Лай фай. Li-Fi технология (сверхбыстрый Интернет на светодиодах): обзор, описание, устройство и перспективы. Где можно использовать Li-Fi

Что такое Li-Fi

Li-Fi (Light Fidelity) достаточно молодая технология. Ее родоначальником считается немецкий физик Харальд Хаас, который в 2011 году в качестве роутера использовал светодиодную лампу. В лабораторных условиях он достиг скорости передачи в 224 Гб/с. Такая скорость позволяет, например, скачать за одну секунду 18 фильмов по 1,5 ГБ или до 50 000 фотографий! Идея стала возможной благодаря технологии VLC (Visible Light Communication), которая позволяет источнику света не только выполнять функцию освещения, но и передавать информацию. Транзит данных реализуется светодиодами типа LED, наносекундное мерцание которых незаметно для человека.

Преимущества технологии Li-Fi

Достоинством Light Fidelity является высокая скорость передачи данных. Если брать за основу 224 Гб/с, то Li-Fi превышает предельную скорость Wi-Fi-стандарта IEEE 802.11ax в 22,4 раза, а IEEE 802.11ac – в 30 раз.

Вторым плюсом технологии является ее относительно высокая защищенность от хакерского проникновения. Дело в том, что положенный в основу передачи свет не проходит через стены. Поэтому для взлома сети Li-Fi злоумышленник должен находиться в непосредственной близости к источнику сигнала, тем самым теряя свою анонимность.

Недостатки технологии Li-Fi

Вышеобозначенный плюс вытекает из главного недостатка технологии Light Fidelity, а именно короткого диапазона передачи информации. Не только хакер должен быть близко к источнику света, чтобы провести взлом. Сам пользователь может воспользоваться Li-Fi только в пределах помещения.

Сравнительный анализ технологий Li-Fi и Wi-Fi

Технологии Li-Fi и Wi-Fi основаны на схожих протоколах IEEE 802.11. Однако Li-Fi использует электромагнитные волны видимого света, в то время как Wi-Fi – радиоволны. Благодаря этому, первая технология получает преимущество с точки зрения более широкой полосы пропускания.

Стандарт IEEE 802.15.7 определяет для Li-Fi физический уровень сетевой модели OSI PHY (Physical layer), а также уровень управления доступом к среде МАС-адрес (Media Access Control). Рабочая версия IEEE 802.15.7 выделяет три PHY, различных по пропускным способностям, которые представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика физических уровней стандарта Li-Fi (IEEE 802.15.7)

По сравнению с Wi-Fi, Light Fidelity имеет значительно бо льшую скорость передачи данных. Однако технология способна распространять сигнал на существенно меньшие расстояния, чем радиоволны.

Таким образом, технология Li-Fi по сравнению с Wi-Fi:

1. Использует волны видимого света вместо радиоволн.

2. Имеет более широкую полосу пропускания.

3. Имеет бо льшую скорость передачи данных.

4. Более инфобезопасна.

5. Имеет меньшую зону покрытия.

6. Способствует оптимизации энергозатрат, объединяя систему освещения и хот-споты.

7. Li-Fi-устройства не создают друг другу помехи в сети.

Технология Li-Fi как революция в беспроводной передаче данных

Родоначальник световой технологии Хаас полагает, что преимущества Li-Fi сделают световую сеть востребованной в цифровом мире. По его словам, Wi-Fi не сможет соответствовать требованиям мобильной передачи данных, которые предъявляет концепция Интернета вещей . К 2020 году на каждого пользователя будет приходиться примерно три сетевых устройства. В реальных показателях – порядка 20,8 млрд. подключений. Если все устройства начнут использовать одни и те же частоты Wi-Fi, то в сети возникнут помехи, что негативно повлияет на скорости передачи данных. За вторую половину третьего десятилетия ситуация только обострится. Эффективным решением может стать, по мнению Хааса, технология Light Fidelity, благодаря которой распространять сигнал будет любая адаптированная для данной функции лампочка.

Сроки реализации технологии Li-Fi

На сегодняшний день речь о коммерческом запуске Li-Fi не идет. Однако чем выше частота применения светодиодных светильников, тем бо льшие возможности открываются для распространения световой передачи данных. Любой светодиод может одновременно освещать помещение и транслировать массивы бинарных данных. Согласно исследованиям Grand View Research, к 2024 году рынок световой технологии передачи данных вырастет до 100 млрд. долл.

Основной компанией, занимающейся исследованием, развитием и продвижением Li-Fi, считается PureLiF, основанная Харальдом Хаасом. Однако интерес к технологии проявляют другие коммерческие структуры. Например, испытания Li-Fi проводили Beamcaster , достигнув 1,25 Гбит/с, и компания Sisoft, которая передала данные со скоростью в 10 Гбит/с.

Осенью 2016 года появилась информация, что специализирующаяся на светодиодном освещении компания Lucibel, с которой сотрудничает PureLiF, готова реализовать проект по оснащению первого в мире офиса двухстронней передачей данных по технологии Li-Fi. Внедрять решение планируется в Париже.

Другая французская компания, Oledcomm, согласно полученному тендеру, должна оснастить свыше 60 станций парижского метрополитена 250 тыс. светодиодных источников света. В данном проекте технология Li-Fi будет использовать одностороннюю коммуникацию. Например, передавать информацию о расположении объектов.

Также в коде операционной системы iOS компании Apple найдена информация о тестировании передачи данных с помощью светового излучения Li-Fi.

Заменит ли Li-Fi стандарт Wi-Fi?

Скорее всего, полного вытеснения Wi-Fi технологией Light Fidelity не произойдет. Разработчики Li-Fi предполагают, что на массовый рынок продукт поступит не раньше, чем через 3-4 года. Светодиодные роутеры будут использоваться в комбинации с Wi-Fi. Это обусловлено наличием у световой технологии передачи данных нерешенных проблем.

В частности, Li-Fi сложно применять на улице, поэтому данный участок может обслуживаться Wi-Fi. Если же видение Харальда Хааса и воплотится в жизнь и раздавать сигнал сможет любая лампочка, то ожидать этого в ближайшем будущем не стоит. Наиболее вероятный сценарий – это комплексное использование Li-Fi и Wi-Fi.

С техническими особенностями функционирования сетей мобильной связи в лицензированном и нелицензированном частотных диапазонах (технологии HetNet, LWA, LAA, eLAA, Multefire и другие) можно ознакомиться в книге "

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.

Что такое Li-Fi

Технология передачи информации без проводов, которая работает как Wi-Fi, но во много раз быстрее и использует не радиоволны, а видимый свет. В лабораторных условиях через Li-Fi смогли передать данные на скорости 224 Гбит/с, что в 22,4 раза быстрее максимальной скорости разрабатываемого Wi-Fi-стандарта IEEE 802.11ax, в 30 раз быстрее IEEE 802.11ac (его используют, например, в MacBook Pro 2015 года).

Что позволяет такая скорость

За 1 секунду вы сможете скачать примерно 20 фильмов в HD, архив из 50 000 фотографий или столько текста, сколько содержит книгохранилище с площадью примерно 2000 кв. м.

Как это работает

Роль роутера выполняет светодиодная лампочка (иногда три: красная, зеленая и синяя), мерцающая так быстро, что человеческий глаз видит равномерный световой поток. Передающее информацию мерцание принимает фотодетектор, который расшифровывает информацию. Так ноутбук получает доступ в интернет. Высокая скорость Li-Fi получается по нескольким причинам: короткая длина волны, высокая плотность сигнала и широкий канал передачи (спектр частот видимого света намного шире спектра радиоволн).

Чем Li-Fi хуже Wi-Fi

Li-Fi - не самое надежное соединение. Оно хорошо работает в пределах комнаты и на расстоянии около 10 метров, но передать сигнал в другую комнату роутер не сможет (как ни странно, но свет не проходит через стены). Li-Fi не требует работы в прямой видимости. Если между роутером и детектором поставить стол, то доступ в интернет не исчезнет: свет отразится от стен и достигнет детектора, но скорость снизится до 70 Мбит/с. На открытом воздухе роутер будет работать только в сумраке или при сильной облачности - и то на очень небольшом расстоянии. При ярком солнечном свете, как и при работе других искусственных источников, или, например, в случае тумана роутер не сможет передавать данные. У Wi-Fi с этим проблем нет.

А чем оно лучше Wi-Fi

Самое главное - он намного быстрее соединения через обычные Wi-Fi-роутеры, а в теории скорость можно увеличить во много раз. Li-Fi тяжело взломать, поскольку сигнал не покидает комнаты. Роутеру не нужно тратить энергию на нагрев (как в случае с Wi-Fi), поэтому он будет работать экономично. Поскольку передача света остается бесплатной, компаниям не придется платить за лицензирование радиочастот.

Где можно использовать Li-Fi

Разработчики и журналисты придумали три сферы, где интернет начнут раздавать через лампочки в ближайшем будущем. Во-первых, в самолетах. Wi-Fi создает помехи для авиационных приборов и связи, а лишние кабели увеличивают вес самолета. Li-Fi выглядит идеальным решением: его сигнал не выйдет за пределы пассажирского салона, а оборудование почти ничего не весит. Во-вторых, Li-Fi можно будет использовать в банках и организациях, которым важна секретность. В этом случае недостаток Li-Fi-роутера (раздавать только в пределах комнаты) станет дополнительным рубежом безопасности: злоумышленники за пределами комнаты не смогут перехватить сигнал, а внутри нее будет проще контролировать утечки. В-третьих, промышленность, тяжелая обработка данных и производства, на которых нужно быстро передать большой объем данных.

Где им пользуются прямо сейчас

Пока система лишь тестируется, но в конце прошлого года эстонский стартап Velmenni провел Li-Fi-сеть, через которую передавали данные на скорости 1 Гбит/с (для сравнения: самый быстрый тариф Ростелекома в Москве - 100 Мбит/с). Полностью перейти на Li-Fi оказалось тяжело, поэтому в Velmenni использовали комбинированную сеть: Wi-Fi и Li-Fi.

Кто придумал эту технологию

Принцип действия Li-Fi впервые сформулировал 46-летний немецкий физик и профессор Эдинбургского университета Харальд Хаас (Harald Haas). С 2007 года он и его студенты экспериментировали с передачей данных через светодиодную лампочку из IKEA, а в 2011 году Хаас рассказал о своем видении будущего на конференции TED. Профессор основал компанию PureLiFi, которая проводит исследования и иногда выпускает светодиодные роутеры. Идея Хааса не стала принципиально новой - в 1880 году Александр Белл пытался передать звук с помощью светового сигнала на устройство под названием фотофон. Хаас просто вывел опыты Белла на новый уровень и решил передавать не звук, а информацию.

Зачем Li-Fi нужен в будущем

Wi-Fi не справится с интернетом вещей, считает Хаас. К 2020 году в мире будет 20,8 миллиарда носимых устройств и бытовой техники из «умного дома», почти три на каждого человека. Если они начнут передавать данные по Wi-Fi в одном частотном диапазоне, начнутся затрудняющие передачу помехи. Сегодня такое падение скорости можно наблюдать в оживленных местах со множеством работающих роутеров. А к 2025–2030 годам ситуация осложнится. Хаас видит мир, где интернет раздается от каждой лампочки (для этого их нужно модифицировать), видео можно загрузить от уличного фонаря, а машины общаются друг с другом светом фар.

Принадлежит ли Li-Fi одной организации

Нет, занимается исследованиями, продвигает идею среди производителей и выбивает финансирование. Но есть и другие компании: смогла в 2014 году передать через свет данные на скорости 1,25 Гбит/с, Sisoft - на скорости . Недавно Li-Fi заинтересовались в NASA и Apple (в коде iOS 9.1 поддержки световой передачи).

Когда Wi-Fi придет конец

Скорее всего, не скоро (по крайней мере в ближайшем будущем). Это признают даже разработчики световой передачи. Через три-четыре года, когда первые светодиодные роутеры появятся на потребительском рынке, будут использовать комбинацию из Li-Fi- и Wi-Fi-сетей. Но последние продолжат существовать, поскольку у Li-Fi остаются нерешенные проблемы (передача на улице).

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"