Що таке Li-Fi: повний посібник і все, що вам потрібно знати

Сьогодні людство активно використовує технологію Wi-Fi, навіть не маючи приводу замислюватися про альтернативи. Проте вчені в усьому світі продовжують вивчати й інші способи передавання даних, зокрема, ті, про які більшість із нас навіть не в силах помислити. Серед нових віянь слід виділити технологію Li-Fi, якій пророкують вельми великі перспективи використання, аж до повного витіснення більшості з відомих на сьогодні способів передачі інформації.

Термін “Li-Fi” придумав і ввів у широкий вжиток у 2011-му році вчений-фізик німецького походження, фахівець у галузі бездротового та оптичного передавання даних, професор, завідувач кафедри мобільного зв’язку в Університеті Единбурга Гаральд Хаас. Він представив свої напрацювання в рамках конференції “TED Global”, використавши доволі звичайну світлодіодну лампу для передачі інформації. Дослід, який було продемонстровано, полягав у тому, що лампочка випромінювала хвилі, завдяки яким на екран проєктувалося відео з квіткою, а на підтвердження того, що джерелом відеоданих, що транслюються, є саме світлоприлад, Гаас періодично перекривав його світло рукою, спричиняючи перешкоди.

Li-Fi по праву вважається гідною альтернативою всім іншим відомим на сьогодні технологіям: видиме світло просте і знайоме кожному, водночас спокійно сприймається органами почуттів людини, на відміну від тих же радіохвиль. Замість нинішніх бездротових роутерів можна буде використовувати трансивери зі світлодіодами, які одночасно здатні і освітлювати приміщення, і передавати інформацію у великих обсягах. Уже з самого початку робіт передбачалося, що Li-Fi буде здатний забезпечувати швидкість передавання даних приблизно в 100 разів більшу порівняно зі знайомим нам Wi-Fi.

Розвиток технології

Після першої публічної демонстрації знайшлося багато скептиків, які стверджували, що застосування світлодіодних ламп, що диммуються, для масового вживання – вельми складна в реалізації концепція, нехай і вкрай цікава. У професора Хааса пішло 4 роки на те, щоб створити перший прототип, який повністю втілював його ідеї, був компактним, ефективним і високоточним. Слід сказати, що сама технологія Li-Fi отримала свою назву від двох слів: Li – “light” (“світло”) і Fi – “fidelity” (“точність”). У лабораторних умовах новий роутер-трансивер зумів легко перевищити стократний рубіж швидкості порівняно з Wi-Fi, досягнувши рекордного показника в 224 Гбіт/с, і показавши відмінні результати в інших категоріях.

Найважливішим є те, що у розглянутої технології геть відсутні недоліки, які називають основними перешкодами на шляху розвитку всіх інших способів передачі даних. При цьому наявні переваги, по суті, засновані на тому, що кожен з нас і так знає про світло. Наприклад, у Li-Fi не знижується надійність підключення і швидкість на кожному приймачі при підключенні великої кількості пристроїв: світла буквально вистачає на всіх. При цьому також можна згадати іншу цікаву аналогію, що стосується потенційної вразливості, на прикладі побутових освітлювальних приладів. Так, вмикаючи люстру у вітальні, ми знаємо, що її світло поширюватиметься тільки в межах цього приміщення і не буде освітлювати ні кухню, ні ванну кімнату. Світло не проникає крізь стіни, а тому ні перехоплення інформаційного сигналу ззовні, ні його спотворення неможливі. І цю умовну обмеженість можна було б одночасно зарахувати і до категорії недоліків, якби не одне важливе “але”: людині необхідні джерела світла в усіх приміщеннях будинку, а якщо там є лампочка, там буде й інтернет.

До всього сказаного також обов’язково слід додати ємність мережі. З фізики нам відомо, що ширина видимої частини спектра в цілих 10 тисяч разів більша за ширину радіоспектра – і весь цей об’єм може бути використано для передачі даних. Нарешті, не будемо забувати про питання, пов’язані з енергоефективністю. Хоча Wi-Fi сам по собі і так досить економічний, навіть він не зрівняється за цим показником із напівпровідниками. Так само, як будь-який світлодіодний світильник набагато енергоефективніший, як порівняти з аналогічним приладом, у якому встановлені лампочки розжарювання, так і Li-Fi, що застосовує ті самі комплектуючі, споживає меншу потужність, як порівняти з попередніми технологіями. А якщо додати до цього той факт, що ефекти комбінуються (світловиділення і передача сигналів відбувається одночасно і за допомогою одних і тих самих пристроїв), сукупні енерговитрати на два вкрай необхідних у побуті процеси падають нижче за всі наявні технології.

На самому початку розвитку концепції Li-Fi найбільше занепокоєння у вчених викликали стробоскопічні ефекти – мерехтіння. Якщо спростити сутність Li-Fi до рівня зрозумілих більшості термінів, то можна сказати, що тут використовується найпростіша двійкова логіка. Бінарні дані, як завжди, складаються з умовного нуля і одиниці, які досягаються шляхом увімкнення і вимкнення діода, тільки це робить не людина за допомогою вимикача, а спеціальний мікроконтролер. При цьому чергування двох станів відбувається настільки швидко (менш ніж за 1 мкс), що органи зору навіть не встигають відреагувати. Ну а оскільки продуктивна частота лежить поза відчуттями людини, для неї світло здаватиметься увімкненим постійно, а тому ніяк не позначиться на сприйнятті.

При цьому саме запізнювання людських очей в уловлюванні світла дає вченим необхідний запас. Уся інформація може кодуватися по-різному, формуючи великі фрагменти даних на різних частотах, водночас абсолютно не зачіпаючи чутливої для нас області. Зручність цієї технології також полягає в тому, що в процесі передачі даних немає потреби вдаватися до використання пристроїв або агентів-посередників. У джерелі сигнал перетворюється на бінарний код, потім випромінюється на всі боки, після чого приймається фотодіодом-ресивером і назад переводить отримані дані в двійкову систему. Такий підхід можна по праву назвати одним із найпростіших і найшвидших.

Перші випробування професор Хаас проводив у лабораторіях естонської компанії Velmenni, що не тільки дало йому змогу вивчити процеси передавання даних найдетальніше, а й також відкрило додаткові можливості для подальших експериментів і комерціалізації результатів. Серед низки інших дослідів слід відзначити спробу перевести Li-Fi на умови повної автономності: для цього вчений забезпечив роутер-трансмітер сонячною батареєю і провів серію експериментів для подібних обставин. І навіть тут стійка швидкість передавання інформації жодного разу не падала нижче рівня в 10 Гбіт/с.

Наприкінці 2016-го року Хаас зумів об’єднати свою компанію “pureLiFi” з уже існуючим французьким брендом “Lucibel”, що займається освітлювальними технологіями. Метою їхнього злиття була подальша модернізація технології, фабричне виробництво систем, що підтримують Li-Fi, і виведення їх на масовий європейський ринок. Найважливішим завданням тут було зробити таку технологію доступною за ціною і реалізацією, просунути її з інформаційного погляду, пояснити переваги населенню і зацікавити потенційного споживача. У не дуже далекій перспективі передбачається саме технологію Li-Fi зробити основним способом доступу користувачів до інтернету.

Комплекти пристроїв для передачі даних по Li-Fi включають в себе всього три елементи: власне, джерело світла, контролер-маршрутизатор і приймач сигналів. Споживачі можуть купувати не тільки вже готові світильники, а й лампи, які мало чим зовні відрізняються від звичайних LED-моделей. У кожній з них розташовується три стандартних кольорових канали – червоний, зелений і синій, швидкість передачі даних за якими може легко досягати 3,5 Гбіт/с. Підсумовуючи їхнє значення, підсумковий потік перевищує 10 Гбіт/с, формуючи величезні масиви інформації шляхом високочастотних циклів увімкнення і вимкнення діодів.

Сфери застосування Li-Fi передбачені вже сьогодні. Згадаємо лише ті з них, які можна назвати такими, що найбільше потребують швидкого впровадження подібної технології на сучасному етапі розвитку людства.

• Смарт-освітлення в Розумному будинку напевно не обходитиметься без Li-Fi, адже такий метод передачі даних здатний замінити будь-які інші бездротові та дротові системи, виступаючи вкладеною інфраструктурою в усьому інтелектуальному комплексі.
• У салонах літаків, в операційних і палатах реанімації, а також на будь-яких інших особливо небезпечних або військових об’єктах, де раніше використання інтернету було пов’язане із загрозою безпеці або з перешкодами у функціонуванні обладнання, світло зможе без проблем застосовуватися, як і раніше, взявши на себе додаткову функцію.
• Мобільний зв’язок отримає великий спектр додаткових частот, коли його звільнять інші, більш не використовувані технології.
• Під час роботи персоналу під водою, особливо в промислових або дослідницьких цілях, передача сигналу радіохвилями була майже безглуздою, оскільки рідина їх гасила. Світло може вирішити цю проблему за достатньої інтенсивності випромінювання.
• Інтерактивні бездротові пристрої та іграшки зможуть завжди підтримувати зв’язок із мережею без додаткових засобів. Слабкий прийом автоматично усувається за рахунок рівномірної і майже повсюдної присутності люстр, настільних ламп, світильників, прожекторів, світлофорів, ліхтарних стовпів тощо.
• Транспортні мережі та системи навігації зможуть зв’язуватися між собою безпосередньо, покращуючи дорожню обстановку і даючи змогу забезпечити всебічну безпеку пішоходів і транспорту, не використовуючи для зв’язку проміжні ланки.
• Смартфони, планшети і ноутбуки отримають просте, стабільне і високошвидкісне підключення до Всесвітньої павутини. При цьому невелика відстань до джерела повітрям сформує ідеальні умови для максимальної безпеки при збереженні вільного доступу.

Майбутнє вже тут

Якщо дивитися правді в очі, то ймовірність експансії Li-Fi велика вже в найближчі п’ять років. Для цього вже зараз є багато передумов не тільки технічного характеру, але також у запитах суспільства, його підготовленості та наявності базової інфраструктури. Відомо, що енергоефективність, яка вже сьогодні перебуває в тренді, надалі тільки набиратиме обертів, а це означає неминучий попит на таку продукцію. Той самий Wi-Fi, за всіх його сильних сторін, має мізерний ККД, якщо розглядати його з погляду техніки – лише 5-7%. У діодах же при виконанні пов’язаного завдання освітлення і передачі даних сукупний ККД починається від 65%, і вже відомо, що в найближчому майбутньому він зможе досягати 90%.

Комп’ютеризація суспільства, збільшення кількості переносних гаджетів і стаціонарної офісної техніки навіть зараз демонструють деяку неспроможність наявних систем. У випадку з передачею даних за допомогою світла ризик перевантаження мереж просто буде відсутній, а швидкість потоку інформації виявиться абсолютно незалежною від навантаження на систему, яке забезпечують колеги або сусіди.

Як було сказано вище, неймовірно важливим для швидкого поширення будь-якої нової технології є підготовленість суспільства та інфраструктури. За обома показниками у Li-Fi чудові перспективи. По-перше, світлодіоди сьогодні вже нікого не лякають, а встановлення ще пари-трійки невеликих електронних блоків у квартирі не стане ні для кого проблемою. По-друге, зовнішній вигляд самих ламп, які використовуються для цих цілей, майже нічим не відрізняється від знайомого. По-третє, мережу енергорозподілу не потрібно ніяк готувати: у будь-якому будинку достатньо світильників і розеток, щоб підключити все необхідне обладнання.

Особливий інтерес до цієї технології ось уже 10 років виявляють у Китаї та Німеччині. У Піднебесній вдалося під’єднати до інтернету зі швидкістю 150 Мбіт/с аж чотири комп’ютери, використовуючи лише один світлодіод з потужністю в 1 Вт, а німці змогли передавати інформацію за 800 Мбіт/с ще в 2011-му році. Сьогодні ж у цій царині спостерігається помірне затишшя, що багато експертів пов’язують з анонсом революційного прориву, який ретельно готують, вже найближчим часом.