Li-Fi – Luminează calea pentru rate de transfer de date mai mari în comunicații

Spectrul radio este o resursă prețioasă și se aglomerează rapid. Utilizatorii de Wi-Fi din zonele urbane au înțeles repede că interferențele de la routerele din apropiere ar putea afecta performanțele de comunicații ale propriilor echipamente de rețea. Unul dintre primele răspunsuri la această problemă a fost să adăugăm pur și simplu mai multe benzi de frecvențe. În plus față de banda originală de 2,4GHz, care încă trebuie partajată cu multe alte protocoale (inclusiv Bluetooth), Wi-Fi a adăugat suport pentru canale suplimentare în banda din jurul frecvenței de 5GHz. Cu toate acestea, numărul benzilor de frecvență în care se poate extinde Wi-Fi este extrem de limitat – deoarece există prea multe alte aplicații care au nevoie de acces la propriile porțiuni din spectrul RF.

De-a lungul timpului, dezvoltatorii de echipamente Wi-Fi mai avansate au contracarat problema restricționării frecvenței prin utilizarea unei varietăți de tehnici pentru a împinge mai multe date în spectrul de bază. Acestea variază de la scheme de modulație avansate, care transmit mai mulți biți de date în fiecare simbol radio până la îmbunătățiri ale diversității antenelor care fac posibilă direcționarea transmisiilor către receptoare individuale. Alte propuneri au mutat Wi-Fi în gama de 10GHz-plus. Aceasta poate oferi canale cu lățime de bandă mai largă și rate de transfer de date semnificativ mai ridicate. Dar, cum ar fi să urcăm mai mult spectrul electromagnetic și să folosim în schimb lumina infraroșie sau vizibilă?

Comunicațiile în spectrul luminii vizibile au fost deja implementate pentru aplicații backhaul punct-la-punct, pentru a atinge rate de transfer de date mai mari de 100Mbiți/s, acolo unde este imposibil să se tragă cabluri, de exemplu peste canioane adânci. Transmisiile bazate pe lumină sunt investigate și pentru capacitatea lor de a îmbunătăți conectivitatea sistemelor atât deasupra atmosferei, cât și sub valuri. RF se difuzează rapid în apă, ceea ce face dificilă stabilirea comunicațiilor fiabile, care să depășească semnale care utilizează transferuri la frecvențe extrem de joase și cu rate de transfer de date proporțional reduse. Deși apa absoarbe puternic și capătul roșu al frecvențelor de lumină vizibilă, laserele albastru-verzi pot transporta transmisii de date la viteze de până la 100Mbiți/s pe câteva zeci de metri, conform studiilor recente de cercetare. Urmărind aplicații la distanță mult mai mare, NASA a început încercări de comunicații sol-spațiu folosind un laser cu infraroșu modulat. Canalul de 622Mbiți/s evită atenuarea cauzată de nori prin comutarea între diferite stații terestre, care cooperează pentru a comunica cu un satelit aflat pe orbită.

Versiunea Li-Fi a comunicațiilor în spectrul luminii vizibile este destinată unor aplicații mai pragmatice. Aceasta a fost dezvoltată pentru a profita de LED-urile din corpurile de iluminat standard, deși cu unele ajustări. Multe corpuri de iluminat cu LED din comerț utilizează un element cu luminozitate ridicată, care produce lumină la capătul albastru al spectrului. Un strat de fosfor galben schimbă culoarea generală a luminii în alb. Acțiunea fosforului încetinește efectul oricărei modulații de amplitudine impuse sursei de lumină, limitându-i lățimea de bandă la aproximativ 2 MHz. Cu toate acestea, dacă un receptor filtrează componenta galbenă, este posibil să se atingă rate de transfer de date de până la 1 Gbiți/s, în principiu. Având receptoare care răspund la diferitele componente ale unui corp de iluminat a cărui culoare poate fi reglată și care, în mod normal, utilizează un amestec de LED-uri roșii, verzi și albastre, este posibilă creșterea vitezei de transmisie a datelor la 5 Gbiți/s sau mai mult. Experimentele efectuate de echipa Universității din Edinburgh, conduse de profesorul Harald Haas (care a inventat termenul Li-Fi), au arătat că prin adăugarea de diode laser la corpurile de iluminat și prin transmisiuni în paralel de la acestea s-ar putea atinge o rată de transmisie care să depășească 100 Gbiți/s.

Li-Fi are unele atribute de utilizare similare cu versiunile de Wi-Fi, care funcționează în banda de 10GHz-plus a spectrului radio. Pe măsură ce frecvența semnalului purtător crește, comunicațiile RF devin mai direcționale. Deși protocoalele care utilizează canalul de 10GHz-plus, cum ar fi rețeaua celulară 5G, vor profita de reflexii pentru a îmbunătăți performanțele de recepție, canalele de comunicații se vor baza în principal pe transmisia pe linia de vizibilitate directă.

Deoarece Li-Fi are o directivitate și mai mare, permite construirea de „atto-celule” în care un singur utilizator ce operează sub o sursă de iluminat din plafon, de exemplu, are lățimea de bandă la dispoziție doar pentru sine. Cu toate acestea, Li-Fi nu este doar o tehnologie bazată pe vizibilitatea directă. Are o anumită abilitate de a folosi reflexii, ceea ce evită, astfel, necesitatea de a menține căile de transmisie strict în limita vizibilității directe. Acest lucru este permis de utilizarea sistemelor de codificare, cum ar fi multiplexarea ortogonală cu diviziune în frecvență (OFDM – Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), care sunt mai complexe decât codurile binare simple utilizate în experimentele Li-Fi timpurii.

Directivitatea Li-Fi oferă un potențial avantaj din punct de vedere al securității. Pe lângă faptul că sunt în mare parte limitate la un con de lumină sub emițător, semnalele nu pătrund deloc în pereții solizi. Unele scheme de transmisie Wi-Fi de 60GHz propuse, cum ar fi IEEE 802.11ax, utilizează tehnici care fac posibilă trimiterea de semnale prin pereți, deoarece grupul de lucru al standardului consideră acest lucru important pentru utilizarea generală în locuințe. Cu Li-Fi, orice hacker care dorește să intercepteze semnalul trebuie să fie aproape atât de emițător, cât și de receptorul legitim. Acest factor singur crește în mod clar șansa de detectare. Un caz de utilizare propus de grupul de lucru IEEE 802.11bb este cel al unei lămpi de birou cu funcție Li-Fi, care asigură o conexiune wireless sigură între computerul utilizatorului și rețeaua de bază. Canalul de uplink de la dispozitiv la corpul de iluminat utilizează un emițător mai mic, care funcționează în spectrul de lumină infraroșie. Astfel, se evită interferențele cu semnalul din aval și are, de asemenea, avantajul de a nu distrage atenția utilizatorului dispozitivului. În primele etape ale evoluției tehnologiei, a existat o anumită îngrijorare cu privire la faptul dacă utilizatorii ar observa pâlpâirea de la emițătoarele compatibile Li-Fi. Viteza de modulație este atât de mare, încât efectul este imperceptibil, cu excepția unei posibile modificări a echilibrului cromatic al luminii globale. Totuși, acesta este un factor pe care proiectanții de corpuri de iluminat îl pot compensa.

Un potențial dezavantaj al Li-Fi, atunci când este montat pe lămpile de plafon, este acela al interferenței între canale. Aici conurile de lumină se intersectează, astfel încât un receptor nu va primi un semnal clar de la niciun emițător. Schemele de codificare bazate pe OFDM ajută la depășirea acestei probleme, pe lângă faptul că lumina se reflectă din pereți și alte obiecte care pot fi utilizate pentru comunicații. Grupul de lucru IEEE 802.11bb a propus un protocol ce oferă o rată de transfer de date de cel puțin 10Mbiți/s până la un maximum de 5Gbiți/s, de zece ori mai rapid decât forma de Wi-Fi IEEE 802.11n implementată pe scară largă, bazată pe un operator de 5GHz. Cea mai recentă și în prezent mult mai scumpă versiune IEEE 802.11ac a Wi-Fi reduce acest decalaj. Aceasta poate livra 1,73Gbiți/s.

Wi-Fi promite să egaleze ratele maxime de transmisie de date obținute prin Li-Fi. Această concurență va veni de la versiunile de Wi-Fi IEEE 802.11ax și 802.11ay, care utilizează frecvențe în jur de 60GHz. Aceste standarde îmbunătățesc raza scurtă de acțiune a primei încercări de a construi un Wi-Fi de 60GHz – IEEE 802.11ad. Unele teste au crescut raza maximă de acțiune a IEEE 802.11ay la 300 m, făcându-l potrivit pentru rețelele de birou. Cu toate acestea, modelul său de utilizare este diferit de Li-Fi. O diferență esențială este că se așteaptă ca un singur router să deservească mai mulți utilizatori, în timp ce susținătorii Li-Fi se așteaptă să profite la maximum de conceptul de atto-celulă, rețelele backhaul oferind posibilitatea de a deservi sesiuni Gbiți/s pentru mai mulți utilizatori din aceeași cameră.

Tabelul 1: comparație între Wi-Fi și Li-Fi.

O altă diferență între IEEE 802.11ay și majoritatea celorlalte protocoale este că poate efectua servicii suplimentare care decurg din algoritmii utilizați pentru a compensa obstacolele. Potențial, routerele pot cartografia camerele, pot detecta prezența oamenilor și pot chiar identifica gesturi. Într-un mediu Li-Fi, aceste funcții ar fi mai probabil implementate cu ajutorul unor camere separate.

Deși Li-Fi va trebui să concureze cu noile forme de Wi-Fi în cazurile de utilizare convenționale pentru acasă și birou, comunicarea bazată pe lumină are unele avantaje clare în anumite medii. În aeronave, de exemplu, greutatea cablurilor utilizate pentru a furniza servicii multimedia pasagerilor este un obstacol major în calea construirii unor vehicule mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil. Li-Fi face posibilă livrarea unor rate ridicate de transfer de date pentru pasageri, pur și simplu prin înlocuirea luminilor convenționale de la fiecare scaun cu un LED adecvat compatibil Li-Fi. Li-Fi oferă o soluție pentru comunicațiile cu lățime de bandă ridicată, în cazul în care interferențele de la RF sunt problematice, cum ar fi în sălile de operații ale spitalelor. Este potențial o tehnologie mult mai sigură pentru sistemele industriale, în special pentru cele în care există un risc ridicat de explozie. De exemplu, instalațiile care manipulează pulberi fine și substanțe chimice volatile nu pot utiliza cu ușurință comunicații RF de înaltă frecvență și sunt necesare garanții stricte pentru cablurile de date electrice.

Datorită abordării sale noi, Li-Fi va găsi probabil cazuri de utilizare în medii în care anterior a fost dificilă implementarea comunicației de mare viteză. Cu toate acestea, pentru majoritatea situațiilor, în care considerentele privind capacitatea și comoditatea datelor sunt cele mai importante, alegerea între Li-Fi și Wi-Fi este posibil să se reducă la cerințele specifice unei aplicații.

Autor:
Mark Patrick

Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter