2013, vol. 2, pp. 189- 190 (in Russian).

[3] l.Z. Latypov, DO. Akat'ev, V.V, Chistyakov, M A. Fadeev, A.K.. Khalturinsky, S.M. Kynev, V.I. Hgorov, A.V. Gleim, Atmosphere channel for "last mile problem " in quantum communication, EPJ Web Conf., 2019, vol.220, art. no. 01006.

[4] A.V. Gleim, V.l. Egorov, Yu.V. Nazarov, S.V. Smimov, V.V. Chistyakov, O.I. Bannik, A .A. Anisimov, S.M. Kynev, A.E. Ivanova, R.J, Collins, S.A. Kozlov. G.S. Buller, Secure polarization-independent suhcarrier quantum key distribution in optical fiber channel using BBS4 protocol with a strong reference, Opt. Express, 2016, vol. 24, no, 3, pp. 2619-2633,

[51 Z. Sun, R. Qi, Z. Lin, L Yin, G Long, J. Lu, Design Implementation of a Practical Quantum Secure Direct Communication System, 2018 IEEE Globeeom Workshops (GC Wkshps), Abu Dhabi, United Arab Emirates, 2018.

[6] G. Vallone, V. DhAmbrosio, A. Sponselli, S. Slussarenko, L. Marrueci, F. Seiairino, P. Villoresi, Free-Space Quantum Key Distribution by Rotation-Invariant Twisted Photons, Phys. Rev. Lett., 2014, vol. 113, no. 6, art. no. 060503.

[7] S.-K. Liao, H.-L. Yong, C. Lin, G.-L. Shentu. D.-D. Li, J. Lin, H. Dai, S.-Q. Zhao, B. Li, J.-Y. Guan, W. Chen, Y.-H. Gong, Y, Li, Z.-H. Lin. G.-S. Pail, J.S. Pclc. M.M. Fejer. W.-Z. Zhang, W.-Y. Liu, J Yin, J.-G. Ren, X.-B. Wang, Q. Zhang, C.-Z. Peng, J.-W. Pan, Long-distance free-space quantum key distribution in daylight towards inter-satellite communication, Nature Photon.. 2017, vol. 11, pp. 509-513.

[8] K.R. Razzhivina, A.A. Kundius, D.S. Shiryaev, I.S. Polukhin, Optical transmitting module of the near infrared range for the atmospheric channel of quantum communications, Collection of articles of the X[ All-Russian Scientific and Technical Conference "Electronics and Microelectronics Microwave", 2022, pp. 536-540 (in Russian).

Near-Infrared Optical Transmitting Module for Service Channel of Atmospheric Quantum Communication Line 15

УДК 621.391.64

Оптический передающий модуль ближнего инфракрасного диапазона для служебного канала атмосферной квантовой линии

связи

А.А. Кундиус, К.Р. Разживина, Д.С. Ширяев, И.С. Полухин, В.Е. Бугров

Институт перспективных систем передачи данных, Университет ИТМО, Кронверкский пр., 49. лит. А, Санкт-Петербург,

197101, Россия

Аннотации. В данной работе представлен оптический передающий модуль, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, для организации беспроводного служебного канала в атмосферном оптическом квантовом канале связи. Для демонстрации работоспособности модуля и оценки качества передаваемого сигнала были измерены основные характеристики, такие как значения амплитуды вектора ошибки и степень открытия глазковой диаграммы. Было определено, что передающий модуль может работать с символьными скоростями до 5 ГБод. Кроме этого, были определены оптимальные параметры модуляции и оценена возможная скорость передачи данных по атмосферному оптическому каналу связи: (ЭРвК-модулированный сигнал с несущей частотой 80 МГц и символьной скоростью 50 МБод позволяет получить скорость передачи данных 100 Мбит/с с значением амплитуды вектора ошибки ЕУМ 14%.

Ключевые слова: атмосферный канал связи; квантовая коммуникация; модуляция сигнала; оптическая беспроводная связь