La tecnología de comunicaciones ópticas inalámbricas, por luz visible VLC (Visible Light Communication) también denominada Li-Fi  (según The Economist de Enero del 2012 se trata de una versión óptica barata y más rápida de Wi-Fi) utiliza la porción de luz visible del espectro de frecuencias electromagnético para transmitir datos tanto de forma uni-direccional como bi-direccional entre todo tipo de dispositivos de computación móviles (smartphone, tablet, PC portátil, etc.) o entre dispositivos fijos (servidor de sobremesa) y entre un dispositivo móvil y uno fijo como una luminaria de una oficina y un computador. Según el Expert Advisory Group and Steering Board Members of the NetWorks Technology Platform la tecnología VLC es una de las ocho nuevas tecnologías donde se enfocará la investigación en los próximos años. Así mismo, VLC es para la publicación TIME Magazine uno de los mejores cincuenta mejores inventos del año 2011. VLC permite establecer canales dedicados y comunicaciones simplex, half-duplex y full-duplex. Un sistema VLC puede transmitir señales digitales controlando la repetición ON/OFF de un dispositivo generador de luz como un LED (Light Emitted Diode de estado sólido) o tecnología emergente como OLED (Organic Light Emitted Diode flexible utilizada en HDTV y smartphones) o el color-frecuencia de la luz transmitida, sin que el ojo humano lo perciba.

La tecnología LED evoluciona en tres categorías: (i) LED de fósforo. Se pueden alcanzar velocidades de hasta cuarenta Mbps. (ii) LED-RGB. Se pueden alcanzar velocidades de hasta cien Mbps. (iii) RCLED o LED de cavidad resonante. Se pueden alcanzar velocidades de hasta quinientas Mbps. En VLC el canal de luz visible se define por diferentes longitudes de onda que van aproximadamente de 375 nanómetros (color violeta) a 750 nanómetros (color rojo) o bien por el intervalo de frecuencias que va aproximadamente desde 400 THz. (color rojo) a 800 THz. (color violeta). La tecnología VLC es una categoría de las tecnologías OWC (Optical Wireless Communications) que incluye además a la tecnología IR (InfraRed) y a la tecnología UV (Ultra Violet).

Caracterización. Propiedades. Aplicaciones
Según un informe de la empresa Cisco VNI del 2011, la demanda del usuario medida en exabytes/mes está creciendo más rápidamente que se gana en eficiencia espectral, es decir se cree que la demanda del usuario crecerá en un 32% en el período de tiempo del 2010 al 2015, mientras que la eficiencia espectral sólo un 12% en ese mismo período de tiempo, así mismo, Cisco señala que el CAGR (Compound Annual Growth Rate) del uso de los datos móviles por mes está en torno al 80%, así mismo para el año 2015 el tráfico de los dispositivos inalámbricos se espera que supere al tráfico de los dispositivos basados en cableado, el video móvil se espera que sea el tráfico principal de Internet en los próximos años. Estos incrementos en el tráfico de red exigen cambios radicales en la forma de concebir las comunicaciones inalámbricas. La tecnología VLC se presenta como una alternativa a tener en cuenta frente a las tecnologías de RF como Wi-Fi/WLAN (IEEE 802.11a+b+g (x1), IEEE 802.11n (x10), IEEE 802.11ac (x200)), GPRS, WCDMA, HSDPA/HSUPA, HSPA, LTE, etc.

La tecnología VLC/Li-Fi, que data de comienzos del siglo XXI, permite transmitir datos a través de la iluminación visible enviando los datos a través de luces LED que varían la intensidad más rápido que el ojo humano puede seguir. Uno de los elementos de esta tecnología es la nueva generación de LEDs de elevado brillo. Es posible codificar datos en la luz variando la tasa a la que el LED parpadea de ON a OFF para dar diferentes cadenas de unos y de ceros binarios. La intensidad del LED se modula tan rápido que el ojo humano no lo percibe. Ya se han alcanzado velocidades de 500 Mbps (Siemens 2010).

Las principales propiedades de la tecnología VLC son: (1) Es de tipo LOS (Line Of Sight). En principio emisor y receptor deben estar alineados. (2) Permite alta densidad de comunicaciones inalámbricas. Permite reutilizar el espacio. (3) Es una tecnología libre, su espectro no esta sujeto a licencias. (4) No se ve afectado por el ruido de radio frecuencia o RF. (5) No afecta ni da problemas a la salud de las personas cosa que si produce las emisiones RF sobre todo las de elevada tasa de voltios dividido entre metro (V/m). (6) Utiliza luz y nuestra sociedad esa inundada por luz por todas partes. (7) Permite posicionamiento indoor y geo-localización en interiores. (8) Utiliza FSO (Free Space Optics). (9) Los datos pueden estar presentes donde haya luz. (10) La luz puede transmitirse debajo del agua. (11) La luz no penetra paredes, las señales de RF sí, por tanto, esto mitiga posibles escuchas clandestinas, no obstante puede ser interceptada y capturada por reflejos. (12) La luz no se ve afectada por interferencias electromagnéticas RF, ni por inhibidores de RF, en cambio las transmisiones basadas en señales RF pueden inhabilitarse utilizando dichos dispositivos, imposibilitando por ejemplo hablar por móvil en las cercanías de estos dispositivos.

Entidades implicadas en VLC. Áreas de aplicación
Actualmente existe un extenso y variado ecosistema de desarrolladores de tecnologías VLC como: Consorcio LiFi, IEEE 802.15.7 (la especificación IEEE 802.15.7 define un canal de siete colores para la capa física (L1) en VLC. Este estándar en evolución permite esquemas de modulación como OOK/VPPM y CSK), VLC Ltd, Intel, Sansung, ETRI, VLCC (Visible Light Communication Consortium. Formado por Casio, Toshiba, Sony, NEC, Sharp, NTT, etc.), Siemens, ByteLight, LVX System, Philips, IBSEMtelecom, MIT, JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association), UCR, etc. A nivel Europeo se destacan las actividades en VLC en el Proyecto  OMEGA.

El campo de aplicaciones en VLC crece de forma significativa, por ejemplo: (1) Servicios de localización en interiores/indoor, es decir geo-localización, LBS (Location-Based-Services). Permiten la navegación y el seguimiento de entidades (personas, animales, máquinas, objetos) dentro de edificios donde el GPS no es posible. En hospitales, almacenes, oficinas, etc. donde cada día la penetración del LED es mayor. (2) Comunicaciones de alta densidad. Permite ayudar al espectro Wi-Fi proporcionando ancho de banda adicional en entornos donde las bandas de comunicaciones no licenciadas y/o licenciadas se encuentran congestionadas. Por ejemplo en centros de convenciones, vestíbulos de palacios de conferencias, aeropuertos, playas, trasportes, estadios deportivos, etc. (3) Luces LED controlables (casinos, hoteles, estadios, rascacielos de oficinas, etc.). (4) Redes domésticas inteligentes. Permiten disponer de luces domésticas/industriales para comunicaciones inalámbricas incluyendo acceso a Internet y media streaming. (5) Aviación comercial. Posibilita las comunicaciones de datos inalámbricos para comunicación personal y entretenimientos y juegos en vuelo. (6) Comunicaciones submarinas. A nivel de buzos, submarinos, etc. (7) Entornos peligrosos. Permite las comunicaciones en entornos peligrosos como minas, instalaciones con gas, petroquímica, explosivos, etc. (8) Hospitales y centro de salud. Permite la movilidad y las comunicaciones entre enfermos no afecta a la salud. (9) Aplicaciones militares y de defensa. Permite comunicaciones inalámbricas de alta velocidad dentro de vehículos militares y campos de batalla. (10) Comunicaciones donde WiFi puede presentar riesgos de fuga de datos a través de paredes. (11) Pueden identificarse tres grandes mercados: acceso y redes inalámbricas, eficiencia energética en luces y control de alumbrado inteligente. VLC permite todo tipo de aplicaciones móviles, WSN, realidad aumentada, aplicaciones de interior, redes de juguetes en escenarios móviles, comunicaciones M2M, aplicación en AmI y ciudades inteligentes.

Componentes de la tecnología
Básicamente en una transmisión VLC nos encontramos con dos componentes fundamentales:
(1) Unidad transmisora. Genera luz utilizando diversos tipos de LED para emitir luz visible modulada por los datos que se desean transmitir de forma unidireccional/simplex, bidireccional HDX o FDX. Algunos métodos-esquemas de modulación son: (i) VPPM (Variable Pulse Position Modulation). Similar al PPM pero permite controlar la anchura del impulso para soportar la bajada de la luz. (ii) SM (Spatial Modulation). Permiten determinar la fuente de una señal óptica. Si se puede determinar su fuente puede utilizar múltiples fuentes de información para transportar múltiples flujos de datos independientes (uno de cada fuente) o se puede emplear la fuente de la señal como parte de la propia codificación de la información. Varias fuentes pueden ser varios LEDs dentro de un único dispositivo o luminaria. (iii) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Utiliza un conjunto de sub-portadoras cada una en diferentes frecuencias pero armónicamente relacionadas. Presenta una buena eficiencia espectral pero es algo complejo de implementar. (iv) PWM (Pulse Width Modulation). Permite transportar la información codificada en la duración de los impulsos. Se pueden transportar más de un bit de datos en cada impulso, pero pueden ser necesarios mayores las longitudes de los impulsos que para OOK, de modo que no presenta grandes ventajas. Es fácil de implementar. (v) CSK (Colour Shift Keying). Se utiliza en sistemas que emplean LED-RGB. Combinando los diferentes colores de la luz, los datos de salida se pueden transportar por medio del color en sí, de modo que la intensidad de la salida puede ser constante. Su implementación es compleja. (vi) PPM (Pulse Position Modulation). Los datos se codifican utilizando la posición del impulso dentro de una trama. Se pueden enviar más de un bit en cada impulso, sin embargo la duración de la trama debe ser mayor que para un único bit OOK, de modo que no necesariamente es más eficiente. En cada trama se contiene la misma cantidad de energía óptica. (vii) OOK (On-Off Keying). Los datos se generan encendiendo y apagando el LED. El uno lógico se consigue poniendo el LED  a ON y un cero lógico se obtiene poniendo en OFF el LED. Es simple de implantar pero no es óptimo en lo relativo a control de iluminación y caudal de datos. (viii) PAM (Pulse Amplitude Modulation). La información se transporta en la amplitud del impulso. PAM puede transportar más datos en cada impulso que OOK pero es más susceptible al ruido del canal óptico. Por ejemplo en la modulación 256-ASK cada elemento de señal transporta logaritmo en base dos de 256 cuyo resultado es 8 bits. (ix) Otros esquemas son 512-QAM (mezcla ASK en amplitud y PSK en fase), 1024-PSK, BFSK (Binary Frequency Shift Keying) en frecuencia, SS-kPPM (SubCarrier-Pulse Position Modulation) donde k es un número potencia de dos, por ejemplo dos o cuatro. Los datos se representan por presencia y ausencia de la onda de la portadora o carrier.
(2) Unidad receptora. Utilizan diversos elementos para demodular/decodificar la luz en datos recibidos, se utilizan foto-detectores como  fotodiodos, matrices CCD, fototransistores, etc. y mecanismos criptográficos-esteganográficos adecuados para desocultar los cifrados visibles y desocultar lo subliminar de los datos no observables/identificables.

Protección e las transmisiones VLC
Las transmisiones VLC se pueden alterar de forma maliciosa y para ello se deben proteger utilizando funciones criptográficas hash o firmas digitales ya que las funciones de detección de errores del tipo CRC/VR/LRC que son lineales son poco fiables para poder tratar las posibles manipulaciones no autorizadas de los mensajes enviados a través de la tecnología VLC. La esteganografía y la criptografía son dos técnicas de ocultación de información diferentes, que proporcionan cibersegridad y ciberprivacidad. Como la luz normal es multi-fotón podrían analizarse algunos fotones para descodificar los datos que transporte. Las técnicas esteganográficas permiten transmitir mensajes secretos/privados denominados esteganogramas en un canal VLC donde alguna otra clase de información pública ya se transmite. El objetivo de la esteganografía y la de los canales subliminares es ocultar físicamente los mensajes críticos dentro de otros medios digitales de forma que no se permita detectar la presencia de dichos mensajes secretos-privados. En cambio la criptografía sólo permite ocultar el significado de los contenidos de los mensajes secretos enviados de posibles entidades no autorizadas. En criptografía el mensaje cifrado o criptograma es visible aunque no se entienda. El ruido pueden ser datos cifrados y la cuestión es encontrar una clave que transforme el ruido en datos inteligibles sólo para las entidades legítimas autorizadas. La criptografía y esteganografía son diferentes a la hora de ocultar los datos transmitidos pero actualmente se utilizan para trabajar de forma conjunta. Las señales ópticas VLC no penetran paredes lo cual previene posibles escuches clandestinas a diferencia por ejemplo de las señales de RF a 2,4 GHz. Las señales de RF a la misma frecuencia pueden interferir entre sí y el ancho de banda limitarse por contención, en cambio en VLC se pueden utilizar multi-LED para ganar en ancho de banda. En VLC aparece interferencia como ruido (ninguna señal se cancela) en relación al fading multicamino. En VLC la redundancia de camino se consigue utilizando múltiples LEDs. La criptografía cuántica es clave en transmisiones mono-fotón.

Consideraciones finales
La tecnología emergente VLC parece ser una alternativa adecuada para combinarse con tecnologías basadas en transmisión vía RF y cableadas por cable de cobre (PLC vía líneas de electricidad, GigabitEthernet), fibra óptica. No obstante se deben integrar mecanismos de protección adecuados para mantener los riesgos en ciber-seguridad y ciber-privacidad acordes al tipo de aplicaciones desplegadas. Las luces de incandescencia, fluorescentes y halógenas no permiten modularse a velocidades tan elevadas como los LED.
Este artículo se enmarca en las actividades desarrolladas dentro de LEFIS-Thematic Network.

Autor:

Prof. Dr. Javier Areitio Bertolín – E.Mail: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
Catedrático de la Facultad de Ingeniería.
Director del Grupo de Investigación Redes y Sistemas. Universidad de Deusto

Bibliografía

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