Если применить закон перехода количественных изменений в качественные к светотехнике, то можно предположить, что светодиодные технологии находятся на пороге больших изменений. Постепенно развиваясь с 1962 г., светодиодное освещение получило массовое распространение в последние 10 лет, став привычным явлением в каждом доме. Современные наработки ученых предсказывают расширение функционала LED-источников в области цифровой связи для передачи данных между умными устройствами. У любой новой технологии существуют свои достоинства и недостатки, поэтому главным вопросом будущего светотехники станет жизнеспособность нового функционала.
Технология под названием «Коммуникации с использованием видимого света» в мире обозначается как VLC (Visual Light Communication). В нашей стране чаще всего используют не совсем верный термин «световой Интернет». Давайте разберемся в том, что принципиально нового несет нам данная разработка.
История: с чего всё началось
Если задуматься, то идея далеко не нова. Например, передавать сигналы бедствия с помощью света от костров человечество начало еще в незапамятные времена. Думаю, самым наглядным примером будет всем известная сцена из фильма «Властелин Колец». Вспомните момент, когда свет пламени костров получил цепное распространение и призвал всадников Рохана на помощь.
Более реалистичный пример передачи визуальных сигналов до сих пор распространен на флоте. Для отправки секретной информации между кораблями моряки используют простой и надежный прибор — сигнальный фонарь (или, как его еще называют в мире, «лампу Олдиса»). Данное устройство выглядит как большой прожектор со шторками. Передача сигналов ведется короткими и длинными проблесками по азбуке Морзе.
Очевидно, что приведенные примеры имеют сильное ограничение в объеме и скорости передаваемых данных. Данную проблему пытался решить известный изобретатель Александр Бэлл (Alexander Graham Bell), сконструировав в 1880 г. «фотофон» (рис. 1). Это устройство еще до изобретения телефона передавало голос говорящего на несколько сотен метров, используя модулированный солнечный свет 9. Конечно, система была далеко не идеальна. Она работала только днем и только при наличии солнечных лучей, а также была плохо защищена от внеш- них помех и погодных условий. Однако, несмотря на это, «фотофон» положил начало развитию волоконно-оптических линий связи, без которых сегодня не было бы высокоскоростного Интернета.
Рис. 1. Принцип работы фотофона Белла
 |
| Рис. 2. Передача данных между телефонами через ИК-порт |
Более поздние устройства, использующие свет для передачи данных, прекрасно помнят владельцы первых телефонов с ИК-портами.
До существования современных беспроводных технологий ИК-порты были чуть ли не единственным возможным способом передать файлы между мобильными телефонами.
Для этого применяли невидимые глазу ИК-волны — принцип, широко используемый в пультах управления. Технология требовала много времени и минимального расстояния между телефонами для передачи файлов, но стабильно работала.
И вот, годы спустя, человечество вновь вернулось к вопросу передачи данных с помощью света, на этот раз видимого. Так для чего потребовалось изобретать новые возможности для передачи информации, когда самые распространенные технологии связи Wi-Fi и Bluetooth прекрасно справляются со своей задачей?
Для чего изобретать велосипед, когда есть Wi-Fi и Bluetooth?
Нарастающая популярность
Многие эксперты считают (и я вынужден с ними согласиться), что человечество входит в новую эпоху кибернетической революции. Без сомнения, совсем скоро вокруг нас появится огромное количество всевозможных «умных» устройств: не только телефоны, планшеты и часы, но также очки, кольца, браслеты, колонки, игрушки и прочие девайсы.
Следуя потребностям общества, поумнеет бытовая техника, мебель и средства передвижения. Все эти устройства будут служить точками сбора информации о своих пользователях, передавая собранные данные в логические центры искусственного интеллекта. После обработки данных «умная» техника сможет подстраивать свою работу под поведенческие характеристики владельца.
Данный концепт носит название «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT), и он вполне реален.
Рис. 3. Кратко об Интернете вещей
Проблема
Очевидно, что в таком кибернетическом мире потребуется очень широкий и надежный канал передачи данных, который сможет «осилить» весь объем передаваемой информации. Не исключено, что в ближайшие 10 лет на каждого «продвинутого» пользователя потребуется выделить скорость, измеряемую десятками Гбит/с. Существующие сети могут стать настоящим «бутылочным горлышком» развития таких технологий.
Чтобы качественно увеличить пропускную способность передаваемой информации, а также научить устройства общаться друг с другом без участия серверов, многие ученые уже сейчас активно работают над технологией передачи данных с помощью света. С недавних пор это стало реальным благодаря массовому внедрению светодиодов.
Существующие сети станут «бутылочным горлышком» развития новых технологий
Светодиод не имеет разрушающих его переходных процессов, как, например, лампа накаливания, и сам по себе работает дискретно, включаясь и выключаясь с высокой частотой, незаметной человеческому глазу. Кстати, именно это свойство светодиода делает его таким энерго-эффективным.
Как работает «световой интернет» (VLC)
 |
| Рис. 4. Принцип работы технологии visual light communication (VLC) |
Принцип работы
Я постараюсь простым языком описать принцип работы технологии VLC. Он заключается в управлении частотой мерцания светодиода, кодирующей цифровой сигнал в видимый свет. При этом наблюдатель не может заметить визуальной разницы между обычным светильником и светильником, передающим данные.
На принимающей стороне должен быть расположен фотодиод (например, камера фотоаппарата) (рис. 4). Кодированием и декодированием сигнала занимаются компактные микропроцессоры 5.
Применяя в одном светильнике как светодиод, так и фотодиод, их можно соединить «каждый-с-каждым». Это позволит обходиться без единого роутера, ретранслируя сигнал между устройствами в любую сторону.
Применение
По типу применения различается оборудование VLC для внутреннего (indoor) и внешнего (outdoor) использования.
- Indoor
Технология для уличного использования называется Free-Space Optics (FSO) и применяется чаще всего мобильными операторами и силовыми структурами для временной организации канала связи, а также там, где прокладка кабеля связи технически невозможна 2.
- Outdoor
Более интересная нам технология коммуникации внутри помещения носит название Li-Fi (Light Fidelity, по аналогии с Wi-Fi).
Скорость
На сегодня скорость передачи данных по Li-Fi достигает среднего показателя 150 Мбит/с и зависит от расположения устройств, мощности применяемых светодиодов, а также методов кодирования сигнала. В прошлом году ученым из Саудовской Аравии удалось добиться скорости передачи в 2 Гбит/с 10. Работа в этой области только началась, поэтому следует ожидать достижения скоростей порядка 10-20 Гбит/с. Очень перспективные показатели.
Очевидные недостатки
Чтобы не быть сверх оптимистичными в описании данной технологии, давайте перечислим очевидные недостатки
1. Требует прямого канала передачи
В отличие от радиоволн, которые проходят сквозь стены, свет источника ограничен пределами его видимости. Чтобы обеспечить равномерное покрытие, например в квартире, требуется установить дублирующие или ретранслирующие светильники в каждой комнате. Если говорить об уличном использовании технологии, то плохие погодные условия, особенно снег или туман, будут препятствовать передаче данных
2. Расстояние имеет значение
Максимальную скорость передачи данных можно достичь в непосредственной близости от источника света. При удалении от источника скорость будет нелинейно падать 4. На расстоянии 2 м (это средняя высота расположения светильника в помещении) скорость будет составлять около 40 Мбит/с. Максимальная дальность передачи не превышает 50 м 13.
3. Нужен мощный источник
Для обеспечения качественной двусторонней связи оба устройства должны обладать мощным источником света. Это накладывает свои ограничения на использование технологии в мобильных девайсах. На данный момент смартфоны оснащены маломощной вспышкой, расположенной на тыльной стороне устройства. Такой источник большое количество данных передать не может. При этом применение более мощного «передатчика» делает систему слишком энергозатратной для портативного гаджета.
4. Отсутствует аппаратная часть
Следствием предыдущего пункта является существующая потребность в разработке и внедрении дополнительной аппаратной части для устройств, использующих Li-Fi: таких, например, как мощный светодиод и чувствительный фотодиод. Это требует дополнительных затрат со стороны производителей, что скажется на увеличении стоимости девайсов.
Весомые преимущества
Без сомнений, трудности, с которыми придется столкнуться данной технологии, велики. Однако достоинства могут перевесить.
Высокая пропускная способность
На основе собственного опыта хочу заверить, что использование Wi-Fi в офисе со 120 сотрудниками, у каждого из которых есть как минимум смартфон и планшет, — сомнительное удовольствие. При этом визуальный спектр частот в 10 000 раз шире, чем радиоспектр 4. Множество IoT-устройств смогут использовать данную технологию без потери качества передаваемых данных.
Не создаёт электромагнитное поле
Второе достоинство Li-Fi вытекает из еще одного недостатка радиоволн. Передавать данные по радиоканалу нельзя вблизи чувствительного электронного оборудования, например лабораторных приборов или навигационной системы самолета.
Кроме того, некоторые частоты имеют право использовать только военные, что особенно актуально в нашей стране.
Безопасность передаваемых данных
Другое достоинство технологии является, как ни странно, следствием ее главного недостатка: прямого канала связи. Такая система имеет гораздо лучшую степень защиты, так как для перехвата данных злоумышленнику требуется попасть под прямой луч света, что может быть весьма затруднительно.
Принят международный стандарт
Хотя технология существует относительно недавно и до сих пор находится в начале своего пути развития, международная ассоциация по сертификации уже приняла международный стандарт для VLC, который называется IEEE 802.15.7 3.
Кроме того, энтузиасты разработали платформу с открытым исходным кодом под названием OpenVLC 8, которая поможет быстро внедрить Li-Fi повсеместно. А если стандарты уже утверждены, то стоит дождаться лишь интеграторов, которые рано или поздно реализуют систему в коммерческих проектах.
Односторонняя передача данных
Уже на данном этапе развития систему VLC можно применить для построения односторонней передачи данных. Например, для навигации посетителей внутри помещений, используя светильники для передачи сигналов координат и смартфоны для вычисления местоположения пользователя.
Это напоминает работу системы GPS, однако, в отличие от нее, система VLC может использоваться внутри помещений. Такое применение выдает феноменальную погрешность — всего в 30 см 6. Систему могут успешно использовать гипермаркеты, торговые центры и большие логистические склады.
Дешевизна и надёжность
Обязательно следует отметить сравнительную дешевизну и надежность системы VLC. Даже если учитывать комплектацию светильников дополнительными модулями приема/передачи данных, эти затраты могут окупиться за счет экономии электроэнергии и отсутствия дополнительных кабельных линий.
Более того, однажды внедрив микропроцессор в светильник, дальнейшую модернизацию системы можно производить программно.
Отсутствие влияния на человека
Немаловажным пунктом является отсутствие вредного влияния светодиодного освещения на здоровье человека, в то время как учеными доказано пагубное влияние радиоволн.
В медицине даже существует понятие «радиоволны профессиональной вредности» 15.
Использование под водой
Заключительным достоинством системы является возможность использования под водой для связи дайверов и субмарин, где невозможно применение стандартных методов связи 4.
Вывод
Суммируя все позитивные и негативные факторы, можно уверенно сказать, что развитие системы VLC существенно скажется на появлении новых путей взаимодействия как между машинами (M2M), так и между машинами и людьми (Human-Computer Interaction, HCI). Это, в свою очередь, откроет новые пути применения технологии и даст толчок развитию соседних областей.
Световой интернет создаст новые взаимоотношения между машинами и людьми
Опубликовано в журнале «Полупроводниковая светотехника» №6'2017.
Автор Артём Макаров
Список использованных источников
1 rbc.ru
3 standards.ieee.org
6 youtube.com
7 electronicsweekly.com
9 wikipedia.org
10 luxreview.com
11 luxreview.com
12 www.disneyresearch.com
14 ledsmagazine.com
15 medical-enc.ru
Список литературы
2 С. Кузнецов, Б. Огнев, С. Поляков. 4,5 километра FSO-соединения с операторской надежностью // Технологии и средства связи. 2008. № 6.
4 Alam Muhammad, Ferreira Joaquim, Fonseca Jos . Visible Light Communication for Cooperative ITS. Ch. 2 // Springer International Publishing. 2016.
5 Serafimovski Dr. Nikola. Facts of Li-Fi // Lighting Journal. 2014. № 16.
8 Wang Qing, Giustiniano Domenico, Gnawali Omprakash. Low-Cost, Flexible and Open Platform for Visible Light Communication Networks // The 2nd ACM Workshop on Hot Topics in Wireless. Paris, 2015.
13 Kumar Navin. Visible Light Communication Based Traffic Information Broadcasting Systems // International Journal of Future Computer and Communication. 2014. Т. 3.
