Li-Fi – передача данных при помощи светодиодов видимого света

Современные технологии беспроводного соединения стремительно развиваются, и Wi-Fi уже стал неотъемлемой частью нашей жизни. Однако на смену радиоволновой передаче данных приходит Li-Fi - инновационная технология, которая использует видимый свет для передачи информации. Благодаря своей экологичности, безопасности и впечатляющей скорости, световой интернет имеет потенциал стать основой для создания новых индустрий и изменить подход к беспроводным коммуникациям в мире. Ожидается, если такая методика приведет к созданию новых возможностей в сфере «умных» домов, промышленности и интернета вещей.

Li-Fi (Light Fidelity) - революционная технология беспроводной передачи информации, которая использует видимый свет вместо радиоволн. В основе работы оптической сети лежит принцип быстрого изменения интенсивности светодиодного света (LED), которая кодируется в двоичный код и считывается специальными приемниками. Благодаря этой методике можно достигать скорости передачи сведений, которая в 100 раз превышает возможности Wi-Fi.
Основоположником разработки является немецкий физик Гаральд Гаас, который в 2011 году впервые продемонстрировал возможность предоставления сведений с помощью LED-лампы. В лабораторных условиях скорость передачи достигла 224 Гбит/с, а это значительно превышает возможности современных широкополосных сетей.
Сегодня светодиодная сеть находится на стадии развития, но интерес к ней стремительно растет. Компании готовятся к инвестированию в эту инновацию, ожидая ее широкое внедрение в ближайшие годы. Потенциал системы трансляции через освещение настолько велик, что она может заменить беспроводной интернет во многих сферах, в частности в офисах, домах, общественных местах и даже в транспорте, где радиоволны могут быть ограничены или запрещены.

Технология LiFi имеет значительные преимущества в скорости трансляции, безопасности и отсутствии помех в сети. Она может быть эффективной в специализированных условиях, в частности офисы, больницы или самолеты, где радиоволны ограничены или запрещены. В то же время радиосеть остается универсальным решением с широким покрытием и доступностью для большинства устройств. Инвестиции в развитие оптической связи растут, и в будущем эта техника может стать значительным дополнением или альтернативой беспроводного интернета в определенных отраслях.

Критерий	Li-Fi	Wi-Fi
Тип сигнала	Видимый свет	Радиоволны
Радиоволны	До 224 Гбит/с (в лабораторных условиях)	До 1-10 Гбит/с (в зависимости от стандарта)
Пропускная способность	Выше благодаря использованию светового спектра	Ограничена частотным диапазоном радиоволн
Радиус действия	Ограничен зоной действия света (до 10 м)	До 50-100 м (может проходить через стены)
Проницаемость через препятствия	Не проходит через стены	Проходит через стены и другие препятствия
Информационная безопасность	Высокая - сигнал ограничен пределами помещения	Низкая - сигнал можно перехватить вне зоны действия
Помехи	Отсутствуют, поскольку каждое устройство работает автономно	Возможны помехи от других беспроводных сетей
Энергоэффективность	Возможность совмещения освещения и передачи данных	Высокое энергопотребление из-за радиомодулей
Стабильность работы	Зависит от интенсивности освещения	Стабильная при нормальном уровне сигнала
Применение	Офисы, больницы, самолеты, места с ограничением использования радиоволн	Жилые помещения, офисы, общественные места
Совместимость с существующими устройствами	Необходимо специальное оборудование (приемники LiFi)	Совместим с большинством современных устройств
Перспективы развития	Использование в офисах, самолетах, больницах и других специальных условиях	Универсальный стандарт для широкого использования
Коммерческое внедрение	На стадии активного развития	Широко используется во всем мире

Технология светового интернета, которая использует освещение для трансляции параметров, изначально вызывала скептицизм по поводу своей практичности, хотя её потенциал был очевиден. Первый прототип, разработанный профессором Хаасом, превысил скорость WiFi в 100 раз, достигнув 224 Гбит/с. Среди основных преимуществ оптической сети - высокая скорость обмена и стабильность соединения даже при большом количестве подключенных устройств, а также повышенная безопасность, поскольку обмен осуществляется только внутри помещения, что делает перехват информации невозможным.
Одной из ключевых особенностей оптической сети является энергоэффективность. Использование полупроводников для объединения освещения и отправки параметров значительно снижает энергопотребление по сравнению с беспроводным соединением. Ранее существовали опасения по поводу возможного стробоскопического эффекта, но частота переключения светодиодов настолько высока, что человеческий глаз не способен его зафиксировать.
В 2016 году компания pureLiFi объединилась с Lucibel для массового производства устройств, поддерживающих оптическую связь. Процесс включает три основных компонента: источник света, маршрутизатор и приемник импульса. Это позволяет создавать светильники, способные передавать параметры со скоростью до 3,5 Гбит/с через три цветовых канала.
Фотоонная связь имеет большой потенциал для применения в различных сферах, включая умное освещение в «умных» домах, безопасную связь на стратегических объектах и усовершенствование навигационных систем. Ожидается, что в ближайшие пять лет методика станет широко распространённой благодаря росту спроса на энергоэффективные решения и наличию необходимой инфраструктуры для ее внедрения.

В настоящее время маловероятно, что Li-Fi вытеснит радиосвет в ближайшем будущем. По прогнозам разработчиков, процесс световой трансляции данных станет доступным на массовом рынке лишь через 3-4 года. Вероятно, светодиодные маршрутизаторы светового интернета будут использоваться параллельно с беспроводным интернетом, поскольку разработка световой отправки параметров все еще сталкивается с определенными трудностями.
Одной из основных проблем является ограниченное применение осветительного онлайн-пространства в открытых областях, что требует поддержки беспроводного интернета. Даже если в будущем каждая лампочка сможет передавать сведения, это пока кажется маловероятным. Наиболее реалистичный вариант - комбинация фотонного интернета и WiFi для достижения наилучших результатов.

Схема работы светодиодной сети основывается на задействовании светодиодной лампы, которая одновременно освещает помещение и передает сведение посредством изменения интенсивности лучей. Модулирующий контроллер кодирует двоичные сведения (0 и 1) путем быстрого включения и выключения света, что остается незаметным для человеческого глаза. Фотодиод принимает эти импульсы и преобразует их в электрический знак, который декодируется в цифровые метаданные.

Принцип работы Li-Fi состоит из трёх основных этапов:

1. Модуляция сигнала - светодиод быстро включается и выключается, формируя двоичные "1" и "0" для отправки информации.
2. Передача данных - благодаря сверхбыстрому переключению (менее 1 микросекунды) передача данных может достигать скорости более 3 Гбит/с от одного источника света.
3. Прием сигнала - фотодиод принимает осветительные импульсы и преобразует их в цифровые показатели для дальнейшей обработки.
4. Такая схема работы обеспечивает быструю, безопасную и энергоэффективную отправку импульса показателей, что открывает возможности для применения разработки светодиодной связи в системах «умного дома», офисах, общественных помещениях и других средах с высокими требованиями к безопасности и скорости обмена информации.

Подключение устройств к соединению светодиодной связи осуществляется с помощью светодиодных передатчиков и фотодиодных приемников, которые обеспечивают двустороннюю отправку показателей. Суть модуляции импульса заключается в манипуляции интенсивностью излучения, что содействует кодировать двоичные показатели (0 и 1) путем быстрого включения и выключения светодиодов. 

Для повышения эффективности трансляции показателей применяются различные методы модуляции, среди которых:

Для достижения скорости отправки более 3 Гбит/с применяются методы многонесущей модуляции (MCM), среди которых наиболее распространено ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM). Эта методика позволяет передавать параллельные потоки информации через несколько ортогональных частот, что повышает скорость и надежность связи.
Благодаря методикам SDMA (разделение доступа по пространственным областям) и OFDMA (разделение доступа по ортогональным частотам) платформа LiFi обеспечивает одновременный доступ для нескольких пользователей. Потребление многоцветных светодиодов (RGB) способствует применять модуляцию со сменой цвета (Color Shift Keying, CSK), что обеспечивает стабильный уровень светового потока и повышает надежность светодиодов.
Инновационные возможности оптической сети гарантируют быстрое, безопасное и энергоэффективное подключение устройств в закрытых помещениях, таких как офисы, больницы и самолеты.

Неортогональный множественный доступ (NOMA) - перспективная инновация для повышения пропускной способности соединений LiFi и беспроводных сетей 5G. В отличие от традиционного ортогонального доступа (OFDMA), NOMA позволяет одновременно обслуживать больше пользователей за счет совместного использования частотных ресурсов, что делает методику более эффективной в условиях с большим количеством подключенных устройств. В системах пересылки через освещение NOMA используется для отправки показателей нескольким пользователям через один светодиод, работающий в широковещательном режиме.

Принцип работы NOMA:

1. Мультиплексирование сигналов в домене мощности. Передатчик, использующий светодиод, генерирует суперпозицию каналов для нескольких пользователей. Каждый импульс умножается на весовой коэффициент, который определяется силой радиосигнала, полученного приемником. Это дает возможность одновременно передавать несколько потоков с разными уровнями мощности через один канал связи.
2. Формирование и передача информации. Суперпозиция систем доставляется через один канал контакта ко всем пользователям, находящимся в зоне покрытия. Все пользователи получают комбинированный сигнал, состоящий из нескольких наложенных потоков с разными уровнями мощности. Это повышает эффективность эксплуатации доступного канала.
3. Прием и обработка сигнала. Приемник использует метод последовательного устранения помех (Successive Interference Cancellation, SIC). Потоки обрабатываются в порядке уменьшения отношения импульс/шум (SINR). Сначала выделяются более сильные потоки, поскольку их сила дает возможность легко распознать их среди всей суперпозиции потоков. Это разрешает максимально эффективно использовать ресурс канала для каждого пользователя.
4. Выделение и обработка более слабых сигналов. После того, как более сильные потоки выделяются, они "удаляются" из общего импульса. Оставшийся поток, имеющий более низкий уровень мощности, обрабатывается дальше как новый полезный поток. Сначала слабые импульсы трактуются как шум, но после удаления более сильных их можно корректно декодировать, обеспечивая эффективный обмен информацией.
5. Повышение эффективности и масштабируемости сети. NOMA способствует одновременно обслуживать больше пользователей с помощью одного передатчика (светодиода). В сочетании с методикой SDMA (пространственное разделение доступа) эффективность сети возрастает за счет пространственного разделения пользователей. Такой подход значительно увеличивает пропускную способность платформы и позволяет подключать большее количество устройств в пределах одной зоны покрытия.
6. Технология NOMA имеет огромный потенциал для увеличения пропускной способности и масштабируемости платформ LiFi и 5G. Ее применение обеспечивает более эффективное задействование ресурсов канала контакта и содействует увеличить количество одновременно подключенных устройств.

Почему LiFi потерпел неудачу?

Несмотря на многочисленные преимущества технологии Li-Fi, ее внедрение и реализация столкнулись с серьезными трудностями. Одной из основных проблем является то, что свет не может проходить через физические препятствия, такие как стены или другие объекты. Это существенно ограничивает зону покрытия и возможности использования системы трансляции данных через свет в больших помещениях или на открытых территориях.
Кроме того, на работу оптической сети могут влиять внешние источники света, такие как солнечное излучение или обычное освещение, что снижает надежность и стабильность соединения. Непрозрачные предметы, которые блокируют прямое прохождение света, также негативно сказываются на качестве связи.

Из-за этих ограничений световая система передачи данных оказалась менее пригодной для массового использования по сравнению с Wi-Fi. Она может служить лишь дополнением к традиционным технологиям беспроводной связи, обеспечивая высокоскоростную трансляцию данных в условиях, где беспроводная сеть недостаточно эффективна.