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.

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

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.

Метод 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.

Li-Fi - новая технология передачи данных, которая коренным образом изменит бизнес в будущем, создаёт возможности, созревшие для использования уже сегодня, и готовится стать многомиллиардной индустрией к 2022 году. В настоящее время ведутся разработки по достижению скорости 1Гбит/с, которая позволит превзойти показатели сверхбыстрого широкополосного доступа.

Информационный свет

Термин Li-Fi был придуман профессором Харальдом Хаасом и обозначает способ трансляции информации с помощью света, который обеспечивает высокоскоростную двунаправленную мобильную связь, подобную Wi-Fi. Может применяться как для разгрузки существующих сетей, работающих на радиочастотах, так и для увеличения их пропускной способности.

Для сверхбыстрой связи используется видимая часть электромагнитного спектра. Это отличает данную технологию от такой устоявшейся формы беспроводной коммуникации, как Wi-Fi, в которой задействованы традиционные частоты.

В Li-Fi данные передаются модуляцией принимаются фотоприёмником, и сигнал преобразуется в электрический. Модуляция производится таким образом, что человеческий глаз её не воспринимает.

Технология высокоскоростной оптической связи Li-Fi относится к категории беспроводной коммуникаций, которая, кроме видимого света, включает инфракрасный и ультрафиолетовый. Её уникальность заключается в использовании существующих сетей освещения.

Li Fi - сверхбыстрый интернет на светодиодах

Когда постоянный ток подаётся на LED-лампу, она испускает стабильный поток фотонов видимого света. При уменьшении или увеличении тока яркость свечения тоже изменяется. Поскольку LED-лампы являются полупроводниковыми приборами, ток и, следовательно, оптический выход можно модулировать с очень высокой скоростью. Он может быть принят фотоэлементом и преобразован обратно в электрический ток. Модуляция яркости незаметна для человеческого глаза и так же удобна, как и радио. При использовании этой техники светодиодная лампа способна передавать информацию с высокой скоростью.

Радиочастотная связь требует наличия электрической схемы, антенн и сложных приёмников, в то время как Li-Fi-технология гораздо проще. В ней применяются прямые методы модуляции, подобные тем, которые задействованы в недорогих инфракрасных коммуникационных устройствах - пультах дистанционного управления. Применение инфракрасной связи ограничено в силу требований санитарных норм безопасности глаз, в то время как LED-лампы обладают высокой интенсивностью свечения и демонстрируют значительную скорость работы.

Свет или радио?

Li-Fi может превратить лампу в беспроводную точку доступа по аналогии с маршрутизатором Wi-Fi.

В традиционной связи используются радиочастоты, но их число весьма ограничено. Устройства - компьютеры, ноутбуки, принтеры, смарт-телевизоры, смартфоны и планшеты - должны конкурировать за Появление всё большего числа вещей, использующих Wi-Fi, например, холодильников, часов, фотоаппаратов, сотовых телефонов, является причиной задержек и снижения скорости передачи данных. Li-Fi-технология использует частоты световых волн, которых в 10 000 раз больше, чем радиочастот.

Радиоволны создают электромагнитные помехи, которые мешают работе приборов и оборудования самолетов, больниц и потенциально опасны на таких производствах, как ядерная энергетика, Li-Fi использует свет, искробезопасный и не создающий электромагнитных помех.

Радиоволны проходят сквозь стены и потолки. Свет этого не делает. В этом и состоит разница в защите данных между Wi-Fi и Li-Fi. Хакер, находящийся вне здания, способен подключиться к радиосети внутри него. Данные, передаваемые по Li-Fi, доступны только там, куда светит лампа.

Стандарт Wi-Fi 802.11a/g обеспечивает скорость передачи до 54 Мбит/с, и это значение можно увеличить до 1 Гбит/с. В университете Эдинбурга уже достигли 3 Гбит/с в монохромном режиме. Один полноцветный RGB-светодиод может передавать до 9 Гбит/с.

Интернет из лампочки Li-Fi

Развитию данной технологии способствовал резкий рост использования светодиодов в целях освещения.

Li-Fi как нельзя лучше подходит для загрузки видео и аудио, прямых трансляций и т. д. Эти задачи предъявляют высокие требования к пропускной способности входных каналов, но требуют минимальной мощности исходящих. Таким образом, освобождается большая часть интернет-трафика существующих радиочастотных каналов, расширяя возможности сотовой связи и Wi-Fi.

Световой интернет Li-Fi находит применение во множестве областей:

• Освобождение радиочастот: пиковые нагрузки сотовых сетей можно переложить на Li-Fi. Это особенно эффективно на входных коммуникационных каналах, где узкие места возникают наиболее часто.
• Смарт-освещение: любое частное или публичное освещение, включая уличные фонари, может быть использовано в качестве точек доступа Li-Fi, с одной и той же инфраструктурой средств связи и датчиков.
• Мобильные подключения: ноутбуки, смартфоны, планшеты и другие мобильные устройства могут непосредственно соединяться с помощью Li-Fi. Небольшое расстояние обеспечивает отличную и защищённую коммуникацию.
• Опасное производство: Li-Fi-технология составляет безопасную альтернативу электромагнитным помехам от радиочастотной связи на таких объектах, как шахты и ​​нефтехимические предприятия.
• Медицина и охрана здоровья: свет не создаёт электромагнитные помехи и поэтому не мешает медицинскому оборудованию, а также не подвержен действию МРТ-сканеров.
• Авиация: Li-Fi может быть использован для снижения веса, уменьшения длины проводки и увеличения гибкости в размещении оборудования сидений пассажирского салона, где LED-светильники уже установлены. Система развлечений на борту способна поддерживаться и взаимодействовать с мобильными устройствами пассажиров.
• Коммуникация под водой: из-за сильного поглощения сигнала использование радиочастот в воде является нецелесообразным. Акустические волны имеют очень низкую пропускную способность и тревожат морских животных. Li-Fi-технология обеспечивает решение для связи малого радиуса действия.
• Транспортные средства и транспорт: уже производятся фары, уличные светильники, вывески и светофоры, в которых используются LED-лампы. Благодаря этому становится возможной коммуникация между автомобилями и дорожной инфраструктурой в системах обеспечения безопасности и управления дорожным движением.
• Высокоточные, локальные информационные службы, такие как реклама и навигация, которые позволяют получать информацию, связанную с конкретным местом и временем.
• Игрушки: светодиоды применяются во многих игрушках, что может быть использовано для недорогой связи между интерактивными игрушками.

Прототип для разработчиков

Li-1st позволяет клиентам быстро разрабатывать и тестировать приложения Li-Fi. Устройство поддерживает полную с пропускной способностью 11,5 Мбит/с на расстоянии до 3 м, одновременно обеспечивая достаточное освещение на рабочем столе. Рабочая дистанция зависит только от силы источника света. Устройство предлагает простое безопасное беспроводное подключение к сети, сочетающееся с LED-лампами.

Li-1st создавался как база для пилотных проектов разработчиков Li-Fi.

Первый коммерческий продукт

Li-Flame был публично продемонстрирован на выставке Mobile World Congress в Барселоне в марте 2016 г. Устройство представляет следующее поколение первой в мире высокоскоростной беспроводной сети на основе видимого света. Технология Li-Flame поддерживает значительно большую плотность данных, чем лучшие решения Wi-Fi, а присущая ей защищённость устранит нежелательное проникновение извне. Кроме того, совмещение освещения с беспроводной коммуникацией ощутимо упрощает инфраструктуру и снижает энергопотребление.

Li-Flame обеспечивает:

• полудуплексную связь 10 Мбит/с на дистанции до 3 м со стандартными светильниками;
• полную мобильность (портативный настольный блок с автономным питанием) с высокой скоростью передачи данных благодаря плотной установке точек доступа Li-Fi;
• безопасную беспроводную связь в пределах помещения, что исключает риск утечки сигнала;
• многопользовательские точки доступа, обеспечивающие большую пропускную способность для каждого пользователя;
• безопасную беспроводную коммуникацию в средах, где радиочастоты нежелательны или недоступны;
• гибкость при проектировании коммуникационных сетей;
• расширение спектра приложений беспроводной связи;
• экономию на осветительном и телекоммуникационном оборудовании по причине использования единой инфраструктуры.

Потолочный блок:

• Данные и питание поступают через стандартный Ethernet-порт.
• Простая установка.
• Подключается к LED-светильнику, образуя атто-соты.
• Множественный доступ.
• Плавный переход между точками доступа.

Настольная часть:

• Подключение к устройству клиента через USB-порт.
• 10 Мбит/с инфракрасная восходящая линия к потолочной части.
• Поворотная головка приёмопередатчика может регулироваться пользователем.
• Питание от батареи и портативность.

Самая быстрая, самая маленькая и самая защищённая

LiFi-X является развитием системы Li-Flame. Позволяет развернуть полноценную сеть и, в отличие от существующих продуктов, поддерживает множественный доступ, роуминг, полную мобильность, к тому же проста в использовании. От предыдущей версии отличается полной дуплексной связью на скорости 40 Мбит/с как в исходящем, так и во входном направлении, и полной мобильностью, обеспечиваемой портативной USB-станцией.

Точка доступа LiFi-X:

• Поддержка питания через PoE или PLC.
• Простая установка.
• Подключение к LED-светильникам для формирования атто-соты.
• Множественный доступ.
• Плавное переключение между точками доступа.

Станция LiFi-X:

• USB 2.0.

Литература

Книги по технологии Li-Fi, несмотря на её новизну, уже не редкость, правда, в большинстве своем они не переведены на русский язык. Вот только некоторые из них:

• Arnon, Shlomi. Visible light communication. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press, 2015. Print.
• Dimitrov, Svilen, and Harald Haas. Principles of LED light communications: towards networked Li-Fi. Cambridge: Cambridge University Press, 2015. Print.
• Ghassemlooy, Zabih, W Popoola, and S Rajbhandari. Optical wireless communications system and channel modelling with MATLAB. Boca Raton, FL: CRC Press, 2013. Print.

Книги доступны в интернет-магазине Amazon.