ТЕХНОЛОГИЯ LI-FI КАК АЛЬТЕРНАТИВА WI-FI - Встатье приведена краткая информация
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
№ 1, январь-март 2020
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ТЕХНОЛОГИЯ LI-FI КАК АЛЬТЕРНАТИВА WI-FI
статье приведена краткая информация о
В перспективной технологии беспроводной
связи, обеспечивающей высокую скорость
LI-FI TECHNOLOGY AS AN ALTERNATIVE TO WI-FI
передачи данных, использующей для этого
модуляцию интенсивности светового потока
Аbstract –
he article provides brief information about a promising
T
wireless communication technology that provides high
data transfer rates, using for this modulation of the light flux
светодиодных светильников либо отдельных
intensity of LED lamps or individual LEDs. Examples of possi-
светодиодов. Приведены примеры возмож-
ных применений технологии Li-Fi. ble applications of Li-Fi technology are given.
В. Макаренко V. Makarenko
Учитывая нехватку спектральных ресурсов в тра- ванным программным обеспечением. Как и Wi-Fi,
диционных беспроводных сетях, стало популярным данные, поступающие через интернет-маршрутиза-
создание систем связи в видимом свете (Visible тор, передаются в сигнальный процессор, который
Light Communication – VLC). Они обеспечивают вы- и осуществляет модуляцию света. Фотоприемник
сокую энергоэффективность, широкую полосу про- преобразует световой сигнал в цифровой сигнал
пускания канала связи, высокую безопасность и не данных (рис. 1). Для организация двухсторонней
требуют лицензирования, что позволит им стать связи в системе Li-Fi используется дополнительно
частью будущих беспроводных систем. Однако, инфракрасные светодиод и фотодиод в восходя-
традиционные стратегии построения сетей не все- щем канале. Для организации нескольких незави-
гда применимы к сетям VLC. Поэтому, для таких се- симых нисходящих каналов оптической связи мож-
тей предполагается использовать точки доступа с но использовать светодиоды разного цвета [2]. Тео-
несколькими светодиодами, разработанные для ретически достижимая скорость передачи данных в
гибридных систем связи LiFi-WiFi внутри помеще- системе Li-Fi составляет более 200 Гбит/с.
ний. Это позволит получить значительный выигрыш
в пропускной способности внутренних сетей Wi-Fi с
помощью комбинированных сетей.
Термин Li-Fi (Light Fidelity) был предложен про-
фессором Харальдом Хассом из Эдинбургского
университета. Light Fidelity – беспроводная техноло-
гия связи при помощи видимого света. Как и любая
оптическая беспроводная связь, Li-Fi использует
оптическое излучение для передачи данных, пре-
имущественно в видимом диапазоне спектра [1].
Светодиодные источники света идеальны для реа-
лизации технологии Li-Fi. Ток через светодиоды, ис-
пользуемые для передачи данных в Li-Fi, модулиру-
ется сигналами высокой частоты и поэтому челове-
ческий глаз не замечает изменения яркости свече-
ния светильников в виде мерцаний.
Одно из наиболее существенных преимуществ
технологии Li-Fi заключается в очень высокой про-
пускной способности системы связи, построенной
на ее основе. Это объясняется тем, что спектр види-
мого света на несколько порядков шире радиоча-
стотного спектра.
Рис. 1. Структурная схема системы связи Li-Fi
Система связи Li-Fi может быть реализована с
с двухсторонней передачей данных
помощью светодиодных осветительных приборов
(или отдельных светодиодов), которые нужно до- Использование света для создания высокоско-
полнить сигнальным процессором и специализиро- ростной системы связи открывает доступ к огром-
46 www.ekis.kiev.u
№ 1, январь-март 2020
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ному нелицензированному диапазону частот за та IEEE 802.11bb.
пределами традиционного радиочастотного спек- По прогнозам Cisco, число Интернет вещей (IoT)
тра. Широкое использование систем светодиодно- в 2020 году увеличится до 50 миллиардов подклю-
го освещения позволяет использовать такую систе- ченных устройств. Для обеспечения высокоско-
му связи в любых помещениях со светодиодными ростной связью одновременно большого числа
светильниками пользователей наиболее подходящей технологией
По словам Николая Серафимовски, председате- является связь в видимом диапазоне света. Это
ля IEEE 802.11 Light Communication (LC) Task Group особенно актуально в условиях значительных элек-
(TG), цель Тематической группы состояла в том, что- тромагнитных помех. Такая технология может ис-
бы определить технические и экономические воз- пользоваться в больницах, супермаркетах, бизнес-
можности, при использовании оптического диапа- центрах, пресс-центрах, на нефтехимических заво-
зона для беспроводной связи, и сформировать тех- дах, в самолетах и во многих других случаях. Кроме
нические спецификации [3]. того, Li-Fi также будет использоваться для суще-
Считается, что IEEE 802.11 является лучшим фо- ственного улучшения внутренних беспроводных
румом для продвижения глобальных усилий по коммуникаций в жилых домах.
стандартизации для коммуникаций с производите- У технологии Li-Fi есть и другие преимущества.
лями, операторами и конечными пользователями, Одним из основных является повышенный уровень
возникающими в процессе стандартизации. Про- безопасности, связанный с тем, что свет не прони-
движение этой работы в TG поможет пользователям кает сквозь стены. Еще одним преимуществом яв-
в домашних, корпоративных и промышленных сре- ляется повышение надежности сети. Li-Fi передат-
дах, а также поможет производителям и операто- чики могут быть встроены в каждый светильник в
рам предоставлять общие компоненты и услуги для комнате или в здании, тем самым устраняя узкое
пользователей IEEE 802.11. место структуры сети Wi-Fi. Эти качества делают Li-Fi
Разработка стандарта IEEE 802.11bb позволит особенно привлекательной альтернативой в слу-
заложить основу для внедрения продуктов массо- чаях, когда сигналы Wi-Fi значительно ослабляются,
вого рынка, используя систему светодиодного или там, где использование Wi-Fi не разрешается
освещения, которая имеет глобальное развертыва- (например, на атомных электростанциях), а также
ние и насчитывает миллиарды устройств. там где требуется быстрая и безопасная передача
Хотя в 2011 году опубликована первая версия больших объемов данных (например, в больницах).
стандарта для беспроводных компьютерных сетей, Поскольку Li-Fi приемники реагируют на измене-
использующих видимый свет для передачи данных: ния интенсивности света, то Li-Fi может работать
IEEE 802.15.7-2011 – IEEE Standard for Local and Met- при дневном освещении. При использовании Li-Fi
ropolitan Area Networks – Part 15.7: Short-Range Wire- во внутренних помещениях зданий не требуется
less Optical Communication Using Visible Light [4], он прямой видимости между светильником и приемни-
не обеспечивает высокую скорость передачи дан- ком оптического излучения, так как отраженный от
ных. стен и других поверхностей свет может также вос-
Стандарт IEEE 802.15.7 определяет физический приниматься приемником.
уровень (PHY) и уровень управления доступом к Но, как и в случае с любой технологией у Li-Fi
среде (MAC). Стандарт определяет три физических также есть недостатки, наиболее заметным из кото-
(PHY) уровня с разными пропускными способностя- рых является высокая стоимость внедрения, по
ми: крайней мере, на данный момент времени. Кроме
1. PHY I для наружного применения и обеспечи- того, дальность связи не превышает 10 м, в то вре-
вает скорость передачи данных от 11.67 до мя как для Wi-Fi до 32 м. Помимо этого, технология
267.6 Кбит/сек. Li-Fi не обеспечивает связь в темноте или при отсут-
2. PHY II позволяет достигать скоростей переда- ствии светодиодных светильников.
чи данных от 1.25 до 96 Мбит/с. В последние несколько лет Li-Fi уже использу-
3. PHY III предназначен для множественных ис- ется в ограниченном числе мобильных приложений.
точников с определенным методом модуляции Наиболее известным из них является использова-
Color Shift Keyring (CSK), скорость передачи данных ние Li-Fi в больших торговых центрах с целью уве-
от 12 до 96 Мбит/с. личения продаж путем предоставления купонов или
Поэтому и осуществляется разработка стандар- другой рекламной информации. Связь является од-
email: ekis@vdmais.ua 47
№ 1, январь-март 2020
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
носторонней и требует, чтобы мобильные телефоны
покупателей могли принимать сигналы Li-Fi через
специальное приложение.
Заметным выходом на рынок Li-Fi является не-
давно анонсированный набор систем от компании
Signify (ранее Philips Lighting), получивший наиме-
нование Trulifi. Компания заявляет о скорости пере-
дачи данных до 150 Мбит/с при передаче данных от
различных светильников к пользователю, а при фик-
сированной паре точка-точка – до 250 Мбит/с. На-
бор предназначен для включения в новые или моди-
Рис. 2. Внешний вид смартфона от компании
фицированные системы освещения Signify. Oledcomm
Недавно в пресс-центре стадиона немецкого
футбольного клуба Гамбург [1] была установлена смартфоны, что позволит расширить область при-
система освещения с использованием ламп серии менения технологии Li-Fi.
Trulifi для обеспечения высокоскоростной связью Следует учесть, что практически все, выпускае-
журналистов. Каждому журналисту предоставляет- мые в настоящее время смартфоны и планшеты,
ся модуль с USB-портом, который обеспечивает способны принимать сигналы системы Li-Fi исполь-
двустороннюю высокоскоростную связь с исполь- зуя либо датчик освещенности, либо фронтальную
зованием технологии Li-Fі через светильники камеру. Необходимо только установить на них спе-
пресс-центра. циализированное программное обеспечение.
Хотя технология имеет много привлекательных Приведем некоторые примеры возможных при-
функций, широкое распространение она пока не по- менений технологии Li-Fi.
лучила. Основным сдерживающим фактором яв-
ляется отсутствие отраслевого стандарта, работа ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕДИЦИНЕ
над которым ведется в настоящее время [5, 6].
Для реализации системы Li-Fi необходимо сле- Особенность системы Li-Fi в том, что она не соз-
дующее аппаратное обеспечение: дает электромагнитные помехи для медицинского
1. Светодиодная система освещения либо от- оборудования. К тому же эта технология не подвер-
дельные светодиоды. жена действию МРТ-сканеров. Эти факторы позво-
2. Маршрутизатор, установленный вместе с си- ляют организовать систему высокоскоростной сети
стемой освещения. передачи данных в больницах и крупных медицин-
3. Приемник, который оснащен декодером с це- ских центрах (рис. 3).
лью 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).
У смартфона имеется одна важная модифика-
ция: вместо фронтальной камеры в него встроен
Li-Fi сенсор, который получает команды от свето-
диодных ламп, расположенных поблизости от
смартфона, что позволяет просматривать на Рис. 3. Пример использования технологии
устройстве изображения и видеоролики. Li-Fi в больнице
Кроме того, компания продемонстрировала
прототип компактного внешнего Li-Fi-приемника, ОПАСНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
который подключается к смартфону посредством
3.5-миллиметрового разъема. Такой приемник поз- Использование Li-Fi-технологии позволяет соз-
воляет получать данные Li-Fi на устройствах, кото- дать безопасную альтернативу системам связи с
рые не оборудованы модулем. Компания Oledcomm электромагнитным излучением на нефтехимиче-
планирует внедрять свою разработку в планшеты и ских предприятиях.
48 www.ekis.kiev.u
№ 1, январь-март 2020
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Датчики, использующие технологию Li-Fi, могут протяженных туннелях, в поездах метро и во многих
определять положение человека в помещении с других случаях.
точностью до 30 см [7], что позволяет использовать
их на промышленных предприятиях. Это дает воз- КОММУНИКАЦИИ ПОД ВОДОЙ
можность постоянно следить за безопасностью ра-
ботников. Например, они могут обнаруживать, ко- Вследствие сильного поглощения сигнала при-
гда работники находятся слишком близко к потен- менение радиосигналов в воде нецелесообразно.
циально опасному оборудованию. На основе дан- Акустические сигналы отличаются низкой скоростью
ных и функциональных возможностей подключен- передачи данных, к тому же тревожат морских жи-
ной системы освещения управляющее программ- вотных. Использование Li-Fi-технологии позволяет
ное обеспечение интеллектуального промышленно- успешно решать данные проблемы для связи на
го объекта может использовать систему связи Li-Fi небольшом расстоянии (рис. 5).
для оповещения работников путем отправки звуко-
вых или вибрационных сигналов, предупреждаю-
щих об опасности, а также для отключения или авто-
номного перемещения оборудования, если это воз-
можно.
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 диа-
пазон частот (430…790) ТГц, более высокие скоро-
сти передачи данных и малое количество требуемо- Рис. 5. Использование технологии Li-Fi
го оборудования. Если учесть, что радиоволны бы- для подводной связи
стро затухают (если подземные выработки имеют
изгибы или ответвления) и не позволяют обеспе- АВИАЦИЯ
чить надежную беспроводную связь, то альтернати-
вы для беспроводной связи с помощью света про- Технология Li-Fi может быть задействована с це-
сто нет. Даже с учетом запыления в шахтах при не- лью уменьшения длины проводки, снижения веса,
больших расстояниях между источником света и повышения гибкости в установке оборудования, а
приемником будет обеспечиваться надежная опти- также сидений пассажирского салона, в которых
ческая связь (рис. 4). Такую систему связи можно уже установлены LED-светильники. Система раз-
использовать как для сбора данных с различных влечений на борту сможет поддерживаться и взаи-
датчиков, так и для предупреждения об опасности. модействовать с устройствами пассажиров (рис. 6).
Рис. 4. Использование технологии
Li-Fi в шахтах
Рис. 6. Использование технологии Li-Fi
Аналогичные системы можно использовать в в самолетах
email: ekis@vdmais.ua 49
№ 1, январь-март 2020
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ТРАНСПОРТ И ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА порта. В будущем, когда беспилотные транспорт-
ные средства заменят нашу нынешнюю систему до-
На сегодняшний день уже производятся вывески рожного движения, основанную на управлении
и светофоры, уличные светильники, задние фонари транспортом людьми, интеллектуальная система
и фары, где применяются LED-лампы. Благодаря дорожного движения позволит обеспечить связь
этому может быть обеспечена коммуникация между между автомобилями и их транспортной средой.
дорожной инфраструктурой и автомобилями в си- Обычно это называется технологией V2X. Исполь-
стемах управления дорожным движением, а также зуя Li-Fi, систему связи видимого света, автоном-
обеспечения безопасности. ные автомобили смогут обмениваться информаци-
Мониторинг погоды в настоящее время выпол- ей между собой и с транспортной сетью, чтобы не
няется дорогими профессиональными метеостан- допускать ошибок, которые может допустить во
циями. Они собирают информацию и могут обраба- время вождения человек. Система на основе Li-Fi
тывать данные, каталогизировать статистику пого- дополняет существующие автономные системы, ко-
ды и даже предоставлять прогнозы относительно торые используются в автомобилях, такие как ра-
ожидаемых условий в ближайшем будущем. Однако дар, LIDAR или видеокамеры. Используя световые
у этих сообщений есть ряд недостатков: они носят импульсы можно отправлять уникальные сигналы от
общий характер, они не могут быть детализированы каждого светофора, знака и автомобиля.
для определенных небольших участков местности, На рис. 7 приведен пример дорожной инфра-
и информация не попадает к водителям, если она структуры связи с использованием нескольких тех-
предоставляются в короткие интервалы времени. нологий.
Применение новых интеллектуальных автомобилей ИГРУШКИ
с возможностью связи между ними позволяет уста-
новить недорогие датчики, измеряющие параметры Светодиоды сегодня активно применяются во
окружающей среды, на каждом автомобиле. Перио- многих игрушках, благодаря чему может быть по-
дически регистрируя параметры окружающей сре- строена недорогая система связи между интерак-
ды и положение с помощью системы GPS, система- тивными игрушками.
контроля автомобиля может с помощью технологии
Li-Fi отправлять эту информацию всем автомоби- ИНФОРМАЦИОННЫЕ СЛУЖБЫ
лям в зоне доступности и информировать водите-
лей о рискованных ситуациях на дороге, о положе- Локальные и высокоточные информационные
нии движущего впереди транспорта, скрытого от службы, к примеру, реклама и навигация. Они обес-
водителя, и о многом другом. печат людей точной информацией, которая связана
Во многих городах пытаются справиться с про- с конкретным местом и временем. Возможно при-
блемами, вызванными возросшим трафиком транс- менение в госучреждениях, банках и других объ-
Рис. 7. Дорожная инфраструктуры связи с использованием нескольких технологий
50 www.ekis.kiev.u
№ 1, январь-март 2020
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ектах, то есть там, где важна безопасность и высо- имеющиеся лампы. Технология также может ис-
кая скорость передачи информации. пользоваться для беспроводного соединения двух
ПРИМЕНЕНИЕ В БЫТУ точек со скоростью передачи данных до
Планируется, что в будущем светодиодные лам- 250 Мбит/с.
пы будут сразу выполнять две функции: освещать Для подключения к сети Li-Fi разрабатываются
помещение и создавать беспроводную коммуника- специализированные модули (рис. 9), которые поз-
ционную сеть, которая позволит подключаться к воляют подключать любые устройства, оснащенные
устройствам и к сети Интернет (рис. 8). интерфейсом USB (рис. 9).
Рис. 9. Специализированный модуль PureLIFI
для подключения к сети Li-Fi через порт USB
Рис. 8. Примеры применения технологии
Li-Fi в быту Из проведенного краткого обзора следует, что
применение технологии связи Li-Fi во многих слу-
ЛИКВИДАЦИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ чаях позволит обеспечить высокоскоростную на-
СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ дежную связь различных устройств между собой.
Путем использования специализированных моду-
При ликвидации последствий стихийных бед- лей можно будет подключать устройства, не имею-
ствий, таких как землетрясения, наводнения или щие встроенных элементов для оптической комму-
ураганы, когда разрушены многие объекты инфра- никации, к сети Li-Fi. Комбинация нескольких техно-
структуры, для спасения людей и восстановления логий совместно с Li-Fi позволит значительно рас-
разрушенных объектов необходима надежная бес- ширить возможности беспроводных систем связи
проводная связь. Такую связь можно организовать с как в общественных местах, так и в быту.
помощью технологии Li-Fi.
Если модули Li-Fi установить на воздушные ЛИТЕРАТУРА
шары и сформировать из них сеть, то можно на
ограниченной территории обеспечить высокоско- 1. Yoelit Hiebert Li-Fi: An attractive alternative to Wi-Fi //
ростную связь. EDN Network, November 14, 2019.
Компания Signify, ранее известная как Philips 2. http://www.irisprojects.com/ieee-2018-2019-pro-
Lighting и выпускающая "умные" лампочки под мар- ject-titles-on-lifi/.
кой Hue, анонсировала новую модель ламп Truelifi. 3. http://www.ieee802.org/11/Reports/tgbb_update.htm.
Они поддерживают передачу данных Li-Fi и могут 4. http://www.ieee802.org/15/pub/SG7a.html.
обеспечивать передачу данных на планшеты и 5. https://beyondstandards.ieee.org/?s=802.11bb.
смартфоны со скоростью до 150 Мбит/с [7]. Эта 6. LiFi standardization: LiFi as the IEEE starts working on
скорость передачи данных выше, чем в среднем standardization // https://www.i-scoop.eu/lifi-market-
обеспечивают сети 4G и Wi-Fi. Линейка устройств ieee-lifi-standardization/.
Truelifi будет включать как непосредственно из при- 7.https://www.signify.com/global/search?query=LiFi&
боров освещения с функцией передачи данных, так page=1.
и трансиверов, которыми можно дооснастить уже
email: ekis@vdmais.ua 51
Вы также можете почитать
