A Comunicação Bidirecional por Luz Visível (VLC) tem sido limitada pela falta de uma solução prática e de alto desempenho para o enlace ascendente. Os enlaces descendentes tradicionais aproveitam os LEDs para difusão de dados de alta velocidade, mas os canais ascendentes enfrentam obstáculos significativos: os retrorefletores oferecem taxas baixas, as soluções baseadas em RF (Wi-Fi/Bluetooth) são proibidas em áreas sensíveis (hospitais, aeronaves), e os enlaces ascendentes VLC por infravermelhos ou totalmente óticos sofrem com alta diretividade, interferência com o enlace descendente ou cenários de aplicação limitados onde a iluminação ascendente é desnecessária. Este artigo aborda esta lacuna crítica propondo um método de enlace ascendente baseado em ondas ultrassónicas inaudíveis, empregando modulação por Chaveamento por Deslocamento de Frequência (FSK) e formação de feixe digital através de um array de microfones para criar um canal de comunicação direcional e assimétrico que não interfere com o enlace descendente ótico.
A inovação central reside em desacoplar o enlace ascendente do espectro ótico. Em vez de luz, utiliza ondas sonoras na gama quase ultrassónica/inaudível (por exemplo, acima de 15 kHz) como portadora.
O dispositivo do utilizador transmite dados modulando-os numa portadora de áudio inaudível utilizando Chaveamento por Deslocamento de Frequência (FSK). Para validação do protótipo, foram utilizadas quatro frequências audíveis (0.5, 1.5, 2.5, 3.5 kHz) para simular um esquema 4-FSK, representando símbolos digitais. Esta escolha explora a margem de frequência fora da audição humana típica (20Hz-20kHz) para transmissão de dados.
Um array linear de 10 microfones omnidirecionais (espaçados 0.05m) recebe o sinal acústico composto. Em seguida, é aplicado um algoritmo de formação de feixe digital (especificamente, o formador de feixe de Frost). Este algoritmo processa os sinais de cada microfone para formar um feixe de receção direcionado, isolando efetivamente o sinal ascendente desejado do ruído ambiente ou de fontes sonoras interferentes provenientes de diferentes direções (por exemplo, -10°, -30°, 20° como simulado).
A configuração experimental envolveu um array linear de microfones a receber um sinal composto contendo o sinal de dados desejado e dois sinais de interferência. O sistema demonstrou a capacidade de filtrar espacialmente a transmissão ascendente alvo.
A Figura 3 no artigo apresenta formas de onda críticas: (a) os sinais de dados transmitidos e de interferência, e (b) o sinal recebido composto, os sinais individuais dos microfones e o sinal de dados recuperado com sucesso após a formação de feixe. Os resultados confirmam visualmente que o algoritmo de formação de feixe anulou efetivamente a interferência e extraiu a forma de onda de dados limpa, validando o conceito central de filtragem espacial acústica para recuperação do enlace ascendente.
O formador de feixe de Frost é um formador de feixe adaptativo com restrições. Minimiza a potência de saída (suprimindo interferência e ruído) sujeito a uma restrição linear que garante um ganho unitário na direção de observação (direção de chegada do sinal desejado). O vetor de pesos $\mathbf{w}$ é adaptado para resolver: $$\min_{\mathbf{w}} \mathbf{w}^H \mathbf{R}_{xx} \mathbf{w} \quad \text{sujeito a} \quad \mathbf{C}^H \mathbf{w} = \mathbf{g}$$ onde $\mathbf{R}_{xx}$ é a matriz de covariância dos sinais de entrada, $\mathbf{C}$ é a matriz de restrições e $\mathbf{g}$ é o vetor de resposta desejado. Isto permite uma filtragem espacial eficaz.
No 4-FSK, 2 bits de dados são representados por uma de quatro frequências de portadora distintas $f_1, f_2, f_3, f_4$. O sinal transmitido é: $$s(t) = A \cos(2\pi f_i t + \phi), \quad \text{para o símbolo } i$$ A demodulação envolve tipicamente um banco de filtros ou correlacionadores sintonizados em cada frequência, seguido por um circuito de decisão para escolher a frequência com maior energia num período de símbolo.
Aplicação da Estrutura: Avaliação de Soluções de Enlace Ascendente VLC
Para avaliar esta e outras tecnologias concorrentes, podemos usar uma estrutura de decisão multicritério:
Caso de Estudo: Cenário de UCI Hospitalar
Numa UCI onde o RF é proibido para evitar interferência com equipamento médico, e o enlace descendente VLC fornece iluminação e dados de alta velocidade para monitores de pacientes. O enlace ascendente ultrassónico proposto permite que os tablets dos enfermeiros enviem atualizações de estado de baixa largura de banda ou sinais de controlo de volta para a rede sem emissões de RF e sem afetar o enlace descendente de luz crítico. A formação de feixe ajuda a isolar sinais de diferentes leitos, melhorando a privacidade e reduzindo o crosstalk—uma clara vantagem sobre o RF ou infravermelhos omnidirecionais que podem exigir apontamento preciso.
Ideia Central: A proposta de valor fundamental deste artigo é uma estratégia inteligente de desacoplamento espectral e espacial. Reconhece que o problema do enlace ascendente VLC não é apenas encontrar outro meio sem fios, mas encontrar um que seja complementar, não interferente e económico para o caso de uso assimétrico. Usar o domínio acústico, especificamente a banda quase ultrassónica subutilizada, é um movimento de pensamento lateral que contorna as limitações dos seus antecessores.
Fluxo Lógico: O argumento é sólido: 1) O RF está fora de questão em muitos ambientes visados pela VLC. 2) O enlace ascendente ótico (IR/VLC) é problemático devido a interferência, diretividade e iluminação desnecessária. 3) O som é ubíquo, barato e pode ser tornado inaudível. 4) O principal desafio do som é a sua natureza omnidirecional e o ruído. 5) Solução: Aplicar técnicas bem estabelecidas de processamento de array de RF (formação de feixe) ao domínio acústico para recuperar a diretividade e imunidade ao ruído. A demonstração experimental com o formador de feixe de Frost valida esta cadeia lógica.
Pontos Fortes e Fracos:
Pontos Fortes: A elegância de usar hardware comum (microfones, altifalantes) é uma grande vantagem em termos de custo e implementação. A receção direcional via formação de feixe é uma característica crítica que a diferencia de ligações acústicas simples, oferecendo potencial para suporte multiutilizador e rejeição de interferência. A sua compatibilidade inerente com ambientes sensíveis a RF é uma característica decisiva para nichos de mercado como aeroespacial e saúde.
Fracos e Questões em Aberto: O elefante na sala é a taxa de dados. O protótipo utiliza portadoras na gama dos kHz, limitando fundamentalmente a largura de banda potencial em comparação com portadoras de RF GHz ou óticas THz. O artigo é omisso sobre a taxa de bits alcançada, que provavelmente é baixa (gama de kbps). A atenuação ultrassónica no ar e os efeitos de multipath em espaços fechados podem limitar severamente o alcance e a fiabilidade. A precisão da formação de feixe com um array linear pequeno numa sala reverberante não é trivial. A necessidade de um array de microfones no recetor aumenta a complexidade da infraestrutura em comparação com um único fotodíodo.
Insights Acionáveis: Para investigadores, este trabalho abre um campo híbrido promissor: Retroespalhamento Acústico para VLC. Em vez de transmissão ultrassónica ativa, será que os dispositivos dos utilizadores poderiam simplesmente modular acusticamente o som ambiente ou o sinal de luz do enlace descendente? Para gestores de produto nos setores de IoT industrial ou edifícios inteligentes, esta tecnologia não é candidata a substituir enlaces ascendentes Wi-Fi para videochamadas. No entanto, é perfeita para enlaces ascendentes de comando e controlo de baixa taxa e intermitentes em ambientes hostis a RF. Priorizem projetos-piloto em ambientes como instalações governamentais seguras, salas limpas de fabrico ou a bordo de navios onde a regulamentação, e não o desempenho, é o principal fator. O próximo passo imediato para os autores deve ser uma caracterização rigorosa da taxa de erro de bit (BER) alcançável vs. distância e taxa de dados, comparando-a com os limites fundamentais do canal acústico, semelhante às análises feitas para redes de comunicação por retroespalhamento.