Li-Fi: високошвидкісний зв'язок за допомогою світлодіодної модуляції

 Численні програми, в тому числі підключення до Інтернету і захист даних, можуть виграти якщо будуть користуватися технологіями світла.

Оскільки наш безперервний обмін інформацією заповнює електромагнітний спектр, доступний для Wi-Fi, світловий спектр (Li-Fi) з'являється як одне з рішень. Li-Fi перетворює світлодіодні лампи в Інтернет і передає дані, створюючи нову форму високошвидкісного оптичного бездротового зв'язку, який використовує видимі та інфрачервоні (ІЧ) світлові спектри.

Харальд Хаас, професор мобільних комунікацій в Единбурзькому університеті, в Шотландії, дебютував з технологією Li-Fi перед публікою під час TEDGlobal Talk 2011 року. У квітні 2017 року Інститут інженерів з електротехніки та електроніки (IEEE) навіть створив цільову групу для перегляду стандарту 802.15.7-2011: стандарт IEEE для локальних і міських мереж, зокрема, для включення Li-Fi.

Основи Li-Fi

Для передачі даних в Li-Fi використовується модуляція світла на частотах, які непомітні для людського ока. Як напівпровідники, світлодіоди можуть вмикатися і вимикатися до мільйона разів на секунду, що дозволяє діодам швидко відправляти дані, говорить Том Ван ден Буше, засновник Toric, компанії з виробництва світлотехніки, розташованої недалеко від Парижу.

Під час установки Li-Fi цифровий процесор, інтегрований або підключений до драйвера світлодіода, бере дані з мережі, сервера або Інтернету і перетворює його в цифровий сигнал. Світлодіодний драйвер в кожному світильнику перетворює цифровий сигнал в фотонний сигнал, передаючи його на дуже високі частоті в якості сигналу мультиплексування з ортогональним частотним розділенням (OFDM), говорить головний операційний директор PureLiFi Харальд Бурхардт. Сигнали OFDM також використовуються в технологіях 4G LTE і Wi-Fi, оскільки вони використовують безліч каналів з малою пропускною здатністю, а не один канал великої смуги пропускання. Декодер на приймаючому пристрої, наприклад, комп'ютер або смартфон, потім перетворює сигнали OFDM в дані, які зможе використовувати користувач.

PureLiFi в даний час пропонує продукт, який діє як «точка доступу Li-Fi, яка замінює лампу і об'єднує процесор сигналів і драйвер в єдину замінену світлодіодну лампу для світильника, який освітлює приміщення», - каже Бурчардт. Кожна точка доступу має унікальну IP-адресу, дозволяючи світильникам взаємодіяти один з одним і безперешкодно передавати дані.

Зараз технологія PureLiFi вимагає, щоб кожен приймаючий пристрій мав USB-ключ з фоторецептором для прийому сигналу, і декодер для перетворення даних з фотонних на електронні, каже Берхардт. У пристрої також повинен бути інфрачервоний світлодіод для модуляції сигналу завантаження для повернення даних в світильники і в мережу.

В ідеалі, точка доступу Li-Fi, драйвер лампи, маршрутизатор і світлодіодна система будуть підключатися до Інтернету з використанням або лінії електропередачі (PLC), яка відправляє дані по кабелях, або через Ethernet (PoE), який передає напругу по кабелях Ethernet. Як PLC, так і PoE націлені на зниження витрат за рахунок надання даних та живлення по одному і тому ж кабелю.

Конкурентна перевага Li-Fi

Можливості Li-Fi більш розвинені, ніж візуальний світловий зв'язок (VLC) і Wi-Fi. VLC - це односпрямована технологія оптичного зв'язку «точка-точка», в той час як Li-Fi забезпечує двосторонній зв'язок на декількох частотах для мобільних і мережевих з'єднань. Хоча VLC і Li-Fi є «технологіями легкогої зв'язку», останній є гібридом VLC і інфрачервоного зв'язку.

Радіоспектр, виділений для бездротового зв'язку, охоплює всього 300 гігагерц, в той час як спектр видимого світла охоплює 300 терагерц, від червоного світла 400 терагерц до фіолетового 700 терагерц. Таким чином, світло має в 1000 разів більшу частоту, доступну для бездротового зв'язку, ніж радіо, хоча його повна потужність ще не реалізована. У Li-Fi є потенціал для досягнення набагато більш високих швидкостей передачі даних, ніж ми можемо досягти за допомогою Wi-Fi. Продукт PureLiFi в даний час досягає швидкості завантаження до 43 мегабіт в секунду, хоча швидкості перевищують десятки гігабіт на секунду при контрольованих налаштуваннях в лабораторії.

На відміну від Wi-Fi, Li-Fi передає дані на пристрої через пряме і падаюче світло без ризику руйнування чутливої електроніки, наприклад, в лікарнях або на літаках. І оскільки Li-Fi вимагає прямої видимості між передавачем і приймаючим пристроєм, він не може передавати дані через стіни.

Спрямованість Li-Fi також знижує ризик перешкод іншим пристроям, що змагається за з'єднання. «В Li-Fi відсутні перешкоди між каналами, джерелами шуму і радіозавадами (електромагнітне випромінювання від одночасного використання електроживлення і бездротової технології), які існують в радіохвилях.

Щільність даних - широкосмугова пропускна здатність і швидкість передачі даних на квадратний метр - також більше в Li-Fi, ніж Wi-Fi. У той час як люди, що використовують одну точку доступу Wi-Fi, змагатимуться за пропускну здатність, покриття Li-Fi має кілька точок доступу і таким чином зменшується конкуренція за пропускну здатність. Майте на увазі, що розмір смуги пропускання в кінцевому підсумку визначається його провайдером інтернет-послуг (ISP); тобто незалежно від того, як швидкодія пристрою підключеного до Інтернету, пропускна здатність буде тільки такою, як пропонує ISP.

Так само спектр Li-Fi, на відміну від Wi-Fi, абсолютно вільний для всіх, оскільки жоден регулюючий орган не володіє спектром світла, і жодна організація не зможе претендувати на нього, тому що це фізично неможливо. Таким чином, ніяка ліцензія не потрібна для зв'язку з нею.

Ідеальні додатки для Li-Fi

Li-Fi можна використовувати всюди, де можна обладнати бездротовий зв'язок і електричне освітлення: комерційні будівлі, торговельні приміщення і інтелектуальні міста для передачі даних на автомобілі. У міру того, як IoT [Internet of Things] і інтелектуальні додатки набирають популярність, Li-Fi пропонує всюдисущі бездротові з'єднання, необхідні цим пристроям і додаткам.

Li-Fi також вигідний для використання всередині приміщень і складів, оскільки він може визначати місце розташування продукту в трьох вимірах, в той час як RFID пропонує тільки розміри вздовж горизонтальної площини. У додатках для інвалідів можна використовувати Li-Fi, щоб направляти сліпих не тільки туди, де знаходяться двері, але і де знаходиться ручка.

Економіка Li-Fi

Включення Li-Fi в проект вимагає відносно простої модифікації драйвера кожного світлодіодного світильника.

Складність установки зростає з використанням широкомовної передачі Li-Fi, оскільки для неї потрібне підключення до Інтернет-локальної мережі, яке є у більшості комерційних компаній, - для кожного передавача, а також для ключа та кожного приймаючого пристрою.

Li-Fi -Інтернет вимагає установки вбудованих світильників Li-Fi або точок доступу, а також PoE або PLC для зворотного зв'язку.

 Проте, процес установки Li-Fi - всього лише одна проблема. Вартість - інша. Навіть коли радіочастотний спектр заповнюється, Li-Fi, швидше за все, доповнить Wi-Fi, але не замінить його. Занадто дорого використовувати кабелі Ethernet для кожного модуля Li-Fi, коли ви можете просто використовувати Wi-Fi. Установка світлодіодного освітлення PoE допомагає очистити шлях для Li-Fi, тому що пов'язана вартість транзитного трафіку менша, коли потужність і дані використовують одну і ту ж саму інфраструктуру.

Однак інші компоненти Li-Fi також дорогі. Li-Fi повинен опуститися в ціні на 50-100 доларів, оскільки внутрішні літій-ліфти кошутють від $ 1,000 до $ 2000 за передавальний пристрій. Крім того, Li-Fi вимагає більше передавальних пристроїв, ніж Wi-Fi. Вони повинні доходити до 100 доларів за штуку.

Інтегрований світлодіодний світильник PureLiFi служить в якості точки доступу Li-Fi і оснащений маршрутизатором і ламповим драйвером. Він сумісний зі світлодіодами від декількох виробників.

У реальному світі

PureLiFi в даний час проходить випробування в Сінгапурі. Хоча Li-Fi в кінцевому підсумку повинен бути доступний на смартфонах і комп'ютерах, люди вкладають гроші в дослідження і розробки, і це всього лише питання часу. Перші рішення повинні вийти на ринок через три-п'ять років, а більш масштабні - через п'ять-десять років.

Але до тих пір, поки інтернет-з'єднання, що веде до Li-Fi, залишається повільніше самого Li-Fi, Li-Fi не буде мати великий життєздатності.

У комерційних додатках волоконно-дротове з'єднання в даний час набагато швидше і надійніше, ніж Li-Fi. Гігабітний волоконно-оптичний інтернет в даний час пропонує швидкість до 1 гігабіт на секунду. Однак, якщо Li-Fi може досягти десятків гігабіт на секунду в реальних додатках, які науковці спостерігали в лабораторії, це може стати справжнім проривом в бездротовому зв'язку.