LiFi
Беручи до уваги щоденні ситуації, використання бездротового доступу до Інтернету в громадських торговельних центрах, або навіть використовуючи домашні Wi-Fi мережі, спостерігається все більше розчарування у випадках, коли низька швидкість Інтернету перешкоджає нашій роботі. Це обумовлено значною кількістю пристроїв, що конкурують за місце у відносно вузькій смузі пропускання радіочастотного спектру.
Відомий німецький фізик, доктор Гаральд Хаас знайшов ефективне рішення даної проблеми. Він представив більш швидкий підхід до передачі даних, використовуючи видиме світло як носій, який він назвав «Data through illumination» (Дані через освітлення). Це технологія бездротового зв'язку, в якій замість радіохвиль використовується видиме світло. Пізніше були розпочаті різні інноваційні аспекти оптимізації зв'язку. Дана технологія комунікації видимим світлом є надзвичайно важливою з огляду на зростання кількості користувачів гаджетів, що використовують бездротові мережі.
Історія
Про можливість передачі даних за допомогою світла відомо давно: досить згадати оптичні телеграфи, відомі з XVII століття. Для обміну повідомленнями використовувалися високі семафорні вежі або стовпи, оснащені ліхтарями або прожекторами і відбивають дзеркалами, при цьому дальність зв'язку між двома точками досягала 65 кілометрів.
Повернутися до цієї, здавалося б, безнадійно застарілої ідеї, змусило, як не дивно, розвиток мікроелектроніки: сучасні випромінювачі світла, як видимого спектра, так і інфрачервоного і ультрафіолету, дозволяють передавати величезні обсяги даних - потрібно лише особливим чином закодувати сигнал і організувати масиви випромінювачів. Включена лампа може означати логічну одиницю, а вимикання - нуль. Якщо при цьому використовувати такі випромінювачі, як світлодіоди, то сам процес не буде помітний для людини, оскільки вони здатні вмикатися і вимикатися на високій швидкості.
Провідним розробником цієї технології стала група вчених Единбурзького університету на чолі з німецьким професором Гаральдом Хаасом. Паралельні дослідження в галузі оптичної бездротового зв'язку ведуться в Німеччині, США, Кореї та Японії - зокрема, компаніями Siemens, Intel і Casio. У жовтні 2011 року кілька фірм з Німеччини, Норвегії, Ізраїлю і США об'єдналися в Консорціум Li-Fi для просування перспективної технології на ринку.
Гаральд Хаас займається розробкою VLC з 2003 року: представники декількох факультетів Единбурзького університету створили проект під назвою D-Light, спонсором якого став університет, йому ж належать всі права на створювану інтелектуальну власність. Експерименти проекту D-Light показали, що світлодіоди можна використовувати як для освітлення, так і для бездротової передачі даних. При цьому ця технологія швидше, безпечніше і дешевше будь-яких інших типів бездротового зв'язку. Крім того, вона застосовна в тих випадках, коли радіозв'язок неможливо використовувати, або де вона в принципі недоступна, наприклад, на великих глибинах під водою або в польоті.
Суть винаходу Хааса полягає в способі модулювання сигналів: інформація, закодована в промені світла від напівпровідникових світлодіодів, передається за допомогою величезного числа змін інтенсивності світла, що відбуваються з надвисокою частотою (100 мільйонів циклів в секунду або 100 МГц). Фотоелемент фіксує ці найдрібніші зміни і перетворює їх назад в цифровий сигнал.
В ході досліджень Хаас використовував особливості системи бездротової передачі даних MIMO (Multiple Input Multiple Output - кілька входів і кілька виходів), в якій для відправлення та прийому даних застосовуються декілька рознесених між собою антен, слабо корельованих друг з іншого, що забезпечує прискорення передачі даних. Крім того, до уваги бралися можливості реалізованої в мобільних мережах 4G і супутниковому DAB-радіо цифрової схеми модуляції OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексування з ортогональним частотним поділом каналів).
До недоліків OFDM відноситься високе співвідношення пікової та середньої потужності, що приводить до широких коливань сигналу. Однак Хаас зробив з цього недоліку перевагу - в умовах оптичної схеми передачі даних ці коливання дозволили підвищити потужність. Це означає можливість паралельної відправки потоків інформації на швидкості, обмеженою виключно числом використовуваних світлодіодів. Таку схему модуляції Хаас назвав просторовою OFDM-модуляцією або SIM-OFDM. "Ми використовували три виміри, - розповідає він, - час, частоту і простір. До нас цього ніхто не робив".
У лабораторних умовах вдалося домогтися максимальної швидкості передачі даних в 123 Мбіт на секунду, в найближчих планах - швидкість 600 Мбіт в секунду. Німецькі дослідники з Берлінського Інституту Генріха Герца вже досягли швидкості 800 Мбіт в секунду - для порівняння, лише одиниці оператори бездротових мереж можуть запропонувати швидкості, що перевищують 100 Мбіт в секунду.
Хаас, а також його колеги Гордон Поуві і Мостафа Афгані заснували компанію VLC Ltd, яка отримала від Единбурзького університету ексклюзивну ліцензію на технологію VLC. Нова фірма досить успішно залучала інвесторів і розраховувала представити перші комерційні продукти вже до червня 2012 року. Первістками повинні стати стандартні світлодіодні світильники, що вкручуються в звичайні побутові патрони, які можуть одночасно служити для бездротової передачі даних.
Крім того, VLC Ltd веде переговори з Центром візуалізації клінічних досліджень при Королівському інституті медичних досліджень в Единбурзі. Радіологічне обладнання надзвичайно чутливо до електромагнітного випромінювання, тому для передачі даних від томографів потрібні особливі кабелі з посиленою екрануванням. Оптична технологія здатна передавати дані, не створюючи будь-яких перешкод і дозволяє дуже серйозно заощадити.
Як не дивно, у VLC Ltd вже є конкуренти - японська фірма Nakagawa Laboratories і американська компанія LVX System. Японці, в 2003 році співпрацюючи з Гордоном Хаасом, пропонують підводну систему зв'язку для дайверів: мова перетворюється на світло і модульованим променем передається іншому аквалангістові. Американці ще в грудні 2010 року почали надавати широкосмуговий бездротовий доступ в інтернет у восьми громадських будівлях в місті Сент-Клауд, штат Міннесота. LVX System рекламує свою послугу як "оптоволокно без волокна", проте, за деякими відомостями, пропускна здатність мережі більш ніж скромна і складає близько 3 Мбіт/с. В VLC Ltd, звичайно, не мають наміру обмежуватися такими швидкостями, так що давайте почекаємо і подивимося, на що буде здатна її власна продукція.
Переваги та недоліки
Цей метод передачі даних має різні переваги, наведемо деякі з них:
- Висока швидкість передачі даних, яка може перевищувати 10 Гбіт/с, що набагато швидше, ніж інші існуючі технології, такі як Wi-Fi, Bluetooth, тощо;
- Дані більш захищені, оскільки, на відміну від радіохвиль, видиме світло не здатне проникати через стіни;
- Пропускна здатність видимого спектру в 10 тисяч разів більша, ніж у радіочастотному спектрі, що перешкоджає виникненю будь-якого “змагання” за пропускну здатність;
- Витрати на впровадження та обслуговування мінімальні в порівнянні з Wi-Fi;
- Усунення впливу на здоров'я, оскільки видиме світло є найменш шкідливим для людини в оптичному спектрі;
- Реалізація Інтернету речей у великому масштабі, оскільки одночасно може бути підключено більше ніж 100 пристроїв;
- Простіша і швидша інтерпретація та перетворення даних контролером з двійкового потоку у швидке світлодіодне перемикання;
- Можливість передачі даних через воду, на відміну від інших методів передачі.
Однак, є і деякі недоліки цієї технології:
- Зв'язок можливий лише за наявності прямої видимості між передавачем і приймачем;
- Втручання інших джерел світла, таких як сонячне світло, може звести нанівець ефективність передачі;
- Комунікація обмежена передачею від точки до точки, якщо вона реалізована на дуже високих частотах.
Найбільш вразливим джерелом помилки є непрозора перешкода, що може виникати між джерелом і приймачем. Ця перешкода не сприймається фотодіодом і, таким чином, біти, передані під час цього інтервалу перешкод, втрачаються. Фотодіод отримує потік нулів протягом періоду перешкод, що призводить до спотворення даних на приймачі. Помилка внаслідок обструкції може бути усунена шляхом введення датчика зворотного зв'язку, який допомагає відчувати обструкцію. У цьому механізмі передача і прийом даних призупиняється, якщо зустрічається перешкода. Передача даних відновлюється тільки після того, як перешкода зникла і шлях зв'язку між передавачем і приймачем знову вільний. Таким чином, даний першочерговий недолік можна вирішити.
Принцип роботи
Основною ідеологією цієї технологічної інновації є те, що видиме світло від світлодіоду (LED) методично амплітудно модулюється, шляхом швидкого перемикання світлодіоду зі швидкістю, нечутливою для людського ока, тоді як на фотодіоди приймача виявляють модульоване світло і демодулюють його у бінарну форму за допомогою синхронізованих схем приймача. Таким чином, досягається успішна передача даних.
Існує кілька способів кодування інформації у світловий потік, і всі вони включають певну комбінацію амплітуди, частоти і фазової модуляції. Кінцевою метою обробки сигналів є досягнення надійного бездротового зв'язку із мінімальним співвідношенням бітових помилок між будь-якими двома вузлами в мережі, тобто заданим співвідношенням бітів до помилки, відносно загальної кількості переданих бітів, як функції відношення сигнал/шум модульованого сигналу. Помилки в бітах надходять через шум, перешкоди, спотворення або синхронізацію.
У контексті VLC світло випромінюється світлодіодом і виявляється або одним фотоприймачем або датчиком зображення, наприклад камерою. В останньому випадку йдеться про оптичне сполучення камери (OCК). З такою парою компонентів, VLC створює складну проблему: всупереч тому, що відбувається в області радіочастотної області, амплітуда і фаза електромагнітного поля, що випромінюється світлодіодами, не можуть бути окремо модульовані і виявлені через відсутність локального осциллятора в точці детектції, а передача даних можлива лише у вигляді модуляції інтенсивності і схеми прямого виявлення. Це накладає обмеження на сигнал, який може бути використаний для модуляції світлодіода за допомогою поточного драйверу: він повинен бути дійсним і строго позитивним для успішного відображення в інтенсивність світла, що обмежує типологію схем модуляції відповідно до RF домену.
Схема модуляції повинна бути розроблена з урахуванням характеристик світильника: режим затемнення повинен бути можливим, мерехтіння не повинно сприйматися людським оком (досягається з швидкістю перемикання швидше, ніж 2 кГц), втрати потужності та генерація теплоти повинні бути мінімізовані. Таким чином, системи LiFi повинні бути розроблені як системи освітлення з можливостями зв'язку, а не навпаки.
Використання
VLC вже більше 15 років є об'єктом інтенсивних досліджень і розробок з постійним покращенням продуктивності, вартості, надійності та компактності компонентів. Хоча багато прикладів застосування вже були представленні, такі як засіб зв'язку між транспортом або підводна передача даних, експоненційний розвиток твердотільного освітлення направили короткострокові розробки до найкраще визначених і найбільш цінних шляхів використання.
Вибір шляхів використання обумовлений тим, що, з одного боку, діапазон світлових частот є вільним від перешкод і не регулюється, а з іншого боку, світлові зв'язки відбуваються в конусі світла. На відміну від WiFi, який нерозривно пов’язаний із витоком випромінювання, напрямленість світла різко обмежує ризик підслуховування та несанкціонованного проникнення у мережу. Більш того, механізм генерації ключів, специфічний для OFDM, може поліпшити безпеку внутрішньої комунікації.
Притаманна LiFi низька затримка та потенціал до дуже великої пропускної здатності роблять її гарною технологією для потокового відео-обміну, офісу “в хмарі”, віртуальної реальності, застосування у робототехніці, в промисловості та медицині, або у громадських місцях. Для житлових приміщень поки що немає комерційних реалізацій. Їх поява залежить від подальшого скорочення витрат, мініатюризації та інтеграції компонентів приймачів у пристрої побутової електроніки, що очікується приблизно до 2020 року.
З точки зору просування цінностей енергоефективності, технології освітлення пропонують клієнтам достатню цінність для переходу від ламп накалювання та флуоресцентних ламп до набагато більш енергоефективних та конкурентноздатних світлодіодів. Висока потреба до якості та швидкості доступу до Інтернету може підштовхнути модернізацію інфраструктури освітлення до значно швидших темпів модернізації ІТ-інфраструктури.
Але те, що робить LiFi ще більш захоплюючою технологією, є можливість досягти швидкості передачі та прийому в діапазоні від 1 до 10 Гбіт/с з дуже низькою затримкою, що притаманна оптичним технологіям.
У робочому просторі, де освітлення є усепоглинаючим, LiFi зможе гарантувати покриття по всьому поверху з високою мінімальною пропускною здатністю, без перешкод і періодичного відключення. Більш того, LiFi, і, як правило, технології VLC, мають властивість локалізувати пристрої на рівні світильника, або навідь ще краще, з точністю до сантиметрів, завдяки спеціалізованим технологіям обробки сигналів. Це має величезне значення для багатьох застосувань, оскільки RF-технології на сьогоднішній день не настільки точні.
Швидкість передачі даних LiFi виходить за межі того, що необхідно для підключення пристроїв IoT, таких як термостати і детектори присутності, що потребують, зазвичай, не більше 100 кбіт/с. Але щільність потенційних з'єднань під світловим конусом LiFi є такою, що багато пристроїв можуть агрегувати поступаючу інформацію, та вимоги до пропускної здатності. Ці пристрої можуть навіть збирати енергію від світлодіодних або лазерних діодів через канал зв'язку, потенційно вирішуючи критичне питання живлення для IoT. Також можлива легка комунікація безпосередньо між пристроями.
LiFi як високошвидкісне комунікаційне рішення надзвичайно добре підходить для промислових мереж передачі даних, наприклад, для подачі та збирання 3D-даних до та з пристроїв AR. Існуючі архітектури IoT є високоцентралізованими і в значній мірі спираються на базову мережу для всіх процесів прийняття рішень. З LiFi, велика кількість даних може бути зібрана безпечним способом з декількох пристроїв і оброблена локальним процесором із меншою затримкою і зниженням вимог до пропускної здатності для зв'язку з хмарою. У тому ж напрямку децентралізації, LiFi може стати важливим засобом для виконання довірених транзакцій між пристроями IoT, що опосередковані блокчейном.
Деякі приклади використання LiFi технології:
- Може використовуватися для підводного зв'язку, особливо для зв'язку на малих дистанціях;
- Може бути реалізовано в лікарнях, оскільки видиме світло не заважає будь-якому медичному інструменту на відміну від радіохвиль;
- Також може бути використана у системі розумного освітлення, де вуличні ліхтарі можуть забезпечувати Li-Fi точки, а перемикання освітлення може контролюватися одночасно;
- Може використовуватися на нафтохімічних заводах, для уникнення електромагнітних перешкод.
Першоджерела
[[1]]
[[2]]
[[3]]
[[4]]
