Li-Fi: вайфай на лампочках
Олег Нечай
Опубликовано 16 мая 2012 года
На выставке бытовой электроники CES 2012, проходившей в январе 2012 года в американской столице развлечений Лас-Вегасе, японская Casio продемонстрировала необычный фокус: один смартфон передавал текстовые сообщения на другой при помощи... экрана. Это была демонстрация в действии технологии беспроводной связи Visible Light Communication (VLC), также известной как Li-Fi.
Предыстория
О возможности передачи данных при помощи света известно давно: достаточно вспомнить оптические телеграфы, известные с XVII века. Для обмена сообщениям использовались высокие семафорные башни или столбы, оснащённые фонарями или прожекторами и отражающими зеркалами, при этом дальность связи между двумя точками достигала 65 километров. Несколько линий оптического телеграфа существовало и в России вокруг тогдашней столицы Петербурга вплоть до 1860 года, когда на смену им пришёл электрический телеграф.
Вернуться к этой, казалось бы, безнадёжно устаревшей идее заставило, как ни странно, развитие микроэлектроники: современные излучатели света, как видимого спектра, так и инфракрасного и ультрафиолета, позволяют передавать огромные объёмы данных — нужно лишь особым образом закодировать сигнал и организовать массивы излучателей. Включённая лампа может означать логическую единицу, а выключенная — ноль. Если при этом использовать такие излучатели, как светодиоды, то сам процесс не будет заметен для человека, поскольку они способны включаться и выключаться на высочайшей скорости. Проще говоря, такой передатчик может служить и в качестве обычного светильника.
>
Разработчики технологии VLC из Эдинбургского университета доктор Вэйсью Попула, профессор Гаральд Хаас и доктор Мостафа Афгани
Ведущим разработчиком этой технологии стала группа учёных из Эдинбургского университета во главе с немецким профессором Гаральдом Хаасом. Параллельные исследования в области оптической беспроводной связи ведутся в Германии, США, Корее и Японии — в частности, компаниями Siemens, Intel и Casio. В октябре 2011 года несколько фирм из Германии, Норвегии, Израиля и США объединились в Консорциум Li-Fi для продвижения перспективной технологии на рынке.
Гаральд Хаас занимается разработкой VLC с 2003 года: представители нескольких факультетов Эдинбургского университета создали проект под названием D-Light, спонсором которого стал университет; ему же принадлежат все права на создаваемую интеллектуальную собственность. Любопытно, что офис Хааса расположен в историческом здании, где в 1880 году Александр Белл впервые отправил голосовое сообщение при помощи модулированного луча света. Сегодня здесь же проводятся исследования по реализации этой же идеи на принципиально новом научном уровне.
Как работает технология VLC
Эксперименты проекта D-Light показали, что светодиоды можно использовать как для освещения, так и для беспроводной передачи данных. При этом эта технология быстрее, безопаснее и дешевле любых других типов беспроводной связи. Кроме того, она применима в тех случаях, когда радиосвязь невозможно использовать, или там, где она в принципе недоступна, к примеру на больших глубинах под водой или в полёте.
Суть изобретения Хааса заключается в способе модулирования сигналов: информация, закодированная в луче света от полупроводниковых светодиодов, передаётся с помощью огромного числа изменений интенсивности свечения, происходящих со сверхвысокой частотой 100 миллионов циклов в секунду или 100 МГц. Фотоэлемент фиксирует эти мельчайшие изменения и преобразует их обратно в цифровой сигнал.
В ходе исследований Хаас использовал особенности системы беспроводной передачи данных MIMO (Multiple Input Multiple Output — несколько входов и несколько выходов), в которой для отправки и приёма данных применяются несколько разнесённых между собой антенн, слабо коррелированных друг с другой, что обеспечивает ускорение передачи данных. Кроме того, во внимание принимались возможности реализованной в мобильных сетях 4G и спутниковом DAB-радио цифровой схемы модуляции OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов).
К недостаткам OFDM относится высокое соотношение пиковой и средней мощности, приводящее к широким колебаниям сигнала. Однако Хаас сделал из этого недостатка преимущество: в условиях оптической схемы передачи данных эти колебания позволили повысить мощность. Это означает возможность параллельной отправки потоков информации на скорости, ограниченной исключительно числом используемых светодиодов. Такую схему модуляции Хаас назвал пространственной OFDM-модуляцией, или SIM-OFDM. «Мы использовали три измерения, — рассказывает он, — время, частоту и пространство. До нас этого никто не делал».
В лабораторных условиях удалось добиться максимальной скорости передачи данных в 123 Мбита в секунду, в ближайших планах — скорость 600 Мбит в секунду. Немецкие исследователи из Берлинского Института Генриха Герца уже достигли скорости 800 Мбит в секунду. Для сравнения: очень немногие операторы беспроводных сетей могут предложить скорости, превышающие 100 Мбит в секунду.
