Contribución al estudio de Sistemas VLC en entornos domóticos

Abstract: 

Tesis Doctoral.

Autor: Guillermo del Campo Jiménez

Director: Francisco José López Hernández

Durante la última década, la sustitución de las luminarias tradicionales (incandescentes, fluorescentes) por lámparas basadas en tecnología LED se ha incrementado de forma exponencial, debido sobre todo a su alta eficiencia energética. Las comunicaciones por luz visible (VLC) se basan en el uso dual de las lámparas LED para iluminación y transmisión de información, aprovechando los bajos tiempos de conmutación de los LEDs. De este modo, las VLC se presentan como una alternativa o complemento a los sistemas de comunicaciones tradicionales en entornos domóticos. En los últimos años se han realizado una gran cantidad de trabajos orientados a maximizar la tasa transmisión de los sistemas VLC, en especial mediante técnicas de modulación de alta eficiencia espectral como OFDM. Sin embargo, no se ha estudiado cómo afecta la utilización de las luminarias LED como emisor VLC a su principal ventaja como tecnología de iluminación, que es la eficiencia energética.
En esta tesis, se parte de la hipótesis de que la forma de onda de la señal de modulación VLC influye en la eficiencia energética de la luminaria LED, y en concreto en el rendimiento energético de su elemento de control o driver. Los drivers de iluminación LED suelen ser fuentes conmutadas que aplican a la fuente de luz una corriente constante. La utilización de una señal de modulación con forma de onda conmutada se corresponde con este principio. Sin embargo, la utilización de una señal de modulación con forma de onda continua, empleada en las técnicas de modulación como OFDM, modifica la naturaleza de la corriente tanto en la fuente de luz (LED) como en el driver, lo que afectará a su comportamiento.
El objetivo principal de esta tesis es el análisis del efecto de la forma de onda de la señal de modulación en el rendimiento energético del driver VLC. Para ello, el trabajo se divide en tres partes: modelo teórico; validación del modelo mediante simulaciones y experimentos; y obtención de resultados. Para analizar la eficiencia energética del driver, se define el factor de calidad “η”, al que se denomina Rendimiento Energético del driver y cuyo valor es el cociente entre la potencia convertida en luz y la potencia total disipada. En el modelo teórico se analiza el rendimiento del driver VLC (y de sus componentes LED y MOS por separado) en función de la forma de onda de la señal (conmutada o continua). A continuación, se prueba el modelo teórico mediante dos tipos de simulaciones: circuital, que tiene en cuenta efectos resistivos y capacitivos; y funcional, que determina el límite ideal del rendimiento energético. Posteriormente, se valida el modelo y las simulaciones con medidas reales. Por último, se analiza el efecto de esquemas de modulación que se emplean en sistemas de comunicación reales (OOK, VPPM y OFDM) en la eficiencia energética de la luminaria LED.
De los resultados obtenidos en esta tesis se extrae que existe una fuerte dependencia entre la forma de onda de la señal de modulación y el rendimiento energético del driver VLC (y consecuentemente de la luminaria LED). El rendimiento del driver es bastante mayor para las técnicas de modulación basadas en señales conmutadas (OOK, VPPM) que para las que utilizan señales continuas (OFDM). El rendimiento óptimo para las señales con forma de onda conmutada está entre el 93 % y el 95 %, mientras que para las señales con forma de onda continua, varía entre el 66 % y el 81 %. Por otro lado, se ha demostrado que el nivel de iluminación de la lámpara LED afecta al rendimiento energético del driver VLC, en especial para las formas de onda continua. Como para las señales continuas, la amplitud de la señal, la potencia y la SNR dependen del nivel de iluminación, su variación afectará a la demodulación de la señal en el receptor VLC.
En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis aconsejan la utilización de técnicas de modulación basadas en formas de onda conmutadas (OOK, VPPM) para no degradar la eficiencia energética de las luminarias LED al ser utilizadas como emisores VLC. Al tratarse del primer trabajo realizado en este ámbito, de esta tesis se derivan numerosas líneas abiertas, como el análisis energético de otras técnicas de modulación o el diseño de drivers eficientes al tratar con formas de onda continuas.


Publication type: 
Other (Thesis...)
Energy Efficiency - Internet of things
Publication date: 
March 2017
CeDInt Authors: