česky english Vítejte, dnes je sobota 05. prosinec 2020

Cestu k vyšším rychlostem komunikace osvětluje Li-Fi

DPS 3/2019 | Vývoj - články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Rádiové spektrum je drahocenným zdrojem, jehož prostor se rychle zaplňuje. Netrvalo dlouho a uživatelé Wi-Fi v městské zástavbě pochopili, jak interference od sousedního routeru ovlivní dosažitelné vlastnosti komunikace v jejich vlastní síti. Jedna z prvních reakcí na takto vzniklý problém spočívala v prostém přidání nových kmitočtových pásem. Vedle původního pásma 2,4 GHz, které je pořád sdíleno s řadou jiných protokolů (včetně rozhraní Bluetooth®), se u Wi-Fi začaly podporovat i další kanály okolo 5 GHz. Počet frekvenčních pásem, se kterými může Wi-Fi dále expandovat, však bude silně omezen. Máme zde totiž příliš mnoho jiných aplikací, které potřebují samy přistupovat k vlastní části vysokofrekvenčního spektra.

Výrobci vyspělejších Wi-Fi zařízení v průběhu času čelili otázce kmitočtového omezení využitím řady postupů, s nimiž by do stěžejní části spektra „protlačili“ více dat. Může to zahrnovat propracované modulace pro vyslání více datových bitů v každém symbolu, ale také vylepšení v podobě různých antén, s nimiž lze směrovat přenos k jednotlivým přijímačům. Další návrhy pak posouvají Wi-Fi do pásma 10 GHz a více. Lze tak zajistit kanály s větší šířkou pásma a úměrně tomu i vyšší přenosové rychlosti. Proč ale nezajít v elektromagnetickém spektru ještě dál a nevyužít místo toho infračerveného, nebo dokonce viditelného světla?

Cestu k vyšším rychlostem komunikace osvětluje Li-Fi

Komunikace v oblasti viditelného světla již byla využita u páteřního připojení typu bod-bod za účelem dosažení přenosových rychlostí převyšujících 100 Mbitů/s v místech, kde by kabely jinak nedávaly smysl, třeba při zdolávání hlubokých kaňonů. Takové světelné relace jsou rovněž zkoumány pro svou schopnost zkvalitnit propojitelnost systémů jednak nad atmosférou, tak též pod vlnami. Vf přístup začne mít ve vodě rychle problémy a bude proto náročné navázat spolehlivou komunikaci mimo signály, které využijí nesmírně nízké nosné kmitočty a budou mít i srovnatelně malé přenosové rychlosti. Přestože voda také silně pohlcuje kmitočty na červeném konci viditelného spektra, dle posledních výzkumů mohou modrozelené lasery řešit přenosy s rychlostmi až do sta Mbitů/s a na vzdálenost několika desítek metrů. S cílem překonat výrazně větší vzdálenosti se pak v NASA začali pokoušet o komunikaci mezi Zemí a vesmírem za přispění modulovaného infračerveného laseru. Kanál s rychlostí 622 Mbitů/s se útlumu způsobenému mraky vyhne na základě přepínání mezi různými pozemními stanicemi spolupracujícími při komunikaci s družicí na oběžné dráze.

Verze spojů Li-Fi stavějících na viditelném světle se však drží „více při zemi“. Byla vyvinuta tak, aby mohla těžit z přítomnosti svítivých diod ve standardních svítidlech, třebaže s určitými úpravami. Spousta komerčně vyráběných svítidel s LED využívá prvku s vysokým jasem, který vyrábí světlo na modrém konci spektra. Díky vrstvě žlutého luminoforu pak dochází k posunu výsledné barvy na bílou. Působení luminoforu však zpomaluje účinek jakékoli amplitudové modulace využívané u zdroje světla, takže dochází k omezení šířky pásma zhruba na 2 MHz. Pokud však na straně přijímače odfiltrujeme žlutou složku, bude možné v zásadě dosahovat přenosových rychlostí dokonce až na úrovni jednoho gigabitu za vteřinu. A za předpokladu přijímače reagujícího na odlišné složky zdroje světla s laditelnou barvou, který obvykle využívá kombinace červených, zelených a modrých LED, lze navýšit rychlost až na 5 Gbitů/s, nebo ještě více. Pokusy vedené na univerzitě v Edinburghu týmem profesora Haralda Haase, kterému se připisuje označení Li-Fi, navíc ukázaly, že když k osvětlení přidáme laserové diody a necháme je pracovat souběžně, bude možné dosahovat přenosových rychlostí větších než sto gigabitů za sekundu.

 

Li-Fi sdílí některé vlastnosti s technologiemi Wi-Fi pracujícími v části rádiového spektra od 10 GHz výše. Se zvyšujícím se kmitočtem nosného signálu se bude vf komunikace stávat více směrovou záležitostí. Přestože protokoly využívající kanál v pásmu od 10 GHz, třeba jako sítě 5G, dokážou při zlepšování parametrů přijímače těžit z odrazů, komunikační kanály budou povětšinou založeny na předpokladu přímé viditelnosti.

Li-Fi bude mít ještě větší směrovost a umožňuje proto budování „attobuněk“. Jeden uživatel pracující např. rovnou pod světlem tak může mít vyhrazenu šířku pásma sám pro sebe. Li-Fi však nebude pouze technologií vyžadující přímou viditelnost. Má totiž předpoklady pro využití odrazů a nepotřebuje se tak omezovat výhradně na přenosové trasy v přímém směru. Může za to podpora systémů, jako je např. OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), které jsou mnohem složitější než prosté binární kódy, se kterými se pracovalo při prvních experimentech s Li-Fi.

Pro technologii Li-Fi představuje směrovost potenciální výhodu v otázce zabezpečení. Budeme totiž z velké části omezováni kuželem světla bezprostředně pod vysílačem a signál kromě toho vůbec neprochází přes zdi. Některé plánované postupy u technologie Wi-Fi v pásmu 60 GHz, například dle IEEE 802.11ax, využijí metod umožňujících přenášet signál skrze zdi, což pro obecné využití v domácnostech shledává pracovní skupina jako důležité. U Li-Fi by se pak hacker usilující o zachycení relace musel nacházet těsně nejen u vysílače, ale také u oprávněného přijímače. Již to samo o sobě nepochybně zvyšuje šance na jeho odhalení. Návrh pracovní skupiny pak dle IEEE 802.11bb spočívá ve stolní lampě s podporou technologie Li-Fi zajišťující bezpečné bezdrátové spojení mezi počítačem uživatele a hlavní sítí. Odchozí kanál (uplink) ze zařízení směrem ke svítidlu využije menšího zdroje provozovaného v infračervené oblasti. Vyhneme se tak interferencím se signály v opačném směru a pro uživatele to navíc nebude působit rušivě. V raných fázích vývoje se vyskytly určité obavy, zda uživatelé postřehnou poblikávání způsobené vysílači pracujícími s technologií Li-Fi. Modulační rychlost je však vysoká a její vliv se na celkovém výstupu projeví snad jen posunem ve vyvážení barev. Není to však nic, co by výrobci svítidel nedokázali kompenzovat.

Jedna eventuální stinná stránka se u technologie Li-Fi při zapracování do stropních svítidel pojí s interferencí mezi kanály. Kužely světla se zde protínají a přijímač proto neobdrží čistý signál od žádného z vysílačů. S tím si však poradí postupy odvíjející se od OFDM. Při komunikaci bude kromě toho možné využít i světla odraženého od zdí nebo i dalších předmětů. Pracovní skupina (IEEE 802.11bb) navrhla protokol zajišťující minimálně přenosové rychlosti na úrovni 10 Mbitů/s a špičkově pak až 5 Gbitů/s, což oproti široce využívané verzi Wi-Fi dle IEEE 802.11n, založené na nosném kmitočtu 5 GHz, znamená desetinásobně vyšší rychlosti. Díky modernější a v současné době také výrazně dražší podobě Wi-Fi dle IEEE 802.11ac se již nůžky tolik nerozevírají. Dokáže totiž podpořit přenosy na úrovni 1,73 Gbitů/s.

Technologie Wi-Fi však slibuje, že se špičkovým přenosovým rychlostem Li-Fi vyrovná. Soutěž takového druhu dokládají verze Wi-Fi dle IEEE 802.11ax a 802.11ay spolu s nosnými kmitočty v oblasti 60 GHz. Zmiňované standardy zlepšují výsledky, pokud jde o krátký dosah, který byl na škodu v případě prvního pokusu o realizaci 60GHz Wi-Fi (IEEE 802.11ad). Některé testy totiž v případě IEEE 802.11ay posunuly maximální záběr až na 300 metrů a vytvořily tím předpoklady pro využití v kancelářských sítích. Způsob využití se však bude od technologie Li-Fi odlišovat. Jeden z klíčových rozdílů spočívá v představě jediného routeru, který by měl obsloužit větší počet uživatelů, zatímco zastánci Li-Fi hodlají co nejlépe využít konceptu attobuněk, spolu s páteřním připojením podporujícím relace v řádu Gbitů/s pro více uživatelů ve stejné místnosti.

Další rozdíl mezi IEEE 802.11ay a většinou jiných protokolů pak odkazuje na dodatečné služby vycházející z algoritmů používaných ke kompenzaci překážek. Routery tak mohou teoreticky mapovat místnosti, sledovat přítomnost lidí, a dokonce i přesně určovat gesta. V prostředí s technologií Li-Fi by se zmíněnými funkcemi pravděpodobně pomohly spíše samostatné kamery.

Ačkoli se v klasickém případě domácností či kanceláře bude muset technologie Li-Fi utkávat s novějšími formami rozhraní Wi-Fi, komunikace založená na využití světla bude mít přesto některé nesporné výhody, které oceníme ve specifických podmínkách. Tak třeba v letadle tvoří hlavní překážku zabraňující výrobě energeticky účinnějších strojů hmotnost kabelů sloužících k zajištění multimediálních služeb cestujícím. Li-Fi zde umožňuje řešit vysokorychlostní individuální přenos prostou náhradou tradičního osvětlení nad každým sedadlem. Stačí jen vhodná LED s podporou zmíněné technologie. Stejně tak se Li-Fi nebrání ani komunikaci s velkou šířkou pásma v prostředí, ve kterém by interference spojené s vysokofrekvenčním přenosem znamenaly potíže – kupříkladu na operačních sálech v nemocnicích. Může se rovněž jednat o výrazně bezpečnější technologii v průmyslových systémech, obzvláště pak tehdy, hrozí-li zde vysoké riziko výbuchu. Provozy, ve kterých přicházíme do styku s jemným prachem nebo těkavými chemickými látkami, si např. nemohou s klidem dovolit vysokofrekvenční komunikaci a přísná bezpečnostní opatření se navíc nevyhýbají ani elektrickým kabelům sloužícím k přenosu dat.

Díky svému neobvyklému přístupu se budeme s technologií Li-Fi pravděpodobně setkávat v prostředí, ve kterém bylo dříve obtížné realizovat vysokorychlostní komunikaci. Ve většině případů, kdy musí kritéria v podobě datové kapacity či pohodlí zůstat v popředí, se při volbě mezi Li-Fi a Wi-Fi zřejmě omezíme pouze na specifické požadavky aplikace.

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik