ТЕХНОЛОГИЯ LI-FI КАК АЛЬТЕРНАТИВА WI-FI

25.04.2023 |

Учитывая нехватку спектральных ресурсов в традиционных беспроводных сетях, стало популярным создание систем связи в видимом свете (Visible Light Communication – VLC). Они обеспечивают высокую энергоэффективность, широкую полосу пропускания канала связи, высокую безопасность и не требуют лицензирования, что позволит им стать частью будущих беспроводных систем. Однако, традиционные стратегии построения сетей не всегда применимы к сетям VLC. Поэтому, для таких сетей предполагается использовать точки доступа с несколькими светодиодами, разработанные для гибридных систем связи LiFi-WiFi внутри помещений. Это позволит получить значительный выигрыш в пропускной способности внутренних сетей Wi-Fi с помощью комбинированных сетей.
Термин Li-Fi (Light Fidelity) был предложен профессором Харальдом Хассом из Эдинбургского университета. Light Fidelity – беспроводная технология связи при помощи видимого света. Как и любая оптическая беспроводная связь, Li-Fi использует оптическое излучение для передачи данных, преимущественно в видимом диапазоне спектра [1].
Светодиодные источники света идеальны для реализации технологии Li-Fi. Ток через светодиоды, используемые для передачи данных в Li-Fi, модулируется сигналами высокой частоты и поэтому человеческий глаз не замечает изменения яркости свечения светильников в виде мерцаний.
Одно из наиболее существенных преимуществ технологии Li-Fi заключается в очень высокой пропускной способности системы связи, построенной на ее основе. Это объясняется тем, что спектр видимого света на несколько порядков шире радиочастотного спектра.
Система связи Li-Fi может быть реализована с помощью светодиодных осветительных приборов (или отдельных светодиодов), которые нужно дополнить сигнальным процессором и специализированным программным обеспечением. Как и Wi-Fi, данные, поступающие через интернет-маршрутизатор, передаются в сигнальный процессор, который и осуществляет модуляцию света. Фотоприемник преобразует световой сигнал в цифровой сигнал данных (рис. 1). Для организация двухсторонней связи в системе Li-Fi используется дополнительно инфракрасные светодиод и фотодиод в восходящем канале. Для организации нескольких независимых нисходящих каналов оптической связи можно использовать светодиоды разного цвета [2]. Теоретически достижимая скорость передачи данных в системе Li-Fi составляет более 200 Гбит/с.

Рис. 1. Структурная схема системы связи Li-Fi
с двухсторонней передачей данных

Использование света для создания высокоскоростной системы связи открывает доступ к огромному нелицензированному диапазону частот за пределами традиционного радиочастотного спектра. Широкое использование систем светодиодного освещения позволяет использовать такую систему связи в любых помещениях со светодиодными светильниками
По словам Николая Серафимовски, председателя IEEE 802.11 Light Communication (LC) Task Group (TG), цель Тематической группы состояла в том, чтобы определить технические и экономические возможности, при использовании оптического диапазона для беспроводной связи, и сформировать технические спецификации [3].
Считается, что IEEE 802.11 является лучшим форумом для продвижения глобальных усилий по стандартизации для коммуникаций с производителями, операторами и конечными пользователями, возникающими в процессе стандартизации. Продвижение этой работы в TG поможет пользователям в домашних, корпоративных и промышленных средах, а также поможет производителям и операторам предоставлять общие компоненты и услуги для пользователей IEEE 802.11.
Разработка стандарта IEEE 802.11bb позволит заложить основу для внедрения продуктов массового рынка, используя систему светодиодного освещения, которая имеет глобальное развертывание и насчитывает миллиарды устройств.

Хотя в 2011 году опубликована первая версия стандарта для беспроводных компьютерных сетей, использующих видимый свет для передачи данных: IEEE 802.15.7-2011 – IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light [4], он не обеспечивает высокую скорость передачи данных.
Стандарт IEEE 802.15.7 определяет физический уровень (PHY) и уровень управления доступом к среде (MAC). Стандарт определяет три физических (PHY) уровня с разными пропускными способностями:
1. PHY I для наружного применения и обеспечивает скорость передачи данных от 11.67 до 267.6 Кбит/сек.
2. PHY II позволяет достигать скоростей передачи данных от 1.25 до 96 Мбит/с.
3. PHY III предназначен для множественных источников с определенным методом модуляции Color Shift Keyring (CSK), скорость передачи данных от 12 до 96 Мбит/с.
Поэтому и осуществляется разработка стандарта IEEE 802.11bb.
По прогнозам Cisco, число Интернет вещей (IoT) в 2020 году увеличится до 50 миллиардов подключенных устройств. Для обеспечения высокоскоростной связью одновременно большого числа пользователей наиболее подходящей технологией является связь в видимом диапазоне света. Это особенно актуально в условиях значительных электромагнитных помех. Такая технология может использоваться в больницах, супермаркетах, бизнес-центрах, пресс-центрах, на нефтехимических заводах, в самолетах и во многих других случаях. Кроме того, Li-Fi также будет использоваться для существенного улучшения внутренних беспроводных коммуникаций в жилых домах.
У технологии Li-Fi есть и другие преимущества. Одним из основных является повышенный уровень безопасности, связанный с тем, что свет не проникает сквозь стены. Еще одним преимуществом является повышение надежности сети. Li-Fi передатчики могут быть встроены в каждый светильник в комнате или в здании, тем самым устраняя узкое место структуры сети Wi-Fi. Эти качества делают Li-Fi особенно привлекательной альтернативой в случаях, когда сигналы Wi-Fi значительно ослабляются, или там, где использование Wi-Fi не разрешается (например, на атомных электростанциях), а также там где требуется быстрая и безопасная передача больших объемов данных (например, в больницах).
Поскольку Li-Fi приемники реагируют на изменения интенсивности света, то Li-Fi может работать при дневном освещении. При использовании Li-Fi во внутренних помещениях зданий не требуется прямой видимости между светильником и приемником оптического излучения, так как отраженный от стен и других поверхностей свет может также восприниматься приемником.
Но, как и в случае с любой технологией у Li-Fi также есть недостатки, наиболее заметным из которых является высокая стоимость внедрения, по крайней мере, на данный момент времени. Кроме того, дальность связи не превышает 10 м, в то время как для Wi-Fi до 32 м. Помимо этого, технология Li-Fi не обеспечивает связь в темноте или при отсутствии светодиодных светильников.

В последние несколько лет Li-Fi уже используется в ограниченном числе мобильных приложений. Наиболее известным из них является использование Li-Fi в больших торговых центрах с целью увеличения продаж путем предоставления купонов или другой рекламной информации. Связь является односторонней и требует, чтобы мобильные телефоны покупателей могли принимать сигналы Li-Fi через специальное приложение.
Заметным выходом на рынок Li-Fi является недавно анонсированный набор систем от компании Signify (ранее Philips Lighting), получивший наименование Trulifi. Компания заявляет о скорости передачи данных до 150 Мбит/с при передаче данных от различных светильников к пользователю, а при фиксированной паре точка-точка – до 250 Мбит/с. Набор предназначен для включения в новые или модифицированные системы освещения Signify.
Недавно в пресс-центре стадиона немецкого футбольного клуба Гамбург [1] была установлена система освещения с использованием ламп серии Trulifi для обеспечения высокоскоростной связью журналистов. Каждому журналисту предоставляется модуль с USB-портом, который обеспечивает двустороннюю высокоскоростную связь с использованием технологии Li-Fі через светильники пресс-центра.
Хотя технология имеет много привлекательных функций, широкое распространение она пока не получила. Основным сдерживающим фактором является отсутствие отраслевого стандарта, работа над которым ведется в настоящее время [5, 6].
Для реализации системы Li-Fi необходимо следующее аппаратное обеспечение:
1. Светодиодная система освещения либо отдельные светодиоды.
2. Маршрутизатор, установленный вместе с системой освещения.
3. Приемник, который оснащен декодером с целью расшифровки светового сигнала.
Одна из последних разработок мобильных устройств, поддерживающих работу с системой Li-Fi – смартфон от компании Oledcomm, который работает под управлением ОС Android (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид смартфона от компании Oledcomm

У смартфона имеется одна важная модификация: вместо фронтальной камеры в него встроен Li-Fi сенсор, который получает команды от светодиодных ламп, расположенных поблизости от смартфона, что позволяет просматривать на устройстве изображения и видеоролики. Кроме того, компания продемонстрировала прототип компактного внешнего Li-Fi-приемника, который подключается к смартфону посредством 3.5-миллиметрового разъема. Такой приемник позволяет получать данные Li-Fi на устройствах, которые не оборудованы модулем. Компания Oledcomm планирует внедрять свою разработку в планшеты и смартфоны, что позволит расширить область применения технологии Li-Fi.
Кроме того, компания продемонстрировала прототип компактного внешнего Li-Fi-приемника, который подключается к смартфону посредством 3.5-миллиметрового разъема. Такой приемник позволяет получать данные Li-Fi на устройствах, которые не оборудованы модулем. Компания Oledcomm планирует внедрять свою разработку в планшеты и смартфоны, что позволит расширить область применения технологии Li-Fi.
Следует учесть, что практически все, выпускаемые в настоящее время смартфоны и планшеты, способны принимать сигналы системы Li-Fi используя либо датчик освещенности, либо фронтальную камеру. Необходимо только установить на них специализированное программное обеспечение.
Приведем некоторые примеры возможных применений технологии Li-Fi.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ
Особенность системы Li-Fi в том, что она не создает электромагнитные помехи для медицинского оборудования. К тому же эта технология не подвержена действию МРТ-сканеров. Эти факторы позволяют организовать систему высокоскоростной сети передачи данных в больницах и крупных медицинских центрах (рис. 3).

Рис. 3. Пример использования технологии Li-Fi в больнице

ОПАСНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
Использование Li-Fi-технологии позволяет создать безопасную альтернативу системам связи с электромагнитным излучением на нефтехимических предприятиях.
Датчики, использующие технологию Li-Fi, могут определять положение человека в помещении с точностью до 30 см [7], что позволяет использовать их на промышленных предприятиях. Это дает возможность постоянно следить за безопасностью работников. Например, они могут обнаруживать, когда работники находятся слишком близко к потенциально опасному оборудованию.

На основе данных и функциональных возможностей подключенной системы освещения управляющее программное обеспечение интеллектуального промышленного объекта может использовать систему связи Li-Fi для оповещения работников путем отправки звуковых или вибрационных сигналов, предупреждающих об опасности, а также для отключения или автономного перемещения оборудования, если это возможно.

ШАХТЫ И ТУННЕЛИ
Система связи в видимом свете могут широко использоваться в подземных шахтах для поддержки надежной связи благодаря своим преимуществам по сравнению с Wi-Fi. К этим преимуществам можно отнести низкое энергопотребление, широкий диапазон частот (430…790) ТГц, более высокие скорости передачи данных и малое количество требуемого оборудования. Если учесть, что радиоволны быстро затухают (если подземные выработки имеют изгибы или ответвления) и не позволяют обеспечить надежную беспроводную связь, то альтернативы для беспроводной связи с помощью света просто нет. Даже с учетом запыления в шахтах при небольших расстояниях между источником света и приемником будет обеспечиваться надежная оптическая связь (рис. 4). Такую систему связи можно использовать как для сбора данных с различных датчиков, так и для предупреждения об опасности.

Рис. 4. Использование технологии Li-Fi в шахтах

Аналогичные системы можно использовать в протяженных туннелях, в поездах метро и во многих других случаях.

КОММУНИКАЦИИ ПОД ВОДОЙ
Вследствие сильного поглощения сигнала применение радиосигналов в воде нецелесообразно. Акустические сигналы отличаются низкой скоростью передачи данных, к тому же тревожат морских животных. Использование Li-Fi-технологии позволяет успешно решать данные проблемы для связи на небольшом расстоянии (рис. 5).

Рис. 5. Использование технологии Li-Fi для подводной связи

АВИАЦИЯ
Технология Li-Fi может быть задействована с целью уменьшения длины проводки, снижения веса, повышения гибкости в установке оборудования, а также сидений пассажирского салона, в которых уже установлены LED-светильники. Система развлечений на борту сможет поддерживаться и взаимодействовать с устройствами пассажиров (рис. 6).

Рис. 6. Использование технологии Li-Fi в самолетах

ТРАНСПОРТ И ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА
На сегодняшний день уже производятся вывески и светофоры, уличные светильники, задние фонари и фары, где применяются LED-лампы. Благодаря этому может быть обеспечена коммуникация между дорожной инфраструктурой и автомобилями в системах управления дорожным движением, а также обеспечения безопасности.
Мониторинг погоды в настоящее время выполняется дорогими профессиональными метеостанциями. Они собирают информацию и могут обрабатывать данные, каталогизировать статистику погоды и даже предоставлять прогнозы относительно ожидаемых условий в ближайшем будущем. Однако у этих сообщений есть ряд недостатков: они носят общий характер, они не могут быть детализированы для определенных небольших участков местности, и информация не попадает к водителям, если она предоставляются в короткие интервалы времени.

Применение новых интеллектуальных автомобилей с возможностью связи между ними позволяет установить недорогие датчики, измеряющие параметры окружающей среды, на каждом автомобиле. Периодически регистрируя параметры окружающей среды и положение с помощью системы GPS, система контроля автомобиля может с помощью технологии Li-Fi отправлять эту информацию всем автомобилям в зоне доступности и информировать водителей о рискованных ситуациях на дороге, о положении движущего впереди транспорта, скрытого от водителя, и о многом другом.
Во многих городах пытаются справиться с проблемами, вызванными возросшим трафиком транспорта. В будущем, когда беспилотные транспортные средства заменят нашу нынешнюю систему дорожного движения, основанную на управлении транспортом людьми, интеллектуальная система дорожного движения позволит обеспечить связь между автомобилями и их транспортной средой. Обычно это называется технологией V2X. Используя Li-Fi, систему связи видимого света, автономные автомобили смогут обмениваться информацией между собой и с транспортной сетью, чтобы не допускать ошибок, которые может допустить во время вождения человек. Система на основе Li-Fi дополняет существующие автономные системы, которые используются в автомобилях, такие как радар, LIDAR или видеокамеры. Используя световые импульсы можно отправлять уникальные сигналы от каждого светофора, знака и автомобиля.
На рис. 7 приведен пример дорожной инфраструктуры связи с использованием нескольких технологий.

Рис. 7. Дорожная инфраструктуры связи с использованием нескольких технологий

ИГРУШКИ
Светодиоды сегодня активно применяются во многих игрушках, благодаря чему может быть построена недорогая система связи между интерактивными игрушками.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЛУЖБЫ
Локальные и высокоточные информационные службы, к примеру, реклама и навигация. Они обеспечат людей точной информацией, которая связана с конкретным местом и временем. Возможно применение в госучреждениях, банках и других объектах, то есть там, где важна безопасность и высокая скорость передачи информации.

ПРИМЕНЕНИЕ В БЫТУ
Планируется, что в будущем светодиодные лампы будут сразу выполнять две функции: освещать помещение и создавать беспроводную коммуникационную сеть, которая позволит подключаться к устройствам и к сети Интернет (рис. 8).

Рис. 8. Примеры применения технологии
Li-Fi в быту

ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ
СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ
При ликвидации последствий стихийных бедствий, таких как землетрясения, наводнения или ураганы, когда разрушены многие объекты инфраструктуры, для спасения людей и восстановления разрушенных объектов необходима надежная беспроводная связь. Такую связь можно организовать с помощью технологии Li-Fi.
Если модули Li-Fi установить на воздушные шары и сформировать из них сеть, то можно на ограниченной территории обеспечить высокоскоростную связь.
Компания Signify, ранее известная как Philips Lighting и выпускающая «умные» лампочки под маркой Hue, анонсировала новую модель ламп Truelifi. Они поддерживают передачу данных Li-Fi и могут обеспечивать передачу данных на планшеты и смартфоны со скоростью до 150 Мбит/с [7]. Эта скорость передачи данных выше, чем в среднем обеспечивают сети 4G и Wi-Fi. Линейка устройств Truelifi будет включать как непосредственно из приборов освещения с функцией передачи данных, так и трансиверов, которыми можно дооснастить уже имеющиеся лампы. Технология также может использоваться для беспроводного соединения двух точек со скоростью передачи данных до 250 Мбит/с.
Для подключения к сети Li-Fi разрабатываются специализированные модули (рис. 9), которые позволяют подключать любые устройства, оснащенные интерфейсом USB (рис. 9).

Рис. 9. Специализированный модуль PureLIFI
для подключения к сети Li-Fi через порт USB

Из проведенного краткого обзора следует, что применение технологии связи Li-Fi во многих случаях позволит обеспечить высокоскоростную надежную связь различных устройств между собой.
Путем использования специализированных модулей можно будет подключать устройства, не имеющие встроенных элементов для оптической коммуникации, к сети Li-Fi. Комбинация нескольких технологий совместно с Li-Fi позволит значительно расширить возможности беспроводных систем связи ак в общественных местах, так и в быту.

ЛИТЕРАТУРА

1. Yoelit Hiebert Li-Fi: An attractive alternative to Wi-Fi //EDN Network, November 14, 2019.
2. http://www.irisprojects.com/ieee-2018-2019-project-titles-on-lifi/.
3.http://www.ieee802.org/11/Reports/tgbb_update.htm.
4. http://www.ieee802.org/15/pub/SG7a.html.
5. https://beyondstandards.ieee.org/?s=802.11bb.
6. LiFi standardization: LiFi as the IEEE starts working on standardization // https://www.i-scoop.eu/lifi-marketieee-lifi-standardization/.
7.https://www.signify.com/global/search?query=LiFi&page=1.