Prihodnost komunikacije je svetla

Objavljeno: 29.3.2016 | Avtor: Matej Huš | Kategorija: Nove tehnologije | Revija: April 2016

Podobno, kot so žične komunikacije revolucionirali optična vlakna in prenos podatkov s svetlobo, utegne svetloba igrati ključno vlogo pri novi generaciji brezžičnega prenosa podatkov. Prvi delujoči prototipi obetajo veliko, saj obljubljajo pohitritve za več velikostnih redov v primerjavi z Wi-Fi.

Spekter elektromagnetnega valovanja je širok, a za komunikacijo uporabljamo le njegov ozek pas. Li-Fi uporabo širi na področje vidne svetlobe.

Spekter elektromagnetnega valovanja je širok, a za komunikacijo uporabljamo le njegov ozek pas. Li-Fi uporabo širi na področje vidne svetlobe.

Nebo se zdi neskončno, a pri brezžičnem prenašanju podatkov hitro trčimo ob njegove omejitve. Spekter elektromagnetnega valovanja, katerega ozek pas imenujemo tudi vidna svetloba, se razteza od kilometrskih do pikometrskih valovnih dolžin, a je za vsakdanje komunikacijske potrebe uporaben le sorazmerno majhen del. Energija elektromagnetnega valovanja se s frekvenco veča premosorazmerno (in torej zmanjšuje obratno sorazmerno z valovno dolžino), zato kratkovalovni del za prenos podatkov ni primeren, ker je prenevaren. Prečrtamo lahko gama žarke, rentgenske žarke in ultravijolično svetlobo, ker se uvrščajo med ionizirajoča sevanja, ki povzročajo poškodbe organskih molekul, iz katerih smo zgrajeni tudi ljudje. In res ne bi želeli Wi-Fi, ki bi povzročal raka (podrobneje v Pozor, sevanje, Monitor, 07/15).

Na drugem koncu spektra najdemo uporabne radijske valove in mikrovalove, ki so varni, a imajo omejeno pasovno širino. Načeloma velja, da je elektromagnetno valovanje nizkih frekvenc oziroma visokih valovnih dolžin manj občutljivo za različne ovire, a omogoča le počasen prenos podatkov. Potopljene podmornice lahko prejemajo sporočila izredno nizkih frekvenc (do 300 Hz) tudi v globini, a kaj več od preprostega besedila tako ni mogoče poslati. Infrardeča svetloba je za brezžično komunikacijo pogojno uporabna, a omejitev postavlja zakonodaja, ki predpisuje največjo dovoljeno moč oddajanja (ali svetilnosti), saj je neposredni žarek v oči nevaren za vid, vidimo pa ga ne.

In tako ugotovimo, da smo obsojeni na sorazmerno ozek pas elektromagnetnega spektra (radijski valovi oz. RF), za katerega tekmujejo televizijski oddajniki, digitalni radio, brezžična omrežja (Wi-Fi), mobilna omrežja (3G, LTE, prihajajoči 5G), radioamaterji, satelitska oprema, nadzor letalskega prometa in drugi. V vsaki državi so posamezni pasovi v spektru natančno določeni in nekatere država odda v zakup (s koncesijo, npr. 3G), drugi so za domačo rabo brezplačni (v tem delu delujeta vaš domači usmerjevalnik Wi-Fi in radioamaterska oprema). Povzamemo lahko, da je na nebu izjemna gneča in da se za vsak megaherc uporabne pasovne širine bije huda bitka in temeljito premisli, komu in pod kakšnimi pogoji ga bomo dovolili uporabljati. V ponazoritev: če poskusite ustanoviti lastno radijsko postajo, proste frekvence za analogno oddajanje ne boste dobili, ker jih je zmanjkalo.

Bodi svetloba

In potem je tu del elektromagnetnega spektra z valovno dolžino 400–800 nm oziroma frekvenco 3,7–7,5 THz, ki je edini, ki ga lahko zaznamo z lastnimi čutili. Zato mu pravimo tudi vidna svetloba in je, logično, popolnoma dereguliran, saj nas podnevi z njim velikodušno zasipava sonce, ponoči pa ga neznanske količine generiramo sami, da kaj vidimo. Svetloba ima sposobnost prenesti  velikanske količine podatkov in še prav nič škodljiva ni, zato bi lahko komunicirali tudi z njo.

Zamisel sploh ni nova, saj človeštvo že od samega nastanka uporablja oči za, recimo temu, analogno komunikacijo v vidnem delu elektromagnetnega spektra. Uporabljajo pa jo tudi računalniški sistemi, saj je danes čedalje več komunikacijskih kablov v resnici optičnih vlaken, po katerih ujeta in ustrezno modulirana svetloba prepotuje stotine kilometrov in prenaša podatke z gigabitnimi ali terabitnimi hitrostmi. Zakaj torej ne bi klasičnega brezžičnega omrežja Wi-Fi, ki uporablja frekvenčne pasove okrog 2,4 GHz in 5,0 GHz (in tudi 3,6 ter 60 GHz), predelali na uporabo frekvenc vidne svetlobe (3,7–7,5 THz)?

V resnici brezžično komunikacijo s svetlobo uporabljate že vsak dan. Daljinci s televizorji komunicirajo z infrardečo svetlobo, ki je s prostim očesom ne morete videti. Vidi pa ta del spektra, ki mu pravimo bližnji IR, tipalo na fotoaparatu, zato lahko komunikacijo z daljincem fotografirate.

Li-Fi

Izraz Li-Fi kot skovanko iz besed svetloba (light) in Wi-Fi si je izmislil Harald Haas z Univerze v Edinburgu na Škotskem, ki velja za utemeljitelja in glavnega zagovornika nove tehnologije. Njegova zamisel je preprosta. V prostorih, kjer se zadržujemo ljudje, je zelo veliko svetlobe, zato bi jo lahko uporabili za prenos podatkov. Podobno, kot lahko z utripanjem komuniciramo z Morsejevo abecedo, deluje tudi Li-Fi, le da za več velikostnih redov hitreje in učinkoviteje.

Pri prenosu podatkov z valovanjem imamo nosilno sinusno valovanje, na katero »naložimo« podatke, čemur pravimo modulacija. Glavni vrsti analogne modulacije sta frekvenčna modulacija (FM), kjer spreminjamo frekvenco nosilnega valovanja, in amplitudna modulacija (AM), kjer spreminjamo amplitudo oziroma intenziteto valovanja. Pri digitalni je logika podobna. Li-Fi podatke na svetlobo modulira tako, da hitro spreminja njeno jakost oziroma valovno dolžino (podrobneje v nadaljevanju). Z drugimi besedami to pomeni, da mora vir svetlobe utripati, da lahko oddaja podatke. To bi bilo moteče, če bila frekvenca tako nizka, da bi jo človeško oko registriralo. Utripanja nad 100 Hz človeško oko ne zazna, a nekatere raziskave povezujejo utripanje fluorescenčnih sijalk (dvakratnik omrežne napetosti, torej 100 Hz v Evropi, 120 Hz v ZDA) z glavoboli. Li-Fi teh težav ne povzroča, ker so frekvence nekaj tisočkrat višje.

Za Li-Fi potrebujemo vir svetlobe, ki je zmožen hitrega proženja pulzov. Klasične žarnice niso primerne, ker jih hitro prižiganje in ugašanje uničuje. Prav tako za visoke hitrosti niso primerna svetila s fosfornim premazom, ker imajo preveliko vztrajnost (fosforescenca je posledica spinsko prepovedanih prehodov elektronov, zato je relaksacija počasna in predmeti svetlobo oddajajo »dolgo«). Hitrega vklapljanja in izklapljanja se na izsevu ne vidi, zato hitra modulacija ni mogoča. So pa primerne nove sijalke LED, ki imajo tri ločene svetleče diode za modro, rdečo in zeleno svetlobo. Ker novejši modeli merijo le nekaj kvadratnih mikrometrov, jih je mogoče kombinirati v polja mikro LED. Prav na te zato meri Li-Fi.

Na drugi strani vsakega oddajnika potrebujemo sprejemnik. Tu imamo srečo, da je zaradi optičnih vlaken tehnologija že zelo razvita. Fotodiode in fototranzistorji so preizkušena tehnologija za pretvarjanje svetlobe v električne signale, za bolj sofisticirane implementacije pa lahko uporabimo tudi senzorje CMOS ali CCD, ki to funkcijo počno v vsakem fotoaparatu. Zajem svetlobe dandanes ni noben problem.

V Li-Fi oddajnik svetlobe podatke modulira s pulzno-pozicijsko modulacijo (PPM) ali diskretno frekvenčno modulacijo FSM. Pri PPM se, poenostavljeno rečeno, podatki prenašajo tako, da svetloba pomeni preneseno enico, tema pa preneseno ničlo. Pri FSM pa enice prenašamo kot svetlobo ene frekvence, ničle pa z drugo frekvenco. V obeh primerih bi to videli kot utripanje, če bi naše oči zmogle tako hitro osveževati sliko.

Ni vse zlato, kar se sveti

Tehnologija je obetavna, ima pa nekaj resnih pomanjkljivosti, ki jih je treba rešiti ali se jih vsaj zavedati. Opisana izvedba, kjer svetila LED v prostoru prilagodimo na oddajanje podatkov, je enosmerna! Če želimo z mobilne naprave podatke tudi pošiljati, potrebujemo vir svetlobe tudi tam. To ni težko, je pa nepraktično, zato gre trenutni razvoj v smer kombinacije, kjer bi Li-Fi uporabljali za promet k napravam (downlink), ki ga je navadno več, v nasprotno smer pa uporabljali klasični Wi-Fi.

Da tehnologija deluje, seveda potrebujemo prižgano luč. Večinoma so prostori, vsaj poslovni, v katerih smo, razsvetljeni, ni pa to vedno res. V temi Li-Fi ne deluje. Seveda je mogoče moderne svetleče diode nekoliko zatemniti, da ne svetijo s polno močjo, a v trdi temi tehnologija ne deluje. Razen če se prestavimo v infrardeči ali ultravijolični del spektra, a potem to ni več Li-Fi, pa tudi ob omejitve, naštete v uvodu, trčimo.

Za ovinek ne vidimo, radijske valove pa seveda ujamemo. Svetloba ima tako kratko valovno dolžino, da se za makroskopskimi ovirami ne širi, razen z odbojem. To sicer ne pomeni, da potrebujemo čisto zračno linijo med oddajnikom in sprejemnikom, saj tudi v senci ni trda tema, torej se svetloba od sten in predmetov nekoliko odbija. Je pa za optimalno delovanje treba poskrbeti za vidno linijo, v drugi sobi pa Li-Fi nikakor ne bo deloval. To niti ni nujno slabost, saj je tako varnost omrežja bistveno večja, ker signal ne pronica skozi stene v okolico. Druga omejitev je prav zasedenost tega spektra oziroma obilica svetlobe. Čeprav Li-Fi v teoriji zna odfiltrirati motnje, ki so načeloma bolj ali manj konstantne ali vsaj ne utripajo tako hitro, je na močni svetlobi neuporaben. Če na vaš mobilni telefon sveti opoldansko sonce, si z Li-Fi ne boste mogli pomagati. Navadne volframove žarnice pa ga ne motijo.

Tehnologija ugleda luč dneva

Li-Fi ni čarobna paličica, ki bi rešila vse izzive pri brezžični komunikaciji, je pa dobra tehnologija za določene namene. Zagotavljanje solidne internetne povezave v letalih in komunikacija skozi vodo sta že taka primera, pa še kak bi se našel. Tudi semafori in ulične svetilke bi lahko postali pametni in pametnim avtomobilom ponudili podatke o prometu.

Potem ko je bazični raziskovalni projekt D-Light na edinburški univerzi potekal med letoma 2010 in 2012 in je Haas pomagal ustanoviti podjetje PureLiFi za komercializacijo, smo naslednje leto dobili prve praktične prikaze. Na 10 metrov so lahko že leta 2014 pošiljali podatke s hitrostjo 1,1 Gb/s, trenutni rekord v laboratorijskih razmerah pa je okrog 230 Gb/s. Leta 2014 so na sejmu CES predstavili prvi pametni telefon, ki je bil sposoben sprejemati signale Li-Fi.

Tabela z rezultati [PDF]

Naroči se na redna tedenska ali mesečna obvestila o novih prispevkih na naši spletni strani!
Prijava

ph

Komentirajo lahko le prijavljeni uporabniki