Li-Fi - оптическая передача данных для беспроводного доступа в Интернет

 

В настоящее время для беспроводной передачи данных пользователям применяются технологии на базе использования радиочастотных каналов - WiFi, 3G, LTE и т.п. Им присущи свои недостатки, такие как ограничение используемой полосы частот, взаимное влияние нескольких источников сигнала, а в некоторых случаях необходимость лицензирования.

Ограниченная полоса пропускания приводит к тому, что при подключении большого количества пользовательских устройств скорость передачи данных значительно снижается. В то же время растет не только количество устройств, но и объем передаваемой информации. Например, за последние 5 лет мировой IP-трафик вырос в 3 раза, и на конец 2015 года составлял 1,3 Зетабайт (1 300 000 000 000 Гбайт). Экспоненциальное увеличение объема передаваемых данных обуславливается ростом спроса на использование Глобальной сети для бизнес-приложений и мультимедийных сетевых приложений, потребляющих в процессе работы большое число данных и предъявляющих повышенные требования к каналам связи. Например, объем интернет видео трафика в среднем растет на 48% в год. По исследованиям Cisco в 2015 году видеоинформация уже занимала 59% от всего объема пользовательского интернет-трафика в России, что в 2 раза больше показателя 2010 года.

Рост спроса на высокоскоростные каналы передачи данных ведет к постепенной замене медных кабелей на волоконно-оптические технологии, но узким местом все еще остается канал передачи данных непосредственно на устройство пользователя. Решением может послужить использование видимого света, который является частью электромагнитного спектра расположенной в диапазоне от 400 до 790 ТГц. Эта часть спектра в десятки тысяч раз шире спектра радиоизлучения и не требует получения лицензий на использование.

Широкое применение светодиодных светильников открывает большие возможности для массового использования оптической передачи пользовательских данных. Каждый из светодиодов может одновременно освещать помещение, а также включаться и выключаться с высокой скоростью, передавая большие массивы бинарных данных. Для человеческого взгляда, воспринимающего не более 100 мерцаний в секунду, это переключение выглядит как непрерывный поток света.

Сеть из таких светильников для высокоскоростной беспроводной передачи данных получила название Li-Fi. Физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC) коммуникационной сети с использованием видимого света определяется стандартом IEEE 802.15.7, в рабочую версию которого включено три уровня физического доступа и три топологии управления доступом, описанные в таблице ниже:

ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ (PHY)
PHY I

Предназначен для наружного применения и приложений работающих с небольшими объемами данных. Обеспечивает скорость передачи данных в диапазоне 12 ~ 267 Кбит/сек c использованием алгоритмов коррекции ошибок Convolutional и Reed Solomen и модуляцией OOK (On-off keying) или VPPM (Variable pulse position modulation).

PHY II

Разработан для применения внутри помещений, и позволяет достигать скоростей передачи данных от 1.25 Мбит/с до 96 Мбит/сек, применяя алгоритм коррекции ошибок Reed Solomen и модуляцию OOK или VPPM.

PHY III

Для использования с источниками и приемниками RGB на скорости от 12 Мбит/с до 96 Мбит/сек. Алгоритм коррекции ошибок остается тот же - Reed Solomen, но модуляция основана на управлении смешением трех основных цветов CSK (Colour shift keying).

 

 

УРОВЕНЬ УПРАВЛЕНИЯ ДОСТУПОМ К СЕТИ (MAC)

Одноранговая децентрализованная сеть (peer-to-peer)
Централизованная сеть по топологии «звезда» (star configuration)
Широковещательный режим передачи данных (broadcast mode)

 

Тем не менее, в исследовательских лабораториях уже достигнута скорость передачи данных свыше 1 Гбит/сек., что быстрее в 100 раз действующего стандарта передачи данных по радиочастотному каналу WiFi. Значительный прорыв в скорости может обеспечить производство специализированных микрочипов для оптической передачи данных.

Преимущества новой технологии не только в более высокой скорости передачи данных, но также:

  • Конфиденциальность передаваемых данных – в отличие от радиочастотного излучения световые волны распространяются только в пределах помещения и не могут быть перехвачены снаружи.
  • Развертывание сети беспроводной передачи данных там, где не допускается использовать радиочастотные технологии.
  • Снижение затрат на электроэнергию и развертывание инфраструктуры за счет объединения точек доступа с системой освещения.
  • Возможность навигации в зданиях и торговых центрах по адресному ID светильников.

Новая технология найдет применение в самих различных областях:

Доступ в Интернет в конференц-залах, переговорных комнатах, гостиницах

Данные передаваемые по привычному WiFi распространяются вне пределов помещения в пределах радиуса действия источника излучения, в то время как световые волны присутствуют только в комнате и не доступны извне. Это позволяет реализовать доверенный канал связи недоступный для злоумышленников за пределами помещения. Передача данным может осуществляться в области прямой видимости светильников и светом, отраженным от стен. Обратная передача данных от мобильного устройства к LiFi точке доступа может происходить не только с использованием видимого света, но и по радиоканалу или в инфракрасном диапазоне излучения.

Беспроводной доступ Li-Fi

Публичный доступ к Интернет в городской инфраструктуре и общественном транспорте

Применение LiFi позволит обеспечить высокую скорость передачи данных для большего количества мобильных устройств, разгрузив традиционные каналы связи. Возможна одновременная реализация проекта внедрения энергосберегающего освещения с интеллектуальной системой управления и световой передачи данных в рамках одного проекта.

Информационное сопровождение в музеях, супермаркетах и торговых центрах

Экспонат музея или товар на полке магазина всегда имеет световую подсветку. С добавлением технологии LiFi посетитель получит подробную справочно-рекламную информацию с возможностью воспроизведения видео в высоком качестве и навигации в помещении.

Интеллектуальные транспортные системы

Светофоры, освещение автомагистралей, свет фар и габаритные огни автомобилей могут быть задействованы для передачи данных между автомобилями и дорожной инфраструктурой. Такая система необходима для создания систем предотвращения столкновений, передачи информации о дорожной обстановке и будущих беспилотных транспортных средств.

Интеллектуальная транспортная система Li-Fi

 

Коммуникация во взрывоопасной среде или в условиях, где недопустимо присутствие источников радиочастотного излучения

Зачастую меры безопасности не допускают использование устройств излучающих электромагнитные помехи. Например, при высокой концентрации взрывоопасных веществ, рядом с чувствительной медицинской техникой или в кабине самолета. В таких случаях световое излучение не создает опасности воспламенение или помех работающей ответственной техники.

Интернет вещей

Концепция Интернета вещей подразумевает большое количество подключенных устройств, что создаст огромную нагрузку на традиционные беспроводные радиочастотные точки доступа. Световые точки, присутствующие в каждом помещении, делают возможным реализовать практически неограниченное количество подключений к сети.

 

Дальнейшая цифровизация и информатизация общества требует больших инвестиций в развитие каналов связи, а внедрение LiFi позволяет не только сократить затраты, но и избежать ограничений лицензирования частот. По мере появления соответствующих устройств и компонентов для них новая технология беспроводной коммуникации может найти массовое применение в течение ближайших нескольких лет. Например, продемонстрированный в марте 2016 на выставке Mobile World Congress в Барселоне коммерческий продукт Li-Flame обеспечивает многопользовательскую полудуплексную связь 10 Мбит/cек. с использованием обычных светильников и защищенную передачу данных в пределах помещения.