Направи дарение на училище!

Автори: проф. Борис Йовчев и магистър инж. Росица Младенова

Анотация:

Дава се информация за същността на тази нова технология създадена от професор Харълд Хаас от Университета на Единбург, като се прави преглед на провежданата НИРД от различни фирми и научни организации по света, за нейното усъвършенстване и пазарно реализиране;  при технологията Li-Fi информацията се предава чрез модулиране на интензитета на излъчваната светлина от  LED-осветител, поради което не се консумира допълнителна енергия. Тази технология разширява ограничения капацитет на радиодиапазона (RF) и е предназначена да осигури необходимите все по-високи скорости на обмен на данни при нарастващите потребности на цифровите комуникации; Показани са нейните основни, функционални предимства и са посочени примери на приложението й, както  и основните предизвикателства, свързани с предстоящи за решение технически проблеми и доработване, за да се ускори нейното масово извеждане на пазара.

Като се има предвид перспективното значение на Li-Fi  технологията, отправен е апел пред научната и техническа общественост за организиране на съответна НИРД и в България за нейното усвояване.

Разбери повече за БГ Наука:

***

LI-FI – NEW TECHNOLOGY OF WIRELESS HIGH SPEED DATA COMMUNICATION OF DIGITAL INFORMATION ON THE BASE OF LED RADIATED VISIBLE LIGHT

prof. Boris Jovchev

grad. eng. Rositza Mladenova

Annotation:

This Paper presents information about the new technology, developed by prof. Harald Haas and his team at the University of Edinburgh, and review of the R&D works of different companies worldwide to lead it to the market. The information transmission is performed through the LED infrastructures radiated visible light intensity modulation without additional power consumption. Li-Fi technology increases the capacity of the mobile communications, which speed is restricted by the narrow-band RF spectrum. The paper reveals the technology’s base functional advantages and applications challenges concerning its market realization.

The main purpose of this Report is to provoke interest in Bulgarian science and technical societies to start R&D activities in the field of this advanced technology.

Keywords: Li-Fi,  visible light communications, VLC,  optical high speed wireless communications.

На всички е известна технологията Wi-Fi (Wireless Fidelity), която използва  радио вълни, за да достави безпроводен интернет достъп в нашите домове, училища, офиси и на обществени места. Станали сме доста зависими от това почти повсеместно обслужване. Но като радиотехнология, тя има своите ограничения по отношение на своето приложение. Обменяните информационни обеми нарастват ежегодно и изискват все по-високи скорости  на интернет услугите.  Понастоящем по съществуващите около пет милиарда мобилни телефони се изпращат  над  600 терабайта данни всеки месец. Ефективността на съвременните радиоклетъчни системи е с тенденция на насищане. Радиотехнологиите не са в състояние да отговорят на тези предизвикателства, поради своя ограничен честотен спектър.

Това налага прехода към оптическия обхват, за да се постигнат необходимите скорости за обработка и предаване на увеличените потоци от данни,  обменяни в цифровите мрежи.

С бурното развитие на микроелектрониката и прогреса в производството на  светодиодите,  се ражда една  нестандартна идея за  предаване на данни чрез използване на видимата светлина.
Електромагнитен спектър и скорост на предаване на данни

Фиг. 1 . Електромагнитен спектър

От Фиг. 1 се вижда, че радиочестотният диапазон представлява само малка част от електромагнитния спектър, който не може да осигури необходимите честоти за пренасяне на нарастващия обем на информационните потоци.

Инфрачервената светлина, заради изискванията за безопасност на очите, се използва само при ниска мощност, която е недостатъчна за осигуряване на високи предавателни скорости на големи разстояния.

Спектърът  на видимата светлина е 10 000 по-голям от този на радиодиапазона – 400 THz (780 nm) до 800 THz (375 nm).

Предаване на информация на базата на видимата светлина

През 1880 година известният учен и изобретател на телефона Александър Бел прави опити да предава речеви сигнал посредством модулиран слънчев лъч с апарат, наречен от него Фотофон. Но неопределеността на предизвикателствата на слънчевата светлина го отказва от тази идея. (Фиг.2)

Фиг.2. Фотофонът на Александър Бел

След повече от 100 години, проф. Харълд Хаас от Университета на Единбург, Шотландия, осъществява идеята на Бел чрез управляема изкуствена светлина, излъчвана от светодиоди.

През 2011 г., проф. Харълд Хаас предлага безжична технология за предаване на информация на базата на видимата светлина, наречена от него по аналогия с Wi-Fi  (Wireless Fidelity) – Li-Fi (Light Fidelity).

Своята идея той представя на конференцията Technology, Entertainment, Design – TED Global  2011, проведена в Единбург.

Фиг.3. Демонстрационната постановка представлява настолна светодиодна лампа, чрез която се излъчва видео картина към екран.

 Фиг. 4. По време на демонстрацията си проф. Хаас периодично закрива светлината от лампата, за да демонстрира, че тя е носител на предаваните данни. 

“ Моята идея е да превърна осветителните тела и в широколентови комуникационни устройства… така, че те не само да осигуряват осветление, но и да допринасят по-съществени ползи“ – казва проф. Хаас.

Идеята на проф. Хаас се състои в това, че видимата светлина може да бъде използвана за високоскоростно предаване на данни с много по-голям капацитет в сравнение с традиционните радио вълни.

Li-Fi, подобно на Wi-Fi, дава възможност на  електронните устройства от рода на компютри, лаптопи, смартфони, а също така с принтери, телевизори, слушалки и др., безпроводно да се обединяват в мрежа в рамките на стая, етаж, дом и да се свързват чрез Интернет с целия свят; С други думи  Li-Fi е еквивалентна на  Wi-Fi, но използва светлинни лъчи вместо радио вълни. (Фиг. 5)

 Фиг. 5. Илюстрация за обмен на данни по Интернет, осигуряван от интелигентни LED лампи, с вградени чипове за обработка на сигналите.

В основата на Li-Fi технологията са светодиодни лампи, които бързо изместват лампите с нагреваема жичка. Компаниите, производители на осветителни тела, преживяват истинска революция с развитието на светодиодите. С малката си консумация на енергия, по-дългия си експлоатационен период и възможността да предават едновременно информация с много високи скорости, светодиодите  се явяват решение, което се изправя пред предизвикателството за намаляване на въглеродните емисии в световен мащаб. Продажбата на осветителни тела на базата на светодиоди бележи впечатляващ ръст през последните години.

Tази иновативна технология се развива на базата на микро светодиоди, разработвани под ръководството на професор Мартин Даусън от Университета в  Стратклайд.  Проектът, наречен  “Ultra-parallel visible light communications (UP-VLC)”  се финансира от Engineering and Physical Sciences Research Council – EPSRC (Съвет за  Изследвания в областта на техническите  и физическите науки). Сумата е 4,6 милиона паунда за периода 2012г – 2016г. Изследователите са разработили на основата на галиев нитрид светодиоди с микронни размери, способни да се включват и изключват  хиляда пъти по-бързо в сравнение с конвенционалните светодиоди, благодарение на което  данните се предават с много висока скорост.  Хилядa микро светодиода могат да се поместят на площ  1 мм² и всеки от тях  ще представлява отделен канал за свръзка.

Микро светодиодите могат да представляват неголеми пиксели. А един голям пиксел, съставен от светодиоден масив ще се използва като дисплей за излъчване на информация и едновременно ще изпълнява функция на осветление и  точка на достъп до Интернет.

Принцип на  работа на Li-Fi

В основата на технологията  Li-Fi се използва възможността на светодиодите да се включват и изключват при много високи скорости и невъзможността на човешкото око да възприема бързите промeни в интензивността на светлината.  Невъоръженото човешко око не може да реагира  на  повече от 15 трептения на светлината в секунда.

Посредством бързото включено/изключено състояние на светодиода се предават данни в двоичен код: включено – логическа „1“, а изключено – логическа „0“. Концептуално този процес е подобен на кода на Морз.

На Фиг. 6 е илюстриран принципът на управление на светодиодна лампа. Постъпващата от  Интернет информация се подава  като управляващ сигнал (кодираща последователност) на драйвер, който включва и изключва светодиодна лампа с висока честота. Фотодетектор фиксира  слабите изменения в интензивността, преобразува ги в електрически сигнали, декодира ги,  след което  възстановената информация се подава на компютър,  мобилно или друго устройство.

             Фиг. 6.  Еднопосочно предаване на информация чрез видима светлина, излъчвана от светодиодна лампа.

За осъществяване на двупосочна свръзка, в компютрите и другите устройства трябва да са вградени оптични  предавател и приемник.

При радиокомуникациите са необходими антени и сложни радиопредаватели и приемници, докато Li-Fi е много по-проста и използва принципа на директна модулация.

Методи за постигане  на високоскоростно предаване на данни чрез  Li-Fi

Високите скорости на обмен на данни могат да се постигнат на базата на светодиоди с високочестотни характеристики.

За своята революционна идея проф. Хаас използва, разработени от него и колегите му,  методи за електронно обработване и предаване на светлинните сигнали, излъчвани от светодиодни лампи. Осигурява се възможност за паралелно предаване на потоци информация със скорост, зависеща от броя на използваните светодиоди. Скоростите на предаване на данни могат драстично да се повишат  чрез паралелно използване на честотите на червени, зелени и сини светодиоди, като всяка честота кодира различен информационен канал.

Разлика между  Li-Fi и Wi-Fi

– Wi-Fi използва рутери;

– Li-Fi използва светодиодни лампи с вградени приемник и предавател. Всяка светодиодна лампа може да служи като точка за достъп до Интернет. (Фиг.7)

        Фиг.7. Илюстрация на принципите на комуникация чрез Wi-Fi и Li-Fi

– Електромагнитното излъчване (EMI) на Wi-Fi смущава електроннитe апаратури, което представлява опасност за самолетите, за операционните зали в болниците, за атомните централи  и др.;

– Li-Fi използва светлинни лъчи, които не създават електромагнитни смущения и са безопасни за електронните устройства.

Li-Fi технологията не е предназначена да замени радио- или физическите линии за комуникация, като  например Wi-Fi, WLAN, PowerLAN и др. Тя е предназначена за предаване на данни, там където не е допустимо да се използват радиомрежите и физическите канали.  Li-Fi е допълваща технология, която ще помогне да се отговори на нарастващите нужди на мобилните комуникации от разширяване на честотния спектър, за високоскоростно предаване на данни.

Изследователска дейност  и практически резултати в областта на  Li-Fi технологията

През октомври 2011 година няколко фирми от Германия, Норвегия, Израел и САЩ  се обединяват в Li-Fi Консорциум, с цел развитие и довеждане до пазара на перспективната Li-Fi технология. В консорциума са уверени във възможността чрез Li-Fi технологията да се достигнат по-високи скорости от 10 Gbps.

Паралелни изследвания в областта на Li-Fi оптични безпроводни свръзки се провеждат в Обединеното Кралство, Южна Корея, Франция, Япония, Китай и др.

През 2012 година е основана фирмата pureLi-Fi, партньор на Единбургския университет (UoE). Проф. Харалд Хаас е Изпълнителен директор по научните въпроси (Chief Scientific Officer) във фирмата.

През 2013 година pureLi-Fi създава редица партньорски отношения с ключови сегменти от промишлеността и завършва годината  със значителни резултати на етапите по изследване и разработване на прототипи.

– В началото на август 2013 г. е обявено реализирането на първата в света високоскоростна, двупосочна Li-Fi система,  разработена от  Университета в Единбург  (UoE), в изследователско сътрудничество с някои от водещите  университети   във Великобритания, в частност: Strathclyde, St. Andrews, Oxford, и Cambridge по Проекта “Ultra-parallel visible light communications (UP-VLC)” Постигната е скорост 3 Gbps с единствен микро светодиод, разработен  в Университета  Стратклайд.

– На 10.09.2913 г. pure Li-Fi анонсира друго постижение, доказващо, че Li-Fi не изисква обезателна пряка видимост между предавателя и приемника, дълго време смятано за Ахилесовата пета на Li-Fi технологията. Li-Fi може да работи и с разсеяна светлина (включително отражения). Върху проекта е работено съвместно с водещ производител на реактивни двигатели в Обединеното Кралство и е демонстрирано, че  с отразените лъчи е възможно да се достигнат същите характеристики на високоскоростно предаване, както при пряка видимост.

• PureLi-Fi е първата компания, демонстрирала чрез Li-Fi технология високоскоростно предаване паралелно на 4 изображения, чрез отразена светлина. Това постижение отваря нови възможности за ускоряване на пазарната реализация на Li-Fi.

– на 20 март 2014 година pure Li-Fi анонсира, че в Центъра за проучване и разработване (Li-Fi R&D) на Единбургския университет са постигнати безпрецедентни скорости на предаване на данни чрез налични на пазара (‘off-the-shelf’) LED лампи, при намалена интензивност на светлината до нива, близки до изключено състояние. Това са случаите, когато не е необходимо осветление или при връзка на мобилно устройство с точка за достъп в интернет.  С това фундаментално постижение се осигурява висока енергийна ефективност при предаване на данни, чрез използване на светодиоди.

– През март по време на MWC 2014  (Световния конгрес по мобилни комуникации, Барселона) и CeBIT 2014,  pureLiFi  успешно  демонстрира първата в света системата Li-1^st. От януари 2014 година този продукт е вече на пазара и е търсен от индустриални потребители в целия свят. (Фиг.8.)

Фиг.8. Първият в света Li-Fi продукт на пазара – Li-1^st.

Отдясно се намира управляемата светодиодна лампа с драйвера (Ceiling Unit/Driver), която се фиксира на тавана. Отляво е приемникът (Desktop Unit) на светлинните лъчи, който е свързан с компютъра.

На фиг. 9 е проследен схематично принципът на работа на системата Li-1^st. Продуктът осигурява възможност на клиентите да оборудват и да тестват Li-Fi приложенията за евтини решения на обмен на данни при високи скорости, които използват предлагана на пазара светодиодна инфраструктура. Li-1^st предлага пълен дуплекс на свръзката с капацитет 5Mbps в двете посоки на разстояние до 3 метра, като същевременно осигурява осветление на помещението.

Фиг.9. Схема, илюстрираща организацията и принципа на работа на системата Li-1^st.

– На 8 април 2014 г. проф. Харалд Хаас и неговият екип са обявили друго постижение с Li-Fi, демонстрирайки скорост на предаване до 1,1 Gbps на разстояние 10 метра със светлина, излъчвана от микро светодиод. Консумираната мощност е по-малка от  0.5W. Това е само 5% от мощността на обикновена 10W светодиодна лампа, което потвърждава мнението, че силата на светлината може да бъде намалявана при запазване на високите скорости и далечината на свръзката.

Области на приложение на Li-Fi продукти

• Болници. Li-Fi не е източник на електромагнитни интерференции, не взаимодейства с медицинската апаратура и не се смущава от скенерите за Електромагнитен резонанс.  Като резултат, отпада необходимостта от екранирани кабели. Axiomtek Europe е представила Li-Fi продукт за медицината на изложението Embeded World в Нюрнберг, Германия.

• Големи магазини. Търсенето на артикул в голям магазин или Мол се улеснява чрез система за локализация – идентификация, която използва окачени на тавана светодиодни лампи. На всеки светодиод в осветителното тяло е присвоен локализиращ код. Осигурява се информация за мястото на желания артикул. Това решение се предлага от екип изследователи от Penn State and Hallym University в Южна Корея.

• Подводни дейности. Работата на водолазите се затруднява от кабелите, с които са свързани. Японската фирма Nakagawa Laboratories, предлага подводна Li-Fi система за свръзка на водолази: речта се преобразува и като модулиран светлинен лъч се предава на другия аквалангист.
• 12-ти Li-Fi Форум на  Li-Fi Консорциум – на проведения през февруари 2013 г. онлайн Форум на Li-Fi Консорциум, д-р Рик Робертс от Intel Labs, Oregon e направил презентация на камера, вградена в мобилен телефон, за приемане на VLC данни: Introduction to Camera Communication (CamCom).  Камерата е била представена  на конференцията Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), 2013 Fifth International Conference on, състояла се на 2-5 юли 2013г., с доклад:

Space-time forward error correction for dimmable undersampled frequency shift ON-OFF keying camera communications (CamCom); Roberts, Richard D. ; Intel Labs, Intel Corporation, Hillsboro, Oregon, USA

Други доклади, изнесени на същата конференция в областта на комуникации чрез видима светлина, са:

Demonstration of vehicular visible light communication based on LED headlamp

Jong-Ho Yoo ; Department of Electronic Engineering, Yeungnam University, 280 Daehak-Ro, Gyeongsan, Gyeongbuk, Republic of Korea ; Rimhwan Lee ; Jun-Kyu Oh ; Hyun-Wook Seo

Демонстриране на комуникации между автомобили чрез видима светлина на основата на LED лампи

Three-dimensional localization based on visible light optical wireless communication

Yang, Se-Hoon ; Dept. of Electrical and Electronics Engineering, Yonsei University, Seoul, South Korea ; Jeong, Eun-Mi ; Kim, Deok-Rae ; Kim, Hyun-Seung
more authors

Триизмерна локализация чрез оптична безжична комуникация, на основата на видима светлина.

Заключение

Да заредиш филм през настолната лампа, да влезеш в Google maps чрез светофара и да разбереш за задръстванията в трафика, да послушаш музика, като стоиш до осветените билбордове на улицата и много други — всичко това е възможно, благодарение на технологията Li-Fi, която осигурява безпроводен достъп до Интернет чрез осветителни светодиодни лампи. Вие можете да влезете в Интернет от своя лаптоп или смартфон от всяка точка на земното кълбо, без да търсите зона с висока скорост на връзката. За да работи Li-Fi, е достатъчен само източник на светлина от светодиод, снабден със специален чип. Няма нужда от антени, излъчващи мощни електромагнитни вълни, с голяма консумация на електроенергия.
Интегрирането на осветление и съобщителни услуги за обмен на данни генерира значителна редукция както на сложността на инфраструктурата, така също и на консумацията на електроенергия.

Използвана литература

1. Хаас, Harald. Wireless data from every light

bulb. TED.com

2. Li-Fi: ANew Paradigm in Wireless Communication.
3. Tsonev, Dobroslav, Sinanovic, Sinan, Хаас,

Harald. Enhanced Subcarrier Index Modulation

(SIM) OFDM, Institute for Digital Communications,

Joint Research Institute for Signal and Image

Processing, The University of Edinburgh, EH93JL, Edinburgh, UK.

4. O’Brien, Dominic. Visible light communications:

achieving high data rates,George Webster. http://

sma r t li ght ing.rpi .edu/ resources/PDFs /

Smart_Lighting_ERC_OBrien_11_02_08.pdf

5. LED LiFi System Points Shoppers in the Right

Direction. http://lighting.com/led-lights-lifi/

6. Webster, G. ‘Li-Fi’ provides a light bulb moment

for wireless web , CNN.

7. Li-Fi (Light fidelity)-LED Based Alternative. //International

Journal of Scientific& Engineering

Research, Volume 4, Issue 5, May-2013.

8.Nikola Serafimovski – pureVLC Demonstrates Li-

Fi Using Reflected Light. http://

www.finanznachrichten.de/nachrichten-2013-09/

27964295-purevlc-demonstrates-li-fi-using-reflected-

light-004.htm

9.The Li-Fi consortium reckons more than 10 Gbps

is possible. http://www.innovationtoronto.com/

2012/01/a-fast-and-cheap-optical-version-of-wifi-

is-coming/

10. http://purelifi.com/li-fire/purelifi-li-1st/

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!