Li-Fi - передача даних за допомогою світлодіодів видимого світла

Сучасні технології бездротового з’єднання стрімко розвиваються, і Wi-Fi вже став невід’ємною частиною нашого життя. Однак на зміну радіохвильовій передачі даних приходить Li-Fi - інноваційна технологія, яка використовує видиме світло для передачі інформації. Завдяки своїй екологічності, безпеці та вражаючій швидкості, світловий інтернет має потенціал стати основою для створення нових індустрій і змінити підхід до бездротових комунікацій у світі. Очікується, якщо така технологія призведе до створення нових можливостей у сфері "розумних" домів, промисловості та інтернету речей.

Li-Fi (Light Fidelity) — революційна технологія бездротової передачі даних, яка використовує видиме світло замість радіохвиль. В основі роботи світловий інтернет лежить принцип швидкої зміни інтенсивності світлодіодного світла (LED), яка кодується у двійковий код та зчитується спеціальними приймачами. Завдяки цій методиці можна досягати швидкості передачі даних, яка у 100 разів перевищує можливості Wi-Fi.

Основоположником технології є німецький фізик Гаральд Гаас, який у 2011 році вперше продемонстрував можливість надання відомостей за допомогою LED-лампи. У лабораторних умовах швидкість передавання досягла 224 Гбіт/с, а це значно перевищує можливості сучасних широкосмугових мереж.

Сьогодні світлодіодна мережа перебуває на стадії розвитку, але інтерес до неї стрімко зростає. Компанії готуються до інвестування у цю інновацію, очікуючи її широке впровадження у найближчі роки. Потенціал системи передачі через світло настільки великий, що вона може замінити бездротовий інтернет у багатьох сферах, зокрема в офісах, будинках, громадських місцях та навіть у транспорті, де радіохвилі можуть бути обмежені або заборонені.

Технологія LiFi має значні переваги у швидкості передачі, безпеці та відсутності перешкод у мережі. Вона може бути ефективною у спеціалізованих умовах, зокрема офіси, лікарні або літаки, де радіохвилі обмежені або заборонені. Водночас бездротова мережа залишається універсальним рішенням із ширшим покриттям та доступністю для більшості пристроїв. Інвестиції у розвиток оптичної мережі зростають, та в майбутньому ця техніка може стати значним доповненням або альтернативою бездротового інтернету у певних галузях.

Критерій	Li-Fi	Wi-Fi
Тип сигналу	Видиме світло	Радіохвилі
Радіохвилі	До 224 Гбіт/с (у лабораторних умовах)	До 1-10 Гбіт/с (залежно від стандарту)
Пропускна здатність	Вища завдяки використанню світлового спектра	Обмежена частотним діапазоном радіохвиль
Радіус дії	Обмежений зоною дії світла (до 10 м)	До 50-100 м (може проходити через стіни)
Проникність через перешкоди	Не проходить через стіни	Проходить через стіни та інші перешкоди
Інформаційна безпека	Висока - сигнал обмежений межами приміщення	Низька - сигнал можна перехопити поза зоною дії
Перешкоди	Відсутні, оскільки кожен пристрій працює автономно	Можливі перешкоди від інших бездротових мереж
Енергоефективність	Можливість поєднання освітлення та передачі даних	Високе енергоспоживання через радіомодулі
Стабільність роботи	Залежить від інтенсивності освітлення	Стабільна при нормальному рівні сигналу
Застосування	Офіси, лікарні, літаки, місця з обмеженням використання радіохвиль	Житлові приміщення, офіси, громадські місця
Сумісність з існуючими пристроями	Необхідне спеціальне обладнання (приймачі LiFi)	Сумісний з більшістю сучасних пристроїв
Перспективи розвитку	Використання в офісах, літаках, лікарнях та інших спеціальних умовах	Універсальний стандарт для широкого використання
Комерційне впровадження	На стадії активного розвитку	Широко використовується у всьому світі

Технологія світлового інтернету, що використовує світло для надання параметрів, спочатку викликала скептицизм щодо своєї практичності, хоча її потенціал був очевидним. Перший прототип, розроблений професором Хаасом, перевищив швидкість WiFi у 100 разів, досягнувши 224 Гбіт/с. Серед основних переваг світлового інтернету - висока швидкість передачі та стабільність з'єднання навіть за великої кількості підключених пристроїв, а також підвищена безпека, оскільки передача відбувається тільки всередині приміщення, адже це унеможливлює перехоплення інформації.
Однією із ключових особливостей світлового інтернету є енергоефективність. Використання напівпровідників для поєднання освітлення та надсилання показників результатів значно знижує енергоспоживання порівняно із Wireless-з’єднанням. Раніше існували побоювання щодо можливого стробоскопічного ефекту, але частота перемикання світлодіодів настільки висока, аж людське око не здатне його зафіксувати.
У 2016 році компанія pureLiFi об'єдналася з Lucibel для масового виробництва пристроїв, що підтримують світловий інтернет. Процес включає три основні компоненти: джерело світла, маршрутизатор і приймач сигналу. Це дозволяє створювати світильники, здатні передавати показники зі швидкістю до 3,5 Гбіт/с через три кольорові канали.
Світловий інтернет має великий потенціал для застосування у різних сферах, зокрема розумне освітлення в смарт-будинках, безпечний зв'язок на стратегічних об'єктах та вдосконалення навігаційних систем. Очікується, що в найближчі п'ять років методика стане широко поширеною завдяки зростанню попиту на енергоефективні рішення та наявності необхідної інфраструктури для її впровадження.

На даний момент малоймовірно, що Li-Fi, витіснить бездротовий інтернет у найближчому майбутньому. Процес світлового надсилання матеріалів, за прогнозами її розробників, стане доступною на масовому ринку лише через 3-4 роки. Ймовірно, світлодіодні маршрутизатори світлового інтернету використовуватимуться паралельно із бездротовим інтернетом, оскільки технологія світлової передачі параметрів все ще стикається із певними труднощами.

Однією з основних проблем є обмежене застосування світлового інтернету на відкритому просторі, що вимагає підтримки бездротового інтернету. Навіть якщо у майбутньому кожна лампочка стане здатною передавати значення, це поки що здається малореальним. Найбільш реалістичний варіант - комбінація світлового інтерсвітлового інтернету та WiFi для досягнення найкращих результатів.

Схема роботи світлодіодного зв’язку базується на використанні світлодіодної лампи, яка одночасно освітлює приміщення та передає матеріали шляхом змін інтенсивності світла. Модулюючий контролер кодує двійкові дані (0 та 1) через швидке вмикання та вимикання світла, що є непомітним для людського ока. Фотодіод приймає ці імпульси та перетворює їх у електричний сигнал, який декодується у цифрові метадані.

Принцип роботи Li-Fi складається із трьох основних етапів:

1. Модуляція сигналу - світлодіод швидко вмикається та вимикається, формуючи двійкові "1" та "0" для передачі інформації.
2. Передача даних - завдяки надшвидкому перемиканню (менше 1 мікросекунди) передача даних може досягати швидкості понад 3 Гбіт/с від одного джерела світла.
3. Прийом сигналу - фотодіод приймає світлові імпульси та перетворює їх у цифрові дані для подальшої обробки.

Така схема роботи забезпечує швидку, безпечну та енергоефективну передачу матеріалів, що відкриває можливості для застосування технології світлодіодного зв’язку у системах "розумного будинку", офісах, громадських приміщеннях та інших середовищах із високими вимогами до безпеки та швидкості надсилання інформації.

Підключення пристроїв до мережі світлодіодного зв’язку здійснюється за допомогою світлодіодних передавачів та фотодіодних приймачів, які забезпечують двосторонню передачу даних. Суть модуляції сигналу полягає в маніпуляції інтенсивністю світла дозволяючи кодувати двійкові дані (0 і 1) шляхом швидкого вмикання та вимикання світлодіодів. 

Для підвищення ефективності надсиланнязастосовуються методи модуляції, зокрема:

1. On-Off Keying (OOK) - найпростіший метод, де signal відбувається шляхом увімкнення і вимкнення освітлення, завдяки чому також можна регулювати яскравість освітлення.
2. Pulse Position Modulation (PPM) - зміна положення імпульсів у часовому інтервалі для підвищення енергоефективності.
3. Pulse-Amplitude Modulation (PAM) - зміна амплітуди імпульсів для надання більшого обсягу інформації.

Для досягнення швидкості трансляції понад 3 Гбіт/с застосовуються методи багатонесучої модуляції (MCM), серед яких найпоширеніше - ортогональне частотне мультиплексування (OFDM). Ця методика дозволяє передавати паралельні потоки інформації через кілька ортогональних частот, який підвищує швидкість та надійність зв’язку.

Завдяки технологіям SDMA (розподіл доступу за просторовими ділянками) та OFDMA (розподіл доступу за ортогональними частотами) мережа Li-Fi забезпечує одночасний доступ для кількох користувачів. Використання багатокольорових світлодіодів (RGB) дозволяє застосовувати модуляцію зі зміною кольору (Color Shift Keying, CSK), котрий забезпечує стабільний рівень світлового потоку та підвищує надійність світлодіодів.
Інноваційні можливості оптичної мережі гарантують швидке, безпечне та енергоефективне під'єднання пристроїв у закритих приміщеннях, зокрема офіси, лікарні та літаки.

Неортогональний множинний доступ (NOMA) є перспективною технологією для підвищення пропускної здатності мереж Li-Fi та бездротових мереж 5G. На відміну від традиційного ортогонального доступу (OFDMA), NOMA дозволяє одночасно обслуговувати більше користувачів за рахунок спільного використання частотних ресурсів, котрий робить методику ефективнішою у середовищах із великою кількістю підключених пристроїв. У системах передачі через світло NOMA використовується для передачі показників кільком користувачам через один світлодіод, котрий працює у широкомовному режимі.

Принцип роботи NOMA:

1. Мультиплексування сигналів у домені потужності. Передавач, який використовує світлодіод, генерує суперпозицію каналів для кількох користувачів. Кожен сигнал множиться на ваговий коефіцієнт, який визначається силою радіосигналу, котрий отримується приймачем. Це дозволяє одночасно передавати кілька потоків із різними рівнями потужності через один канал зв'язку.
2. Формування та передача інформації. Суперпозиція систем передається через один канал зв'язку до всіх користувачів, які знаходяться в зоні покриття. Всі користувачі отримують комбінований обмін, який складається з кількох накладених потоків із різними рівнями потужності. Це дозволяє підвищити ефективність використання доступного каналу.
3. Прийом та обробка сигналу. Приймач використовує метод послідовного усунення перешкод (Successive Interference Cancellation, SIC). Потоки обробляються в порядку зменшення співвідношення сигнал/шум (SINR). Спочатку виділяються сильніші потоки, оскільки їхня сила дозволяє легко розпізнати їх серед усієї суперпозиції потоків. Це дозволяє максимально ефективно використовувати ресурс каналу для кожного користувача.
4. Виділення та обробка слабших сигналів. Після того, як сильніші потоки виділяються, вони "вилучаються" із загального сигналу. Залишковий потік, який має нижчий рівень потужності, обробляється далі як новий корисний потік. Слабші сигнали спочатку трактуються як шум, але після видалення сильніших — їх можна коректно декодувати, забезпечуючи ефективний обмін інформацією.
5. Підвищення ефективності та масштабованості мережі. Дозволяє одночасно обслуговувати більше користувачів за допомогою одного передавача (світлодіода). У поєднанні із технологією SDMA (просторовий поділ доступу) ефективність мережі зростає за рахунок просторового поділу користувачів. Завдяки цьому підходу значно підвищується пропускна здатність мережі, а також збільшується кількість підключених пристроїв в межах однієї зони покриття.

Попри численні переваги технології Li-Fi, вона зазнала значних труднощів у процесі впровадження та реалізації. Однією із основних проблем є те, наскільки світло не може проходити через фізичні перешкоди, такі як стіни чи інші об'єкти. Це значно обмежує область покриття та можливості використання системи надсилання через світло в умовах великих приміщень або на відкритих територіях.
Крім того, на роботу системи оптичної мережі можуть впливати зовнішні джерела світла, такі як сонячне світло або звичайне освітлення, яке призводить до зниження надійності та стабільності з'єднання. Непрозорі предмети, які перешкоджають прямому проходженню світла, також можуть негативно позначатися на якості зв'язку.
Через ці обмеження світлова система трансмісії даних виявилася менш придатною для масового використання, порівняно із Wi-Fi. Вона може служити лише як доповнення до традиційних технологічних рішеньбездротового зв'язку, забезпечуючи високошвидкісне постачання інформації в умовах, де бездротова мережа не є ефективним.