Li-Fi

Li-Fi (همچنین به عنوان LiFi نوشته می شود ) یک فناوری ارتباطی بی سیم است که از نور برای انتقال داده ها و موقعیت بین دستگاه ها استفاده می کند. این اصطلاح اولین بار توسط هارالد هاس در طی یک سخنرانی TEDGlobal در سال 2011 در ادینبورگ معرفی شد .

Li-Fi یک سیستم ارتباطی نوری است که قادر است داده ها را با سرعت بالا بر روی طیف های نور مرئی ، فرابنفش و مادون قرمز انتقال دهد . در حالت کنونی، تنها از لامپ های LED می توان برای انتقال داده ها در نور مرئی استفاده کرد.

از نظر کاربر نهایی ، این فناوری مشابه Wi-Fi است – تفاوت فنی اصلی این است که Wi-Fi از فرکانس رادیویی برای ایجاد کشش الکتریکی در آنتن برای انتقال داده استفاده می کند، در حالی که Li-Fi از مدولاسیون شدت نور استفاده می کند. انتقال داده های Li-Fi قادر است در مناطقی که مستعد تداخل الکترومغناطیسی هستند (مانند کابین هواپیما ، بیمارستان) کار کند.

Li-Fi مشتق شده از فناوری ارتباطات بی سیم نوری (OWC) است که از نور ناشی از دیودهای ساطع نور (LED) به عنوان رسانه ای برای ارائه ارتباطات شبکه، موبایل و اینترنت پرسرعت به روشی مشابه Wi-Fi استفاده می کند . پیش‌بینی می‌شد که بازار Li-Fi از سال 2013 تا 2018 دارای نرخ رشد مرکب سالانه 82٪ باشد و تا سال 2018 بیش از 6 میلیارد دلار در سال ارزش داشته باشد. با این حال، بازار به این شکل توسعه نیافته است Li-Fi به صورت تزئینی باقیمانده است.

ارتباطات نور مرئی (VLC) با خاموش و روشن کردن جریان ال‌ای‌دی‌ها با سرعت بسیار بالا، فراتر از توانایی چشم انسان کار می‌کند. فن‌آوری‌هایی که امکان رومینگ بین سلول‌های Li-Fi مختلف را می‌دهند، ممکن است امکان انتقال یکپارچه بین Li-Fi را فراهم کنند. امواج نور نمی توانند به دیوارها نفوذ کنند که به معنی برد بسیار کوتاهتر و پتانسیل هک کمتر نسبت به Wi-Fi است. خط دید مستقیم همیشه برای Li-Fi برای انتقال سیگنال ضروری نیست و نور منعکس شده از دیوارها می تواند به 70 مگابیت بر ثانیه برسد .

Li-Fi به طور بالقوه می تواند در مناطق حساس الکترومغناطیسی بدون ایجاد تداخل الکترومغناطیسی مفید باشد . هر دو Wi-Fi و Li-Fi داده ها را از طریق طیف الکترومغناطیسی منتقل می کنند ، اما در حالی که Wi-Fi از امواج رادیویی استفاده می کند، Li-Fi از نور مرئی، فرابنفش و مادون قرمز استفاده می کند. محققان به سرعت داده بیش از 224 گیگابیت بر ثانیه رسیده اند، که بسیار سریعتر از پهنای باند سریع معمولی در سال 2013 بود. انتظار می رود Li-Fi ده برابر ارزان تر از Wi-Fi باشد. اولین سیستم Li-Fi تجاری موجود در کنگره جهانی موبایل در بارسلونا در سال 2014 ارائه شد.

معایب

به دلیل آنکه LED های Li-Fi برای انتقال داده ها باید روشن باشند، در حالی که نور کافی برای انتقال داده ها را ساطع می کنند می توانند تا حدی باعث کم شدن دید انسان شوند .همچنین به علت اینکه بر اساس طیف نور مرئی است، یک مانع اصلی در فناوری است، زیرا به روشنایی محدود می‌شود و به طور ایده‌آل برای هدف ارتباطی مناسب نمی‌ باشد، با توجه به اینکه سایر منابع نور، برای مثال خورشید، با سیگنال تداخل می کند.

از آنجایی که برد کوتاه Li-Fi قادر به نفوذ به دیوارها نیست، برای اطمینان از توزیع یکنواخت Li-Fi باید فرستنده ها در هر اتاق یک ساختمان نصب شوند. هزینه های بالای نصب مرتبط با این نیاز برای دستیابی به سطحی از عملی بودن فناوری یکی از معایب بالقوه است.

تاریخ

پروفسور هارالد هاس ، استاد ارتباطات سیار در دانشگاه ادینبورگ ، در گفتگوی جهانی TED در سال 2011، اصطلاح “Li-Fi” را ابداع کرد و در آنجا ایده “داده های بی سیم از نور” را معرفی کرد.

اصطلاح کلی ” ارتباطات نور مرئی ” (VLC) که تاریخچه آن به دهه 1880 باز می گردد، شامل هرگونه استفاده از بخش نور مرئی طیف الکترومغناطیسی برای انتقال اطلاعات می شود. پروژه D-Light در موسسه ارتباطات دیجیتال ادینبورگ از ژانویه 2010 تا ژانویه 2012 تامین مالی شد. هاس به راه اندازی یک شرکت برای بازاریابی آن کمک کرد.

در اکتبر 2011، یک سازمان تحقیقاتی Fraunhofer IPMS و شرکت‌های صنعتی، کنسرسیوم Li-Fi را برای ارتقای سیستم‌های بی‌سیم نوری پرسرعت و غلبه بر مقدار محدود طیف بی‌سیم مبتنی بر رادیو با بهره‌برداری از بخش کاملاً متفاوتی از طیف الکترومغناطیسی، تشکیل دادند. .

فناوری VLC در سال 2012 با استفاده از Li-Fi به نمایش گذاشته شد. تا آگوست 2013، نرخ داده حدود 1.6 گیگابیت بر ثانیه بر روی یک LED تک رنگ نشان داده شد. در سپتامبر 2013، یک بیانیه مطبوعاتی گفت که سیستم های Li-Fi یا به طور کلی VLC، مطلقاً به شرایط خط دید نیاز ندارند. در اکتبر 2013، گزارش شد که سازندگان چینی روی کیت های توسعه Li-Fi کار می کنند.

در آوریل 2014، شرکت روسی Stins Coman از توسعه یک شبکه محلی بی سیم Li-Fi به نام BeamCaster خبر داد. ماژول فعلی آنها داده ها را با سرعت 1.25 گیگابایت در ثانیه (GB/s) انتقال می دهد، اما آنها پیش بینی می کنند که در آینده نزدیک سرعت آن را تا 5 گیگابایت بر ثانیه افزایش دهد. در سال 2014 یک رکورد جدید توسط Sisoft (یک شرکت مکزیکی) ایجاد شد که قادر بود داده ها را با سرعت 10 گیگابایت بر ثانیه در طیف نور ساطع شده توسط لامپ های LED منتقل کند.

در می 2014، مزایای کارکرد آشکارساز (یک APD) در حالت گایگر به عنوان یک دیود بهمن تک فوتونی (SPAD) نشان داده شد که نشان دهنده افزایش کارایی مصرف انرژی و حساسیت بالاتر گیرنده است. این عملیات همچنین می تواند به عنوان حساسیت محدود کوانتومی انجام شود که گیرنده ها را قادر می سازد سیگنال های ضعیف را از فاصله دور تشخیص دهند.

در ژوئن 2018، Li-Fi آزمایشی را توسط کارخانه BMW در مونیخ برای عملکرد در یک محیط صنعتی با موفقیت پشت سر گذاشت.

در آگوست 2018، آکادمی Kyle ، یک مدرسه راهنمایی در اسکاتلند ، استفاده آزمایشی از Li-Fi را در مدرسه انجام داد. دانش‌آموزان می‌توانند داده‌ها را از طریق اتصال بین رایانه‌های لپ‌تاپ خود و یک دستگاه USB که قادر به رمزگشایی داده‌های کدگذاری شده در انتقال سریع روشن و خاموش روشنایی اتاق است، دریافت کنند.

در ژوئن 2019، شرکت فرانسوی Oledcomm فناوری Li-Fi خود را در نمایشگاه هوایی پاریس 2019 آزمایش کرد .

استانداردها

مانند Wi-Fi، Li-Fi بی سیم است و از پروتکل های مشابه 802.11 استفاده می کند ، اما از ارتباطات ماوراء بنفش ، مادون قرمز و نور مرئی نیز استفاده می کند .

یک بخش از VLC بر اساس پروتکل های ارتباطی ایجاد شده توسط گروه کاری IEEE 802 مدل سازی شده است. با این حال، استاندارد IEEE 802.15 .7 منسوخ شده است: این استاندارد آخرین پیشرفت های تکنولوژیکی در زمینه ارتباطات بی سیم نوری، به ویژه با معرفی روش های مدولاسیون تقسیم فرکانس متعامد نوری (O-OFDM) را در نظر نمی گیرد. برای نرخ داده، دسترسی چندگانه و بهره وری انرژی بهینه شده اند. معرفی O-OFDM به این معنی است که یک درایو جدید برای استانداردسازی ارتباطات بی سیم نوری مورد نیاز است.

با این وجود، استاندارد IEEE 802.15.7 لایه فیزیکی (PHY) و کنترل دسترسی رسانه (MAC) را تعریف می کند. این استاندارد قادر به ارائه نرخ داده کافی برای انتقال صدا، تصویر و خدمات چندرسانه ای است. تحرک انتقال نوری، سازگاری آن با نور مصنوعی موجود در زیرساخت‌ها و تداخلی که ممکن است توسط نور محیط ایجاد شود را در نظر می‌گیرد. لایه MAC اجازه استفاده از پیوند با لایه های دیگر را مانند پروتکل TCP/IP می دهد .

استاندارد سه لایه PHY را با نرخ های مختلف تعریف می کند:

• PHY 1 برای کاربرد در فضای باز ایجاد شد و از 11.67 کیلوبیت بر ثانیه تا 267.6 کیلوبیت بر ثانیه کار می کند.
• لایه PHY 2 اجازه می دهد تا سرعت داده از 1.25 مگابیت بر ثانیه به 96 مگابیت بر ثانیه برسد.
• PHY 3 برای بسیاری از منابع انتشار با یک روش مدولاسیون خاص به نام کلید تغییر رنگ (CSK) استفاده می شود. PHY III می تواند نرخ هایی را از 12 مگابیت بر ثانیه تا 96 مگابیت بر ثانیه ارائه دهد.

فرمت‌های مدولاسیون شناسایی شده برای PHY I و PHY II عبارتند از: کلید روشن-خاموش (OOK) و مدولاسیون موقعیت پالس متغیر (VPPM). کدنویسی منچستر که برای لایه‌های PHY I و PHY II استفاده می‌شود، شامل ساعت درون داده‌های ارسالی می‌شود که یک منطق 0 با نماد OOK “01” و یک منطق 1 با نماد OOK “10” را نشان می‌دهد، که همگی دارای یک جزء DC هستند. مولفه DC از خاموش شدن نور در صورت اجرای طولانی 0 های منطقی جلوگیری می کند.

802.11bb

در ژوئیه 2023، IEEE استاندارد 802.11bb را برای شبکه های مبتنی بر نور منتشر کرد که هدف آن ارائه یک استاندارد از طرف فروشنده برای بازار Li-Fi بود.

برنامه های کاربردی

اتوماسیون خانه و ساختمان

بسیاری از کارشناسان حرکت به سمت Li-Fi را در خانه‌ها پیش‌بینی می‌کنند، زیرا پتانسیل سرعت‌های سریع‌تر و مزایای امنیتی آن با نحوه عملکرد این فناوری را دارد. از آنجایی که نور داده ها را ارسال می کند، شبکه را می توان در یک اتاق فیزیکی یا ساختمان قرار داد و احتمال حمله شبکه از راه دور را کاهش داد. اگرچه این امر پیامدهای بیشتری در شرکت ها و سایر بخش ها دارد، اما استفاده خانگی ممکن است با ظهور اتوماسیون خانگی که نیازمند حجم زیادی از داده ها برای انتقال از طریق شبکه محلی است، به جلو کشیده شود.

کاربرد زیر آب

اکثر وسایل نقلیه زیر آب که از راه دور کار می کنند (ROV) توسط اتصالات سیمی کنترل می شوند. طول کابل کشی آنها محدودیت سختی را در محدوده عملیاتی آنها ایجاد می کند و سایر عوامل بالقوه مانند وزن و شکنندگی کابل ممکن است محدود کننده باشند. از آنجایی که نور می تواند از طریق آب عبور کند، ارتباطات مبتنی بر Li-Fi می تواند تحرک بسیار بیشتری را ارائه دهد. کاربرد Li-Fi به دلیل فاصله ای که نور می تواند در آب نفوذ کند محدود می شود. مقادیر قابل توجهی نور بیش از 200 متر نفوذ نمی کند. از 1000 متر گذشته، هیچ نوری به آن نفوذ نمی کند.

هواپیمایی

ارتباط کارآمد داده ها در محیط های هوابرد مانند هواپیماهای مسافربری تجاری با استفاده از Li-Fi امکان پذیر است. استفاده از این انتقال داده مبتنی بر نور با تجهیزات هواپیما که به امواج رادیویی متکی هستند ، مانند اتصال رادار، تداخلی ایجاد نمی کند .

بیمارستان

مراکز پزشکی به طور فزاینده ای از معاینات و حتی روش های درمانی از راه دور استفاده می کنند. سیستم‌های Li-Fi می‌توانند سیستم بهتری برای انتقال داده‌های با تاخیر کم و حجم بالا در سراسر شبکه ارائه دهند. امواج نور علاوه بر ارائه سرعت بالاتر، اثرات کاهشی بر ابزار پزشکی نیز دارند . نمونه ای از این امکان استفاده از دستگاه های بی سیم در روش های حساس رادیویی مشابه در MRI است. یکی دیگر از کاربردهای LiFi در بیمارستان ها بومی سازی دارایی ها و پرسنل است.

وسايل نقليه

وسایل نقلیه می توانند از طریق چراغ های جلو و عقب با یکدیگر ارتباط برقرار کنند تا ایمنی جاده را افزایش دهند. چراغ های خیابان و علائم راهنمایی و رانندگی نیز می توانند اطلاعاتی در مورد وضعیت فعلی جاده ارائه دهند.

اتوماسیون صنعتی

در هر نقطه ای از مناطق صنعتی که باید داده ها منتقل شوند، Li-Fi قادر است حلقه های لغزنده ، کنتاکت های کشویی و کابل های کوتاه مانند اترنت صنعتی را جایگزین کند . با توجه به زمان واقعی Li-Fi (که اغلب برای فرآیندهای اتوماسیون مورد نیاز است)، همچنین جایگزینی برای استانداردهای معمولی LAN بی‌سیم صنعتی است. Fraunhofer IPMS، یک سازمان تحقیقاتی در آلمان بیان می کند که آنها مؤلفه ای را توسعه داده اند که برای کاربردهای صنعتی با انتقال داده های حساس به زمان بسیار مناسب است.

تبلیغات

از چراغ‌های خیابانی می‌توان برای نمایش تبلیغات مشاغل یا جاذبه‌های اطراف در دستگاه‌های تلفن همراه هنگام عبور افراد استفاده کرد. مشتری که وارد فروشگاه می شود و از چراغ های جلوی فروشگاه عبور می کند، می تواند فروش و تبلیغات فعلی را در دستگاه تلفن همراه مشتری نشان دهد.

انبارداری

در انبارداری، موقعیت یابی داخلی و ناوبری یک عنصر حیاتی است. موقعیت یابی سه بعدی به ربات ها کمک می کند تا تجربه بصری دقیق و واقعی تری داشته باشند. نور مرئی لامپ های LED برای ارسال پیام به ربات ها و سایر گیرنده ها استفاده می شود و از این رو می توان از آن برای محاسبه موقعیت اشیا استفاده کرد.