Li-Fi

Li-Fi (ingliskeelsetest sõnadest light-fidelity 'valguse loomutruudus') on kahesuunaline suure kiirusega traadita side tehnoloogia, mis sarnaneb Wi-Fi-ga. Mõiste "Li-Fi" lõi Harald Haas. See on valgussidesüsteem, mis on traadita side (OWC) alaliik. Li-Fi on täiendus raadiosagedustel põhinevatele sidemeetoditele (Wi-Fi või mobiilivõrk) ja sellega saab asendada raadiosidet andmeside vallas. See sideliik on praegu ligikaudu sada korda kiirem kui Wi-Fi side, saavutades kiiruseks kuni 224 Gbit/s. Wi-Fi-ga sarnanevaks kiireks võrgustatud sideks kasutatakse selles tehnoloogias andmete edastajatena valgusdioode (LED-e),. Nii kantakse üle palju rohkem informatsiooni võrreldes raadiosagedustel põhinevate tehnoloogiatega. Li-Fi turule prognoositi aastateks 2013–2018 82% kasvu aastas, seega pidanuks selle maht 2018. aastal olema üle 6 miljardi USD. Side nähtava valguse kaudu töötab, nii et LED-i lülitatakse sisse ja välja väga kiiresti, et isegi inimese silm ei suuda sellest aru saada. Kuigi LED-id peavad töötama, et andmeid üle kanda, saab neid tuhmistada alla inimese nägemisvõime. Kuna valguslained ei suuda läbistada seinu, siis on Li-Fil lühem ulatus kui Wi-Fil, aga selle eest on sama põhjuse tõttu ka kindlam. Valgus ei pea vastuvõtjale langema otse LED-ilt, vaid võib ka põrgata seintelt – nii on saavutatud kiirusi kuni 70 Mbit/s. Li-Fi eeliseks on kasulikkus elektromagnetiliselt tundlikes kohtades, näiteks lennukikabiinides, haiglates ja tuumaenergiajaamades, põhjustamata elektromagnetilist interferentsi. Nii Wi-Fi kui ka Li-Fi edastavad andmeid üle elektromagnetilise spektri, kuid seal, kus Wi-Fi kasutab raadiolained, kasutab Li-Fi nähtavat valgust. Kuigi Ameerika Ühendriikide Föderaalne Sidekomisjon on hoiatanud võimalikust spektrikriisist, sest Wi-Fi on lähedal täielikule mahutavusele, siis Li-Fi mahutavusel ei ole peaaegu üldse piiranguid. Nähtava valguse spekter on 10 000 korda suurem kui kogu raadiosageduste spekter. Uurijad on saavutanud andmesidekiirusi, mis ületavad 10 Gbit/s, mis on tunduvalt kiirem kui tüüpiline lairiba aastal 2016. Eeldatakse, et Li-Fi saab olema kümme korda odavam kui Wi-Fi. Võimalikud puudused on väike tööraadius, väike töökindlus ja kõrge paigaldushind. PureLifi esitles esimest kaubanduslikult kättesaadavat Li-Fi süsteemi, Li-1st, 2014. aastal Barcelonas toimunud mobiilimessil Mobile World Congress (MWC). Bg-Fi on Li-Fi süsteem, mis koosneb mobiilse seadme rakendusest ja lihtsast tarbekaubast, nagu nutistu (IoT) seade, millel on värviandur, mikrokontroller ja manustarkvara. Valgus mobiilse seadme ekraanilt suhtleb värvianduriga, mis on sisse ehitatud tarbekaupa, mis muundab valguse digitaalseks informatsiooniks. Valgusdioodid võimaldavad tarbekaubal sünkroonselt mobiiliga suhelda. Termini Li-Fi mõtles välja Harald Haas. Avalikkuseni jõudis see mõiste tema TED-i kõnes, kus ta tutvustas ideed edastada andmeid traadita igast valgusallikast. Harald Haas on Edinburghi ülikooli mobiilside õppetooli professor ja PureLiFi kaasasutaja. Üldine termin valgusside (VLC), mille ajalugu ulatub tagasi 1880. aastatesse, hõlmab mis tahes osa kasutamist nähtava valguse elektromagnetilisest spektrist, et edastada informatsiooni. Digitaalside D-Lighti projekti Edinburghi Instituudis rahastati aastatel 2010–2012. Haas esitles seda tehnoloogiat oma 2011. aastase TED Globali kõnes ja aitas rajada ettevõtte, et see turule tuua. PureLiFi, varasem pureVLC, on originaalseadmete tootja (OEM) firma, mille ülesanne on kaubelda Li-Fi-toodetega, mis on integreeritud olemasolevate LED-valgussüsteemidega. Oktoobris 2011 lõid mitu ettevõtjat ja tööstuskoondist Li-Fi konsortsiumi, mille tööks on edendada suure kiirusega optilist juhtmeteta sidet. Valgussidet (VLC) tutvustati 2012. aastal Li-Fi näitel. Augustiks 2013 saavutati andmevahetuskiirusi ligi 1,7 Gbit/s, kasutades ühevärvilisi LED-e. September 2013 avaldati pressiteade, kus teavitati, et Li-Fi, ning VLC tehnoloogiad üldisemalt, ei vaja silmside tingimusi. Oktoobris 2013 leiti, et Hiina tootjad on arendamas Li-Fi arenduskomplekte. Aprill 2014 kuulutas Venemaa firma Stins Coman, et nad arendavad traadita kohalikku Li-Fi võrku BeamCaster. Nende praegune punktist punkti moodul edastab andmeid kiirustel 1–10 Gbit/s kasutades lasereid, mis töötavad inimestele nähtamatus elektromagnetlainete spektri osas. Lisaks pakuvad nad ka veel punktist mitmesse punkti moodulit, mis töötab kiirusel 1 Gbit/s. Aastal 2014 saavutas Sisoft uue andmevahetuskiiruse rekordi, jõudes kiirusteni kuni 10 Gbit/s. Veebruaris 2016 leiti, et Apple'i iPhone'i operatsioonisüsteem viitab avalikult Li-Fi võimele oma programmeerimiskoodis. Nagu Wi-Fi, on ka Li-Fi traadita ja kasutab sarnaseid 802.11 protokolle, aga Li-Fi kasutab nähtava valguse kommunikatsiooni, raadiolainete asemel, millel on palju suurem ribalaius. Osa VLCst on modelleeritud IEEE 802 töögrupi loodud sideprotokollide järgi. Kuid IEEE 802.15.7 standard on aegunud – see ei arvesta uuemat tehnoloogilist arengut traadita optilise side valdkonnas. Täpsemalt ei arvesta see optilise ortogonaalse sagedustiheduse modulatsioonimeetodiga (O-OFDM), mis on optimeeritud vastavatele andmesidekiirustele, hulgipöördusele ja energia tõhususele. O-OFDMi kasutuselevõtt tähendab, et on vaja uut standardit traadita optilisele kommunikatsioonile. Sellest hoolimata defineerib IEEE 802.15.7 standard füüsilise kihi (PHY) ja meedia pöördumise juhtimise (MAC-) kihi. See standard on võimeline väljastama piisavat andmesidekiirust, et kanda üle heli, videot ja muid multimeediateenuseid. See võtab arvesse optilise ülekande liikuvust, tema ühilduvust olemasolevate tehisvalgusallikatega infrastruktuuris ning müraga, mida võib tekitada välisvalgustus. MAC-kihi abil on võimalik luua sidemeid teiste kihtidega nagu TCP/IP-protokolliga. Standard defineerib kolm PHY kihti eri kiirustega: PHY I – mõeldud välistele ning madal kiirustega rakendustele. Töötab kiirustel 11,67–267,7 kbit/s. Konvolutsiooni- ja Reed Solomeni koode saab kasutada vigade tuvastuseks, ning moduleerimiseks kasutatakse sisse-välja manipulatsiooni (OOK) või muutuvat pulsi positsiooni modulatsiooni (VPPM). PHY II – mõeldud sisetingimustes kasutamiseks keskmiste andmesidekiirustega vahemikes 1,25–96 Mbit/s. Reed Solomeni koode saab kasutada veatuvastuseks ning modulatsiooniks kasutatakse OOK-i või VPPM-i. Kiiruse 96 Mbit/s saavutamiseks on vaja optilist kella sagedusega 120 MHz, mida enamik poest ostetavatest seadmetest ei toeta. Realistlik on saada sagedus 15 MHz, millega on võimalik saavutada kiirus 9,6 Mbit/s. PHY III – on mõeldud rakendustele, kus on saadaval nii RGB allikad kui ka detektorid. Töötab kiirustel 12–96 Mbit/s. Veatuvastuseks saab kasutada Reed Solomeni koode ja moduleerimiseks kasutatakse värvi muutuse manipulatsiooni (CSK). Manchesteri kodeerimine, mida kasutavad PHY I ja PHY II kihid, sisaldab kella edastatud andmete sees, kujutades endast loogilist nulli, mille OOK sümbol on "01" ja loogilist ühte, mille OOK sümbol on "10", kõik on alalisvoolu (DC) komponendiga. Alalisvoolu komponent hoiab ära valguse kadumise juhul, kui on järjest pikem jada loogilisi nulle. Iga kasutaja saab kasutada kiiremat andmesidekiirust, kui oleks võimalik tavalise Wi-Fi kanaliga. Wi-Fi puhul peab iga kasutaja või grupp otseselt võistlema pääsu eest ribalaiusele. Lõpptulemusena juhtub nii, et mida rohkem on ühendusi, seda aeglasemaks muutuvad allalaadimiskiirused kõigi jaoks. Seevastu Li-Fi puhul, kuna on rohkem pöörduspunkte, pakub iga valguse bassein täis kanali andmesidekiiruse vähemate üheaegsete kasutajatega. Mis tähendab, et igal kasutajal on kuni 1000 korda suurem kiirus. Lisaks, erinevalt raadiolainetest ei läbi valgus seinu. Seega, kasutades väheseid ettevaatusabinõusid, et ära hoida lekkeid läbi akende jms, on turvalisus parem võrreldes Wi-Figa. Oma loomult on tihedad linnakeskused täielikult kaetud tehisvalgusega. Selline valguse struktuur suudab pakkuda pidevat suurt andmesidekiirust oma kasutajatele samal ajal, kui nad läbi keskkonna liiguvad. Näiteks, liikudes läbi hotelli koridori või vastuvõturuumis, võib mitu kasutajat korraga saada kiiret andmesidekiirust igas punktis. Lisaks oleks suure kiirusega traadita side olemas igas ruumis, sest see ei läbista seinu. Selle tulemusena on võimalik interferentsivaba side ja seda spektrit ei pea jagama paljude kasutajatega selles vastavas ruumis. Välistes linnakeskkondades pakuks Li-Figa võimaldatud tänavavalgustid interneti-pöörduspunktide võrgu. Mobiilsides on raadio baasjaamade vahe 200–500 m. Seega selle asemel, et ehitada uusi raadio baasjaamu linnadesse, suudaksid tänavavalgustid teha mõlemat: valgustada pimedaid tänavaid õhtuti ning võimaldada suure kiirusega andmesidet ööpäev läbi. Isegi siis, kui inimsilma jaoks on valgus kinni, on täiskiirusel andmeside võimalik. Lennukites pakuks Li-Figa võimaldatud valgustus igale reisijale suure kiirusega andmevahetust. See lubab pidevat sidet elektromagnetilist interferentsi tekitamata. Kuna läheb vaja vähem kaableid, tähendab see ka kergemaid lennukeid. Väljapanekud muuseumides ja galeriides valgustatakse spetsiifilise valgustusega. Li-Figa võimaldatud valgustus saab pakkuda lokaliseeritud informatsiooni selle valguse sees. See tähendab, et külastaja saab kasutada oma kaamerat või mobiiltelefoni, et laadida alla lisainformatsiooni vaadeldava objekti kohta läbi valguse, mis valgustab eksponaati. Kasutades poe väljapaneku valgustust Li-Fi ülekande kanalina, on võimalik edastada reklaamide informatsiooni nende tarvete, mida ostja vaatab, ning ka kupongide ja eripakkumiste kohta. See lubab ühendada peatänava ja internetis poodlemise funktsionaalsuse ning pakkuda uudset jaemüügi ärimudelit. Vesi neelab raadiolained kiiresti, mistõttu veealaune raadioside pole võimalik, kuid valgus suudab vees läbida suuri vahemaid. Seega Li-Fi kaudu saab sukelduja suhelda sukeldujaga, sukelduja mini-allveelaevaga, sukelduja puurimisplatvormiga jne. Plahvatusohtlikes keskkondades on elektrilise varustuse, k.a mobiiltelefonide, kasutamine üldiselt oluliselt piiratud. Li-Fi kasutamine andmete edastamiseks lihtsustab andmevõrkude konfiguratsiooni sellistes keskkondades, ja võimaldab uusi süsteeme, et tõsta turva taset nendes keskkondades. Auto esi- ja tagatulede lambid vahetatakse tasapidi LED-lampide vastu. See loob väljavaate pidada Li-Fi kaudu autodevahelist sidet, mis võimaldaks kokkupõrget ärahoidvate süsteemide arendust ja teabevahetust sõidutingimuste kohta. Liiklusvalgustid juba kasutavad LED-valgustust, seega on võimalik luua ülelinnalisi liikluskorraldussüsteeme. See võimaldaks autosüsteemidel alla laadida informatsiooni võrgust ja omada reaalajalist informatsiooni optimaalsete marsruutide võtmiseks, ning uuendada võrku olukordadega, mida on vahetult kogenud individuaalsed autod. Haiglad on kohad, kus nii EMI-tundlikkus kui ka andmete turvalisus on suure tähtsusega. Li-Fi võimaldaks turvaliste võrgustatud meditsiiniliste instrumentide, patsiendiandmete jms parema kasutuselevõtu. Tuvastades iga valgusallika (näiteks MAC-koodi abil, mida laialdaselt kasutavad andmesideruuterid ja arvutid) on võimalik pakkuda tark viis linnakeskkonnas navigeerimiseks. Iga koodi tuvastamine seostatakse vastava piirkonnaga. Esimest VLC-nutitelefoni prototüüpi esitleti 2014. aastal Las Vegase messil "Consumer Electronics Show" (CES). Telefon kasutab SunPartneri Wysips CONNECTi. See meetod muudab valguslained kasutatavaks energiaks ehk telefon on võimeline vastu võtma ja šifreerima signaale oma akut kasutamata. Väikestele ekraanidele, nagu on nutikelladel ja -telefonidel, saab lisada läbipaistva õhukese kihi kristalset klaasi, mis muudab need päikese jõul töötavaks. Selle tulemusena võib nutitelefonidel jääda igapäevaseks tegevuseks 15% rohkem akumuleeritud energiat järele. Selliste ekraanide hind on 2–3 USA dollarit, mis on palju odavam kui enamik uutest tehnoloogiatest. Firma Philips Lighting on loonud VLC-süsteemi klientidele poodides. Nad peavad oma nutitelefonidesse laadima äpi ja siis töötab nende nutitelefon poes olevate LEDidega. LEDid suudavad täpselt ära määrata, kus täpselt klient poes asub, ja anda talle vastavad kupongid ning jagada teavet, mis põhineb sellel, millises vahekäigus ta asub ja milliste toodete pool vaatab. Bluetooth Bluetooth Low Energy Infrpapunaliides Lähiväljaside (NFC) WiGig ZigBee Haas, H. Harald Haas: Wireless data from every light bulb, TED, 07.2011 Cuthbertson, A. LiFi internet: First real-world usage boasts speed 100 times faster than WiFi, IBTimes, 23.11.2015 Sherman, J. Light Bulbs Could Replace Your Wi-Fi Router, Digital Trends, 30.10.2013 Tsonev, D., Videv, S., Haas, H. Light fidelity (Li-Fi): towards all-optical networking, Proc. SPIE9007, Broadband Access Communication Technologies VIII 900702, 18.12.2013, doi:10.1117/12.2044649 MarketsandMarkets, Global Visible Light Communication (VLC)/Li-Fi Technology Market worth $6.138.02 Million by 2018, PRNewswire, 10.01.2013 Coetzee, J. LiFi beats Wi-Fi with 1GB wireless speeds over pulsing LEDs, Gearburn, 13.01.2014 Condliffe, J. Will Li-Fi be the new Wi-Fi?, New Scientist, 20.07.2011 Taub, B. New Li-Fi Internet Is 100 Times Faster Than Wi-Fi, IFLScience, 24.11.2015 Mercer, C. What is Li-Fi? How does Li-Fi work? Wi-Fi vs Li-Fi vs Wi-Fi HaLow: Li-Fi for iPhone: The ultimate definition of Li-Fi, Techworld, 31.03.2016 Gupta, N. S. Li-Fi: A green avatar of Wi-Fi, Livemint, 19.01.2016 The Future's Bright – The Future's Li-Fi, The Caledonian Mercury, 29.11.2013 (Vaadatud 01.05.2016) Haas, H. High-speed wireless networking using visible light, SPIE Newsroom, 19.04.2013, doi:10.117/2.1201304.004773. (vaadatud 01.05.2016) Vincent, J. Li-Fi revolution: internet connections using light bulbs are 250 times faster than broadband, The Independent, 28.10.2013. (Vaadatud 01.05.2016) Business Wire, pureLifi to demonstrate first ever Li-Fi system at Mobile World Congress, Virtual-Strategy Magazine, 19.02.2014 Dietz, P., Yerazunis, W., Leigh, D. Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs, Mitsubishi Electric Research Laboratories, 07.2013 Gordon, P. About Visible Light Communications, Visible Light Communications, 18.08.2014. (Vaadatud 01.05.2016) pureVLC Ltd, University of Edinburgh. (vaadatud 22.10.2013) Povey, G. Li-Fi Consortium is Launched, Visible Light Communications, 19.10.2011 Watts, M. Meet Li-Fi, the LED-based alternative to household Wi-Fi, Wired, 31.01.2012 pureVLC Demonstrates Li-Fi Streaming along with Research Supporting World's Fastest Li-Fi Speeds up to 6 Gbps, Business Wire, 06.08.2013 Thomson, I. Forget Wi-Fi, boffins get 150Mbps Li-Fi connection from a lightbulb, The Register, 18.10.2013 Pototsky, R. Li-Fi internet solution from Russian company after attracting foreign clients[alaline kõdulink], Russia & India Report , 01.07.2014 BeamcasterTM laser-based wireless technology delivers a high-speed, highly secure data communication link, BeamCaster, 23.02.2016 Vega, A. Li-fi record data transmission of 10Gbps set using LED lights, Engineering and Technology Magazine, 14.07.2014 Molony, R. Breaking: Apple set to add li-fi capability to iPhone, Lux Review, 08.02.2016 Tsonev, D., Sinanovic, S., Haas, H. Complete Modeling of Nonlinear Distortion in OFDM-Based Optical Wireless Communication. IEEE Journal of Lightwave Technology 31 (18): 3064–3076, 15.09.2013, doi:10.1109/JLT.2013.2278675 Povey, G. An IEEE Standard for Visible Light Communications, Visible Light Communications, 07.04.2011 Applications of Li-Fi, Li-Fi Centre. (Vaadatud 01.05.2016) Rigg, J. Smartphone concept incorportaes LiFi sensor for receiving light-based data, Engadget, 01.11.2014 Van Camp, J. Your Next Smartphone May Charge And Receive Data Through This Incredible Screen, Digital Trends, 19.01.2014 LaMonica, M. Philips Creates Shopping Assistant with LEDs and Smart Phone, IEEE Spectrum, 18.02.2014