`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Li-Fi — передача данных с помощью видимого света

+11
голос

Li-Fi обозначает Light Fidelity. Это технология беспроводных оптических сетей, которая для передачи данных использует светодиоды. Технология относится к классу коммуникаций в видимом спектре света (VLC) и использует среду передачи во многом подобно Wi-Fi. По сравнению с последней, у нее лучшая полоса пропускания, эффективность, доступность и безопасность.

Основателем Li-Fi и автором термина считается профессор Харальд Хаас (Harald Haas), заведующий кафедрой мобильной связи в Университете Эдинбурга. Он продемонстрировал прототип Li-Fi на конференции TED Global в Эдинбурге 12 июля 2011 года. Проф. Хаас использовал настольную светодиодную лампу для передачи видео цветущего цветка, которое затем проецировалось на экран. Во время доклада он периодически блокировал свет от лампы рукой, чтобы показать, что лампа действительно является источником видеоданных. Li-Fi можно рассматривать как Wi-Fi на основе света, то есть вместо радиоволн технология использует видимый свет для передачи данных. Взамен Wi-Fi-модемов Li-Fi будет использовать трансиверы со светодиодами и фотодиодами, которые могут освещать комнату, а также передавать и получать данные.

Технологии не присущи такие недостатки Wi-Fi, как снижение надежности сигнала при большом количестве ТД и объеме трафика, и высокая уязвимость, поскольку в отличие от Wi-Fi свет не проникает за стены помещения. В то же время, поскольку ширина спектра видимого света в 10 тыс. раз больше, чем ширина радиоспектра, емкость сети становится намного большей. Технология также энергоэффективна, так как светодиоды поглощают очень мало энергии.

В самом простом случае передача двоичных данных может быть осуществлена с помощью включение и выключения светодиода. Поскольку смена состояний может происходить менее чем за 1 мкс, то для человеческого глаза светодиод будет казаться постоянно включенным. Данные могут кодироваться с помощью разной скорости миганий светодиода, что позволяет получать разные строки 1 и 0. Чувствительный фотодиод получает сигнал и преобразует его в двоичные данные (рис. 1). Этот метод использования быстрых импульсов света для беспроводной передачи данных технически относится к связи с помощью видимого света (VLC). Термин Li-Fi прозрачно намекает, что технология потенциально может конкурировать с Wi-Fi. VLC использует видимый свет в диапазоне 400 ТГц (780 нм) — 800 ТГц (375 нм) в качестве оптического носителя для передачи данных и освещения.

При использовании высокоскоростных светодиодов с соответствующей схемой модуляции могут быть достигнуты скорости передачи выше 3 Гб/с от одного источника. Параллельная передача данных с помощью массивов светодиодов, каждый из которых передает отдельный поток, может увеличить скорость передачи.

Li-Fi — передача данных с помощью видимого света

Рис. 1. Схема работы Li-Fi

Остановимся теперь на некоторых технических аспектах и схемах модуляции. Но прежде рассмотрим, чем Li-Fi отличается от VLC.

VLC использует светодиоды для передачи двоичных данных с помощью изменения интенсивности излучения (Intensity Modulation, IM). На приемнике сигнал определяется фотодиодом с использованием принципа прямого детектирования (Direct Detection, DD). VLC задумывалась как техника связи точка—точка, по сути, как замена кабеля. Это привело к ранней стандартизации VLC как части стандарта IEEE 802.15.7. Теперь этот стандарт пересмотрен, и он включает Li-Fi. В отличие от VLC стандарт Li-Fi описывает двунаправленную многопользовательскую связь, другими словами, связь точка—многоточка и многоточка—точка. Li-Fi включает также множественные ТД, образующие беспроводную сеть очень малых оптических аттоячеек (attocell) с бесшовной эстафетной передачей. Это значит, что технология обеспечивает полную мобильность пользователя и поэтому образует новый слой внутри существующих гетерогенных беспроводных сетей (рис. 2). Тот факт, что светодиод является естественным формирователем луча, позволяет локально ограничить сигнал Li-Fi и блокировать его непрозрачными стенками.

Li-Fi — передача данных с помощью видимого света

Рис. 2. Подключение устройств к сети Li-Fi в комнате

Переходя к технике модуляции, необходимо отметить, что поскольку Li-Fi по сути использует электромагнитное излучение для передачи данных, то здесь могут быть применены используемые для радиочастотной связи методы с необходимой модификацией. Более того, благодаря использованию для беспроводной связи видимого света в Li-Fi могут быть реализованы уникальные и специфические форматы модуляции.

При модуляции одной несущей (Single-Carrier Modulation, SCM) широко используемые схемы включают амплитудную манипуляцию (On-Off Keying, OOK), фазово-импульсную модуляцию (Pulse Position Modulation, PPM) и амплитудно-импульсную модуляцию (Pulse-Amplitude Modulation, PAM). OOK является одной из хорошо известных и простых схем модуляции, и она обеспечивает хороший компромисс между производительностью системы и сложностью реализации. Хотя из ее природы следует, что OOK передает данные последовательно включая и выключая светодиод, схема может по своему существу обеспечивать поддержку уменьшения силы света (димминг). Как указано в стандарте IEEE 802.15.7, димминг может быть достигнут за счет настройки уровней вкл./выкл. или применения компенсации символа. Димминг за счет настройки уровней вкл./выкл. светодиода может сохранять тот же темп передачи данных, однако дальность надежность связи будет уменьшаться при низких уровнях уменьшения силы света. С другой стороны, димминг с помощью компенсации символа может быть достигнут вставкой дополнительных импульсов вкл./выкл., чья длительность определяется желаемым уровнем снижения интенсивности света. Поскольку максимальная скорость передачи данных достигается при уровне уменьшения силы света на 50%, предполагающем равное количество 1 и 0 в среднем, увеличение или уменьшение яркости светодиодов будет вызывать снижение скорости передачи.

PPM кодирует данные, используя положение импульса внутри установленного отрезка времени. Длина отрезка времени должна быть достаточно большой, чтобы позволить различать разные положения импульсов. По сравнению с ООК, метод РРМ является более энергоэффективным, но имеет более низкую спектральную эффективность. Вариант РРМ, называемый изменяемая фазово-импульсная модуляция (VPPM), может обеспечить поддержку димминга посредством изменения ширины импульса сигнала, соответствующей определяемому уровню яркости. Поэтому VPPM можно рассматривать как комбинацию РРМ и широтно-импульсной модуляции (PWM).

Поскольку требования к скорости передачи данных в сетях Li-Fi растут, схемы модуляции одной несущей, такие как ООК, РРМ и РАМ, начинают страдать от нежелательных эффектов, включающих нелинейную дисторсию сигнала от светодиода и межсимвольную интерференцию, вызванную избирательностью по частоте в дисперсивных оптических беспроводных каналах. Поэтому для обеспечения высокоскоростной оптической беспроводной связи начали применять модуляцию нескольких несущих (MCM). По сравнению с SCM, MCM является более широкополосной, но менее энергоэффективной. Одной и, пожалуй, наиболее используемой реализацией МСМ в сетях Li-Fi является OFDM — мультиплексирование с разделением сигналов по ортогональным частотам, при котором параллельные потоки данных передаются одновременно с помощью набора ортогональных поднесущих, где сложное формирование амплитудно-частотных характеристик может быть опущено. Если количество ортогональных поднесущих выбирается так, что ширина полосы модулированного сигнала меньше, чем ширина полосы когерентности оптического канала, то каждый подканал может рассматриваться как плоский канал с замиранием (смысл ширины полосы когерентности заключается в том, что в диапазоне частот, который значительно меньше, чем ширина полосы когерентности, частотная характеристика канала может считаться плоской, т.е. она не сильно изменяется). Поэтому в данном случае могут применяться уже разработанные техники для плоских каналов с замиранием.

В Li-Fi используются также и специфические схемы модуляции. Поскольку трансмиттеры Li-Fi разрабатываются, вообще говоря, не только для беспроводной связи, но и для освещения, которое может быть реализовано либо с использованием синих светодиодов с желтым фосфорным покрытием, либо с помощью смеси цветов от разноцветных светодиодов. Лампы, оборудованные многоцветными светодиодами, могут предоставить дополнительные возможности для модуляции и определения сигнала в системе Li-Fi.

Модуляция с помощью манипуляции цветом (Color Shift Keying, CSK) является по сути схемой модуляции интенсивности (IM), в которой сигналы кодируются интенсивностью излучаемых светодиодами RGB-цветов. У CSK двойное преимущество над IM. Первое, поскольку гарантируется постоянный световой поток, отсутствует эффект мигания на всех частотах. Второе, постоянный световой поток влечет почти постоянный управляющий ток светодиодов, который уменьшает возможный пусковой ток при модуляции сигнала и таким образом повышает надежность светодиодов.

Будучи широкополосной беспроводной технологией, Li-Fi может обеспечить одновременный доступ к сети множеству пользователей. При использовании передатчиков с угловым разнесением может быть реализована схема оптического множественного доступа с пространственным разделением (Space Division Multiple Access, SDMA). По сравнению с оптическим множественным доступом с разделением по времени (TDMA), SDMA может достичь десятикратного увеличения пропускной способности в сети Li-Fi. OFDM обеспечивает более простой метод множественного доступа, а именно, множественный доступ с разделением по ортогональным частотам (OFDMA), где пользователи обслуживаются и разделяются множеством ортогональных поднесущих.

В целях повышения пропускной способности для пользователей периферийных сот радиочастотных систем связи был предложен неортогональный множественный доступ (NOMA). Используя широковещательную природу светодиодов, было показано, что производительность сети Li-Fi может быть улучшена, если использовать NOMA. Отличная от общепринятых технологий OFDMA, NOMA может обслуживать увеличенное количество пользователей посредством распределения неортогональных частотных ресурсов, и она рассматривается как обещающая технология для беспроводной связи 5G. Для NOMA имеются разные схемы мультиплексирования.

Для примера рассмотрим мультиплексирование в домене мощности для одного светодиода. В этой схеме для подавления взаимных помех между пользователями на стороне приемника используется последовательное подавление помех (Successive Interference Cancellation, SIC). Базовые принципы нисходящего канала для этой схемы показаны на рис. 3.

Li-Fi — передача данных с помощью видимого света

Рис. 3. Иллюстрация принципа NOMA для двух пользователей

Здесь светодиод в широковещательном режиме передает суперпозицию сообщений для группы пользователей. В соответствии со схемой мультиплексирования в домене мощности суперпозиция сигналов представляется как сумма сигналов, каждый из которых умножен на весовой коэффициент. Поскольку линия прямой видимости внутри помещения в значительной степени детерминирована и сильно связана с эвклидовой длиной передающего канала, то отношение сигнал/(взаимные помехи + шум) (SINR) может значительно флуктуировать между пользователями. Исходя из этого, определяется зашумленный сигнал и подавляется в убывающем порядке значения SINR на каждом приемнике. Кроме того, в процессе определения сигнала зашумленный сигнал, мощность которого меньше, чем мощность полезного сигнала, трактуется как шум.

Поскольку в сети Li-Fi области покрытия для соседних ТД накладываются, то при организации множественного доступа прямое применение схемы NOMA не эффективно. Одним из обещающих решений для улучшения производительности является комбинация схем NOMA и SDMA, на деталях которой здесь останавливаться не будем.

Наряду с преимуществами Li-Fi, как и многим другим технологиям, присущ и ряд недостатков. Основной из них тот, что свет не может проходить через препятствия. Проблемами также являются надежность и покрытие сети. Ее работу могут затруднять внешние источники света, такие как солнце, обычное электрическое освещение, непрозрачные предметы на пути распространения сигнала. Таким образом, Li-Fi вряд ли заменит когда-нибудь Wi-Fi — она может служить лишь в качестве дополнения.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT