Технология Li-Fi. Устройство и работа. Применение и особенности. Что такое Li-Fi и сможет ли он заменить Wi-Fi
Light Fidelity - технология Li-Fi сокращенно - это оптическая технология беспроводной передачи информации. Технология была разработана и представлена совсем недавно - в 2011 году. Это произошло на конференции TED Talk. Разработчик - ученый Харальд Хаас (Harald Haas). Скорость передачи данных тогда составила около 10 Мб/с. Ученый пообещал, что к концу 2011 года она составит 100 Мб/с.
Как работает технология Light Fidelity?
Суть технологии в модулировании двоичным кодом потока света от специального светодиодного источника. Человеческий глаз не способен уловить этот процесс, поскольку процесс модуляции происходит на высокой частоте. Такой вид оптической связи является намного безопасней, чем традиционный Wi-Fi, к которому мы все привыкли. Почему? Напомним, что сигналы Wi-Fi можно перехватить практически из любой точки, которая находится в радиусе действия оборудования. А вот для того, чтобы некоему нехорошему гражданину суметь осуществить перехват информации, передаваемой через Li-Fi, необходимо разместить свое оборудование чуть ли не "на коленях" у владельца Li-Fi. Понятно, что это невозможно.
Есть еще один серьезный аргумент в пользу технологии Li-Fi. Она может быть использована практически безо всяких ограничений в тех в местах, где действует запрет на использование оборудования, которое излучает посторонние радиоволны. Ведь не секрет, что такие волны часто нарушают нормальное функционирование критичного оборудования. Как пример, можно привести палаты интенсивной терапии медицинских учреждений, где много различного медицинского оборудования, салоны самолетов и так далее.
Чуть-чуть истории
Наверное, многие читатели помнят о том, что идея использовать свет для передачи данных не нова. Помните, как еще в школе на уроках физики нам рассказывали об Александре Белле? В 1880 году Александр Белл сумел отправить сообщение при помощи фотофона.
Вот и в последние годы начал появляться интерес разработчиков к связи в видимом свете. Ученые понимали, что распространение светодиодов, поддающихся более тонкой настройке, чем обычные лампы накаливания, наверняка сделает технологию более экономичной и удобной в использовании. Надо отметить еще один важный фактор - экспоненциально растущую популярность беспроводных коммуникационных устройств во всем мире, которая неизбежно должна привести к дефициту радиочастотного спектра. Это и породило потребность искать эффективную альтернативу.
Зачем понадобилось создание технологии Li-Fi?
Вопрос необходимости использования беспроводной передачи информации в настоящее время не стоит вообще. Мы живем в век информационных сетей. Каких-нибудь десять-пятнадцать лет назад еще не было массового доступа в сеть интернет, теперь буквально в каждом доме имеется своя локальная сеть передачи информации.
Но практически все разработанные и применяемые на данный момент технологии передачи данных обладают помимо плюсов серьезными минусами. О проводных связях речь вообще не идет, поскольку их применение оправдано в том случае, когда имеется слишком большое расстояние или стационарный компьютер. В таком случае достаточно единожды обзавестись разводкой и получить в дальнейшем приемлемый результат. Но при этом, необходимо использование сертифицированного кабеля; кроме того, нужно иметь знания базовых принципов прокладки кабелей и обладать навыками обжимания концов.
Сейчас беспроводными сетями, выполненными по технологии Wi-Fi, пользуются практически в каждом доме. Существуют сети гибридные, которые объединяют проводные и беспроводные каналы. В чем же неудобство беспроводных сетей Wi-Fi? Первое - это вопрос о защищенности беспроводного канала связи, который возникает довольно часто. Не редко приходится слышать заверения производителей сетевых устройств, которые утверждают, что взлом беспроводной сети невозможен. Но эти уверения вызывают большие сомнения. Второе - никто не может дать гарантии, что длительное действие на организм человека облучения электромагнитных волн в диапазонах работы беспроводных адаптеров совершенно безвредно. Пока не слишком длительный период человечество применяет эту технологию, потому невозможно сделать однозначный вывод. Мощность излучения не слишком велика, но имеется большая распространенность и длительность экспозиции. Кто знает, какие результаты ждут нас через несколько десятков лет, а может быть и раньше.
Что дает технология Li-Fi?
Light Fidelity может исключить все эти минусы. Поскольку, как мы уже говорили, данная технология использует для передачи данных видимый свет, идущий от любого светодиодного источника, то таким образом можно сохранить мобильность при отсутствии вреда для организма человека. Скорость Интернета возрастает до нескольких гигабайт, причем зона покрытия сети значительно расширяется.
Поскольку, принцип технологии Li-Fi заключается в том, что абсолютно любая светодиодная осветительная лампочка способна «моргать» с невероятно высокой скоростью, это позволяет применять модуляции света для передачи информации. Посмотрите, какое гениальное решение: в домашней сети передатчиком информации может быть даже обычная настольная лампа! В качестве передатчиков с успехом выступят потолочные осветительные приборы и элементы декоративной подсветки - да что угодно! Имея мобильный гаджет, можно спокойно перемещаться по квартире, поскольку мы подключены к сети всегда!
Но стоит отметить, что гораздо сложнее дела обстоят с обратной передачей данных от устройства к сети. В таких случаях возникает необходимость в продумывании удачного расположения датчиков на стенах и потолках помещений.
Дополнительное оборудование для технологии Li-Fi почти не нужно, ведь можно применять то, что уже давно используется: уличные фонари, автомобильные фары, комнатное освещение. Например, известный производитель аудиоколонок Klipsch еще в 2010 году представил прототип, который умеет получать музыкальные данные от обычных домашних светодиодных ламп.
Технология Li-Fi - перспективы
Несомненно, перспективы технологии Li-Fi огромны. Если пофантазировать, то аллея в каком-нибудь городе, оборудованная светодиодными излучателями, станет возможностью бесплатного широкополосного доступа в интернет для всех.
Интересно, что датчики и излучатели Li-Fi подлежат установке везде: их можно располагать на опорах освещения улиц, на деревьях, на стенах зданий. При этом, абсолютно любое устройство, которое находится поблизости, также получает доступ в сеть. Кроме того, возможна замена привычной нам традиционной сотовой связи уже на гибридную, например, с использованием Li-Fi в условиях работы в большом мегаполисе и радиоволны вне зоны доступа Li-Fi. Понятно, что здесь нас будут ждать немалые затраты. Но уже совсем скоро такие инвестиции окупятся.
Есть ли минусы у технологии Li-Fi?
Пожалуй, единственный недостаток технологии Li-Fi - это необходимость прямой видимости между источником света и приемником.
И в заключении можно сказать: если технология Light Fidelity получит широкое распространение, то профессия электрика станет самой востребованной и уважаемой. Это, конечно, шутка. А если серьезно, то за технологией Li-Fi - несомненно, большое будущее.
Спасибо за внимание к нашему сайту, если Вам понравилась публикуемая информация, Вы можете помочь в развитии ресурса, поделившись статьей через социальные сети.
Image caption Технология беспроводной оптической передачи данных позволит подключаться к интернету с огромной скоростью
Британские ученые утверждают, что достигли скорости передачи данных в 10 Гбит в секунду с помощью новой технологии "li-fi" - беспроводной связи посредством света.
Исследователи использовали микросветодиодную лампу, передавая по 3,5 Гбита информации в секунду через каждый из трех "основных" цветов - красный, зеленый и синий, - которые вместе составляют обычный "белый" свет.
Это означает, что, сложив каналы, можно передавать данные с общей скоростью в 10 Гбит в секунду.
"Li-fi" - это новая технология (аббревиатура в названии составлена, по аналогии с широко известными Hi-fi и Wi-fi, из английских слов "light" - "свет" и "fidelity" - "точность"), обещающая надежный и дешевый способ подключения к интернету практически из любого места с помощью специальных светодиодов.
Высокая скорость
Проект изучения передачи данных с помощью так называемого ультрапараллельного видимого света был инициирован университетами Эдинбурга, Оксфорда и Кэмбриджа и финансируется британским Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук.
Крошечные микросветодиоды, разработанные в Университете Стратклайд в Глазго, испускают параллельные потоки света, умножая таким образом количество данных, которое может быть передано за единицу времени.
"Представьте себе головку душа, которая направляет воду строго параллельными струями, - а мы таким же образом заставили вести себя свет", - объясняет профессор Харальд Хаас, специалист по оптической беспроводной передаче данных университета Эдинбурга и один из инициаторов проекта.
Image caption Профессор Харальд Хаас занимается разработкой новой технологии уже десять летМетод цифровой модуляции, называемый ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), позволил ученым использовать микросветодиоды для передачи миллионов пучков света разной интенсивности в секунду. Говоря проще, лампы включаются и выключаются - но с бешеной скоростью.
Из этих включений-выключений складываются огромные массивы бинарных данных, цепочки единиц и нулей, передаваемые с высокой скоростью.
Ранее в этом году немецкие ученые из Фраунгоферовского института Генриха Герца заявляли, что в лабораторных условиях способны достичь скорости передачи данных с помощью светодиодов в 1 Гбит в секунду.
В октябре китайские исследователи сообщили, что построили светодиод на микрочипе со скоростью в 150 Мбит в секунду, обеспечивающий подключение к интернету сразу четырем компьютерам.
"Световое качество"
Профессор Харальд Хаас занимается разработкой "li-fi" уже десять лет. Научным языком эта технология называется "передачей данных видимым светом", или сокращенно VLC ("visual light communication").
В 2011 году Хаас продемонстрировал, что светодиодная лампа, оснащенная технологией обработки сигнала, может передавать на компьютер видеоизображение высокой четкости ("high-definition").
Он же и придумал более звучное название для технологии VLC - "light fidelity" или просто "li-fi".
"Li-fi" обещает стать более дешевым и энергоэффективным методом передачи данных, чем существующие беспроводные радиосистемы, учитывая доступность и повсеместное распространение светодиодов.
Видимый свет - часть электромагнитного спектра, в 10 тысяч раз более широкая, чем спектр радиоизлучения. Потенциально свет может обеспечить практически неограниченную широту канала передачи данных.
По мнению профессора Хааса, еще одно преимущество новой технологии заключается в том, что при равномерном распределении светодиодных передатчиков можно достичь гораздо более точного и стабильного подключения к интернету внутри зданий.
Недостатком традиционных wi-fi-роутеров всегда было то, что сигнал слабеет по мере удаления от передатчика, и в домах и офисах появляются зоны, где связь слабая настолько, что подсоединение к интернету становится нестабильным или вовсе прерывается.
Кроме того, видимый свет не проходит сквозь стены, поэтому технология VLC потенциально более надежна, чем традиционный wi-fi, с точки зрения сохранения конфиденциальности передачи данных, подчеркивает профессор Хаас.
Начиная с 2011 года, Харальд Хаас, специалист по оптической беспроводной передаче данных, профессор Эдинбургского университета (Эдинбург, Великобритания), всерьез занимался продвижением принципиально новой технологии беспроводной передачи данных посредством мигающего светодиодного света. Тогда большинство университетских профессоров решили, что идея, конечно, интересная, но вряд ли реализуема. И вот, четыре года спустя, Хаас все же создал первый роутер, работающий согласно его концепции.
Технология получила название Li-Fi (light" - "свет","fidelity" - "точность"). Новый роутер показал настолько поразительные характеристики, что превзошел по скорости Wi-Fi в 100 раз, достигнув в лабораторных условиях рекордной скорости передачи данных в 224 Гб/с. Испытания в лаборатории проводила эстонская компания Velmenni. Хаас даже снабдил свой первый роутер , чтобы сделать доступ в сеть автономным, и на данный момент роутер поддерживает устойчиво скорость в 10Гбит/с посредством чуть заметного мерцания светодиодов.
Для того, чтобы начать поставлять на европейский рынок первые серийные системы уже с декабря 2016 года, изобретатель Li-Fi, Харальд Хаас, объединил свою компанию pureLiFi с компанией Lucibel, чтобы совместно развивать и более эффективно продвигать новшество ближе к рядовому потребителю, дабы в конце концов сделать Li-Fi основным способом доступа пользователей в сеть.
Суть технологии заключается в следующем. Три цветовых канала миниатюрной светодиодной лампы, красный, зеленый и синий, передают параллельно по 3,5 гигабита данных в секунду, в итоге удается получить 10 гигибит в секунду. Включение и выключение света происходит при этом с бешеной скоростью, порождая огромные массивы бинарных данных.
Это так называемая цифровая модуляция с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), позволяющая передавать миллионы пучков света разной интенсивности в секунду.
Профессор Хаас иллюстрирует это примером с лейкой душа, которая выпускает строго параллельные струи воды, вот и свет в системе Li-Fi ведет себя аналогичным образом.
Между тем, китайские и немецкие исследователи тоже проявили интерес к изучению данной технологии. Еще в 2011 году немцам удалось получить передачу данных с рекордной скоростью в 800 Мбит/с на расстояние 1,8 метров, а китайцы, используя лишь 1 ваттный светодиод, подключили четыре компьютера к интернету на скорости 150 Мбит/с.
Профессор Хаас подчеркивает, что технология на основе световых волн более надежна в плане защищенности, чем Wi-Fi. Известно, что сеть Wi-Fi можно взломать извне, и перехватить файлы, ведь радиоволны проходят сквозь стены за пределы помещения.
В то же время, траффик Li-Fi теоретически можно будет перехватить только находясь в том же помещении, где расположены передатчик с приемником, ведь свет не проникает сквозь стены. Таким образом, злоумышленникам ставится надежный заслон, они не смогут ничего взломать или перехватить ни с улицы, ни даже из соседней комнаты. Но прежде всего, преимущество Li-Fi в высокой скорости и низком энергопотреблении (КПД же обычных роутеров в лучшем случае достигает 5%).
Перспективы у технологии однозначно есть. Волны видимого света имеют очень широкий диапазон частот, он на четыре порядка шире, чем у радиоволн. Нет риска, что сети окажутся перегруженными, как с Wi-Fi, не потеряется ни скорость, ни производительность сетей.
Светодиоды всюду распространены — инфраструктура практически уже создана, и к тому же, светодиоды смогут выполнять двойную функцию — передатчик данных и источник света одновременно. Однако остается вопрос, насколько корректно система сможет работать в освещенном помещении или в условиях яркого солнечного света?
Разработчики, тем не менее, возлагают большие надежды именно на VLC ("visual light communication") - на передачу данных видимым светом, именно так называется технология Li-Fi на научном языке.
Высокая скорость Li-Fi уже позволяет успешно передавать видео в HD-качестве, при этом сохраняя высокую энергоэффективность системы. Еще одно преимущество перед Wi-Fi — точность и стабильность соединений с интернетом внутри зданий. Благодаря равномерному распределению светодиодных передатчиков, по сути решается проблема зон слабого и прерывистого приема.
Андрей Повный
Изображение: Ким Паулин
В условиях плотных городских застроек диапазон, в котором передаются сигналы Wi-Fi, все чаще переполнен помехами в основном от других аналогичных устройств. Более того, физика электромагнитных волн устанавливает верхний предел пропускной способности традиционных Wi-Fi. Короче говоря, на заданной частоте можно передавать лишь определенное количество данных. Чем ниже частота волны, тем меньше данных она может передать.
Ближайшая лампочка передает сигнал в 10 раз быстрее, чем Wi-Fi
Но что, если бы вы могли передавать информацию, используя волны гораздо более высокой частоты, не прибегая к регулятору телекоммуникационного лицензирования в своей стране? Свет, как и радио, представляет собой электромагнитную волну, но она имеет примерно в 100 000 раз большую частоту, чем Wi-Fi сигнал. И никому не нужна лицензия на лампочку. Вам лишь необходимо, чтобы она очень быстро и точно мерцала для передачи сигнала.
Конечно, никому не понравится идея сидеть под мерцающей лампой. Но Li-Fi стандарт, предложенный всего два года назад, стремительно преобразился с технологической точки зрения.
Во-первых, данные передаются на светодиодные лампочки – это может быть та лампа, которая освещает помещение, в котором вы сейчас находитесь. Она очень быстро мигает со скоростью до миллиардов раз в секунду. Это мерцание настолько быстро, что человеческий глаз не может его воспринять. (Для сравнения, средняя энергосберегающая компактная люминесцентная лампа мерцает от 10 000 до 40 000 раз в секунду). Приемник на компьютере или мобильном устройстве, на который попадает видимый свет, декодирует это мерцание в данные. Светодиодные лампы достаточно быстро передают сигналы. Они делают это в 10 раз быстрее, чем самая высокоскоростная Wi-Fi сеть.
Ограничения интернета через «Лай Фай» (Li-Fi)
Li-Fi имеет один большой недостаток по сравнению с Wi-Fi: вы, вернее ваше устройство, должно быть в пределах видимости лампочки. При этом нет потребности в специальных лампах, в принципе, к Интернету может быть подключена обычная лапма у вас на работе или дома. Но это будет означать, что, в отличие от Wi-Fi, вы не можете пойти в соседнюю комнату, если в ней нет лампочки с установленным подключением.
Тем не менее, новое поколение ультра-быстрых Wi-Fi-устройств, которые мы, вероятно, начнем использовать в скором времени, столкнутся с явными ограничениями. Они используют более широкий диапазон радиочастот, который не настолько переполнен другими сигналами (по крайней мере, на данный момент) и имеют более высокую пропускную способность. Но, как и видимый свет, они не могут проникать сквозь стены.
С Li-Fi технологией экспериментировали инженеры компании Oledcomm. Команда университета Фудань представила экспериментальную Li-Fi сеть, в которой четыре компьютера были подключены к одной и той же лампочке. Другие исследователи работают над передачей данных через светодиоды различных цветов. Например, представьте себе передачу различных сигналов через каждый из красных, зеленых и синих светодиодов внутри разноцветных светодиодных лампочек.
Из-за своих ограничений Li-Fi не заменит все другие беспроводные сети. Но эта технология может дополнить их в густонаселенных районах и заменить в тех местах, где радиосигналы должны быть сведены к минимуму, например, в больницах. Или там, где они не работают, к примеру, под водой.
Все мы используем Wi-Fi в разных вариациях, чтобы иметь доступ к интернету дома, на работе или в таких местах, как отель, автобус, аэропорт или высокоскоростной поезд. Только в тех случаях, когда отсутствует беспроводная связь, мы пользуемся кабельным подключением или мобильными сетями (GSM/UMTS/LTE). В основном, Wi-Fi столь популярен по той причине, что он бесплатен, или же потому, что при фиксированной ставке он предоставляет безлимитный доступ.
Осталось совсем немного времени до того момента, когда мы начнем использовать другую технологию, которая сейчас находится только лишь на экспериментальном этапе разработки: мы говорим о технологии Li-Fi (Light Fidelity). В основе этой технологии лежит использование света, который передает информацию при помощи светодиодов (LED), мерцающих с разницей в пару наносекунд, что делает этот процесс невозможным для восприятия человеческим глазом.
Что же такое Li-Fi?
Эта технология очень похожа на Wi-Fi, но передача данных происходит не посредством радиоволн (микроволны на частоте 2.4 ГГц или 5 ГГц), а при помощи видимого света (часть электромагнитного спектра, который мы можем видеть – набор волновых длин, известных в качестве видимых, чья частота значительно превышает частоту радиоволн), что ограничивает их радиус действия. Эта технология использует обладающие долгим сроком службы и низким энергопотреблением светодиодные лампы, их яркость модулируется подключенным к интеренету роутером. Этот процесс происходит незаметно для человеческих глаз, но не для тех устройств, которые включены в систему подходящего фотодиодного ресивера (светочувствительной панели). Вне лабораторий и экспериментальной среды с помощью этой технологии была достигнута скорость в 1 Гбит/сек и более, что в 100 раз быстрее, нежели скорость большинства домашних Wi-Fi сетей.
Технология «связь по видимому свету» подразумевает использование любой части электромагнитного светового спектра для передачи информации. В 2010 г. физик Харальд Хаас, преподающий в университете Эдинбурга в Великобритании, основал проект «D-Light», а к концу 2011 г. многочисленные группы и компании образовали «Li-Fi консорциум», главной целью которого является распространение и продвижение этой технологии. Разнообразные производители, такие как Samsung и LG, например, проявили интерес к этой технологии. Скорее всего, Li-Fi не заменит, а лишь дополнит Wi-Fi, так как девайсы с технологией W-Fi распространены повсеместно и их замена будет непрактичной и крайне затратной.
Сама концепция это новой технологии не нова, чего не скажешь о ее применении. На протяжении многих лет светодиоды на основе инфракрасного спектра использовались для всех видов дистанционного управления, начиная ТВ и игрушками и заканчивая гаражными дверями и автомобилями. Новой является возможность передачи на высокой скорости пользовательских данных посредством интернета между разными девайсами, соединенными в одну сеть.
Одними из главных преимуществ, кроме низких затрат на реализацию, является то, что, вполне возможно, эта технология поможет избежать поглощения радиоволн, а также, что на ее использования не требуется лицензия. Видимый свет не вступает в противоречие с другими частотами, поэтому его можно будет использовать в общественных местах, на борту самолета или в качестве коммунальной услуги в системе «умного города». Будучи размещенным в уличных фонарях или светофорах, Li-Fi не только значительно облегчит пользование информационными сетями для индивидуальных пользователей, но и улучшит передачу траффика, а также усилит безопасность во время этого процесса. Кроме того, новая технология может стать частью Интернета вещей (IoT), соединив многочисленные устройства без использования радиодиапазона.
Одним из недостатков, который в то же время является и достоинством, выступает тот факт, что, будучи основанным на передаче посредством световых лучей, Li-Fi не передает сигналы через стены, поэтому каждая комната должна быть обладать соединением. Чтобы провести Li-Fi-сеть через весь дом, необходимо создать что-то наподобие домашней сети, но это не такая уж и большая проблема. Но в таком случае будет крайне тяжело защититься от хакеров и повысить безопасность соединения. Кроме того, эта технология вряд ли будет работать надлежащим образом как под ярким солнечным светом, так и в темноте, так что придется прилагать усилия, чтобы поддерживать соответствующие условия, что может быть вредным для здоровья.
Один из главных недостатков на сегодняшний день – это возможность только лишь скачивать информацию из интернета на высоких скоростях, но не загружать ее в сеть. Но рано или поздно и эта проблема будет решена. Люди пресыщены микроволновым диапазоном, и Li-Fi был придуман для того, чтобы остановить экспансию радиоспектра.
Перевод из журнала "Telephone communication"