Uni e sidad de Las Palmas de G an Cana ia
Ins i u o Uni e si a io pa a el Desa ollo Tecnológico y la Inno ación en Comunicaciones
P og ama de Doc o ado
Cibe né ica y Telecomunicación
Tesis Doc o al:
Con ibuciónales udiodeSe iciosSopo adossob eRedesVLC(VisibleLigh Communica ions)
Au o :JulioF anciscoRu oTo es
Di ec o es:
D .D.Ra aelPé ezJiménez
D .D.JoséAlbe oRabadánBo ges
D .D.F anciscoAlbe oDelgadoRajó
Las Palmas de G an Cana ia, No iemb e 2015
Uni e sidad de Las Palmas de G an Cana ia
Ins i u o Uni e si a io pa a el Desa ollo Tecnológico y la Inno ación en Comunicaciones
P og ama de Doc o ado
Cibe né ica y Telecomunicación
Tesis Doc o al:
Con ibuciónales udiodeSe iciosSopo adossob eRedesVLC(VisibleLig hCommunica ions)
Au o :JulioF anciscoRu oTo es
Di ec o es:
D .D.Ra aelPé ezJiménezD .D.JoséAlbe oRabadánBo ges
D .D.F anciscoAlbe oDelgadoRajó
Las Palmas de G an Cana ia, No iemb e 2015
Ag adecimien os
Llegadosaes epun oquie oag adece amis u o esdeTesis,doc o esRa aelPé ez,
JoséRabadányF anciscoDelgadolaa enciónquehan enidoconmigo odoses osaños.
Pa eceque ueaye cuandoen é,po p ime a ez,allabo a o iodeTecnologíaFo ónicayen
es osañoshemoshechomuchascosasin e esan es.Po odoes o,quie oag adece leselque
seacabees aTesisyaquesinus edesyoes a ía oda íapensandoquépone .
Ag adece ,comono,ami amiliapo aguan a me.Desdelamáspequeñahas ael
mayo , odoses ánahícuandohace al a.G aciaspo da melaopo unidadde o ma mey
pode dedica meaes aboni ap o esión.
Ypo úl imoag adece a odoelIdeTIClosmomen osquehepasadoconlagen edel
labo a o io.G aciaspo laamabilidadylasbuenasca as.G acias.
Índice
Capí ulo1.In oducción1
1.1. Hipó esis6
1.2. Obje i odel abajo7
1.1. Desc ipcióndeldocumen o 8
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC9
2.1.In oducción, edesóp icasnoguiadas9
2.2.Fundamen osdelossis emasVLC13
2.3.Ideascla epa aeldiseñodeunsis emaVLC 16
2.4.Modulación,canalde ansmisióny uen esde uido23
2.5.Accesoalmedioyconexióncono as edes 25
2.6.Aplicacionesy ealizacionesp ác icasdesis emas25
2.7.P incipalesg uposdein es igaciónyemp esasac i oseneldesa ollode
sis emasVLC28
Capí ulo3.ModeladodelSis ema33
3.1In oducción34
3.2.Modelodep opagación 13
3.2.1Modelodelemiso óp ico35
3.2.2Modelodel ecep o óp ico36
3.2.3Modelodel e lec o 37
3.3Cálculodela espues aalimpulso 39
3.3.1Respues aalimpulsoLOS39
3.3.2Respues aalimpulso asmúl iples ebo es41
3.4Algo i mosdecálculodela espues aalimpulso42
3.4.1Mé ododeBa y 43
3.4.2Mé odoes adís icodeLópez‐He nández46
3.4.3Algo i modeMon eCa lomodi icado49
3.5Modelos e lec o es51
3.5.1ModelodeLambe 52
3.5.2ModelodePhong 53
3.5.2.1Re lexiónespecula 54
3.5.3ModelodePhongRe o e lexi o56
3.5.4ModelodeBlinn‐Phong 58
3.5.5ModelodeLa o une 62
3.6AplicaciónasimulacionesVLC63
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal67
4.1In oducción67
4.2.Cálculodela espues aalimpulso 70
4.3Modelosde e lexión74
4.3.1ModelodeLambe 75
4.3.2ModelodePhong75
4.3.3ModelodePhong e o e lexi o77
4.3.4ModelodeBlinn79
4.3.5ModelodeLa o une79
4.4Resul adossimulados81
4.4.1Compa aciónconlos esul adosdeBa y81
4.5Respues aconmodelosdis in osalLambe iano89
4.5.1Enlaceno‐LOS90
4.5.2.1ModelodeLambe 92
4.5.2.2ModelodePhong92
4.5.2.3ModeloRe o e lexi o96
4.5.2.4ModelodeBlinn99
4.5.2.5ModelodeLa o une 102
4.5.2EnlaceLOS105
4.5.2.1ModelodeLambe 106
4.5.2.2ModelodePhong108
4.5.2.3ModelodePhongRe o e lexi o111
4.5.2.4ModelodeBlinn116
4.5.2.5ModelodeLa o une119
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC123
5.1In oducción123
5.2Modulaciones124
5.2.1ModulaciónPPM 124
5.2.2ModulaciónSingleCa ie 127
5.2.3ModulaciónOFDM129
5.2.4ModulaciónCSK131
5.3EjemplosdeenlacesVLCdemedia elocidad133
5.3.1Sis emap opues oconcodi icaciónPPM133
5.4Sis emap opues oconcodi icaciónCR‐PPM135
5.5Sis emabidi eccionalpa a edesdesenso es142
5.6Compo amien odelsis ema
144
Capí ulo6.Redeshe e ogéneasdesenso esbasadasenIEEE1451
147
6.1In oducción147
6.2Ges iónde edesdesenso es148
6.3Es ánda IEEE1451pa asenso s149
6.3.1Es uc u adeles ánda 149
6.3.2Modeloconcep ual151
6.3.3T ansduce elec onicda ashee s(TEDS)153
6.3.4Canales155
6.4In eg acióndeenlacesVLCenuna edhe e géneadesenso es157
6.4.1A qui ec u a158
6.4.2Nodo159
6.4.3Coo dinado 161
6.4.4Canaleso edesdesenso es167
6.5Desa olloSo wa e170
6.6Funcionamien odela ed172
6.6.1Descub imien odeunnue onodo173
6.6.2Asignacióndeslo s175
6.6.3Eliminacióndeunnodo176
6.7Coclusión178
Capí ulo7.ConclusionesyLíneasFu u as179
7.1. Conclusionessob elosmodelosdesimulación179
7.2 Conclusionessob e edeshe e ogéneasconVLC183
7.3 LíneasFu u as185
Re e encias
ANEXOS
AnexoI
Figu a5.26.Señal ansmi iday ecibidaenelsis emadecomunicacionesóp icade
isibleyla espues adelmic ocon olado .Canal2,señal ansmi ida.Canal3,señal
ecibidaenel ecep o óp ico.Canal1, amade espues a 143
Figu a5.27.Señal ansmi iday ecibidaenelsis emadecomunicacionesóp icasde
in a ojo.Canal3,señal ansmi idayCanal4,señal ecibida
144
Figu a5.28Relaciónen eSNIy amaspe didas.
146
Figu a6.1.Es uc u adeles ánda IEEE1451
150
Figu a6.2.Modelode e e enciadeles ánda IEEE1451
152
Figu a6.3.Diag amadebloquesdeuncanal ansduc o
155
Figu a6.4.A qui ec u adelsis ema
158
Figu a6.5.A qui ec u adenodo
159
Figu a6.6.Modeloha dwa edeunnodoCAN
160
Figu a6.7.NodosCAN
160
Figu a6.8.Modeloha dwa edeunnodoZigBee
161
Figu a6.9.NodoZigBee
161
Figu a6.10.A qui ec u adeuncoo dinado
162
Figu a6.11.Modeloha dwa edelcoo dinado CAN
164
Figu a6.12.Coo dinado CAN
164
Figu a6.13.RedCAN
165
Figu a6.14.Modeloha dwa edelcoo dinado ZigBee
165
Figu a6.15.Coo dinado ZigBee
166
Figu a6.16.RedZigBee
166
Figu a6.17.Reddesenso esinalámb icosconcomunicacionesóp icasnoguiadas
168
Figu a6.18.Modeloha dwa edeunnodoCANÓp ico
169
Figu a6.19.Modeloha dwa edelcoo dinado CANÓp ico169
Figu a6.20.Reddesenso esinalámb icosconcomunicacionesóp icasnoguiadas
CAN‐Bus170
Figu a6.21.Rep esen ación empo aldelp o ocoloTDMAdesa ollado173
Figu a6.22.Señaldesinc onizaciónydosseñalesdepe icióndeconexiónenel
osciloscopio174
Figu a6.23.T amasconlosme ada osdeunnodoenp ocesode egis o is asen
elosciloscopio175
Figu a6.24.CicloTDMAconunslo yunape iciónde egis o,enelosciloscopio176
Figu a6.25.CicloTDMAcondosslo s, is oenelosciloscopio
177
Figu a7.1Es uc u apa ap uebasdecomunicacionessubma inasVLCenpiscina
186
Figu a7.2.G á icadelaBER sSNRdelsis ema187
IndicedeTablas
Tabla2.1.Es udiodelaho oLed sFluo escen e.(Fuen e:Minis e iodeIndus ia,
Tu ismoyCome cio)
19
Tabla3.1.Núme odeope acionesen uncióndelnúme ode e lexiones
49
Tabla4.1.Pa áme osdelascon igu acionesdeBa y82
Tabla4.2.Po encia o al ecibidapa acadacon igu ación(Lambe )86
Tabla4.3.Tiempomedioy o alpa alascua ocon igu acionesydi e en e
núme ode ayos(Lambe )
87
Tabla4.4.Pa áme ospa aajus a losmodelosp opues osaunmodelodi uso
pe ec o
89
Tabla4.5.Pa áme osdelahabi aciónpa alacon igu aciónD91
Tabla4.6.Pa áme osdelmodelodeLambe 92
Tabla4.7.Pa áme osdelmodelodePhongpa aelejemplo194
Tabla4.8.Pa áme osdelmodelodePhongRe o e lexi opa aelejemplo197
Tabla4.9.Pa áme osdelmodelodeBlinnpa aelejemplo1100
Tabla4.10.Pa áme osdelmodelodeLa o unepa aelejemplo1103
Tabla4.11.Resumendepa áme osyanchodebandapa acadamodeloenel
ejemplo1
105
Tabla4.12.Pa áme osdelahabi aciónpa alacon igu aciónC106
Tabla4.13.Pa áme osdelmodelodeLambe 106
Tabla4.14.Pa áme osdelmodelodePhongpa aelejemplo2109
Tabla4.15.Pa áme osdelmodelodePhongpa aelejemplo2112
Tabla4.16.Pa áme osdelmodelodeBlinnpa aelejemplo2117
Tabla4.17.Pa áme osdelmodelodeLa o une120
Tabla4.18.Resumendepa áme osyanchodebandapa acadamodeloenel
ejemplo2
122
Tabla5.1.Dis anciadesímbolopa alaCR‐DPPM.
126
Tabla5.2.T amaspe didasenp esenciadeluza i icialyoscu idad
145
Tabla5.3.T amaspe didasenp esenciadein e e encias146
Tabla6.2.Es uc u adeunTEDS
154
Tabla6.3.Es uc u adeuna uplaTLV
154
Tabla6.4.Desc ipcióndelap ime a upladeunTEDS
154
Tabla7.5.Resumendeajus edepa áme ospa ausa e lec o esdi usoscon
modelosnoLambe ianos
180
Tabla7.6.Resumendeanchosdebandapa aunenlaceno‐LOS
182
Tabla7.7.Resumendeanchosdebandapa aunenlaceLOS182
1
Capí ulo1.In oducción
His ó icamen elossis emasdecomunicacionesinalámb icossebasaban
mayo i a iamen eenequiposde adio ecuencia(RF)aunquees e ipodesis emas ienensus
incon enien escomosuslimi adas elocidadesde ansmisiónolagene aciónde
in e e enciaselec omagné icas(EMI).Lap emisabásicadees e abajoesque,en
escena iosdondeladis anciaen eel ansmiso yel ecep o es ela i amen epequeña,la
ecnologíadeRFpuedese sus i uidapo lossis emasdecomunicacionesóp icosnoguiados
pa ao ece al as elocidadesdeda os.Además,es a écnicanosólop opo cionaunamejo a
encuan oasegu idadsob elascomunicacionesRFsinoque, ambién,esmenosp opensaa
in e e encias.
Labase ecnológicadees e abajoeselc ecien ein e éspo elempleodelámpa as
LEDcomo uen edeiluminación.Es osedebeacausascomosula ga idaú ilysumeno
consumoeléc ico(debidoalae icien econ e siónelec o‐óp icadees e ipodema e iales).
Un e ce ac o eslaposibilidaddec ea dis in osambien escondi e en escolo eso
in ensidadesapa i delámpa asemiso essimplesyba a os.Laideadeusa laluzde
iluminacióncomo uen edecomunicaciónnoesnue a,sinemba go,has alallegadadees as
lámpa asLED( ambiénconocidascomolámpa asdees adosólidooSolid‐S a eLigh ing‐SSL)
losanchosdebandadisponiblesnoe ansu icien espa aunenlacededa osp ác ico.Es a
ecnologíaseconocecomocomunicacionesconluz isible(VLC)yu ilizala egiónespec al
co espondien ealongi udesdeondaen e450nm‐900nmmedian eLEDqueseu ilizan
Capí ulo1.In oducción
2
simul áneamen epa alailuminaciónyla ans e enciadeda osusandoelcanalinalámb ico.
Enelladodel ecep o sehaceusodeundisposi i o o osensiblepa ala ecepcióndeda os.
Laseñal ecibidadesdeeldisposi i odede ecciónesen oncesdemoduladapa a ecupe a la
ansmisióndeda os.Se a a,po an o,deuna ecnologíaeme gen e,sinlimi acioneslegales
asuusoycompa ibleconlasdemás ecnologíasyau ilizadas,yquepa ededisposi i os
come cialesyadisponibles.Unp ime en o nodeaplicación(sis emasenin e io es)puede
e seenla igu a1.1.
Figu a1.1:A qui ec u adelsis emap opues opa ain e io esyejemplosdelámpa asbasadasena ays
deledesblancos
Sepa edeunase iedea aysdeLEDusadoscomo uen esdeiluminacióny
comunicacionesysi uadosenel echoyenlaspa edes.Es osemiso esen íanseñales
lumínicasa ecep o essi uadosenunase iedeequipos(comopuedense ele iso es,
o denado eso e minalesmó iles).Es oscanalesdeda ospuedense deal a elocidad(pa a
ansmisiónde ideo,po ejemploa ele iso esdesdeuna eddedis ibución,ocomo e o no
deunacáma adesegu idad)omúl iplescanalessimul áneosdebaja elocidad(po ejemplo
pa aconec a senso esdomó icosen i iendasuho eles,opa a edesdesenso esen
gene al).Elusodecomunicacionesóp icasnoguiadaspa asuusoenin e io es ieneunala ga
ayec o ia,queincluyedesdelosdisposi i osdemuybaja elocidad(comolosmandosa
dis anciaqueseusande o mauni e salenelhoga ),has asis emasdein e conexiónpa a
equiposin o má icos.
Es e ipodelámpa asp esen analgunasca ac e ís icasquelashacenmuyin e esan e
pa aen o nosdondesehaceunusoin ensi odelailuminacióna i icial:
Capí ulo1.In oducción
3
Una idaú ilpo lámpa aquesemide,almenos,enaños(muchas eceslos
ab ican eso eceninclusoga an íasde iempodeusoilimi ada).
Laluzquep oduceneseng anmedidauni o me,nop oduciéndosecambios
dein ensidadnicolo deluzemi idaalola godesu idaú il.
Elconsumopo lámpa aesalmenosuno dendemagni udmásbajoqueelde
laslámpa asincandescen es(inclusodelasllamadasdebajoconsumo)ymuchomeno
queeldelaslámpa asdeg anin ensidad(lámpa ashalógenas,dexenon,e c.).
Los ab ican esp esen an o ma osquepuedenacopla sealospun osde
conexióncon encionalessinnecesidadde e isa nimodi ica lasins alacioneseléc icas.
Sibienac ualmen eelp eciopo lámpa aesaúnmuchomayo queeldesus
al e na i ascon encionales,es eha enidodecayendode o maacele adaamedidaque
se enimplan andoennue asaplicaciones(iluminacióndeho eles,señalizaciónu bana….)
osein oducenenes ánda esdeuso( a osoin e mi en esde ehículose c.)
Unap emisaaman ene enes edesa olloesquelaslámpa asdebensegui
man eniendosu uncionalidadcomosis emadeiluminación,es oimplicaqueel o ma ode
da osdebese alquenoa ec ealain ensidaddeluzpe cibidapo elusua io.Adicionalmen e
debepe mi i se egula lain ensidaddeluz(einclusoenalgunoscasossucolo )sina ec a ala
uncionalidaddelsis emadecomunicaciones.Además,se íadeseablequeelsis ema uncione
an ocuandolailuminaciónes áencendidacomocuandoes áapagada(en endiendoapagado
comounain ensidadsu icien emen ebajacomopa anope u ba alusua io)
Es a ecnologíao ecealgunasdi e enciasin e esan es espec odelasmásex endidas
comunicacionespo adio ecuencia:
Cones a ecnologíasealcanzan elocidadesmuyap eciables,sibien
dependien esdelasca ac e ís icasdelosWLEDqueab enunaho quillaque adesdelos
sis emasa1Mb/shas alos500Mb/sdelosLEDdeca idad esonan e.
Elusodecomunicacionesóp icasnoguiadasno equie euna egulaciónya
queniin e ie en,nise enin e e idas,po elusodesis emasde adio ecuencia.Es o
Capí ulo1.In oducción
4
loshacepa icula men eadecuadospa aen o nosdondehayunal oni elde uido
elec omagné ico(luga es alescomona esoae ona es,zonasindus iales,ae opue os
uhospi ales).
Lascomunicacionesquesees ablecennopuedena a esa laspa edes.Es o,
queesunincon enien ealaho adeasegu a unacobe u auni e salala eddeda os,
pe mi ecomocon apa idadiseña sis emasdecomunicaciónsegu osyqueson
in ínsecamen ecelula es.
La adiaciónemi idapo losLEDesinocua(especialmen eenelcasodeluz
isible)yno equie eelusodeningunap o ección,comoindicanlas egulacionesANSI
sob eelusodedisposi i osóp icos
Elp incipalp oblemaquep esen abanlossis emasbasadosen adiación
in a ojae alanecesidaddeunapun amien omuyp eciso,yaquelaspé didasde
p opagaciónsonmuyele adas.Es ose esuel eeng anmedidaconelusodelongi udes
deonda isiblesyaquelaspo enciasemi idaspo laslámpa ascome cialessonmucho
másele adas
Alusa disposi i osquees a íanp esen esencualquie casoeneseen o no
(comosonlosdeiluminación)yda lesunusodual,seconsigueunaho oene gé icoy
unadisminucióndelnúme odedisposi i osqueesnecesa ioimplemen a
Es aTesissu geden odeunalíneadein es igacióndesa olladaa a ésde a ios
p oyec os inanciadospo di e sasadminis aciones(comolosp oyec osCOLIBRI1,ICARO2y
THOFU3),queseconcibióconside andoquelacapacidadde ansmisióndeda osmedian e
lámpa asdeiluminacióncon ecnologíadees adosólido(SSL)supond íanosólounamejo a
delasposibilidadeso ecidascomunicacionesóp icasnoguiadasenin a ojo,sinoquese ía
unaenabling echnologyqueab i íamul i uddeposiblescamposdeaplicación.Enpa aleloa
sudesa ollosehap oducidolaeclosióndedis in asinicia i as an ono ma i as(a a ésde
la abajosdelcomi éIEEE802.15.7),emp esa iales(comolap esen acióne ec uadapo
CASIOenelConsume Elec onicsSymposiumdeLasVegas–EE.UU.–enene ode2012
1PlanNacionaldeIn es igación,Minis e iodeCienciaeInno aciónRe .TEC2009‐14059‐C03‐01/02/03
2ACIISI,Gobie nodeCana ias,Re .P oID20100117
3 THOFU,Tecnologíaspa aelHo eldelFu u oCEN‐20101019,Con oca o iaCENIT2010,Minis e iodeIndus ia,
Come cioyTu ismo
Capí ulo1.In oducción
5
[CASIO2012])ocien í icas(conce cadeuncen ena dea ículosendis in as e is asy
ponenciasencong esos e e idosaes ama e ia,sóloenlasbasesdeda osaccesiblesa a és
deIEEEXplo e),loquehape mi idonosóloiden i ica algunasdelasá easque eúnenmayo
in e éscien í icosinoaumen a lape spec i adelog a quees e abajo undamen enue as
posibilidadesde ans e enciade ecnológicaaemp esas.
Unodeloscamposdeaplicaciónmáse iden espa aes a ecnologíaeseldelas edes
desenso es,loquepe mi i íaconec a es osdisposi i osuope a ac uado esinclusoenzonas
con es iccionesEM,odondenoseaposibleo en able ealiza uncableado.Es e ipode
aplicaciónhasidoelobje o undamen aldenume osos abajos[Lee11][Ru o11],incluyendo
losdelyamencionadoes ánda IEEE802.15.7,quep opone an ouncapa ísicacomoo ade
accesoalmediop opiapa alascomunicacionesdeen e a ios e minalesVLC.
Especialmen e,lacapadeaccesoalmediop oponeunp o ocolodeenlacedesubidabasado
en anu as empo alesabasedebeaconsgene adospo elnodocen alquepuedese ideal
pa aelcon olene gé icodelosnodossecunda ios,aunqueconlle ap oblemasadicionalesde
sinc onización.Dadoqueelcanaldesubidapa ececonsolidadocomoelin a ojo(almenos
cuandosedeseeman ene elca ác e “ odoóp ico”delap opues a),loquepe mi e
iden i ica a iassub‐á easdeespecialización:
Eles udiodelcanalde e o nodesdelossenso es inales,loqueconlle a
necesa iamen econside acionesace cadelconsumo eque idopo la ed(yaquese
a adesis emasalimen adosdesdeunaba e ía).Es ohaes adop esen eenla
adopcióndelp o ocolodeaccesoan esci ado,pe o ambiénobligaabusca
modulacionesene gé icamen ee icien es.Hayque,además,desa olla
p ocedimien osdewake‐uppa alosnodosconel indemaximiza su iempode
ac i idad.
Unsegundoaspec oeseldeladi ec i idaddees oscanales,yaqueengene alno
esposible(odeseable)queapun enaunazonaespecí ica.Unaal e na i aa
es udia eselusode ecep o esbasadosencáma as(eso,sí, eniendoencuen a
quesólopod íamosa ende nodoscon elocidadesmuybajas–po debajode200
bps–,aunquees eeselcasodelamayo íadelossenso es/ac uado es).Enese
casoselog a ía ambiénsol en a p oblemasdelocalizacióndenodos,e c.
Ligadoalp oblemaan e io ,lasposibilidades ecnológicasdeconexión ija ánlas
Capí ulo1.In oducción
6
a qui ec u asde edsuscep iblesdese implemen adas.Enp incipiolas
a qui ec u asenes ellasonlasoluciónna u al,pe opuedenlog a se,median e
soluciones ecnológicas,o o ipodea qui ec u asconel inde acili a elaccesoa
nodosno isibles(demodoanálogoaloo ecidopo ZigBeeen edes
con encionales).
Esnecesa io ambiénes ablece la o madeconec a es as edescono as,de
o maquea a ésdeunmiddlewa eespecí icopuedanin e ac ua cono as
edescon ecnologíacon encionalRF,se accesiblesdesdedisposi i os emo os,
in eg a seen edes oncalesdeedi icios,e c.
Unpun o ue edees a ecnologíaeseldelasegu idad,loquehacequelas edesno
seanin e e ibles(nipuedanse cap adas)desdeelex e io deunahabi ación.Es onoes
óbicepa ain oduci sis emasquee i enaccesosindeseadosaequipossi uadosenlamisma
sala.
1.1Hipó esis
Es aTesisdoc o al,sibiensiguelamismalíneadein es igaciónbasadaenelusode
lámpa asLEDcomo uen edein o mación,pa edelahipó esisp incipaldequeelusode
sis emasVLCenaplicacionesdein e ne delascosas(comunicacionesen esenso esy
ac uado es)pe mi esuusode o macompa ibleysimul aneacono os o ma osde ed
exis en es.Pa aelloel abajosehacen adoendosaspec osconc e os,ademásdeexplo a
mejo asquea ec analdesa ollodela ecnologíademane aho izon al:
Lamejo aeneldesa ollodelas écnicasdesimulacióndecanal,modulacióny
codi icación,queenelcasodesis emasdeiluminaciónpe mi anman ene su
uncionalidadbásicacomolámpa a,in oduciendonue ascapacidadescomo
egula elni eldeluminosidad(dimming)ola empe a u adecolo .Eno oscasos
noesnecesa ioman ene esascapacidades,sinoqueen anenjuegoo as
conside acionescomominimiza elconsumo,la obus ez en ea uen esde
in e e enciaolae icienciaene gé icaoespec al.
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
13
sedimen osca gadosoaguasmuy u bias.Las écnicasacús icas,quehas aaho asonel
modop edominan edelascomunicacionesbajoelagua,en elosba cosylos ehículos
au ónomosy obó icos,aunquecapacesdecomunicacionesala gasdis ancias,es ánmuy
limi adasen elocidadde ansmisióndeda os.Sees ánpublicandonume osos
abajos[Schill04][Hanson08],sob esis emasdecomunicaciónsubacuá icabasadosenenlaces
en isible,aunquelain o macióneslimi adayaqueenmuchoscasossondesa ollosdeuso
mili a ypo an osuje oalimi acionesensudi ulgación[Sma 05].
2.2.‐Fundamen osdelossis emasVLC
La ecnologíaóp icainalámb icau ilizalaluzcomomediode ansmisiónpa a
comunicacionesinalámb icas,mó ilesoes á icas.Laideasebasaencombina
simul áneamen elailuminaciónp opo cionadapo losdiodosemiso esdeluzdeal apo encia
(lédes)conlascomunicacionesinalámb icasdeal a elocidad(algoquesedenomina
“illumica ion”,po la usióndelos é minos“illumina ion”y“communica ion”).Sehan
ealizadonume osasdemos acionesp ác icasdees econcep o,yla ecnologíaes áaho aen
unes adosu icien emen emadu ocomopa acomenza eldesplieguedeaplicaciones
come ciales.Analis aseconómicosindependien es[GVR1888]hanp onos icadounme cado
deg an olumenes osdisposi i osdecomunicaciónconec adosalain aes uc u ade
alumb ado,ales a és adesplegadade o maubicua.Lac ecien econcienciacióndelos
s akeholde s(laindus iadecomunicacionesinalámb icas,lasdelaóp icaylailuminación,las
uni e sidadesylasadminis aciones),halle adoalanecesidaddelano malizaciónenes e
campo,loquepe mi ióc ea en2011eles ánda in e nacionalIEEE802.15.7[IEEE802.15.7‐
2011]Es ees ánda es ásiendosome idoaunp ocesodeac ualizaciónpo elg upode
abajoIEEE802.15.7 1[TG7 1‐15‐1]median eaccionesencolabo ación.Ejemplosdes acados
dees asac i idadesdecolabo aciónsonlos abajosdela eddein es igacióneu opea
OPTICWISE(COST1101)quebuscalog a unap óximagene acióndeles ánda inalámb ico
óp icodes inadoa elocidadesdeda osde1Mbi /shas a10Gbi /s,asícomolosque
desa ollandelconso ciojaponésVLCC[VLCC],elCo eanoETRI[Jeong15]oloslle adosacabo
po emp esasp i adascomoPu eLi e,Samsungyo as(en elasquesepuedecon a ala
emp esacana iaLigh bee).
Desde iemposinmemo iales,laluzsiemp eseha enidou ilizandocomomediopa a
comunicacionesinalámb icas.Losp ime osejemplos andesdelasseñalesde uegomedian e
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
14
hogue asenlascimasdelasmon añas,elhelióg a o(conocidodesdeelaño400a.C.)oel
o ó ono,que uep opues opo Alexande G ahamBellen1880.Debidopa aeléxi odela
adioenelsigloXXyalexcepcionaldesa ollodelascomunicacionesmó ilesin oducidas
al ededo de1990,queo ecenunacobe u acasiubicuabasadaenla edde ele oníamó il,
la ecnologíaóp icainalámb icapasóase conside adacomounnichoo ecnología
complemen a ia,capazdep opo ciona anchodebandaadicionalpa alasnue asaplicaciones
quesees ándesa ollando,yquesigni icanunaumen osigni ica i odelademandadeda os
mó iles.Pa a2020sep e éunc ecimien ode esó denesdemagni udenel á icodeda os
pa adisposi i osmó ilesencompa acióncon2010,mien asqueladisponibilidaddel
espec opa ase iciosmó ilesapenasseduplica á[Ossei an14].Es o enómeno(conocido
como“con accióndelespec omó il”)hadadoluga aung anes ue zoin es igado
o ien adoaldesa ollodeunaquin agene ación(5G)de adiomó il
[Jungnickel14][Rappapo 13][E kin07]enelque,sibienlamayo íadelosen oquesbuscan
eu iliza elespec ooap o echa bandasdemayo ecuencia(comolasondasmilimé icas),
ambiénseab elaposibilidaddeu iliza elespec oóp ico,quenoes á eguladapo un
o ganismodeconcesióndelicencias,yqueo eceunanchodebandap ác icamen eilimi ado
(unos400THz).Laideadeuna edinalámb icaóp icasedesc ibiópo p ime a ezen
[G elle 79].Elpo encialdelaluzdi usa,quepe mi elamo ilidad,inclusomásalládela
limi acióndeci cunsc ibi sealalíneade isióndi ec a(LOS),sehades acadoennume osos
abajosdesde[Ba y94][Kahn97][Hea ley98].Sibiendebe ene seencuen aquela
comunicaciónsólose áposibleallídondelaluzsepuedede ec a ,inclusosise ecibede
o madi usa as e lexionesensupe iciescomopa edes,mueblese c.Po o apa e,laluz
sepuededi igi ácilmen eusandouna uen edespo con o madoolen espa acon ina la
señallumínica.
Encomunicacionesenin e io es,esdi ícilquesepuedacap a oin e e i lasseñales
inalámb icasóp icasdesdeelex e io deunedi icio,pe mi iendoasíunap i acidadmejo ada.
T eslog osadicionaleshanpe mi idomejo a lasp es acionesdees ossis emasyhace los
compe i i os(almenosa u u o)conlossis emas adio:
Enp ime luga ,losledesdeúl imagene ación,basadosenunionesGaN
[Nakamu a94]pe mi engene a uen esdeluzblancademayo po enciaybajocos e
basadasenelusode ecub imien osde ós o o[Kim04].Es osledesdeiluminación
puedenmodula seauna elocidadmuchomayo quecualquie uen edeluzan e io
(laslámpa ascome cialespe mi enunanchodebandademodulacióndeen e10y
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
15
20MHz).Enel u u o,pa ecesegu oquelailuminaciónledpasa áase la ecnología
p edominan eloque,sumadoasucapacidaddeconmu ación,pe mi i ácombina su
unciónbásicadeiluminaciónconlade uen edecomunicaciónmó il.Cadalumina ia
indi idualpod áconside a secomounpun odeacceso,que ecibe an oene gía
comoda osa a ésdelain aes uc u adealimen acióndelalámpa a.
Ensegundoluga ,comolaseñaldeluz ecibidaescapazde e leja sean esdese
de ec adaenel ecep o ,puedeaumen a semuchoelá eadecobe u adela uen e,
másalládelape cibidaen isióndi ec a.Es ose econ a es adopo quees as
e lexionespuedenaca ea unse e oe ec odemul ip opagación.Po o apa e,siel
usua ioesunobje omó il,osihayobs áculosmó ilesenlahabi ación,elcanal
inalámb icoóp icopuede a ia susp es aciones ápidamen e,dañoluga auncanal
quepuedeconside a senoes aciona io.Esohalle adoamuchosau o esaes udia la
aplicacióndedi e sas o masdemodulaciónquepe mi ancompensa laposible
a iabilidaddelcanal,yenconc e olaaplicacióndelamul iplexacióno ogonalpo
di isiónde ecuencia(OFDM)comounaal e na i ademodulación en eaesquemas
mássencillos(ye icien esenconsumodeene gía)comoOOKoPPM
[G ubo 05][González05][A gani06].Acambiodeunmayo consumoenene gía,OFDM
pe mi e ealiza de o masencilla a easdeecualizacióneneldominiodela
ecuencia,pa aloquep ecisase e oalimen adoconin o maciónsob eeles ado
delcanal(CSI).LosesquemasOFDMadap a i ospe mi enaumen a la obus ezdel
enlaceencanalesdebajasp es acionesc í icos,alcanzando asasdebi al as(1Gbi /s
enunsolocanaly5,5Gbi /sensis emasmul ilongi uddeonda)apesa delas
limi acionesenanchodebanda[Khalid12][Cossu14][Cossu15].
Po úl imo,el aspasodecomunicacionesen epun osdeacceso(hando e )yel
accesomúl iplesonca ac e ís icasde e minan espa auna ecnologíade
comunicacionesquepuedausa sepo obje osmó iles.Elhando e Ho izon alpe mi e
alusua iose a endidomien asdeambulaa a ésde a iasceldasype manece
conec adoenelá eadecobe u adelain aes uc u adealumb ado.La
supe posicióndelascélulas,sibienpe mi e eu iliza elespec oóp ico,sinemba go
complicaelsis emayobligaain oduci mecanismosdecoo dinación
[Ghimi e12][Bu cha d 14][Chen15][Pu eLiFi15].Una edVLCcelula ,u ilizandoceldas
deá eaPAN( em oceldas),yales a con inadaaunasala,sepod íalog a una
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
16
elocidaddeda osen e40y1.800 ecesmayo queuna ed adio[Haas15].Po o a
pa e,alges iona elhando e e icalpodemosusa la ecnologíainalámb icaóp ica
enpa aleloao as ecnologíasmó ilesenlamismazona[Shao15]enunaa qui ec u a
de edhe e ogénea(oHe Ne s[Zhang13]).
Laapa icióndela ecnologíaóp icainalámb icasuponelain oduccióndeunnue o
ecosis emacomple oquedebeinclui p o eedo esdein aes uc u a,ope ado esde edesy
ab ican esdedisposi i osy,ob iamen e,unano maquepe mi alain e ope abilidady
eduzcaelcos eglobaldeimplan ación.
2.3.‐Ideascla epa aeldiseñodeunsis emaVLC
La ecnologíaVLCha enidodelamanodeladisponibilidaddeemiso ese icien es
basadosenledesazulesdeal apo encia.Es osdisposi i oses ánaho adisponiblesauncos e
ela i amen ebajodebidoalosa ancesenlaingenie íadelossemiconduc o esbasadosen
unionesGaN,Es asuniones ienenuná ea o oac i a ela i amen eg ande,loqueunidoal
alo de idamediadelospo ado esenes osma e iales,imponelími esalas elocidadesde
modulaciónalcanzables[G ubo 08].Lascon igu acionesded i e spa aal a ecuencia
pe mi ensupe a enpa ees ee ec ocapaci i o,log andoanchosdebandaquepuedenllega
has a175MHzconledeso ‐ he‐shel [G obe13][Li15].Laluzblancasep oduceno malmen e
median eelusodeunp ocesodecon e sióndecolo que,debidoalosbajoscos osde
implemen ación,suele ealiza se a ésdeun e es imien ode ós o o[Vaidyana han12].Una
al e na i a ienedadapo ladisponibilidaddeledesdeal o endimien oenespec odel ojoy
el e de,pe mi iendogene a luzblancaa a ésdedisposi i osRGBmedian elacombinación
delaseñaldecada uen e,pe ope mi iendolamodulaciónindependien edecadacolo ,lo
queseconocecomodemul iplexaciónpo longi uddeondadedi isión(WDM).Sinemba go,
al a a sededisposi i osdeiluminación,hayqueconside a nosólocadacomponen epo
sepa adosinolacomposicióndelasmismasysupe cepciónsubje i apo pa edeun
obse ado ,es ohadadoluga ao a amiliademodulacionesen elasquedes acanlos
modelosCSK[Mon ei o14][Luna‐Ri e a14],pe oqueincluyeo ascomoMMoCIM
[Bu ala14][Singh15].
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
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Po loque espec aalos ecep o es,laluzpuedese cap adaa a ésde o odiodosde
silicioPINy o odiodosdea alancha(APD),que ieneunacapacidadin ínsecade
ampli icaciónloqueo eceunamayo sensibilidad.Sinemba go,losAPDsondisposi i os
cos ososynecesi anunaal a ensióndepola izaciónin e sa.Lascon igu aciones ípicasde
o odiodosPINp esen andiáme osdeá eaac i adeunospocosmilíme os,pe opueden
combina seconcon igu acionesdeampli icaciónen ansimpedancia(TIA)demodoque
puedanalcanza p es acionessimila esalosdeunAPDauncos omuchomásbajo[Vucic09].
Sehane aluadop o o iposquepe mi enob ene unanchodebandade100MHz,coná eas
e ec i asdeal ededo de1cm[G obe13].Unaideacla eesque,debidoaloscada ez
mayo esni elesdeiluminanciaalcanzable,lossis emasinalámb icosóp icospuedendiseña se
conlap emisadecon a conal os alo esde elaciónseñal‐ uido(SNR)‐engene almásde60
dBenel ecep o enenlacesen isióndi ec a‐ loquepe mi i íausa modulacionesdeal a
e icienciaespec alpa alog a al as elocidadesdeda osden oenelanchodebandade
modulacióndelLED[Wu12].Sinemba go,es odebehace sesinmenoscaba lae iciencia
ene gé icadelalámpa a,alse es aunadelasp emisasbásicasque omen anelusode
lámpa asdees adosólido en eao asal e na i as.
Elcanalen e ansmiso y ecep o puedeconside a se,engene al,comola esul an e
delasupe posicióndeunacomponen een isióndi ec a–LOS‐cono asp oducidaspo la
p opagaciónmul i ayec o ia,con e lexionesde ipoespecula ,di usasomix as.Podemos
de ini un ac o deescala(K)que engaencuen ala elacióndepo enciaen elas
componen esLOSyno‐LOS.Silacomponen eLOSesdominan e( alo esal osdeK),elcanal
escompa ibleconung ananchodebanda,mien asquesilacomponen eLOSes á
bloqueada(K=0),elanchodebandase educede o maab up a[Hashemi94][Jungnickel02]
aunqueelenlacees oda íacapazde abaja ,loquepe mi esuusoencondicionesde
somb eadooencanalesdesubida.Dadoqueelcanalpuedeinclusonose es aciona io(enel
casodequeelusua ioes eenmo imien o),lossis emasinalámb icosóp icospueden
necesi a he amien ase icien espa alaes imacióndelcanalyecualizacióndinámicaenla
capa ísica,asícomohe amien aspa a acili a lamo ilidadani eldeenlace[Jin11].También
pe mi emejo a la obus ezdelsis ema en eao os ac o esdede e io o,comoel uido
adicionaldebidoaluzambien al.
O o ac o a ene encuen a,enen o nos eales,dondeesnecesa iop opo ciona
iluminaciónycomunicacionesmó ilesenzonasamplias(unhanga ,unains alaciónindus ial)
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
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esquese equie enmúl ipleslumina ias.Es oobliga,si odaslaslámpa asen íanelmismo
mensaje,nosóloa ene encuen a ac o escomolasinc onizaciónen elaslámpa as,sinoa
ges iona lasupe posicióndelascobe u asdelaluzdecadaunadeellas.Po elcon a io,si
seconside alaluzdecadalámpa acomoindependien e,podemosde ini unsis emade
em oceldas[Vegni12]dondeloscanalesdeluzse eu ilicenencadacelda.Lasupe posición
pasaen oncesase una uen edein e e enciamu uaen elascélulas.,necesi ándose
en oncesalgo i mosde aspasodeusua iosyeldesa ollode écnicasde
colindancia[Cui13][Schulz15].Enes oscasos,puedeconside a se ambiénlacolindanciaen e
celdasdedis in as ecnologías,comoeselcasodelasyamencionadasHe Ne s.Engene alla
adap aciónen eenlaces,el aspasoylages ióndein e e enciasson uncionesque
gene almen equedan ue adelalcancedelasac i idadesdeno malizacióndeunes ánda
especí ico,po loqueesnecesa iodesa olla capasespecí icasdecoexis enciacomosonlos
denominadosMiddlewa e.Es ospuedenp opo ciona ,enun o ma oes anda izado,
capacidadesdeconexiónalasdis in ascapasdeacceso ísicoquepe mi enen ega in o mes
de e oalimen aciónaunaen idaddeges ióncen al,obienp ocesa mensajesdecon ol
den odelasdis in ascapas ísicaydeaccesoalmedio.
Laslámpa asLED( ambiénconocidascomolámpa asdees adosólidooSolid‐S a e
Ligh ing‐SSL)es ánp og esi amen edesplazandoao o ipodelámpa as(incandescen es,
luo escen es…)debidoacausascomosula ga idaú ilysumeno consumoeléc ico(debida
alae icien econ e siónelec o‐óp icadees e ipodema e iales).Un e ce ac o esla
posibilidaddec ea dis in osambien escondi e en escolo esoin ensidadesapa i de
lámpa asemiso assimplesyba a as.Es e ipodelámpa asp esen analgunasca ac e ís icas
queloshacenmuyin e esan epa asuusoenen o nosdondesehaceunusoin ensi odela
iluminacióna i icial.
Figu a2.3.Ejemplodelámpa asbasadasena aysdeledesblancos,enes ecasolámpa asOs a 500,con
lasqueingenie osdeSiemenshanlog ado elocidadesdehas a500Mb/s.
( uen eh p://www.siemens.com)
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
19
Lae icienciaene gé icadelaslámpa asbasadasenLEDesmuysupe io alas
incandescen es(no malesohalógenas)ymuyce canaalasdedesca ga[Philips1].Unes udio
ecien edelMinis e iodeIndus ia,Tu ismoyCome cioplan eaelsiguien esupues o:pa aun
apa camien opúblicoconun o alde380 ubosde1500mmy58W(quegene aunconsumo
uni a iode64W/h).Siseusasen ubosLEDde1500mmy22Wdeconsumo,(alquedebe
suma seelconsumodeld i e o ans o mado ,dandounconsumouni a iode25W),pa aun
usodia iode24h/díaypa aunp eciopo kW/hconsumidode0,152€,seob iene:
LedPRODUCTOFluo escen e
53,00€Cos euni a io3,60€
0,00€TasaRAEE(*)0,30€
5,20€Ins alación5,20€
58,20€cos epo cambio9,10€
50.000h.Vidaú il5.200h
11,58Vidaú il(años)1,2
350Unidades350
25Consumouni a io(W)64
2,74€Consumouni a iomes7,00€
8750ConsumoW/h22400
957,60€Cos e o almensual2.451,46€
11.491,20
€Cos e o alanual29.417,47€
Amo izaci
ón
18.550,00
€In e sióninicial0,00€
1.493,86€Aho omensual0,00€
221,18€Aho oman enimien o
mensual0,00€
1.715,04€Aho o o almensual0,00€
10,82Mesesamo ización*0
191.428,54
€Aho oen idaú ilLED
(*)TasadeApa a osEléc icosyElec ónicos
ylaGes ióndesusResiduos
Tabla2.1.Es udiodelaho oLed sFluo escen e.(Fuen e:Minis e iodeIndus ia,Tu ismoyCome cio)
El8dediciemb ede2008,losmiemb osdelaUEap oba onlap opues adelaComisión
de es ingi demane ap og esi alasbombillasincandescen esenelme cadodelaUE
ab iendoelme cadoalasbombillasdebajoconsumoypo supues oalasbasadasenLED.
Capí
u
gene
limi
a
in eg
obje
du a
c
dela
u
lo2.Es ado
Figu a2.4.C
o
Elp incip
a
adoqued
e
a
lapo enci
a
aciónde
a
odein es
i
c
ióndelos
d
po enciadi
s
Figu
delA eenSi
o
mpa a i ade
a
a
lincon eni
e
g adade
o
a
dees os
d
a
iosdisposi
i
gación[Zh
o
d
isposi i os
s
ipada,de
o
a2.5.Du ació
n
s emasVLC
a
ho oconilu
m
en edelo
s
o
maimpo
d
isposi i os
a
i osenun
a
o
u07][Holc0
3
en eao
a
o
masimila
n
es imadade
l
20
m
inacionesbas
a
s
LEDpa a
an e an o
a
algunosw
a
únicalám
p
3
].Enla ig
u
a
s uen eslu
ao osdisp
o
l
osdisposi i o
s
(Fuen eLuxe
a
dasenLedes.
iluminació
n
sue icienci
a ios[Philips
p
a a,pe oel
u
a2.4pue
d
minosas,as
í
o
si i ossem
i
s
ycu asded
e
on‐Philips)
( uen eComisi
n
eslae a
c
acomosu
2].Lasoluc
i
p oblema
d
d
eap ecia s
í
comosu
u
i
conduc o e
s
e
s a ajepa au
n
ónEu opea).
c
uacióndel
iempode
i
ónconsis e
d
eladisipac
i
elamejo a
u
e edepen
d
s
.
n
LEDluxeonK
2
calo
iday
enla
i
ónes
enla
d
encia
2
.
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
21
Eneles adoac ual,lae icaciaóp icadelaemisiónluminosadelosLEDcome cialeses á
enel angodealgunoslúmenes(lm)odecenasdelmpo wa io,loscompues os ípicospa a
es osemiso essonGaP,GAlAs,GaAsPInGaAlP.Enaplicacionescon uen esdeiluminación
di eccionales( ocos,au omó il,e c.)se educeelángulodeemisiónconsiguiendoal os alo es
dein ensidad.Así,po ejemplo,sise educeelángulodeemisióna10º,seob ieneuna
in ensidadóp icadelo dendecen ena esdecandelas[Philips3].Losdisposi i oscome ciales
empleandos ecnologíaspa ailuminación:
a. LEDazulcubie oconun ós o oama illo
b. LEDmul ichip icolo (RGB),ocua icolo RGB+ámba
(a)(b)
Figu a2.6.Espec oóp icodeemisióndeundiodoRGB(a)y(b)espec omedidopa aunLEDazulcon
ós o oama illo(medidapublicadasen[Minh07])
Ambossis emas ienen en ajaseincon enien es.Engene al,losp ime ossonmás
e icien esysencillos, an oensu ab icación,comoenlaci cui e íaelec ónicaasociada,
aunqueelespec odeemisiónes ijo.Encuan oalossegundos,o ecenlac eaciónde
dis in osambien esluminososyunmayo con ol,acos adeunamayo complejidadensu
alimen ación.Enen o nosdomés icossueleap ecia semuy íalaluzp oceden edela
p ime a ecnología,aunqueensis emasindus ialesode anspo esuemisiónescoinciden e
conlade iniciónde“blanco” eque idaen a iasno ma i asoes ánda esdeaplicación
[AENOR1].
Po loque espec aalacapacidaddees osdiodosde ansmi i in o mación,la
p esenciadeunma e ial os o escen e educela elocidaddeconmu acióna iemposdel
o dende1μs,loquenosuponeunse iop oblemaensis emasdebaja elocidad.Sin
emba go,sehanp opues osesquemascon asasbina iassupe io esa10Mbpsu ilizando
únicamen elaemisiónazul,acos adeunni elin e io deseñal,yaquelaene gíadel es odel
350400450500550600650700750800
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Wa eleng h
︵
nm
︶
In ensi y
︵
no malised
︶
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
22
espec oseeliminaconun il oóp ico( igu a2.5).Encuan oalosLEDRGB,nosolamen e
es ep oblemanoes áp esen e,sinoquepe mi enlau ilizaciónindependien edelos es
colo es,inc emen andoenun ac o esla elocidadde ansmisión.Es acapacidadpe mi e
queenen o nosdomó icos,dondesuaplicaciónesmásplausible,puedanes ablece se es
edesindependien espa acon olene gé ico, edesdeda osydis ibuciónmul imedia,po
ejemplo.Recien emen e,hanapa ecidoLEDmul ichipconcua oemiso esalin oduci seun
cua o(ámba oama illo)pa a ene unmayo con olsob eel in edelaluzemi ida.Enes e
caso,pod emosdispone decua ocanalespa ala ansmisión,sibiendebidoalsolapamien o
desusespec osse áp eciso educi elanchodelos il osen ecepción,conlaconsiguien e
pé didadepo enciapo canal.Alola godelp esen edocumen o,nos e e i emosalosLED
mul ichipcomoRGBde o magené ica,aunque ambiénseincluyanlosRGBAcomo
posibilidad.
(a)(b)
Figu a2.7.(a)Respues a empo aldelaseñalóp icaemi idapa aunalámpa aLuxeon‐S a [LUXEON]YB‐LED,
(escala100ns/di .)y(b)pa alamismalámpa acon il oqueeliminalacomponen edel ós o oama illoenel
ecep o (escala50ns/di .)
Loselemen osdeiluminaciónbasadosenLEDp ecisandeunsis emadealimen ación
elec ónicopa aadap a la ensióndela edalosdisposi i osde o mae icien e[CHEN08].
Es esis emadebeinclui unsis emadees abilizaciónpa aman ene ocon ola elni elde
iluminación.P ác icamen e odoslossis emasdesc i ossebasanenlaconmu ación ápida
(encendido‐apagado)delaco ien eaplicadapa aqueeldisposi i odeconmu ación,
no malmen eun ansis o MOSdepo encia,nodisipeexcesi aene gía.Lossis emas
p opues osu ilizanes aconmu aciónpa ainclui in o maciónenlaseñalluminosa.Pues o
quees econ olpe mi eelusodelamayo pa e,p ecisamen elademayo p ecio,del
sis emadealimen ación,elinc emen odelcos easociadoalacomunicaciónes educidoe
inc emen ala uncionalidaddelsis emaacos e,p ác icamen e,nulo.O a en ajaimpo an e
delempleodesis emasdeiluminaciónpa ala ansmisióndein o maciónesladisponibilidad
deal aspo enciasóp icassinelp oblemadelasegu idadocula asociadaalosenlacesen
in a ojo.Losni elesdepo enciaempleados,aunsiendode a ios a ios,nop esen anun
pelig opa aelojohumanopues oquelosusua iosno anami a ijamen elaslámpa as,
comonolohacenenlasac uales.
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
29
Losp ime os abajossob ees alíneap ocedendelaKeioUni e si yen
Tokyo[Komine02][Douseki04],quehandadoluga asuimplemen aciónsob edisposi i os
mó iles,desa olladapo dis in asemp esasjaponesasag upadasenelVisibleLigh
Communica ionsConso ium[VLCC].Des acandoen eelloslos esul adosp esen adospo el
conso cioMa shusi a[MATSHUSITA].Encolabo aciónconelloshaynume osos esul ados
publicadospo yamencionadaKeioUni e si y[Tanaka01][Tanaka01b][Fan02][Komine03]
[Komine04][Komine05][Komine05b][Komine06][Komine09],laUni e sidadde
Nagoya[Ha a07][Mase08],ladeNiga a[Liu07]olaDoshishaUni e si ydeKyo o[Miki06].
Den odeunalíneamásdedesa olloemp esa ial,esnecesa io eseña unase iedepa en es
quehap esen adoenEs adosUnidosyo ospaísesung upodein es igacióndeSamsung,
pa aaplicacionesdeguiadoenin e io es[Ann08][Son09][Won09],que abajaen
colabo acióncong uposdelaKwangwoonUni e si ydeSeúl[Koo09].
EnEs adosUnidossehande ec ado a iosg uposquedesa ollaac i idadessob eVLC.
LaNa ionalScienceFunda iondo óunp oyec ode18,5Millonesdedóla espa aaplicaciones
enen o nosdomés icosmedian eelp oyec oSMARTLIGHTINGquecoo dinalaUni e sidad
deBos on[NSF‐BU][Li le08].O og upoque adicionalmen eha enidodesa ollando
sis emasdecodi icaciónpa asis emasóp icos,guiadosynoguiados,eseldelaPennsyl ania
S a eUni e si yquedi igeelp o eso Ka eh ad,que ambiénhapublicadoalgún abajosob e
sis emascombinadosPLC‐VLC[Ami shahi06].También,ung upodein es igado esdela
compañíaBoeinges ádesa ollando anscep o esdebajocos epa aaplicaciones
ae onáu icas[Chan09].
EnEu opahay a iosg uposdein es igación abajandoenVLC,ademásdelosg upos
nacionalescuyaac i idadluegosedesc ibi áconmásde alles.Unainicia i aeselp oyec o
OMEGAHomeGigabi Accessquecoo dinaF anceTelecom.Es ep oyec osecen aenel
desa ollodeaplicaciones4Gpa aelhoga ,quecombina ecnologíasRFyóp icas.Enesa
inicia i acolabo ang uposmuyac i osenin es igacióncomoelquecoo dinaelp o eso
O’B ienenlaUni e sidaddeOx o d[Dambul11][LeMinh08][LeMinh09],eldelp o eso Haas
enlaJacobsUni e si ydeB emen[Elgala07][Elgala09][Elgala09b][Elgala09c][Elgala10]
[Mesleh10][Mesleh11][Sh es ha09]oeldelIns i u oF aunho e [G ubo 08][Lange 07]
[Lange 08][Lange 09].Encolabo acióncones osg upos, ambiénes á abajandoen emas
deaccesoenelin e io deae ona esung upodelaNa ionalandKapodis ianUni e si yde
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
30
A enasydelaUni e sidaddePa as[Ma inos10][Ma inos10b][Schmi 10],enunp oyec o
inanciadoenpa epo EADS.Finalmen e,elg upodelIns i u odeTelecomunicacionesdela
Uni e sidaddeA ei o,enPo ugal,dela ga adicióneneldesa ollodesis emasde
comunicacionesóp icasnoguiadas, ambiénhapublicadoalgunos abajossob ela
ca ac e izacióndelcanal isible[Kuma 08][Kuma 09].Unapa edelosg uposeu opeosan es
ci adoshacons i uidoelconso cioLiFi[LiFi],de inidacomounao ganizaciónsinánimode
luc odedicadaalap omocióndela ecnologíaVLC(adop andoLiFi,po analogíaconWiFi,
comonomb ecome cial).Locomponenbásicamen eelins i u oF aunho e yung upode
pequeñasemp esasyesdedes aca sug anno o iedadcome cial[Theeconomis ].
Elg upode abajoenca gadodela e isióndeles ánda IEEE802.15.7 1, asuna
p ospec i asob ecuálessonlosen o nosdeaplicaciónmásp obablespa aes as ecnologías,
hap opues oses oscua ocasosdees udio:
1) In e io es:Es oincluyecasosdeusocomosalasdecon e encias,o icinas
gene ales,cen oscome ciales,ae opue os, e oca iles,hospi ales,museos,cabinas
delosa iones,biblio ecas,e c.Escomúnaes oscasosdeusoque:
a. La asade ansmisión eque idaenmuchasaplicacionesesmeno queen
WiFiycompa ableaBlue oo h
b. Losusua iossona endidospo múl iplespun osdeacceso
c. Cuen anconunain aes uc u a ijaconundisposi i ocon olado cen al
d. Losusua iosaccedenain e ne abajas elocidadesya a ésde
disposi i osmó iles.
2) Cen osdeDa os,ins alacionesindus ialesyescena iosque equie en
unaconexióninalámb icasegu a:Incluyesis emasquedebenmaneja múl iples
usua ios(inclusode o macelula )como áb icasyhanga es.Debeinclui seen onces
elusodees a egiasdeaccesomúl ipleylages ióndelamo ilidad(po ejemplo,de
obo sdeambulandoenunains alación).Las ecnologíasu ilizadasenp incipiopuede
se lasmismasqueenelescena ioan e io aunque,sinemba go,suusoen
ins alacionesindus iales equie e:
a. Enlacesmás obus os
b. Unameno la enciadebuclece adopa aaplicacionesdecon ol
indus ial
c. Unamayo capacidaddeges ióndelamo ilidad
Capí ulo2.Es adodelA eenSis emasVLC
31
d. Elusode écnicasdeposicionamien op ecisas,especí icamen epa ael
casodein e io es
e. Polí icasdesegu idadyp i acidadmejo adas.
3) Comunicaciones ehicula es:incluyendodecomunicacionesde ehículoa
in aes uc u a(V2I),yde ehículoa ehículo(V2V).Losenlaces ehicula es,que
puedenu iliza lasluces on alesy ase asdelosau omó iles,p esen an,como
en aja en ealassolucionesbasadasen adiocomunicacionesquepe mi en
ga an iza laen egadelmensajeden odeun iempoc í icodedi usióninclusoen
escena iosdeal adensidadde á ico,loquenoesnecesa iamen ecie oensis emas
de adio ecuenciadebidoalaumen odelosni elesdein e e encia
[Eichle 07][Liu11].ElcasodeusoV2V,aunqueesbásicamen eessimila alos
escena iosan e io es,necesi asinemba go oma encuen aalgunasconside aciones,
comosonlamo ilidad,quep oduceunacobe u apa cialy equie ede á agasde
comunicaciónmuyco asyal as elocidadesde ansmisión,lamul ip opagación
(dependien e ambiéndelascondicionesdel e eno,quepuedenp oduci enómenos
comoespejismososca e ing),lacapacidaddees ablece edesad‐hocen unciónde
lacon igu acióndelosenlacesy, inalmen e,laausenciadein aes uc u a ija,po lo
quelacoo dinaciónco eaca godeldisposi i oquedeiniciaelenlace.
4) Lages ióndehando e en eceldas.Sibienden odecadaceldase
puedeconside a lacomunicacióncomounenlacepun oapun o,esnecesa io
es udia el aspasodecomunicaciones[Jungnickel15][Cold ey13], an oho izon al
como e ical,siendoenes oscasoslospa áme osdees udioel h oughpu o aldel
sis ema,lala enciaylacapacidaddeges iona enlacesdedis in asna u alezas(loque
yasemencionabaan esden odelpa adigmadeHe Ne ).
Sepuededeci ,po an o,quelascomunicacionesóp icasnoguiadasenlongi udesde
ondadeluz isible(VLC)se a adeunalíneadeI+D+iquees ásiendoobje odees udiopo
g uposuni e si a iosyemp esasdelasp incipalespo enciasenin es igación(UE,USAyes e
deAsia)yalaquese íadeseablequeemp esasnacionalesconexpe ienciapudie an
inco po a se.
33
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
3.1.In oducción
Elcanalóp iconoguiadosepuedemodela comounsis emalinealenbandabase.Al
a a sedeunsis emalineal,és equeda o almen eca ac e izadopo su espues aalimpulso,la
cualesin a iablepa aunacon igu ación ísicadeemiso , ecep o ysupe icies e lec o as.Es o
se áasísiemp equesepuedasupone quelas a iacionesdelcanalsonmuylen asen
compa aciónconla elocidadde ansmisióndelosda os,po consiguien e,la espues ase
puedees udia comosi ue aes aciona iaypo an o,elsis emacomosi ue ain a ian eenel
iempo.
Enes e abajosep e ende ealiza unahe amien aquemedian esimulaciónpe mi a
es ima dicha espues apa aunemiso yun ecep o localizadosdemane aa bi a ia
suponiendodi e en es iposdecon igu aciones.Pa adesa olla unahe amien adees e ipo,es
necesa iode ini losmodelosma emá icosquedesc ibencadaunodeloselemen osque
cons i uyenelen o nodesimulaciónyes ablece lasbasesdeunalgo i moque,conayudade
esosmodelos,pe mi aalcanza dichoobje i o.Du an ees ecapí ulosedesc ibi áde o ma
eó icaelmé odoenelquese undamen acadaunadelashe amien asdesa olladasasícomo
elmodeloasegui pa aelcálculodela espues aalimpulsodelcanalenin e io es.
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
34
3.2. Modelodep opagación
Elmodelodep opagaciónes ácompues opo elalgo i modesimulaciónylosmodelos
ma emá icosu ilizadospa adesc ibi lasca ac e ís icasdeloselemen osdelenlaceóp ico.En
gene al,pa asis emasdi usos,seusaunacon igu acióncons i uidapo unemiso óp ico,un
ecep o óp icoylassupe icies e lec o as, igu a3.1.
Acon inuaciónsedesc ibenlosmodelosma emá icosu ilizadospa ade ini cadaunode
ellos.Pa ae alua la espues aalimpulsodelcanaldi uso,sehausadounalgo i mode azado
de ayosdeMon e‐Ca lo[LOPEZ98], undamen almen epo sual ae icienciadecálculoysu
na u aleza(el azadode ayos),quepe mi elamodelaciónde o mana u alde enómenos
óp icoscomola e lexión,la e acciónyladi usiónosca e ing.De o magene al,la espues aal
impulsopa aunaposicióndeemiso y ecep o dadapuedese exp esadacomounasuma
in ini adela o ma:
;,,;,,
∞
;,,(3.1)
donde;,, ep esen ala espues aalimpulsoLOS,;,,cons i uyela
espues aalimpulsopasandopo k e lexiones,λlalongi uddeonday el iempo.Enel
anscu sodelp oyec onose end áencuen alalongi uddeonda.
Figu a3.1.Modelodep opagaciónpa aunenlaceendi usión.
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
35
3.2.1 Modelodelemiso óp ico
Una uen eóp icasepuede ep esen a ,segúnelmodelop opues opo
G elle [GFELLER79]yBa y[BARRY93],po un ec o deposición,un ec o deo ien ación,
unapo enciaemi idadesalidaypo sudiag amade adiación,,de inidocomola
po enciaóp icapo unidaddeángulosólidoemi idaenlaposicióncon espec oal ec o de
o ien ación,.Pa ainclui elcasomásgene al,seconside aqueelemiso p esen aundiag ama
de adiaciónLambe ianogene alizado,consime íaaxialeindependien ede,comoelquese
p esen aenla igu a3.2,yque ienedadopo :
,1
2 ,0
2,02(3.2)
dondeneselnúme omodalquede ineelg adodedi eccionalidaddellóbulode adiación,elcual
es á elacionadoconel alo delángulodepo enciami ad1/2(ánguloenelquelain ensidad
adian eemi idase educealami addelmáximo),po :
ln2
lncos/(3.3)
El alo 1 co espondeaunemiso Lambe ianopu o,de al o maqueamayo
núme omodalmayo se áelg adodedi eccionalidaddellóbulodelaemisión.El ac o
12
⁄,asegu aquelain eg alidadde,enlasupe iciedelasemies e aseaiguala
.
Acon inuación,enla igu adelade echa,semues aunejemplodelmodelode adiación
Lambe ianopa adi e en esnúme osmodales.
Figu a3.2.Diag amade adiaciónLambe ianopa a a ios alo esden:1,5y50
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
36
3.2.2 Modelodel ecep o óp ico
De o masimila alemiso ,el ecep o quedaca ac e izadopo un ec o deposición,
un ec o deo ien ación,suá eaac i aypo suánguloocampode isión(Fieldo View,
FOV).ElFOVde ineelángulomáximodeincidencia espec oal ec o deo ien acióndel ecep o
,enelquelaseñalpuedese de ec ada.
Un ecep o de ec aunapo enciaóp icap opo cionalasuá eadecoleccióne ec i ade
luz.Igno andolaspé didaspo e lexión,unde ec o alcanzauná eae ec i ade:
cos
(3.4)
dondeeselá ea ísicaoac i adelde ec o ,ψeselángulodeincidenciacon espec oasu
o ien ación,FOVeselcampode isión(semi‐ángulodesdelasupe icieno mal)yes
una unciónque omael alo unocuando||1yce opa ael es ode alo es,esdeci :
1, ||1
0, ||1(3.5)
Figu a3.3.Modelodep opagaciónpa aunenlaceendi usión
Cuandounasupe iciees is adesdeunde e minadoángulo,suá eae ec i ase e
disminuidapo el ac o cosenodelánguloque o manladi ecciónde is aylano maldela
supe icie.Laleydelcosenodelánguloa i maquelailuminaciónesp opo cionalalcosenodel
ángulodeincidencia.Asíenla igu a3.4elá eadelasupe icieque ecibeluzes,ypa ala
segundasupe iciees:
pued
del
e
in en
o m
a
adia
óp ic
e le
j
cuan
d
dos
c
simp
l
( igu
com
p
en o
com
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cálcu
adi
c
El e lec
e iaja de
e
nlaceaccid
cionada(co
a
gene alp
o
ciónRs (φ)
y
ainciden e
j
adacon e
s
d
oes e leja
Po log
e
c
omponen
e
l
i icación,lo
s
a3.2),es
p
onen eesp
e
nodeun
p
o amien o
R
s
Es esup
u
lodela
e
c
ionalesya
q
Fi
g
o esunel
e
o madi ec
en almen e
locadoa al
o
un ec o
y
po unco
e
quees e l
e
s
pec oala
dadesdeu
n
e
ne al,la a
d
e
s:unadi u
s
s
e lec o e
s
deci ,co
m
e
cula ,n=1.
sis emade
di uso.Eldi
s
(φ1)=1/πc
o
u
es o,aunq
u
e
spues aal
q
ueexis en,
A2=
A
g
u a3.4.Á ea
e
men oque
adesdeel
e
( o mado
p
inenelsi
s
deposici
ó
e
icien ede
e
jada.La e
ene gíainci
n
asupe icie
;
d
iaciónincid
s
ayo ae
s
s
semodela
n
m
o e lec o
Es osedeb
e
ansmisió
n
ag amade
o
s(φ1)
u
econ ibu
y
impulso
d
enlosen o
37
A
/cosθφ
p oyec adaa
p
puedees a
e
miso al e
p
o elemen
s
ema).El
e
ó
nps,un e
e lexiónρ,
lec anciaρ
,
den eenu
;
oma alo
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en esob e
u
s
pecula , i
g
n
conundi
a
esdi usos
e
aqueg an
n
noguiad
o
adiaciónLa
m
0≤φ1≤π/2
y
eaunasi
m
d
elcanal,
c
nosmásco
m
C
a
p
licadaalaley
onop es
e
cep o .Los
osexis en
e
e
lec o , ig
u
c o deo i
e
elcualde
e
,
esun al
o
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pun o.M
e
saco ados
u
nasupe i
c
g
u a3.5.En
a
g amade
a
uni o mes
can idadd
e
o
enin e i
o
m
be ianop
u
0≤γ
m
pli icación
i
c
ons i uye
u
m
unes,innu
m
a
pí ulo3.M
o
delcoseno.
3.2.3
M
e
n eenun
e
e lec o es
p
e
senelen
u
a3.3,se
p
e
n aciónns,
e
minala
a
o
quemide
ues aloq
u
en[0,1)yc
a
c
ie e lec o
a
lamayo ía
a
diaciónLa
m
ope ec
o
e
losma e ia
o
esseaju
s
u
oeselsig
u
≤2π
i
mpo an e
u
nalimi aci
ó
m
e ablesm
a
o
deladode
l
(
M
odelodel
e
nlaceóp ic
o
p
ueden o
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o no)od
e
p
uedeca ac
po sudia
g
a
ccióndela
la azónd
e
u
eleocu
e
a
ecedeuni
d
a
se e leja
m
deloscas
o
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be ianop
u
o
s,desp ec
lesquecon
s
anaes e
u
ien e:
(3
.
delosalgo
ó
ndelos
a
e ialesys
u
Sis ema
(
3.6)
e lec o
o
,el ayo
m
a pa e
e
mane a
e iza de
g
amade
po encia
e
ene gía
e
alaluz
d
ades.
m
edian e
o
s,como
u
o(n=1)
iandola
o manel
ipode
.
7)
i mosde
modelos
u
pe icies
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
38
queexhibencompo amien osde e lec i idadquenada ienenque e coneldeundi uso ideal,
po ejemplo, o mica,made aba nizada,plás icos, id io,e cé e a.
Figu a3.5.El enómenode e lexióndelaluz is odesdesus escomponen es:di usauni o me,di usa
di eccionalyespecula
La e lexiónespecula pe ec aesuncompo amien oideal,ap eciableapequeñaescala
enlassupe iciesespecula es alescomounespejo.Su e lec i idadsedeno aconelsímbolo.
Ende e minadascondiciones(ángulosdeincidenciace canosa90°)lassupe icies iendena
compo a secomounespejo.Lacan idaddeene gía e lejadacon espec oalaene gíainciden e
dependepo an odelángulodeincidenciayes ácon oladopo el é minodeF esnel.
La e lexióndi usape ec a, ambiénconocidacomoLambe iana,esindependien edela
di ecciónde e lexión,yaquedis ibuyelap opo cióndeluz e lejadaigualmen een odaslas
di ecciones.Noexis enma e ialesenelmundo ealqueseanpu amen edi usos.Pa aes ecaso
idealizadodesupe iciela e lec i idadseno acomo.Finalmen e,lacomponen edi eccional
di usa,oespecula ,esaquellaqueincluyelosmodosdedispe siónquenosonideales.Esla o ma
de ans e enciamáscompleja.Enes ecaso,esposibleconside a a ioscasoso iposde
e lec ancia.
Debidoaqueensi uaciones ealeslassupe iciesexhibendi e soscompo amien osde
e lec i idad,enes ep oyec oseconside an a iospa onesde e lexiónpa alassupe icies
e lec o as,comopo ejemploelmodelodePhong[Newman75].Es emodelope mi esimula
supe iciesconcomponen esespecula essigni ica i as,ob eniéndoseunadi e enciade
ap oximadamen e5dB[Biosca05]enlaes imacióndelapo enciaóp ica ecibidaalcompa a los
esul adosob enidosasumiendoquelasupe icie e lec o asigueelmodelodePhongoelde
Lambe espec i amen e.Es emani ies alanecesidaddeconside a enlasimulaciónmodelos
másespecí icosde e lec i idadpa acadasupe icie.
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
39
Figu a3.6.Pa ónde e lexiónsegúnelmodelodePhong.
3.3 Cálculodela espues aalimpulso
Pa acalcula la espues aalimpulsodelcanalsehau ilizadounalgo i moadap adode
azadode ayosdeMon eCa lo.Comosehadichoan es,la espues aalimpulsopa amúl iples
longi udesdeondapa aunaposicióna bi a iadelemiso Eydel ecep o Rpuedese exp esada
comounasumain ini adela o ma:
;;,;;,;;,
(3.7)
donde;;, ep esen ala espues aalimpulsopo líneade isióndi ec aen eemiso y
ecep o (Line‐o Sigh ,LOS)y;;,esla espues aalimpulsodelaluzsome idaak
e lexiones,eslalongi uddeondayesel iempo.Eneldesa ollodees ep oyec ono
conside a emoslalongi uddeondaenlas unciones.
3.3.1 Respues aalimpulsoLOS
Dadounemiso Eyun ecep o Renunmediolib ede e lec o es, igu a3.1,la espues a
alimpulso;;delcanalesuna uncióndel adeDi acdesplazada.La espues aalimpulso
LOSconunala gadis ancia,(,)en eambosesap oximadamen e:
;,1
,,
,
(3.8)
donde, ep esen aelmodeloLambe ianogene alizadousadopa aap oxima elpa ón
de adiacióndelemiso ,cesla elocidaddelaluz,,esladis ancia eco idapo elhazdesde
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
46
∆√∆
(3.27)
donde∆eselá eadecadaelemen oyesla elocidaddelaluzenel acío.Dees a o mase
consiguequeelhis og ama engauna o masua izadace canaala o ma ealdela espues aal
impulso.Laap oximaciónse ámejo cuan omeno seanlos alo es∆y∆.
Aunquede o ma eó icaelmé odope mi ede e mina la espues aalimpulsopa a
cualquie núme ode e lexiones,és eesin iablecuandoseconside aunnúme oele adode
e lexionesdebidoasual acomplejidadcompu acional.Así,conside andocomoope ación
elemen alelcálculodela espues aalimpulsopo isióndi ec aen edoselemen os
cualesquie a(incluidoelemiso yel ecep o ),elnúme odeope acioneselemen alesdees e
algo i moc ecesegúnNk,siendoNelnúme odeelemen osenlosquesedi iden odaslas
supe icies e lec o asykelnúme ode e lexionesconside adas.Teniendoencuen aes ose
puedeobse a queelnúme odeope acionesc ece ápidamen ehaciendoin iableelmé odo
pa aunnúme omayo a es e lexiones.
3.4.2 Mé odoes adís icodeLópez‐He nández
Elalgo i mop opues opo López‐He nándezes á undamen adoenelmé odo
es adís icodeMon eCa lo,unmé odonumé icoque esuel ep oblemasde ipogene al
median elasimulaciónde a iablesalea o ias.Cones emé odosepuedesimula cualquie
p ocesoquedependade ac o esalea o ioseinclusoalgunosqueno engan elacióncon
cues ionesalea o iaspe oenlosquesepuedain en a unmodelop obabilís icoa i icialpa a
esol e lo.Po an o,sepuedehabla deunmé odouni e salenla esolucióndep oblemas
an ode ipode e minís ico(siexis esoluciónes aesexac a)comodep oblemases adís icoso
node e minís icos(siexis esolución ienenca ac e izadapo un alo medio,una a ianza,
e cé e a).En odosloscasoslasoluciónqueapo aesap oximada.
Es ealgo i mo,ademásdelmé ododeMon eCa lo,u ilizauna écnicade azadode
ayospu o.Suponiendoquela uen eóp ica adiaen o made ayosopa ículasemiso as
( écnicade azadode ayos),cadaunadees aspa ículaso ayosespo ado adepa edela
po encia o aldela uen eysiguiendo adiaciones ec ilíneassep opagaala elocidaddelaluz.
Cada ezque ocaconunasupe icieuobs áculose e lejades iándosehaciaunanue adi ección
yconunanue aene gíapo unidadde iempo,cuyo alo depende ádelasca ac e ís icasdela
supe icie e lec o a.Así,cuandolos ayosalcanzanalgunodelosde ec o es,sealmacenasu
po enciayelins an ede iempoenelquehanalcanzadoal ecep o ,locualpe mi i á,después
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
47
de aza odoslos ayos,ob ene in o maciónsob eladis ibución empo aldepo enciaenel
ecep o ypo an o econs ui la espues aalimpulso.
La espues aalimpulsosepuedeexp esa comounasumain ini adela o ma:
;,;,;,;,
(3.28)
donde;,esla epues aalimpulsopo isióndi ec aen eemiso y ecep o ,y
;,esla espues aalimpulsodebidaalaseñal adiadapo elemiso quellegaal
ecep o despuésde e lexiones.
La espues aalimpulsopo isióndi ec aen eelemiso yel ecep o , igu a3.9, iene
dadapo unadel adeDi acconuncie o e a do,cuyaexp esión ienede e minadapo la
siguien eexp esión:
;,1
2 coscos
(3.29)
Figu a1.9.Modelopa ade e mina h( )con isióndi ec aen eemiso y ecep o
Donde ealmen eseaplicala écnicade azadode ayosyelmé ododeMon eCa loes
enelcálculodela espues aalimpulso asunao a ias e lexiones, igu a3.10.Pa aellose
gene aunnúme oele adoNde ayosquepa endesdelaposicióndelemiso ,conuna
o ien aciónasignadaalea o iamen esegúnuna uncióndedis ibucióndep obabilidadob enida
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
48
apa i deldiag amade adicacióndedichoemiso .Lapo enciadecadaunodeesos ayosse á
inicialmen e
⁄.
Cadaunodelos ayossep opagasiguiendo ayec o ias ec ilíneasala elocidaddela
luz.Acon inuación,cada ayosep opagahas aquecolisioneconalgunadelassupe iciesdel
ecin o.Cuandoalcanzalasupe icie,secalculalacon ibucióndepo enciade ec adapo el
ecep o debidaadicho ayoyelpun odondesehap oducidolacolisiónseconside acomouna
nue a uen eóp ica,gene ándosedesdeelmismounnue o ayoconunao ien aciónalea o ia
queseob ieneenbaseauna uncióndedis ibucióndep obabilidadsegúnelpa ónde e lexión
delmodelodePhong[NEWMAN75].Aes enue o ayoseleasigna odalapo encia emanen e
asla e lexión,segúnelcoe icien ede e lexióndelasupe icie,de al o maque
.T ascada e lexión,lapo enciadecada ayose educesegúnelcoe icien ede
e lexióndedichasupe icie( e lec i idad).Cadaunodelos ayossep opagahas aqueel iempo
anscu idodesdequeel ayo uegene adodesdeelemiso supe eel iempomáximode
simulación.Elalgo i mocalculaen odomomen oladis ancia eco idapo el ayohas ael
ins an edelacolisión,ala ezqueac ualiza, ascada e lexiónsupo encia.Pa ade e mina el
ins an ede iempoenelquesep oducelacon ibucióndepo enciadeunde e minado ayo,en
cada e lexiónse ieneencuen a an oel iempoquehaes adop opagándosehas aesaúl ima
colisióncomoel iemponecesa iopa aalcanza di ec amen eel ecep o desdedichopun o.
Lacomplejidadcompu acionaldees ealgo i moesin e io aldelmé odoi e a i ode
Ba y.Enelalgo i modeLópez‐He nándezelnúme odeope acioneselemen alesc ecesegún
·,mien asqueeneldeBa ylohacíaa azónde,dondeeselnúme ode ayos
gene adosdesdeelemiso yeselnúme ode e lexionesconside adas.
Figu a3.10.Posiblep opagacióndeun ayoenelalgo i mode azadode ayospu o
Lasiguien e ablamues aunacompa aciónen eambosalgo i mos.Sepuedeobse a
elnúme odeope acionesen uncióndelnúme ode e lexionespa aunahabi aciónde
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
49
dimensiones10103yuna esoluciónde0.04 .Sepuede e comoenes ealgo i mo
es adís icoaunqueaumen eelnúme ode e lexiones,elnúme odeope acionesseman iene
den odelmismoo dendemagni udqueenelcasodeconside a unasola e lexión,mien as
queeneldeBa y,conside a cua o e lexionessuponeaumen a en20ó denesdemagni udel
núme odeope aciones en eauna e lexión[LOPEZ98].
k=1k=2k=3k=4
Algo i modeBa y3.2x1061.02x1013 3.3x10191.05x1026
Algo i mode azadode ayos
pu o(1000000 ayos)
1.0x1062.0x1063.0x1064.0x106
Tabla3.1.Núme odeope acionesen uncióndelnúme ode e lexiones
3.4.3 Algo i modeMon eCa lomodi icado
Elalgo i moquese aaimplemen a enelp oyec oessimila aldeLópez‐He nández.Se
a adeunalgo i mode azadode ayosenelqueseaplicaMon eCa lo,lapeculia idadesque
nosolopod emossimula elmodelode e lexióndePhongsinoquesehanin oducidoo os
comoeldeBlinn.
Conside amosunemiso yun ecep o enunmediocon e lec o es.La adiaciónque
emi eelemiso puedealcanza al ecep o despuésdeunnúme oinde e minadode e lexiones.
Pa acalcula la espues aalimpulso asmúl iples e lexionesusamoselalgo i mode azadode
ayosdeMon eCa lo.Básicamen e,consis eengene a unnúme oele adode ayosquepa en
desdeelemiso yqueseo ien an,demane aalea o ia,enbaseaunadis ibuciónde
p obabilidadob enidaapa i desudiag amade adiación,,queennues ocasose á
Lambe iano.Lapo enciainicialasociadaacada ayoeslapo enciaqueemi ela uen edi idida
po elnúme o o alde ayosu ilizados/.Cuandoun ayoincideenunasupe icie,elpun o
de e lexiónsecon ie eenunanue a uen eóp ica,po an osegene aunnue o ayo
alea o iamen e,enes ecaso e lejado.Cadaunodelos ayossep opagahas aquesu iempode
uelosupe eel iempodesimulaciónespeci icadoinicialmen e,has aquesupo enciaasociada
seadesp eciable,obien,has aqueel ayohayaexpe imen adoelnúme omáximode ebo esa
analiza .Despuésdecada e lexión,lapo enciadel ayose e educidapo elcoe icien ede
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
50
e lexióndelasupe icieysecalculalapo encia e lejadaquellegaal ecep o desdeelpun o
decolisióndel ayo,comosise a asedeun ayocon isióndi ec a.
Comoelobje i oesob ene in o macióndeladis ibución empo aldepo enciaque
de ec ael ecep o ,acadaunodelos ayosseleasociadospa áme os:el iempode
p opagación,de inidocomoel iempo anscu idodesdequepa iódesdeelemiso ,ysu
po encia o alalalcanza al ecep o .
Po an o,lacon ibucióndepo enciadeli‐ésimo ayogene adopo elemiso 1
despuésdek e lexionessepuedeexp esa como:
,,1
,,,
,(3.30)
,,
,
(3.31)
donde, ep esen aelins an ede iempoenelcuallapo enciaesde ec adapo el ecep o y
,,eselmodelousadopa adesc ibi elpa ónde e lexión.Enes ep oyec ose
u iliza án a iosmodelos alescomoelmodelodeLambe ,eldePhong,eldePhong
e o e lexi o,eldeBlinnyelmodelodeLa o une.
elem
enco
Pa ala
en ope mi
n a según
Figu
a
ealización
d
elamodel
el ipodes
u
a
3.11.Es uc
d
ees e a
aciónde i
u
pe icies í
p
51
u adelalgo i
bajoseha
n
ualmen e
p
icasdelos
C
a
mode ayos
m
n
u ilizado
c
cualquie p
a
di e sosen
a
pí ulo3.M
o
m
odi icado
3.5 M
c
inco ipos
a
ónde e
o nosin e
i
o
deladode
l
odelos e
l
de e lec o
lec i idad
p
i
o es,con i
Sis ema
l
ec o es
es.Es e
p
osiblea
iendoel
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
52
algo i moinicialenunahe amien amuchomásgene alyexac a.Acon inuaciónseexponenlos
modelosusados.
3.5.1 ModelodeLambe (1760)
Es eeselmodelomásbásicode odos.Seasumequesolo ienecomponen edi usayen
elcasode e lexióndi usaidealla adiaciónse e lejaconigualp obabilidaden odaslas
di ecciones.Unasupe icieLambe ianapa eceigualmen eb illan edesde odaslasdi ecciones.
Es emodelo uedesc i opo Lambe enelaño1760pe osigue eniéndoseencuen a.Noexis en
ma e ialesenelmundo ealqueseapu amen edi usos.Pa aes ecasoidealizadodesupe iciela
e lec i idadseno acomo0,1.
La e lexióndi usaideal,conocidapo muchoscomoLambe iana,esindependien edela
di eccióndesalida,in luye ansololadi eccióninciden e.In e ienenenes ee en o a ios
enómenosdedispe sión,p oducidos an oenlasupe iciecomoenlascapasin e nasdelobje o.
Figu a3.12.Re lexióndi usay e lexiónespecula
Lamayo íadelashe amien asdesimulaciónconside analassupe icies e lec o as
como e lec o espu amen edi usos(J.Ba y,1993)(F.R.G elle ,1979).Sinemba go,es emodelo
p esen aunincon enien e,noescapazdeap oxima aquellassupe iciesconunaal a
componen eespecula de e lexión.Laexp essionanalí icaquedesc ibeelmodelodi usoes:
,1
2 ,0
2,02(3.32)
Elmodelode e lexióndeLambe pa aap oxima elpa ónde e lexióndelassupe icies
e lec o as,conside aalassupe iciescomo e lec o espu amen edi usosconundiag amade
adiaciónLambe ianopu o(n=1)yconunaspé didaspo e lexiónde inidasa a ésdel
coe icien ede e lexión.
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
53
3.5.2 ModelodePhong(1975)
Fueelp ime modelode e lexiónpa asupe iciesno‐Lambe ianasusadoenin o má ica
g á ica,p opues opo Phongen1975[NEWMAN75].En aden odemodelosempí icosycomo
ales, ápidosysencilloscompu acionalmen epe oca en esdesigni icado ísico; ansolo
dependendelángulo,calculadopa ade e mina el ec o e lejadocon espec oaladi ección
inciden e.
Figu a3.13.Va iaciónde e lexiónespecula adi usaendi e sassupe icies
Enlap ác icaes ácil e queningún e lec o esLambe ianopu o.Losobje os iendena
e leja mayo in ensidadhaciaelángulodela e lexiónespecula p edichapo laLeydeSnell.
Figu a3.14.Unasupe icieno malmen e e lejaunacomponen edi usayespecula
Engene al,un ayoinciden esob eunasupe icie e lec o ase e lejamedian edos
componen es:unadi usayo aespecula .Enelmodelode e lexióndeLambe pa aap oxima
elpa ónde e lexióndelassupe icies e lec o as,comosimpli icaciónseconside óalas
supe iciescomo e lec o espu amen edi usosconundiag amade adiaciónLambe ianopu oy
conunaspé didaspo e lexiónde inidasa a ésdelcoe icien ede e lexión.Sinemba go,
es emodelop esen aunp oblema,yaquenoescapazdeap oxima aquellassupe iciesque
mani ies anuncompo amien oal amen eespecula .Po es emo i o,sehau ilizadoelmodelo
dePhong,queap oximaelpa ónde e lexióndelassupe icies e lec o asmedian elasumade
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
54
doscomponen es:unadi usayo aespecula , igu a3.14,cuyospo cen ajesdependen
p incipalmen edelasca ac e ís icasdelasupe icie.El ac o Lambe iano,dependedeun
coe icien ede inidopa aelma e ialydelcosenodelánguloθdeincidencia.Elo o ac o iene
encuen ala e lexiónespecula ,ydependedeuncoe icien edelma e ialydelcosenodelángulo
αen eladi ecciónde e lexiónidealRyladi ecciónValobse ado , igu a3.15.
Laexp esiónanalí icaquedesc ibeelmodelodePhonges:
,
cos11
2 cos(3.33)
donde0,1 ep esen aelpo cen ajedeseñalinciden equese e lejademane adi usa,es
ladi ec i idaddelacomponen eespecula yesladi ecciónespecula de e lexión.Dees a
mane a,lassupe iciesquedande e minadaspo espa áme os:elpo cen ajede e lexión
di usa,ladi ec i idaddelacomponen eespecula yelcoe icien ede e lexión.Comose
puede e ,elmodelodeLambe de e lexiónpu amen edi usocons i uyeuncasopa icula del
modelodePhongsinmásqueconside a que odalaseñalse e lejadi usamen e1.
Figu a3.15.Ánguloen eel ayo e lejadoidealyladi eccióndelobse ado
3.5.2.1 Re lexiónespecula
La e lexiónespecula esdis in adela e lexióndi usa,dondelaluzen an ese e lejaen
unamplio angodedi ecciones.Unejemplodeladi e enciaen e e lexiónespecula ydi usa
se íanlaspin u asb illan esylasma es.Laspin u asma es ienencomponen escasi
exclusi amen edi usas,mien asquelaspin u asb illan es ienenambas, an ola e lexión
especula comoladi usa.Unasupe iciecons uidaapa i deunpol onoabso ben e, alcomo
elyeso,puedese undi uso casipe ec o,mien asquelosobje osme álicospulidospueden
e leja laluzespecula men edemane amuye icien e.Elma e ial e lec an edelosespejos
suelese aluminioopla a.
deu
n
com
p
del
a
ala
de
e
1
2
La e lex
i
n
aúnicadi
e
p
o amien o
a
yoinciden
no maldel
yque
l
e
lexión,con
s
1
. El ayoi
n
2
. Losángu
El ec o
e
Enla igu
i
ónespecul
a
e
ccióndee
n
esdesc i o
eyladi ecc
asupe icie
l
asdi eccion
s
ide andoq
u
n
ciden e,el
losdeincid
e
lejadosec
a
Figu a3.1
6
a3.17sep
u
a
esla e le
x
n
ada(com
o
po laleyd
e
ióndesalid
a
,po an o
esinciden
e
u
eunodelo
ayo e lej
a
enciay e l
e
a
lculadada
u
6
.Re lexiónd
u
edeap eci
a
55
x
iónespejo
o
ayo)es
e
e
e lexión,
l
a
del ayo
e
elángulod
e
,no maly
smedioses
a
doylano
m
e
xiónsoni
g
u
nadi ecció
eun ec o
d
a
lasime í
a
C
a
delaluzde
s
e
lejadaen
u
l
acuales a
b
e
lejado ien
e
eincidenci
a
e lejadaso
n
el acío,se
e
m
alalespej
uales.
ninciden e
(
d
e o maesp
a
delmodelo
a
pí ulo3.M
o
s
delasupe
u
naúnicadi
b
lecequela
e
nelmismo
a
esigualal
n
coplana ia
s
e
nuncianco
m
oes ánen
e
(
igu a3.16)
,
ecula pe e
c
deLambe
o
deladode
l
icie,enlac
eccióndes
di ecciónd
e
ángulocon
ángulode
s
.Po an o,
m
o:
e
lmismopl
a
,
comosigu
e
(
(
(
c
a
yeldePho
n
Sis ema
uallaluz
alida.Tal
e
en ada
espec o
e lexión
lasleyes
a
no.
e
:
(
3.34)
(
3.35)
(
3.36)
n
g.
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
62
Es eángulo,can idadqueel ayode e lexióndeBlinnsedesplaza ue adeladi ección
especula pe ec aquedade inidopo elp oduc oescala del ec o
yel ec o
,pa e oja
dela igu a3.27.
Figu a3.27.Geome íadelosángulosenelmodelodeBlinn
3.5.5 ModelodeLa o une(1997)
ElmodelodeLa o une[LAFORTUNE97] uep opues oen1997po E icP.La o une.En
esenciaconsis eenun é minodi usoyunasumadelóbulosqueca ac e izandis in os
enómenosde e lexionesespecula es.P ime oseeligesilamues aesdi usaoespecula yluego
semues eaunadi eccióndeacue doaladis ibucióndellóbulo.ElmodelodeLa o une
conside aquecada ipode e lec ancia ieneuna unciónp imi i apa amé icanolineal.
Es emodeloquedade inidocomo:
,,,,
(3.38)
dondeeselíndicedelas uncionesp imi i as,,,esladi eccióndelaluz,
,,esladi eccióndel iso ,elcoe icien edeponde acióny,ylosíndices
deunsis emasdecoo denadaslocalconelejealineadoconlano maldelasupe icieyeleje
yelejealineadosconlasdi eccionesp incipalesdeaniso opía,excep opa ael ipoinusualde
aniso opía.Yaqueelejees áalineadoconlano maldelasupe icie enemos:
·
·
(3.39)
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
63
·
·
·
(3.40)
Pa aconsegui lasdi e sas e lexioneshayqueajus a loscoe icien esdeponde ación al
queencasode:
Re lexióniso ópica:
Lóbuloes ánda dePhong:
ModeloLambe iano:0
Componen edi usosimé ico o acionalmen e:0
Re o e lexión:0
Re o e lexiónpe ec a:1
Re lexióndeBlinn( e lec iono ‐specula ):||||
Figu a3.28.EjemplodeposibleslóbulosenelmodelodeLa o une
3.6AplicaciónasimulacionesVLC
Elalgo i moan esexpues opuedese gene alizadoalcasodeunSis emaconmúl iples
longi udesdeonda.Enesecaso,la espues adeimpulsodelcanalpa aunaposicióna bi a iadel
emiso Eydel ecep o Rpuedese exp esadacomounasumain ini adela o ma:
1
)()0( ),,;(),,;(),,;(
k
kRE hRE hRE h
(3.42)
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
64
Dondeh(k)( )esla espues aalimpulsodelaluz ask e lexiones.Elp ime é mino
ep esen alalíneade isión(LOS)la espues a,yelsegundo,la espues aalimpulsodep oducida
po múl iples e lexionesenobs áculos.La espues aLOS ienedadapo :
c
d
AnR
d
RE h R
Re E
R
,0
,0
2
,0
)0( )(),,(
1
),,;(
(3.43)
YRE(
,n,λ) ep esen aelmodelodeemiso u ilizadopa aap oxima elpa ónde adiación
delemiso ,cla elocidaddelaluzyAe (
)elá eade ecepcióndeseñale ec i adel ecep o .La
con ibucióndepo enciadel ayoi hgene ado esdeelemiso (1
i
N),despuésdeK e lexiones
K,ypa aunalongi uddeondadadaλ,puedeexp esa secomo:
c
d
AR
d
RE P Rk
kRke kRkS
Rk
ki ,
,
'
,
2
,
,,
1
),,;(
(
(3.44)
Donde k ep esen ael iempodep opagacióndel ayo.Cuandoseconside aelnúme o
o alde ayos,ladis ibucióndepo encia empo al,esdeci ,las espues asmúl iplesde ebo e
pa acadalongi uddeonda,sepuedeexp esa como:
c
d
AR
d
RE PRE PRE h
Rk
k
N
i
K
kRke kRkS
Rk
N
i
K
kki
N
ii
i
i
,
11 ,
'
,
2
,
11
,
1
,
1
),,;(),,;(),,;(
(3.45)
DondePi( )eslacon ibucióndepo enciai h ayo asKi e lexiones.Combinandolas
exp esionesan e io es,la espues aalimpulse o al end íadadapo laexp esión:
c
d
AR
d
c
d
AnR
d
RE h
Rk
k
N
i
K
k
Rke kRkS
Rk
R
Re E
R
i,
11
,
'
,
2
,
,0
,0
2
,0
,
1
)(),(
1
),;(
(
(3.46)
Comop ime aap oximación,yusandolosmodelosdesimulaciónan e io esseob ienen
esul adosconunescena iodecua os acíosdondeselle anacabomúl iples e lexionesenlas
pa edes,el echo,cua opa edespin adasdeblancoypisoenneg o.Conel indesimpli ica las
simulaciones,sehanconside ado eslongi udesdeondaindi iduales(Rojo,Ve deyAzul),cada
unasu e e lexionesquesemodelanpo mediodePhongconpa áme o d.Sehanconside ado
doscon igu acionesdi e en es,A( ecep o enelcen odelsuelo)yB( ecep o enunaesquina).
La igu a3.29p esen alas espues asalimpulsoob enidaspa alacon igu aciónA.Sepuede
no a quese egis amayo dispe siónenel iempodeloqueseob ieneeno osmodelos
Capí ulo3.ModeladodelSis ema
65
[LEE11]po queelnúme ode e lexiónpa ase conside adosóloes álimi adapo elumb alde
ene gíaquesepuededesp ecia .Una ezquesede e minala espues aalimpulso,elbalancede
po enciadelenlace(conemiso ypa áme osdel ecep o y eniendoencuen asu espues aen
longi uddeonda)es ácomple amen eca ac e izadosysuanchodebandapuedese calculado
ácilmen e.La igu a3.30mues ala espues apa alapo encia ecibidaenlacon igu acióndeB.
Sepuedeobse a queloscomponen esde ebo essonmuchomásbajosquelacomponen ede
isióndi ec apo lageome íadelacon igu aciónemiso ‐ ecep o dondelos ebo esselimi ana
unadelaspa edes,enes ecaso,lamásce canaal ecep o .
Figu a3.29.Simulacióndelescena io1.
Figu a3.30.Simulacióndelescena io2.
complej
in e io .
ayos[
L
po enci
a
Figu a4
.
Enes aTe
s
idadcompu
Se a ad
e
L
opez00].L
a
a
.
.
1.Ejemplod
e
s
issehau
acional,pa
e
unalgo i
m
a
siguien e
e
p opagación
ayoylos oj
o
ilizadoel
a
l
aes ima
l
m
obasado
e
igu aesqu
e
enelalgo i m
o
slascon ib
u
67
Capí
u
l
go i mode
l
a espues a
e
nelmé od
o
e
ma izala
p
omodi icado.
u
cionesdepo
u
lo4.Es
López‐He n
á
a
alimpulso
o
deMon e
p
opagación
Los azosaz
u
enciadel ay
o
udioysi
m
á
ndez[Lope
z
deuncan
a
Ca loyen
l
deun ay
o
u
lesindicanel
o
sob eel ec
e
m
ulación
4.1 In
z
98],debid
o
a
lóp icoin
a
l
a écnicad
e
o
yelcálc
u
caminodep
o
e
p o
delcana
l
oducció
n
o
asumeno
a
lámb icoe
n
e
azadod
e
u
lodedich
a
o
pagacióndel
l
n
n
e
a
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
68
Elmodelodep opagaciónquese aau iliza eselindicadoenelcapí ulo3,elcualincluyeun
emiso ,un ecep o yun ecin o ec angula cuyaspa edescons i uyenlassupe icies e lec o as.En
dichomodelo,elemiso quedaca ac e izadopo suposiciónden odel ecin o,o ien ación,po encia
emi ida,ypo undiag amade adiaciónmodeladosegúnunpe ilLambe ianogene alizadodeíndice
modaln=1.Encuan oal ecep o ,ademásdepo suposiciónyo ien ación,quedaca ac e izadopo su
á eaac i ayelcampode isión,FOV.Enla igu a4.1se ep esen ag á icamen eelmodelode
p opagación.
Enelalgo i mola espues aalimpulso o aleslasumadela espues aalimpulsopo isión
di ec aen eelemiso yel ecep o ,lacualsede e minaanalí icamen e,yla espues aalimpulso
debidaalaseñalquealcanzaal ecep o despuésdesu i unao a ias e lexiones.Enelcálculodela
espues aalimpulso assu i unao a ias e lexionesesdondein e ieneelalgo i mode azadode
ayosyelmé ododeMon eCa lo.Pa aello,segene aunnúme oele adode ayosdesdelaposición
delemiso siguiendounadis ibucióndep obabilidaddi ec amen e elacionadaconeldiag amade
adiacióndelemiso ,quecomohemos is oennues ocasose a a ádeundiag amade adiación
Lambe ianoconsime íaaxialeindependien edeyque ienedadopo :
,1
2 ,0
2,02(4.1)
Cuandoun ayocolisionaconunobs áculo(unapa ed,el echo,e cé e a),elpun odondeseha
p oducidolacolisiónsecon ie eenunanue a uen eóp icadesdelacualsegene anue amen eun
ayo,conunao ien acióndadapo elmodelodel e lec o ,con inuandoes ep ocesohas aquese
cumplaunodelos es equisi ospa aqueel ayonocon inúe e lejándosepo el ecin o:
‐ El iempode uelo,queescon adoapa i desugene aciónenelemiso ,alcanzael
iempomáximodesimulación.
‐ Elnúme ode e lexionesalcanzaelmáximope mi idodelasmismas.
‐ Lapo enciadel ayodespuésdecolisiona conunasupe icieesmeno quelapo encia
mínimaquepuede ecibi el ecep o .
Hayque ene encuen aque ascadacolisióno e lexión,lapo enciadel ayose e educida
segúnelcoe icien ede e lexióndelasupe icieenlaquecolisionaysede e minalapo encia e lejada
quede ec ael ecep o median elaap oximaciónde isióndi ec aen eel e lec o yel ecep o .Po
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
69
an o,exis endos a iablesquesonasociadasacada ayo:el iempode ueloylapo enciaquelle a
asociadodicho ayodespuésdecie onúme ode ebo es.
EnunasimulacióndeMon eCa lo,exis eunap obabilidadmuypequeñadequeel ayoalcance
al ecep o an esdequesecumplael iempomáximodesimulación.Cuandoes osucede,lapo encia
del ayoesde ec adapo el ecep o conun e a dodebidoal ayec o eco idopo dicho ayo.Como
lap obabilidaddequees osucedaesmuybaja,en o noa10,sedebengene a unag ancan idad
de ayospa aob ene un esul ado iable.Es asi uacióncambiasiseu ilizaelhechodeconoce la
con ibucióndeladispe siónlumínicadelosobs áculossob eel ecep o .Enes esen ido,enel
algo i moempleadocomosehadichoan es,cuandoun ayoalcanzaunobs áculonosolosegene aun
nue o ayosinoque ambiénsecalculalacon ibucióndepo encia e lejadadesdeeseobs áculohas a
el ecep o .Laes uc u abásicadelalgo i moo iginalde azadode ayosdeMon eCa lo
[Lopez00]sep esen aenelsiguien ealgo i mo.
1) Gene a unnue o ayo( =0,P=0)
Calcula lacon ibucióndi ec aLOSdelemiso al ecep o (lamismapa a odoslos ayos)
2) MIENTRAS( < max&P>PSensibilidadRx)
P opaga el ayohas aelp ime obs áculo( = +d/c)
Reduci lapo enciadel ayodebidoalcoe icien ede e lexión(P=ρP)
Calcula lacon ibucióndepo enciadesdeesepun ohas ael ecep o
Gene a unnue o ayodesdeesepun o
Repe i lospasos1)y2)pa aunnúme ode ayosNenelquela a ianza( uido)dela espues aal
impulsoob enidaseaacep able
Ende ini i a,sepuedeconclui queelp ocedimien oenelquesebasaelalgo i mocomp ende
lossiguien esp ocesosbásicos:gene acióndecada ayodesdeelemiso ,p opagacióndel ayo(segúnel
modelodel e lec o u ilizado)yob encióndela espues aalimpulsoa a ésdelcálculodelapo encia
quellegaal ecep o ascada e lexión.
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
70
4.2. Cálculodela espues aalimpulso
Pa aelcálculodela epues aalimpusodelcanalsedis ingueen edoscasosposibles: epues a
alimpulsocuandoexis e isióndi ec aen eelemiso y ecep o ,y espues aalimpulsocuandolaseñal
alcanzaal ecep o despuésde a ias e lexiones.
Sinoexis en e lexiones,la espues aalimpulsoh( )delcanalesun uncióndel adeDi ac
desplazada,loqueequi aleadeci que odala adiaciónllegaalmismo iempoal ecep o :
;,1
2 Ω
,
(4.2)
donde ec [x]esuna unciónque omael alo unocuando|x|≤1yce opa ael es ode alo es,
cesla elocidaddelaluz,eselángulodelhazemi idomedido espec oalao ien acióndelemiso ,
eselángulo o madopo elhazquellegaal ecep o ysuo ien ación,,esladis ancia eco idapo
elhazhas allega al ecep o ydΩeseldi e encialdeángulosólidoiluminadoenel ecep o .Sise
conside andis anciasen eemiso y ecep o muysupe io esalasdimensionesdelasupe iciedel
ecep o (AR<<d),eldΩsepuedeap oxima po laecuación:
Ω
cos
,(4.3)
dondeeselá eaac i adel ecep o .Teniendoencuen aes aap oximación,la espues aal
impulsoh( ),pa aunacon igu aciónLOS,sepuedeexp esa como:
;,1
2
,
,
(4.4)
Pa aunenlaceenelquenoexis e isióndi ec aen eelemiso y ecep o ,ypa aelcasoenel
quelaseñalllegaal ecep o despuésdeunao a ias e lexiones,la espues aalimpulsosede e mina
calculandounasumain ini adela o ma:
;,
∞
Po an o,la espues aalimpulsosepuedeexp esa comounasumain ini adela o ma:
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
71
;,;,;,;,
∞
∞
(4.5)
donde;,esla epues aalimpulsopo isióndi ec aen eemiso y ecep o ,y;,
esla espues aalimpulsodebidaalaseñal adiadapo elemiso quellegaal ecep o despuésde
e lexiones.
Esenelcálculodela espues aalimpulsodebidaalaseñalquellegaal ecep o asunao
a ias e lexiones,dondeseaplicala écnicade azadode ayospu oyelmé ododeMon eCa lo.Pa a
ello,segene aunnúme oele adosde ayosquepa endesdelaposicióndelemiso conuna
o ien aciónob enidademane aalea o iaenbaseauna uncióndedis ibucióndep obabilidad
con eccionadaapa i deldiag amade adiacióndelemiso ,queennues ocasose áLambe iano
gene alizado.Cadaunodelos ayosgene ados,sep opagasiguiendo ayec o ias ec ilíneas,ala
elocidaddelaluz.Cuandoun ayoalcanzaunasupe icie,elpun odondesehap oducidolacolisiónse
conside acomounanue a uen eóp ica,gene ándoseunnue o ayoconunao ien aciónalea o iaque
aho asehaob enidoenbaseauna uncióndis ibucióndep obabilidadcon eccionadasegúnelpa ón
e lexióndedichasupe icie.T ascada e lexión,lapo enciadecada ayose educesegúnlas
ca ac e ís icasdelasupe icie( e lec i idad).Cadaunodelos ayossep opagahas aqueel iempo
anscu idodesdequeel ayo uegene adodesdeelemiso supe eel iempomáximodesimulación.
Una ezsep oduceunacolisiónconunadelaspa edes,lapo enciadel ayose e educidapo el
coe icien ede e lexióndelasupe icie.
Desdeelpun odecolisiónhas ael ecep o secalculalapo encia e lejadaquede ec ael
ecep o .Elcálculodelamismase ealizamedian elaap oximaciónde isióndi ec aen eel e lec o ,
conside adocomounnue oemiso conundiag amade adiaciónLambe iano
gene alizado[Acampo a99],yel ecep o .La igu a4.7 ep esen alageome íadelemiso yel ecep o
conlos e lec o es.Se ecomo ascada e lexiónsecalculalapo enciaquellegaal ecep o (líneas
ojas).
Cadaunodelos ayosgene adospo elemiso ieneunapo enciainicialde/siendola
po encia o aldelemiso (no malmen eseconside a áqueesde1)yelnúme o o alde ayosde
lasimulación.
Capí ul
o
Figu a
e lexio
n
donde
gene ac
pa one
po enci
a
deacue
o
4.Es udio
4.2.
Rep ese
n
Lacon ibu
c
n
essepued
e
ep ese
n
esel
m
iónde ay
o
sde e lexi
ó
a
e lejada
e
doconlal
e
ysimulació
n
acióng á ica
c
ióndepo e
n
e
exp esa c
o
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aelins a
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m
odelousad
o
o
salea o io
s
ó
ndelosm
a
e
ncualquie
e
yesdeSnel
ndelcanal
delmodelod
(suponi
e
n
ciadeli‐ési
o
mo:
n
ede iem
o
pa adesc
s
desdela
s
a
e ialespu
e
di ección i
e
len unción
72
ep opagació
n
e
ndoqueson
L
mo ayoge
n
poenelc
u
ibi elpa
s
upe iciee
s
e
denca ac
e
e
nelamism
delángulo
d
n
u ilizadopa
a
L
ambe ianos)
n
e adopo
e
u
allapo en
ónde e le
x
s
unmodel
o
e
iza seno
apo encia)
d
elaseñall
a
elemiso ,el
e
lemiso
ciaesde e
c
x
ión.Elmo
d
o
quepa
e
sólocomo
L
oespecula
e
uminosainc
ecep o ylo
s
d
e
c
adapo e
d
eloquese
e
deconsid
e
L
ambe iano
e
s(lapo en
c
iden e),sin
o
s
e lec o es
e
spuésde
l ecep o
y
u ilizaenl
a
e
a quelo
s
s(cuandol
a
c
iase e lej
a
o
a a ésd
e
y
a
s
a
a
e
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
79
4.3.4. ModelodeBlinn
Es emodeloayudaasoluciona algunosdelosp oblemasdelmodelodePhong.Elp incipal
p oblemaconPhongesqueelánguloen eladi eccióndela is a(V)yladi eccióndela e lexión(R)
ienequese in e io a90⁰pa aqueel é minoespecula seadis in odece o.Sielánguloen eVyRes
mayo que90g adosnosemodelaco ec amen epo Phong.
ElmodeloBlinnu ilizaunconjun odi e en ede ec o espa asuscálculos, equie ecalcula el
ec o deángulomedio,“hal ‐angle ec o ”.El ec o deángulomedioesladi ecciónamediocamino
en eladi eccióndela is a(V)ylaposicióndelaluz(L).
Pa acalcula el ec o hal ‐anglese oma:
(4.25)
siendoel ec o del ayoinciden eyel ec o deladi eccióndel iso .
Pa aángulosdeincidenciag azing,ce canosalasupe icie,lasupe iciemues aun ayomuy
especula nocen adoenlao ien acióndesalidadel ayosegúnlaleydeSnell[Biosca05],sinoconuna
di e enciadeg adossob edichao ien ación.Dichoángulosecalculacomoelánguloquehayen e
lano maldelasupe icieyun ec o ( ec o hal way)quees áamediocaminoen eel ayo
inciden eyel ec o deladi eccióndel iso .Asímismosehain oducidounacons an e,denominada
di ec i idaddeBlinn,queindicaladi ec i idaddelacomponen eespecula deBlinn,.
4.3.5. ModelodeLa o une
ElmodelodeLa o uneesunmodeloBRDFdiseñadopa aajus a da osBRDFmedidosaun
modelopa ame izado,conunnúme odepa áme os ela i amen epequeño.Labasedees emodelo
eselmodelodePhong.ElmodelodeLa o uneexp esalaBRDFcomolasumademúl ipleslóbulos
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
80
e lexi os,cadaunoconun ec o deo ien aciónyunexponen eespecula di e en e,másun é mino
di usoLambe iano.
Debidoalacomplejidaddein oduci es emodeloenelsimulado ,elcálculosehaap oximado
ajus andolospa áme osdelmodelopa ados iposdesupe icie,unasupe iciedi usape ec a
(compa acionesconBa y)ypa ada osBRDFmedidosdepin u aazulenlosángulosdeincidencia
0°,35° 65°[De a12].Po loquesique emosusa elmodelopa amodela o o ipodesupe icie
hab íaquemodi ica cadaunodelospa áme osden odelmodelodeLa o uneenelsimulado
ajus ándolosal ipodesupe iciequeque amossimula .Seeligiólapin u aazulyaquees ema e ial
ep oduce an ola e o e lexióncomola e lexióno ‐specula ,comopuede e seenla igu a4.10.
Figu a4.5.Rep esen aciónencoo denadaspola esdelmodelode e lec anciacalculado(líneadiscon inua)ylosda os
medidos(líneasólida)pa apin u aazul[De a12]
Pa aelmodelodeLa o une,sehasupues oqueelángulodeg azingmideelánguloquehay
desdelasupe icieal ayodeincidencia.Comopuede e seenla igu a4.5,enelcasodelapin u aazul,
pa aángulosdeg azingen e0°y35°lasupe iciesecompo amuy e o e lexi amen eyconlóbulos
o ‐specula (comoenelmodelodeBlinn).Pa aángulosen e35°y65°,lose ec osan e io men e
mencionadossonmenosp onunciados,espo elloqueenlade inicióndelospa áme osseha
aumen adola e lec anciadi usaysehadisminuidoelexponen edeBlinnyeldePhong,asícomola
e o e lexi idaddelmismo.Po úl imoypa aángulosen e65°y90°,lasupe iciesecompo acada
ezmásdi usamen esegúnnosace camosa90°,enes e angohemoselegidopa áme ospa ael
modelocasidi usos.Sede inencua o iposdelóbulos:lóbulosespecula es,lóbulosespecula es
e o e lexi os,lóbuloso ‐specula (Blinn)ylóbuloso ‐specula e o e lexi os.
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
81
4.4 Resul adossimulados
Eneldesa ollodees ecapí ulose anap esen a los esul adosob enidosenlassimulaciones
conlospa áme osu ilizadospo Ba y[He nández05]pa adees a o ma alida elalgo i moconlos
modelosp opues os.Ba yu ilizóunmodeloLambe ianopu o,espo es oque,conel inde e i ica
losmodelosplan eadossehanajus adolospa áme osdelosmismospa aqueseadap enalmodelo
Lambe ianopu o.Pos e io men ese ealiza anunassimulaciones a iandolospa áme osdelos
modelospa aunaodossupe iciesdelahabi ación,haciendoqueesasupe iciepasedese
Lambe ianapu aanoLambe iana.Pa aap ecia cambiosenla espues aalimpulsou iliza emoscomo
e e encialassimulacionesdeBa y,cambiosquenosepod ían e aplicandoelmodeloLambe iano
pu oenesassupe iciesyquedemues ala en ajadeusa o osmodelos,comopuedense elde
PhongoeldeBlinn.
4.4.1. Compa aciónconlos esul adosdeBa y
Pa a alida elalgo i mo,sehasimuladocadaunodelosmodelosde e lexiónpa acua o
con igu acionesdi e en esysehade e minadosu espues aalimpulso.Es ascon igu acionessonlas
mismasquelasu ilizadaspo Ba ypa amos a unaaplicacióndesualgo i moi e a i o[He nández05].
La abla9 esumelosda osdelascua ocon igu aciones,asícomolospa áme osdesimulación
u ilizados.Sehalimi adoelnúme omáximode e lexionesa es,pues oquelos esul ados
p esen adospo Ba y ue onob enidosbajodichacondición.
Con igu aciones
Pa áme osABCD
Habi ación
La go(x)5m7.5m7.5m7.5m
Ancho(y)5m5.5m5.5m5.5m
Al o(z)3m3.5m3.5m3.5m
0.80.30.580.58
0.80.560.560.56
0.80.30.30.3
0.80.120.120.12
0.80.690.690.69
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
82
0.30.090.090.09
Emiso
Modo(n)1111
Posición
(x,y,z)
(2.5,2.5,3)m(2,4,3.3)m(5,1,3.3)m(3.75,2.75,1)m
Ele ación‐90º‐90º‐70º+90º
Azimu 0º0º10º0º
Recep o
Á ea1cm21cm21cm21cm2
FOV85º70º70º70º
Posición
(x,y,z)
(0.5,1,0)m(6.6,2.8,0.8)m(2,4,0.8)m(6,0.8,0.8)m
Ele ación90º90º90º90º
Acimu 0º0º0º0º
Resolución0.2ns0.2ns0.2ns0.2ns
Nºde
e lexiones
(k)
3333
Tabla4.2.Pa áme osdelascon igu acionesdeBa y
Las espues asalimpulsopa acadaunadelascon igu acionesp esen adasan e io men e
ob enidaspo Ba y ue onlassiguien es:
Figu a
o igen
d
queen
con igu
emiso
y
quees
e
pode h
a
an os
u
ep ese
n
4.6.
Respues
Comopued
e
d
ecoo dena
0nses ási
aciónDes
a
y
el ecep o
e
LOSexis e
,
a
ce lasco
m
Lashabi aci
o
u
sdimensio
n
adoen oj
aalimpulso
o
e
e se,las
c
dasdel ie
m
uadoelim
a
lgoespecia
nocuen a
,
po loque
m
pa aciones
c
o
nesusada
s
nescomol
a
oyel ecep
o
alpa alasc
o
c
on igu acio
n
m
pocoincid
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pulsoLOSy
lyaqueal
n
conLOS,si
n
hemosdes
p
c
onlasg á i
c
s
enlasdi e
a
sposicion
e
o enazul.
83
o
n igu acione
s
espec i am
e
n
esA,ByC
s
e
conel ie
m
deahíen
a
n
o a a se
d
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emba go,l
p
lazadola
e
c
asdeBa y
.
en escon i
g
e
sap oxima
Ca
p
s
A,B,CyD(
d
e
n e)
s
e ep esen
m
poenelqu
a
delan eel
d
eunacon
ag á icaes
e
spues aali
.
g
u acioness
e
dasdelem
p
í ulo4.Es u
d
d
eizquie daa
anconund
esep odu
c
es odela
igu aciónc
o
á ambién
d
mpulsouno
s
e
mues an
iso ydel
d
ioysimula
c
de echayde
a
esplazamie
n
c
eelimpuls
o
espues aal
o
n isióndi
e
d
esplazadac
s
9nsalaiz
q
enlas igu
a
ecep o .El
c
ióndelcana
a
ibaabajo
n
o alquee
o
LOS,po l
o
impulso.L
a
e
c aen ee
onside and
o
q
uie dapa
a
a
s4.7a4.10
,
emiso es
á
l
l
o
a
l
o
a
,
á
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
84
Lacon igu aciónBse a acomoenlacon igu aciónAdeunsis emaLOS,pe oenlaBla
habi aciónesalgomásla gaysuspa edes ienenmeno e lec i idad.Elemiso es ámon adoce cadel
echoenlaesquinasu oes eapun andohaciaabajo,esdeci ,pe pendicula al echoendi ecciónal
suelo,conmodon=1,esdeci ,Lambe ianopu o.El ecep o es áenelsuelo,enelex emono edela
salaapun andohaciaa iba.Lacon igu aciónC,comolacon igu aciónAyBse a adeunsis emaLOS,
conelemiso mon adoenel echo.Aquísinemba go,lasbaldosasacús icasdelapa edno ees án
cubie aspo unapan alladep oyecciónblancaal amen e e lec i a,yelemiso noes áapun ando
di ec amen ehaciaabajosinoconunaele aciónde‐70ºyunazimu de10º.Lacon igu aciónD,en
con as econlascon igu acionesmos adashas aaho a,exponeunsis emadi uso.Es acon igu ación
cuen aconel ansmiso enelcen odelahabi aciónce cadelsuelodi igidohaciael echo( ojo),yel
ecep o enlaesquinami andohaciaa iba(azul).Po loquenoexis econ ibuciónLOS.
p opue
s
Figu a4.
7
Figu a4.
9
Acon inua
c
s
osdeacue
7
Con igu aci
ó
9
.
Con igu aci
ó
c
iónsemu
doalasco
n
ó
nA
ó
nC
es ala e
s
n
igu acione
s
85
s
pues aali
s
usadaspo
Ca
p
Figu a
4
Figu a4
i
mpulso o
a
Ba ypa a
3
p
í ulo4.Es u
d
4
.8.
Con igu a
c
.10.
Con igu
a
a
lpa aca
d
3
e lexione
s
d
ioysimula
c
c
iónB
a
ciónD
d
aunode
l
s
con50000
0
c
ióndelcana
l
osmodelo
s
0
ayos.
l
s
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
86
Figu a4.11.Respues aalimpulso o aldesdeLOSpa alascon igu acionesA,B,C,Dcon500000 ayos
Po enciaTo alRecibida
Con igu aciónA(LOS)2.4μW
Con igu aciónB(LOS)0.31μW
Con igu aciónC(LOS)0.28μW
Con igu aciónD(Di uso) 0.69μW
Tabla4.7.Po encia o al ecibidapa acadacon igu ación(Lambe )
Los iempos o alesymediosdesimulación( iempomediodecada ayo)ob enidosaplicandoel
modelodeLambe pa acadacon igu aciónson:
N=50000 ayosN=200000 ayosN=500000 ayos
Con ig.A
mediode
ayo
3.742546935933803e‐044.107512657445623e‐043.822787211804593e‐04
o alde
simulación
19.09790078204817582.1610590729263001.911457655503211e+02
Con ig.B
mediode
ayo
3.786240108931652e‐043.761338992886856e‐043.553484534354227e‐04
o alde
simulación
18.93755973771215375.2340957094905001.776807180637237e+02
ig.
mediode3.885166572796938e‐043.807138504251080e‐043.548601172453668e‐04
010 20 30 40 50 60
0
1
2
3
4
5
x 10
-8
Tiempo (ns )
h( ) o al desde LOS
010 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2x 10
-9
Tiempo (ns)
h( ) o al desde LOS
010 20 30 40 50 60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2 x 10
-9
Tiempo (ns)
h( ) o al desde LOS
010 20 30 40 50 60
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5 x 10
-8
Tiempo (ns)
h( ) o al desde LOS
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
87
ayo
o alde
simulación
19.43351820752010076.1507321197410001.774364567403256e+02
Con ig.D
mediode
ayo
3.806394089499976e‐043.923671999921312e‐043.868290223820502e‐04
o alde
simulación
19.03848231250537378.4798577798761301.934209409467457e+02
Tabla4.8.Tiempomedioy o alpa alascua ocon igu acionesydi e en enúme ode ayos(Lambe )
Figu a4.12.Tiempo o aldesimulaciónpa a50000,200000y500000 ayos
Comopuede e seenlas igu asan e io es,los esul adossimuladosob enidosenelcálculode
la espues aalimpulsopa a odaslascon igu acionesaplicandoelmodelodeLambe sonidén icosa
losob enidospo Ba yensussimulaciones( igu a4.12).Es oesdebidoaqueelmodelodeLambe
ajus aap opiadamen esupe iciesdi usascomoeselcasodelassimulacionesdeBa y.Lospa áme os
asignadosalassimulaciones ealizadaspo Ba yhacenquelas e lexionesseanpu amen e
Lambe ianas,po ello,pa asimula el es odemodeloshayqueajus a suspa áme ospa aquese
compo encomoLambe ianospu os.
0
50
100
150
200
50000 200000 500000
Tiempo(seg)
Núme ode ayos
Tiempo o alVS.núme ode ayos
Tiempo o al(Con g.A) Tiempo o al(Con g.B)
Tiempo o al(Con g.C) Tiempo o al(Con g.D)
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
88
Pa aqueel es odemodelossecompo ende o madi usape ec asehan ealizadolos
siguien esajus esensuspa áme os:
EnelcasodelmodelodePhong,hayquepone elpa áme ode e lexiónespecula ace o,
ysuíndicede e lexiónespecula auno.Po lo an ola e lexióndi usase ámáximayla
especula nula,conloqueasíajus amoselmodelodePhongalassimulacionesdeBa y
queusabaunmodelodi usope ec o.Los esul adosob enidospa alasdi e en es
con igu acionessemues anenelapa ado2delAnexoI.
Pa aelmodelodePhong e o e lexi o,pues oquees ábasadoenelmodelodePhong
(solodi ie eenquese e lejael ayoespecula “ he a”g adossob elano mal),los
pa áme osquehayquemodi ica pa aajus a es emodeloalassimulacionesdeBa yson
losmismosquelosdelmodelodePhong.Anulamoslacomponen eespecula ysuíndicede
e lexiónespecula .Los esul adosob enidospa alasdi e en escon igu acionesconel
modelodePhong e o e lexi ospueden e seenelapa ado3delAnexoI.
EnelmodelodeBlinnsehanajus adolossiguien espa áme ospa aquelas e lexiones
seanpu amen edi usas.AligualquehicimosenelmodelodePhong,elpo cen ajede
e lexióndi usasehapues oalcienpo cien,po loquela e lexiónespecula esce o,el
índicede e lexiónespecula esunoypa aelcasoespecí icodelmodelodeBlinnes e
cuen aconuníndicede e lexióndeBlinn,quepuede e secomouníndicede e lexión
especula des asado“be a”g adosdelao ien acióndela e lexiónespecula ,po loque
ambiénseha ijadoaunopa aqueelmodelodeBlinnseajus ealassimulacionesde
Ba y.Los esul adosob enidospa alasdi e en escon igu acionessemues anenel
apa ado4delAnexoI.
ElmodelodeLa o unecons ade odoslose ec osquesep oducenenlosmodelos
an e io es,po an o,bas aconmodi ica lospa áme os alycomohicimos
an e io men e.Comopuede e seenlassimulaciones ealizadas,quees ánenelapa ado
5delAnexoI,es emodelo ambiénajus adebuena o malassimulacionesdeBa ypa a
supe iciesdi usas.Es oesdebidoaquelospa áme osqueusasonlosdelosmodelos
an e io es,yaquesepuede e es emodelocomounasumadelosdi e en eslóbulosde
losmodelosan e io es,esdeci ,conside amosquelasupe iciepuedecon a con
e o e lexi idad,lóbuloso ‐specula ,lóbulosdePhongycomponen edi usa.Ajus ando
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
95
Figu a4.17.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconPhongpa aelejemplo1
RESPUESTAENFRECUENCIA
Como imosan es,debidoaqueelmodelosecompo amuyespecula men ela espues aal
impulso empo alesmuyes echa,loqueconlle aquelaene gíaenlas e lexioneses ámás
concen aday engamayo po encia,es ose aduceenunaumen odelanchodebandacon espec o
almodelodeLambe .Pa aelmodelodeLambe se eníaunanchodebandade56.8Mhzypa aelde
Phong enemosunanchodebandade82MHz.
020 40 60 80 100 120
0
0.5
1
1.5
2
2.5 x 10
-7
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
96
Figu a4.18.Magni udy asedela espues aalimpulso
conPhongpa aelejemplo1
Figu a4.19.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBconPhongpa aelejemplo1
4.5.2.3. ModeloRe o e lexi o
Enes asi uación,comoenladean es,hemoscambiadola e lec anciadi usadel echoydel
suelodelahabi aciónpa alacon igu aciónDhaciendoqueapa ezcan e lexionesespecula esenes as
supe icies.Pa aelmodelodePhong e o e lexi o,hemosde e minadoqueladi ec i idadespecula
del echoydelsueloseamayo auno,conc e amen en=50(comoenelmodelodePhong)yademás
sehaañadidoqueunpo cen ajedeesas e lexionesespecula essean e o e lexi as,seha ijadoese
po cen ajea20%.Es oimplicaqueelmodelosecompo eespecula men eenesassupe iciesyqueel
20%deesos ayosespecula es iajenenladi ección e o e lexi a,esdeci ,desplazadosdos ecesel
ánguloque o malano malconel ayoespecula ,o ien ándoseenladi ecciónopues aalespecula ;
compo ándosedees amane a e o e lexi amen e.
PARÁMETROSDELMODELO
Pa áme os
Re lec anciadi usa
1
1
1
1
0.3
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-68
-66
-64
-62
-60
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-300
-200
-100
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-8
-6
-4
-2
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
0 2 4 6 8 10 12
x 10
7
-4
-3
-2
-1
0
X: 8.207e+07
Y: -3
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
97
0.3
Di ec i idadEspecula
1
1
1
1
50
50
Po cen aje
e o e lexi o
20%
Tabla4.13.Pa áme osdelmodelodePhongRe o e lexi opa aelejemplo1
RESPUESTATEMPORAL
Enla igu a4.20lapo enciadisminuyelige amen econ espec oalmodelodePhong,es oes
debidoaqueel20%delos ayosquean esse e lejabanespecula men e,aho alohacen
e o e lexi amen e.Es os ayos e o e lexi os eco eno ocaminohas allega al ecep o ,siese
caminoesmásla golacon ibuciónenpo enciase ámeno yaquecada ezquecolisioneconuna
pa edsupo enciase e educidapo elcoe icien ede e lexióndelamisma,ademásapa ece ánenun
ins an ede iempomayo ,loquecon ibuyeaquelapo enciadelp ime ebo edec ezca.Comose e
enla igu a89lacon ibuciónquep edominaeslaqueco espondeconunsolo ebo e.
Figu a4.20.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconPhongRe o e lexi opa aelejemplo1
020 40 60 80 100 120
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2x 10
-7
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
98
RESPUESTAENFRECUENCIA
Lamagni udyla asesemues anenlassiguien es igu as.
Figu a4.21.Magni udy asedela espues aalimpulso
conPhongRe o e lexi opa aelejemplo1
Figu a4.22.Magni udno malizadayanchodebandaa3dB
conPhongRe o e lexi opa aelejemplo1
Elanchodebandaa3dBconunpo cen ajede e o e lexiondel20%,es áen o noa74.2
MHz.Como emos,hadisminuidolige amen econ espec oalmodelodePhong,es oesdebidoaque
algunosdelos ayos e lejados e o e lexi amen e eco eno ocaminomásla goensanchandola
espues a empo al,sibiennoesmuysigni ica i o.
Alaumen a elpo cen ajede ayosespecula es e lejados e o e lexi amen eal50%puede
e secomolapo encia o aldisminuye.Elanchodebandadisminuyea64.3MHz(Figu a4.24)debidoa
quelos ayos e lejados e o e lexi amen e eco enuncaminomayo quelos ayosespecula esy
apa ecenenunins an ede iempomayo .Alhabe más ayos e o e lexi oses ee ec ose emás
p onunciado.
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-70
-65
-60
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-300
-200
-100
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-8
-6
-4
-2
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
x 10
7
-4
-3
-2
-1
0
X: 7.421e+07
Y: -3
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
99
Figu a4.23.Respues aalimpulso empo alpo e lexiones
conPhongRe o e lexi opa aelejemplo1con
Re o e lexion=50%
Figu a4.24.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBpa aelejemplo1conPhongRe o e lexi ocon
Re o e lexion=50%
4.5.2.4. ModelodeBlinn
Pa aes asi uaciónaplica emos an oenel echocomoenelsueloelmodelodeBlinn,el es o
secompo a ádi usamen e.Hemoscambiadola e lec anciadi usadel echoydelsuelodela
habi ación,haciendoqueapa ezcan e lexionesespecula esenes assupe icies.Asímismola
di ec i idadespecula del echoyelsuelolahemos ijadoa50,es oha áqueelmodelosecompo e
muyespecula men eenesassupe icies.Po úl imo,pa aelcasodelas e lexioneso ‐specula del
modelodeBlinnseha ijadosudi ec i idadespecula a50.Lospa áme osu ilizadosenlasimulación
sonlosquesemues anenlasiguien e abla.
PARÁMETROSDELMODELO
Pa áme os
Re lec ancia
di usa
1
1
1
020 40 60 80 100 120
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4 x 10
-7
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-8
-6
-4
-2
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
x 10
7
-4
-3
-2
-1
0
X: 6.426e+07
Y: -3.003
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
100
1
0.3
0.3
Di ec i idad
Especula
1
1
1
1
50
50
Di ec i idad
Especula
Blinn
1
1
1
1
50
50
Tabla4.14.Pa áme osdelmodelodeBlinnpa aelejemplo1
RESPUESTATEMPORAL
Comopuede e sela espues aalimpulsoesmuysimila aladadapo elmodelodePhong,es o
esdebidoaqueelmodelodeBlinnsecompo acomoelmodelodePhongexcep opa aángulos
g azing.Enes osánguloselmodelop esen a e lexioneso ‐specula ,esdeci ,desplazadaslige amen e
unosg adosdelao ien acióndel ayoespecula .Dees asimulaciónsepuedededuci quehaypocos
ayosquees énce canosalasupe icie,nohaymuchosángulosg azing,conloqueelmodelose
compo acasicomounmodelodePhong.
Comosehadichoconan e io idadlacon ibuciónmásdes acadaeslaquese e ie eauna
única e lexión,comopuede e seenlasiguien e igu a.
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
101
Figu a4.25.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconBlinnpa aelejemplo1
RESPUESTAENFRECUENCIA
Comosehacomen adoan e io men e,alnohabe demasiadosángulosg azingelmodelose
compo acasidelamisma o maqueeldePhong,po loquela espues aen ecuenciaes
p ác icamen eidén icaaladelmodelodePhong.Enes ecasoelanchodebandadelcanala3dB onda
los85MHz(Figu a4.27).
Figu a4.26.Magni udy asedela espues aalimpulsocon
Blinnpa aelejemplo1
Figu a4.27.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBconBlinnpa aelejemplo1
020 40 60 80 100 120
0
0.5
1
1.5
2
2.5 x 10-7
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-70
-65
-60
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-200
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 109
-8
-6
-4
-2
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
0246810 12
x 107
-4
-3
-2
-1
0
X: 8.499e+07
Y: -3.001
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
102
4.5.2.5. ModelodeLa o une
Comoenlosejemplosan e io es,hemosmodi icadolospa áme osdel echoyelsuelo,
dejandoel es odesupe iciescomoLambe ianaspu as.Pa aelmodelodeLa o une, an oel echo
comoelsuelo end ánunospa áme osuo osen uncióndelángulodeincidencia,comopuede e se
enlasiguien e abla.
Hayque ene encuen aqueelángulodeincidencialohemosmedidodesdelasupe icieal
ayoinciden e.Pa aángulosdeincidenciaenel angode0°a35°,elmodelosecompo ade o mamuy
especula .Enes oscasoshemos ijadoladi ec i idadespecula deBlinna150siel ayoespecula noes
e o e lexi ooa40siel ayoes e o e lexi o.Enángulosin e mediosde35°a65°,elmodelose
compo aalgomenosespecula comopuede e seenlospa áme os.Pa aángulosce canosala
no malelmodelosecompo ade o madi usacasipe ec a.
PARÁMETROSDELMODELO
Pa áme os 0°<θinc<35⁰ 35°≤θinc<65⁰ 65°≤θinc<90⁰
Re lec ancia
di usa
111
111
111
111
0.30.60.9
0.30.60.9
Di ec i idad
Especula
111
111
111
111
63.818.63
63.818.63
Di ec i idad
Especula Blinn
111
111
111
111
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
103
40/15020/701
40/15020/701
Po cen aje
e o e lexi o
60%20%0%
Tabla4.15.Pa áme osdelmodelodeLa o unepa aelejemplo1
RESPUESTATEMPORAL
Comopuede e sela espues aalimpulsoesalgomáses echayconmayo po enciaqueenel
casodeun ecin ocon odassussupe iciesLambe ianaspu as.Debidoaloslóbulosespecula esylos
lóbuloso ‐specula deBlinn,lapo enciase ámayo ales a másconcen ada.Po ello,pa aángulosde
incidenciameno esa65°,los ayosquelleganal ecep o loha ánconmayo po encia.Además,pa a
ángulosg azing,meno esa35°,loslóbuloso ‐specula s end ánuníndicededi eccionalidadmayo y
po an ose ánmásp onunciados.
Figu a4.28.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconLa o unepa aelejemplo1
RESPUESTAENFRECUENCIA
La espues aen ecuenciaeslaquesemues aenla igu a4.29.Elanchodebandaa3dBpa a
lahabi aciónLambe ianapu aquecuen aconel echoyelsueloconpin u aazulaplicándoleel
020 40 60 80 100 120
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5 x 10
-8
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
104
modelodeLa o uneesdeunos76Mhz(Figu a4.30).Elaumen odelanchodebandacon espec oa
Lambe sedebeaqueexis emayo ene gíaenlos ayosdi ec osqueenlos e o e lexi os,esdeci ,
los ayosespecula escon ibuyenconmáspo enciaquelos e o e lexi os.Elanchodebandaes
in e medioen eeldePhongyel e o e lexi o.
Figu a4.29.Magni udy asedela espues aalimpulso
conLa o unepa aelejemplo1
Figu a4.30.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBconLa o unepa aelejemplo1
Enes a ablase esumenlospa áme osu ilizadospa apa ame iza cadamodeloysuancho
debandaa3dBpa aelejemplodecon igu ación is oan e io men edeunenlaceno‐LOS.
LAMBERTPHONG PHONG
RETRORREFLEXIVO BLINN LAFORTUNE
0°<θi<35° 35°≤θi<65° 65°≤θi<90°
Re lec anciadi usa
1111111
1111111
1111111
1111111
10.30.30.30.30.60.9
10.30.30.30.30.60.9
Di ec i idad
Especula
111111
111111
111111
111111
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-100
-90
-80
-70
-60
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-300
-200
-100
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-40
-30
-20
-10
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
0246810 12
x 10
7
-4
-3
-2
-1
0
X: 7.605e+07
Y: -3
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
111
RESPUESTAENFRECUENCIA
Comopuede e seenla igu a4.37,pa aelmodelodePhongelanchodebandaa3dBesde
unos15MHz,po loquehadisminuidounos2MHzcon espec oalmodelodeLambe .Enes ecaso,a
pesa dequeelpicomáximodela espues aenel iempoaumen aenpo encia(pa aun iempode20
ns, igu a4.34)suanchoesmuybajoypo an o ienepocaene gía o al.Debidoaquelamayo pa e
delaene gíalacon ienenlascomponen esque andesdeun iempode30nsa60ns,sonesas
componen eslasquesonsigni ica i asylasque ijanelanchodebandaa3dB,aunquesupo enciasea
meno queladelpicomáximo.Comopa aamboscasos,conelmodelodeLambe yconelmodelode
Phong,esascomponen essigni ica i assonmuysimila es( igu a4.34)elanchodebandaa3dBse á
casiidén ico.
Figu a4.41.Magni udy asedela espues aalimpulso
pa aelejemplo2conPhong
Figu a4.37.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBconPhongpa aelejemplo2
4.5.2.3. ModelodePhongRe o e lexi o
Enes asi uación,comoenladean es,hemoscambiadola e lec anciadi usadelasupe icie
es eyoes edelahabi aciónpa alacon igu aciónChaciendoqueapa ezcan e lexionesespecula esen
es assupe icies.Pa aelmodelodePhong e o e lexi o,hemosde e minadoqueladi ec i idad
especula delapa edes eyoes eseamayo auno,conc e amen en=50(comoenelmodelode
Phong)yademássehaañadidoqueunpo cen ajedeesas e lexionesespecula essean e o e lexi as,
seha ijadoesepo cen ajea20%.Es oimplicaqueelmodelosecompo eespecula men eenesas
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-85
-80
-75
-70
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-300
-200
-100
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-15
-10
-5
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
00.5 11.5 22.5 33.5 44.5
x 10
7
-10
-5
0
X: 1.503e+07
Y: -3.009
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
112
supe iciesyqueel20%deesos ayosespecula es iajenenladi ección e o e lexi a,esdeci ,
desplazadosdos eceselánguloque o malano malconel ayoespecula ,o ien ándoseenladi ección
opues aalespecula ;compo ándosedees amane a e o e lexi amen e.
PARÁMETROSDELMODELO
Pa áme os
Re lec anciadi usa
1
1
0.3
0.3
1
1
Di ec i idadEspecula
1
1
50
50
1
1
Po cen aje e o e lexi o 20%
Tabla4.20.Pa áme osdelmodelodePhongpa aelejemplo2
RESPUESTATEMPORAL
Acon inuaciónsemues ala espues aalimpulso empo alsin ep esen a elimpulsoLOS,es
deci , e emosla espues aalimpulsopa alasdi e en es e lexiones.La igu a4.38 ep esen ala
espues aalimpulsodesglosadasegúnelnúme ode e lexiones.
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
113
Figu a4.38.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconPhongRe o e lexi opa aelejemplo2
RESPUESTAENFRECUENCIA
La espues aen ecuenciadelahabi acióneslaquesemues aacon inuación.
Figu a4.39.Magni udy asedela espues aalimpulso
conPhongRe o e lexi opa aelejemplo2
Figu a4.40.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBconPhongRe o e lexi opa aelejemplo2
020 40 60 80 100 120
0
1
2
3
4
5
6
7
8x 10
-9
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-85
-80
-75
-70
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-300
-200
-100
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-15
-10
-5
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
00.5 11.5 22.5 33.5 44.5
x 10
7
-10
-5
0
X: 1.561e+07
Y: -3
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
114
Elanchodebandaa3dBpa a20%de ayosespecula es e lejadosde o ma e o e lexi aes
de15.6MHz.Silocompa amosconelanchodebandaob enidopa aelmodelodePhong emosque
p ác icamen eno a ía,aligualqueconelmodelodeLambe .Lapa equecon ibuyealanchode
banda,laquecon ienelamayo pa edelaene gíaesmuysimila .
Aumen andoelpo cen ajede e o e lexiónal50%ob enemoslossiguien es esul ados:
Figu a4.41.Compa acióndelmodelodePhongRe o e lexi ocon20%y50%de ayos e o e lexi os
La igu a4.41mues ala espues aalimpulsopa aun20%yun50%de e o e lexión.Como
se e,alaumen a elpo cen ajede ayos e o e lexi oselpicomáximodela espues aalimpulso
disminuyeenpo encia,excep uandolaúl imapa edelag á icaqueeslaque ealmen econ ibuyeen
elcálculodelanchodebandaa3dB.Comoes apa ese einal e adaenamboscasos,elanchode
banda esul an ese ácasiidén ico.Laúl imapa edelag á icaeslaquese e ie eamásdeuna
e lexión.Esposiblequesilos ayos omano ocamino,puedequeel ayoquean e io men ellegaba
enunsolo ebo eaho aes elohagaendosomás,oinclusoquenisiquie aseacap adopo el ecep o ,
espo elloquelapo enciase e educidaalaumen a elpo cen ajede ayos e o e lexi os.Haymás
ayos e asadosenel iempoyconmenospo encia.
010 20 30 40 50 60
0
1
2
3
4
5
6
7
8x 10
-9
Tiempo (ns)
h( ) o al desde LOS
Re o e lexion = 20 %
Re o e lexion = 50 %
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
115
Figu a4.42.Respues aalimpulso empo alpo e lexionesconPhongRe o e lexi opa aelejemplo2con
Re o e lexion=50%
RESPUESTAENFRECUENCIA
Comosepuede e enla igu a4.43,elanchodebandaa3dBpa aunpo cen ajedel50%de
ayos e o e lexi osaumen aa16.9MHz.Es opuededebe seaquedebidoaquelos ayos eco en
o oscaminosmásla gos,lleganmása enuados,pudiendoqueda inclusopo debajode3dB.Esas
componen eses ánmuy educidasenla espues aalimpulso empo al.Asíbien,al a a sedeun
sis emaLOS,los ayosespecula es,que ienenunal ocon enidoenpo encia,puedenllega al ecep o
de o mamásdi ec aqueunsis emano‐LOS,po an o,silleganal ecep o lohacenconunaene gía
mayo .Po esoelanchodebandaaumen aapesa dequecomo imosenla igu a4.42la espues aal
impulso ienemeno po encia.
020 40 60 80 100 120
0
1
2
3
4
5
6x 10
-9
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
116
Figu a4.43.Magni udno malizadayanchodebandaa3dBpa aelejemplo2conPhongRe o e lexi ocon
Re o e lexion=50%
4.5.2.4. ModelodeBlinn
Pa aes asi uaciónaplica emos an oenlapa edes ecomoenlaoes eelmodelodeBlinn,el
es osecompo a ádi usamen e.Hemoscambiadola e lec anciadi usadelasupe iciees eyoes ede
lahabi ación,haciendoqueapa ezcan e lexionesespecula esenes assupe icies.Asímismola
di ec i idadespecula delasmismaslahemos ijadoa50,es oha áqueelmodelosecompo emuy
especula men eenesassupe icies.Po úl imo,pa aelcasodelas e lexioneso ‐specula delmodelo
deBlinnseha ijadosudi ec i idadespecula a50.Lospa áme osu ilizadosenlasimulaciónsonlos
quesemues anenlasiguien e abla.
PARÁMETROSDELMODELO
Pa áme os
Re lec ancia
di usa
1
1
0.3
0.3
1
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-20
-15
-10
-5
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
00.5 11.5 22.5 33.5 44.5 5
x 10
7
-10
-5
0
X: 1.692e+07
Y: -3.008
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
117
1
Di ec i idad
Especula
1
1
50
50
1
1
Di ec i idad
Especula
Blinn
1
1
50
50
1
1
Tabla4.21.Pa áme osdelmodelodeBlinnpa aelejemplo2
RESPUESTATEMPORAL
Comopuede e sela espues aalimpulsoesmuysimila aladadapo elmodelodePhong,es o
esdebidoaqueelmodelodeBlinnsecompo acomoelmodelodePhongexcep opa aángulos
g azing.Enes osánguloselmodelop esen a e lexioneso ‐specula ,esdeci ,desplazadaslige amen e
unosg adosdelao ien acióndel ayoespecula .Dees asimulaciónsepuedededuci quenoexis eno
haypocos ayosinciden esquees énce canosalasupe icie,nohaymuchosángulosg azingque
lleguenal ecep o ,conloqueelmodelosecompo adelamismamane aqueunmodelodePhong.
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
118
Figu a4.44.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconBlinnpa aelejemplo2
RESPUESTAENFRECUENCIA
Figu a4.45.Magni udy asedela espues aalimpulso
pa aelejemplo2conBlinn
Figu a4.46.Magni udno malizadayanchodebandaa3
dBpa aelejemplo2conBlinn
Comopuede e seenla igu a4.46,enelcasodelmodelodeBlinnelanchodebandada3dBes
exac amen eigualqueelanchodebandaob enidoaplicandoelmodelodePhong,es oesdebidoaque
020 40 60 80 100 120
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1x 10
-8
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-85
-80
-75
-70
Magni ud (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-400
-300
-200
-100
0
Fase [Radianes]
F ecuencia [He zios]
Fase
00.5 11.5 22.5
x 10
9
-15
-10
-5
0
Magni ud no malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Magni ud no malizada
00.5 11.5 22.5 33.5 44.5
x 10
7
-10
-5
0
X: 1.504e+07
Y: -3.035
Magni ud No malizada (dB)
F ecuencia [He zios]
Ancho de Banda del Canal a 3dB
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
119
nohaycasiángulosg azing,quesonlosquehacen a ia lao ien acióndel ayoespecula enelmodelo
deBlinn.
4.5.2.5. ModelodeLa o une
Comoenlosejemplosan e io es,hemosmodi icadolospa áme osdelasupe iciees eyla
oes e,dejandoel es odesupe iciescomoLambe ianaspu as.Pa aelmodelodeLa o une,dichas
supe icies end ánunospa áme osuo osen uncióndelángulodeincidencia,comopuede e seen
lasiguien e abla.
Hayque ene encuen aqueelángulodeincidencialohemosmedidodesdelasupe icieal
ayoinciden e.Pa aángulosdeincidenciaenel angode0°a35°,elmodelosecompo ade o mamuy
especula ,sob e odoenángulosce canosalg azingyaquese ijaladi ec i idadespecula deBlinna
150siel ayonoes e o e lexi ooa40siel ayoes e o e lexi o.Enángulosin e mediosde35°a
65°,elmodelosecompo ade o mamenosespecula comopuede e seenlospa áme os.Pa a
ángulosce canosalano malelmodelosecompo ade o macasidi usa.
PARÁMETROSDELMODELO
Pa áme os 0°<θinc<35° 35°≤θinc<65° 65°≤θinc<90°
Re lec ancia
di usa
111
111
0.30.60.9
0.30.60.9
111
111
Di ec i idad
Especula
111
111
63.818.63
63.818.63
111
Capí ulo4.Es udioysimulacióndelcanal
120
111
Di ec i idad
Especula Blinn
111
111
40/15020/701
40/15020/701
111
111
Po cen aje
e o e lexi o
60%20%0%
Tabla4.22.Pa áme osdelmodelodeLa o une
RESPUESTATEMPORAL
Figu a4.47.Respues aalimpulso empo alpo núme ode e lexionesconLa o unepa aelejemplo2
Sisupe ponemosla espues aalimpulsodeLambe yLa o une, igu a4.48,sepuede e
comoelmodelodeLa o unepie deunpocodepo encia.
020 40 60 80 100 120
0
1
2
3
4
5
6
7x 10
-10
Tiempo (ns)
h( ) pa a nº de e lexiones
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
127
5.2.2. ModulaciónSC(SingleCa ie )
Es amodulaciónesuna a ian equehasu gidodelaOFDM,endondeenp incipio,su
g andi e encia adicaenquesólohaceusodeunapo ado apa a ansmi i losda os,aunque
exis endi e sas a ian esdees amodulación,enlascuales,enalgunase ealiza
mul iplexaciónen ecuenciaypuedepa ece sebas an eaunaOFDM.
Debido ambiénaqueenlaOFDMesnecesa io abaja enzonalinealdelLEDpa a
ob ene buenos esul adosdebidoasual oni eldepo enciamedia,su gelaopcióndeusa la
SingleCa ie conecualizacióneneldominiodela ecuencia(SCFDE),yaquenoexige an os
equisi osenes esen ido.Además,seconside aunamuybuenaal e na i aalusodela
OFDM,sob e odo,encanalesal amen edispe si ospa acomunicacionesinalámb icasde
bandaancha.Po o olado, ambiénhayque ene encuen aquesuimplemen aciónesmás
sencillaqueladelaOFDM, an oenelcálculodelaFFTeIFFTcomodel es odep ocesado.
Sehap obado,enes os abajos,una a iacióndelaSCFDEque ieneunbajoni elde
po enciamedia,ademásdeunaimplemen aciónmuchomássencilla,sob e odo,enel
ansmiso ,yaqueloscálculoscomplejos,se ealizanenel ecep o ,incluyendolaFFTyla
IFFT.Dicha a iaciónsedenominaSCFDEdescompues aencuad a u aóp ica(DQO‐SCFDE).
Sebasaengene a laseñalmoduladaa a ésdelasmues as ealesopa esylas
imagina iasoimpa es,in i iendoelsignode odaslasmues asnega i as,encasodeque
exis an.Sinohubie amues asnega i as,se ellenanlasseñalesSI‐ ySQ‐ conce os,
añadiendo inalmen eunp e ijocíclicoacadabloquepa aelimina lain e e enciaen elos
mismos.
Semues aenla igu a5.5eldiag amadebloquesdelmodulado ,dondeseap ecia
cla amen equelacomplejidaddecálculo esideenelladodel ecep o ,pues oqueesdónde
se ealiza an olaFFTcomolaIFFTyel eo denadodelasseñalesyqueel ansmiso sebasa
enunmodulado I‐Q, alycomoseexplicóconan e io idad.[Acola se11]
C
C
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C
128
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5.2.3.
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)
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5.Redesdeil
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e
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n
cep o
u
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o
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eses
u
elas
igu a
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
130
quemues alacompa aciónen eelespaciadoen esubpo ado asenloscasosdeFDMy
OFDM,elespec odees assesupe pone,po loqueconOFDMsemejo alae iciencia
espec al.[Mos a a11]
Figu a5.8.Compa aciónen eelespaciadoen esubpo ado as(FDM sOFDM).
Losda ossedi idenen a ios lujosocanalesenpa alelo,unopa acadasubpo ado a,
ycadasubpo ado asemodulaconuna écnicacon encionalcomoQAMoPSKa elocidades
bajas.Los lujosdeda osqueseconsiguensonsimila esaunamodulaciónmonopo adodo a
delmismoanchodebandadelconjun o.
La écnicaOFDMseu ilizaencomunicacionesdigi alesdebandaancha, an ocuandoes
conmediosinalámb icoscomoconguíasóp icasome álicas,enaplicacionesdel ipo:
ele isióndigi al,comunicacionesmó iles,di usióndeaudioyaccesodebandaancha.
Sup incipal en ajaes ibaensucapacidadpa a unciona bajocondicionesquese ían
p oblemá icaspa ao as ó mulas.LaOFDMsopo abienladis o siónpo a enuaciónen
ecuenciasal asenloscablesme álicosylasin e e enciasydes anecimien oo adingpo
mul ip opagación,sinnecesi a complejosecualizado es.
Enel
man
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Figu a5.9.
Figu a5.10
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131
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osdebidos
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M
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a osa ans
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n
5.Redesdeil
5.2.
4
o
dulaciónes
p
a
ciónque
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u
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a an izaqu
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lpa padeo
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o
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a
4
Modulaci
ó
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a
aVLC
ó
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VLC.
osde
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GB.A
d
adde
5.11.
o
lo es
RGB.
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
132
Figu a5.11.Diag amadeunenlaceVLCusandomodulaciónCSK
Cones oseconsigueunacombinacióndecolo esenla ansmisióncuyain eg ación
enelojohumanop oduceele ec ode isióndelcolo blanco(iluminación)odeuncolo
uni a io.Es ee ec osemues aenla igu a6.12dondeapa i delacombinacióndeunos
pun osdecolo conc e osenelespacioCIEdecolo es,seob ieneunamediac omá icaque
se íaelpun oenelcen odeldiag ama.
Figu a5.12.Ejemplodemodulaciónenelespacioc omá icoxy.
Es amodulación ueobje odees udiodu an eel abajodeTesispa asuaplicacióna
edesdesenso esusando ecep o esCCDpa alacap acióndelain o mación.Sinemba go,
debidoalacomplejidaddeimplemen acióndelascáma as ecep o asenlosnodossenso es,
seop ópo no ealiza unaimplemen acióndelamodulación.Sinemba go,den odelg upo
dein es igacióndelIdeTICsíseha ealizadounes udio eó icodeunmé odoquesimpli ique
la ecepcióndelasseñalesCSKencáma as ipoCCD[Delgado14].
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
133
5.3.EjemplosdeenlacesVLCdemedia elocidad
DebidoalacomplejidaddelasmodulacionesDQO‐SCFDEyOFDM,sob e odoala
ho ade ealiza ecep o esadecuados,enes aTesisse anaconside a lasmodulacionesPPM
yCR‐PPMpa ala ealizaciónp ác icadeenlacesdemedia elocidadque engancomoemiso
óp icounalámpa abasadaenledesqueemi anenlongi udesdeonda isibleyenconc e o
o madaspo diodosledblancos(WLED).Sehanp opues o esdesa ollosbásicosdóndelos
dosp ime ossóloconside anelcanaldebajadaVLCyun e ce supues oconenlacedesubida
enin a ojo.Pa aes eúl imocasosegene óuna eddesenso esqueescon oladapo un
nodocoo dinado queinicialacomunicaciónylape icióndeda osalossenso esdela ed.
5.3.1Sis emap opues oconcodi icaciónPPM
Unp ime casodeusodelasmodulacionesmencionadasseexponeenla ealización
deunacomunicacióndeaudiodigi ales é eopo mediodeunalámpa adeledesblancosyun
ecep o o madopo un o o‐ ecep o enca gadode ecibi ydecodi ica losda os.Apa i
deaquíse ealizaunadi e enciaciónpo canalenla ecepción,po loquesedemues ala
ansmisióndedi e en escanalesdeda osylaco ec asepa acióndelosmismosenla
ecepción.P incipalmen e,es adi e enciaciónenlosnodos ecep o esnospe mi ees ablece
unacomunicación,yanosolodeaudio,sinodeda ossi uesenecesa io, ansmi iendoenla
misma amadeda osin o maciónde a ioscanalesindependien essinqueexis a
solapamien oenla ecepción.
Enla igu a5.14,seobse aundiag amadebloquesdelsis emadecomunicaciones
implemen adoconloquesein en ada una isióngene aldel uncionamien odelmismo.
Figu a5.13.Implemen acióndesis ema
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
134
Figu a5.14.CasodeusodePPMenenlaceVLC
Elalcancedelsis emap opues osehaes ablecidoen o noa1mconluzdeambien e
yaun1,25mconausenciadeluz.Losda osexpues osan e io men esonpa auna ecepción
óp imadelospulsosquecomponenlamues a.Elalcancepuedeaumen a semásconel
incon enien ede ecibi lospulsosa enuadosycone ec osnodeseados.
Figu a5.15.Sis ema uncionandoa1me odesepa aciónconluzambien e
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
135
Enla igu a5.16,seobse ala a iaciónenlos alo es empo alesdelospulsosque
comp endenlacodi icaciónPPM.Po lo an o,yes ableciendounaco ec asinc onización,
quedademos adolaposiblecomunicación.Noobs an e,pa alaco ec a isualizaciónse
exponenalgunas igu asquedemues anlacomunicaciónsimul áneaylaco ec a ecepción
delosda os.
Figu a5.16.Funcionamien odelsis emap opues o
Aunqueelanchodebandaocupadopo lacodi icaciónPPMeseldoblequeenbanda
base,sehain en adoajus a los iempodondelalíneaes aennulo(bi sdees ados)pa aque
la ecuenciademues eonobaja ade8Khz.Los alo es inalesde ecuenciademues eose
encuen anen e8y10Khz.Es osuponeuna elocidadde ansmisiónde180Kbi s/s.
5.4Sis emap opues oconcodi icaciónCR‐PPM
Den odees alínea,du an eel abajo,se a ólaposibilidadde ansmi i unaseñal
de ídeocodi icadaenMPEG‐2a a ésdela ecnologíaVLC,po unenlacededa osdeal a
elocidadde2Mbpscomomínimo.Laseñalde ídeose áen iadadesdeuno denado ,con
unso wa equepe mi aimplemen a unse ido de ídeoempleando amasUDPa a és
deuna edE he ne conuna asaap oximadade10Mbps.Elsis ema ecogedichas amasy
las een íaa a ésdeunenlacesínc onoalsis ema ecep o ,que,asu ezlas uel ea
Capí ulo5.Redesdeiluminaciónpa aVLC
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encapsula en amasE he ne que analclien ede ídeo.Elenlacese ieseimplemen asob e
elcanalóp ico isible, o madopo unalámpa adeledesen isibleyun ecep o óp ico.
Figu a5.17.A qui ec u adelsis ema
Pa alaco ec a ansmisióndees osda osenmodosínc onoesnecesa iop ocede ala
modulacióndelosmismos.Dadaslasca ac e ís icasdelcanal,sehaop adopo una
modulaciónpo posicióndepulso(CR‐PPM).Esdeci ,seimplemen aunmóduloin e azen e
la edE he ne con encionalyelemiso / ecep o óp ico.O adelase apas undamen alesdel
sis emaesladecon olde lujoadicional.Es osedebeaquedesdela edE he ne lepueden
llega aldisposi i oda oshas aa10Mbps,de o maasínc ona,mien asquelosledessólo
ansmi enpo elcanaldebajadaun lujosínc onocons an ede1Mbps,loqueexigi íaoun
g anbu e ,olaconsiguien epé didadeda os.
Enla igu a5.18sep esen aeldiag amadebloquesdelsis emadesa ollado.Desdeel
PCseusaunp og amapa aemi i el ídeopo uncablede ed.Las amasE he ne que
anspo an ídeocodi icadoenMPEG2con asadebi cons an e, ieneun amaño ijode
1370by es,deloscuales46sepe enecenalasdis in ascabece asE he ne ,IPyUDP,ylos
es an es1316seco espondenconelpayloadoin o macióndela amaUDP, igu a5.19.En
es os1316by es,secodi ican7paque esTS,o“Flujode anspo eMPEG‐2",de188by es
cadauno.Los es an es46by esseusandecabece a.Encada amasepod íaempaque a
máspaque esTS,mejo andolae icienciadela ed,sinemba go,ele ec oji e [Simpson08]se
inc emen a.
