Görünür Işığı Kullanarak Haberleşmek

Giga Herz bölgesinde kablosuz olarak haberleşebiliyorsak peki ya Terra Herz bölgesinde haberleşebilir miyiz?

Görünür Işığı Kullanarak Haberleşmek
VLC Verici ve Alıcılar

Bugüne kadar filmlerde vb. yerlerde mutlaka görmüş olduğumuz ve bir klişe olarak fener veya ayna ile ışığı yanısatarak yapılan o meşhur SOS işaretini hepimiz hatırlarız. SOS, 1900'lü yıllarda Alman hükümeti tarafından kullanılmaya başlanmış ve uluslararası mors alfabesince kodlanmış bir acil durum sinyalidir. O zamanların teknolojisinde acil durum sinyali gönderebileceğiniz gelişmiş elektronik cihazlardan eser yoktu. Varolanlar nadir cihazlar ise askeri amaçlarla kullanılıyordu. Mors alfabesi veya mors kodu, kısa ve uzun işaretler ve buna karşılık gelen ışık ve sesleri kullarak bilgi aktarılmasını sağlayan bir yöntem olarak Samuel Morse tarafından 1835 yılında oluşturulmuştu.

Mors alfabesindeki kısa ve uzun işaretlerin yerini günümüzde artık sayısal elektronik sistemlerin temeli olan 0 ve 1'ler aldı. Şöyle bir baktığımızda 1900'lü yıllarda fener kullanılarak gönderilen o uzun ve kısa işaretler aslında çok ilkel bir optik haberleşmeye örnektir. Günümüz elektronik çağında artık her bilginin bir sayısal karşılığı var ve bunlar biz farkında olmadan devamlı bir yerlerden bir yerlere kablosuz/kablolu olarak aktarılmakta. USB kullanarak bir bakır kablo üzerinden milyonlarca 1 ve 0'lardan oluşan bilgileri saniyeler içerisinde iletebiliyoruz. Aynı şekilde cep telefonlarımızdan uzaktaki bir cihaza milisaniyelik gecikmeler ile sesimizi iletebiliyoruz. Her ne kadar kablosuz bir haberleşme gerçekleşsede milisaniyelik gecikmeler uzun mesafelerde ciddi sorunlar oluşturabiliyor. Bir kablodaki elektrondan daha hızlı bir şey var ise o da radyo frekans dalgalarıdır. Ona rağmen hala gecikmeler yaşıyorsak anlıyoruz ki radyo frekans dalgaları da aslında o kadar hızlı değillermiş.

Evrendeki hız sınırını belirleyen ışık hızından daha hızlı bir şey yok ise peki neden o zaman ışığı kullanmıyoruz? Kulağa çok mantıklı geliyor değil mi?

Aslında ışığı kullandık ve hala daha kullanıyoruz fakat insan gözü bunu farkedemiyor. Çünkü bir insanın görme eşiği yaklaşık 400nm ile 700nm arasındadır. 400nm altındaki UV dalgalara güneşli günlerde epey maruz kalsakta gözümüz o dalgaboyundaki bir ışığı algılayamıyor. Ya da her gün o televizyondaki kanalları değiştirirken kullandığımız kumandalar her ne kadar görmesekte 700nm üzerindeki IR bölgesinde bir ışık ile iletim gerçekleştiriyor. Eğer hala kumandanın kızıl ötesi vericisini bir telefon kamerasından gözlemlemediyseniz hemen deneyin derim :)

Bu kızıl ötesi ışınları kameranın görüntüleyebilmesinin sebebi, hem kızıl ötesi LED'in hem de kameranın sensörünün katkılanmış silisyum kristallerinden üretilmiş olmasıdır. Pratikte ikisi de nanometreler düzeyinde p-tipi ve n-tipi katkılanmış silisyum eklemlerinden oluşur. Bu sayede kumandadaki kızıl ötesi LED'in akım geçirdiğinde çevreye saçtığı fotonlar kamera sensöründeki silisyum üzerine düştüğünde sensördeki eklemlerde ufak gerilimler oluşturur ve bu da kızıl ötesi ışınların kamera tarafından algılanmasını sağlar.

Şu ana kadar kullanılan sistemleri incelediğimizde radyo frekansından itibaren görünür ışık bölgesine kadar olan frekans bantları bir şekilde haberleşme sistemlerinde kullanılmıştır. Sonrasında görünür ışık bölgesi es geçilip kızıl ötesi bandından devam etmiştir.

Elektromanyetik SpektrumEğer elektromanyetik spektrumdaki buraya kadar olan kısımları haberleşmek, veri iletmek için kullanabiliyorsak kesinlikle görünür ışığıda kullanabiliyor olmamız gerek. Sayısal verileri yüksek frekanslarda On-Off Anahtarlaması yaparak sinyallerin 0 ve 1 olduklarını kısaca ışığın iletim esnasında kırpışma/titremelerini farketmeyecek bir şekilde alıcılara gönderebiliriz. Eğer bir ışık kaynağını yeterince hızlı (kesinlikle mekanik bir yöntem ile değil) açıp kapatırsanız gözünüz bunu sadece ışık yayıyor olarak algılayacaktır. Günümüz şebeke elektriği de benzer şekilde 50 Hz frekanslı bir sinüs dalgasından ibarettir ve eski akkor lambaları yaktığınızda onları sürekli yanıyor olarak görürsünüz oysaki şebeke elektriğinin sinüs oluşundan dolayı saniyede 100 defa sıfırdan geçen bir gerilim elbette lambayı da saniyede 100 defa söndürecektir. Her neyse o konuyu farklı bi yazıda ele alırız :)

 

 

 

En genel anlamıyla binary verileri serial olarak bir buffer üzerinden LED'e sürerek iletim ortamına aktarıp, sonrasında ise bir photodiode, photodetector veya fotona duyarlı silisyum kristallerini kullarak alıcı tarafta tekrardan elde edebiliriz. İletim ortamının iç mekan olması bu sistem için uygun olsa da gün ışında böyle bir sistemi kullanmak epey faydasız olurdu.  Hem de görünür ışık haberleşmesini devasa boyutlar etkileyecek güneş gibi bir gürültü kaynağı varken. Güneş ışınları alıcıda SNR oranını çok yüksek oranlarda düşürür ve algılanan sinyallerin anlamlandırılamamasına sebebiyet verir. O yüzden şu an için iç mekan görünür ışık haberleşmesi daha makul görülmektedir. İletimin daha verimli ve sağlıklı bir şekilde yapılması için IEEE, 802.15.7 protokolünde belirlediği modülasyon ve hat kodlama şemalarını yayınlamıştır. Temel olarak üç farklı fiziksel katman (PHY I, II ve III olmak üzere) için çeşitli modülasyon yöntemleri önermiştir. Bunlardan belli başlı modülasyon türleri OOK (On-Off Keying/Aç-Kapa Anahtarlaması), VPPM (Variable Pulse-Position Modulation/Değişken Darbe-Konum Modülasyonu) ve CSK (Colour Shift Keying/Renk Kaydırmalı Anahtarlama)'dır. PHY III üzerinde yüksek seviyeli CSK modülasyonu ile 96 Mbps hızına kadar veri iletimini desteklemektedir.

Haberleşme Şeması

Özetleyecek olursak 1900'lerde fener kullanılarak yapılan ilkelce yöntem günümüz teknolojisinde iç mekanlar için yüksek iletim hızları sağlayabilmektedir. Akıllı sistemlerin artması ile kullanım alanlarının genişleyeceğini düşündüğüm görünür ışık haberleşmesi en basit haliyle bile bir iç mekanda broadcasting yapabilecek düzeye gelecek ve pratikleşecektir.