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Mode de fonctionnement du LiFi
Un système LiFi typique se compose d'une source de lumière (transmetteur/émetteur) et d'un détecteur de lumière (récepteur). Une rapide activation et désactivation du transmetteur (modulation) produit des impulsions lumineuses invisibles à l'œil humain. Ces minuscules impulsions sont captées par le détecteur de lumière et converties en signaux électriques sous forme de zéros et de uns (démodulation), afin que les données puissent ensuite être utilisées par l'ordinateur ou l'appareil mobile.
Pour la plupart des applications intérieures, les diodes électroluminescentes (LED) sont les sources de lumière les plus appropriées. Avantageuses et énergétiquement efficaces, elles remplacent les ampoules en tant que principale source lumineuse dans les logements et les lieux publics. En 2018 déjà, la majorité des nouveaux systèmes d'éclairage économes en énergie reposeront sur la technologie LED. Les diodes laser semblent plus appropriées pour augmenter la vitesse et les distances.
Avantages du LiFi
La communication par lumière visible en complément de celle par ondes radio est toujours plus appréciée. En voici les principales raisons:
- Réutilisation spatiale: La lumière ne traverse pas les murs des bâtiments et peut être dirigée vers l'espace de travail souhaité, ce qui permet une meilleure réutilisation spatiale du spectre, comme avec la communication radio.
- Sécurité: La lumière visible peut être clairement délimitée et la portée définie avec exactitude. La communication gagne en sécurité, vu qu'il n'est pas possible d'intercepter les données depuis l'extérieur de la pièce ou du bâtiment.
- Perturbations électromagnétiques: En elle-même, la lumière optique n'occasionne aucune perturbation électromagnétique. Elle se prête particulièrement bien à une utilisation dans les avions et les hôpitaux, ainsi que dans les zones industrielles dangereuses comme les centrales nucléaires ou les plateformes pétrolières ou gazières. Les lampes LED doivent toutefois être installées correctement pour éviter toute perturbation électromagnétique, comme le montrent les mesures effectuées tout récemment par l'Union européenne de radiodiffusion (UER).
- Sécurité: En principe, la lumière optique ne présente aucun danger pour la santé humaine. Des études ont toutefois révélé que le scintillement de la source lumineuse comportait un risque, une réaction biologique ne pouvant pas être exclue (épilepsie photosensible). En outre, la lumière vive de certaines LED bleues peut avoir des conséquences psychologiques, par exemple sur le sommeil ou chez les animaux nocturnes.
- Complexité: Comme le LiFi n'est pas une forme de communication cohérente, les composants des transmetteurs et des récepteurs sont des appareils relativement simples et avantageux.
- Infrastructure existante: Le LiFi peut être intégré dans les systèmes d'éclairage existants à l'aide de quelques composants supplémentaires relativement simples et avantageux.
- Efficacité énergétique: Le LiFi est combiné à l'éclairage LED. Celui-ci étant une source de lumière à faible consommation d'énergie et très facile à contrôler, le LiFi constitue une technologie de communication respectueuse de l'environnement.
Défis et limites du LiFi
Les avantages du LiFi par rapport aux systèmes de communication radio sont évidents. Cette technologie a toutefois des limites; de nombreux défis doivent encore être relevés.
- Portée et blindage: Les sources de lumière ont une portée de transmission limitée et nécessitent une visibilité directe entre le transmetteur et le récepteur, afin de permettre des vitesses de transmission élevées. Si un objet ou une personne se trouve entre les deux, la puissance optique diminue, entraînant une baisse marquée du débit de données, voire une perte du signal.
- Liaison montante (uplink): Le LiFi par éclairage LED possède surtout des propriétés émettrices et se prête aux liaisons descendantes (downlink) allant de l'émetteur à l'utilisateur. Une liaison montante par la lumière visible ne serait pas efficace pour les appareils mobiles, en raison de leur faible puissance. Pour relever ce défi, il convient de recourir à d'autres types de communication comme l'infrarouge ou les radiocommunications.
- Interférence de lumière: D'autres sources de lumière artificielles ou naturelles produisent des interférences, augmentent le niveau de bruit du photo-détecteur et peuvent générer une saturation du récepteur.
- Mode lumières éteintes: Les applications LiFi basées sur l'éclairage LED fonctionnent mieux là où les lumières sont toujours allumées (sites industriels, transports publics, domaines médicaux). Certaines transmissions avec de faibles débits peuvent s'effectuer avec des LED qui n'émettent qu'une petite quantité de lumière imperceptible à l'œil humain.
- Intégration au réseau: Chaque LED doit être reliée à l'internet. Les coûts de l'infrastructure de câble (Ethernet, fibre, etc.) peuvent donc être très élevés.
- Commercialisation: Deux industries différentes sont tenues de collaborer: d'une part les fabricants de LED, qui doivent concevoir leurs lampes de manière appropriée, et d'autre part les fabricants d'appareils mobiles, qui doivent équiper leurs appareils d'émetteurs-récepteurs ultra-rapide avec photodiodes.
Débits du LiFi
La technologie LiFi permet non seulement de fournir une connexion à haut débit à l'internet, mais aussi de soutenir les communications à bas débit d'appareil à appareil. Jusqu'ici, les débits les plus élevés ont été obtenus par des scientifiques de l'Université d'Oxford (UK) qui, avec une technologie de pointe et dans des conditions de laboratoire, ont établi des liaisons bidirectionnelles de 224 Gbps sur une distance de trois mètres. A titre de comparaison: un film en HD a une taille de 1,5 gigaoctet. Plusieurs films pourraient être téléchargés par LiFi en une seconde.
Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer Heinrich Hertz à Berlin ont conçu un prototype entièrement basé sur du matériel bon marché disponible dans les commerces, qui atteint des liaisons bidirectionnelles de 200 Mbps sur une distance de deux mètres entre le plafond et le table de bureau. Le laboratoire Disney Research de Zurich a présenté un système de communication d'appareil à appareil nommé «EnLighting», qui utilise des ampoules LED renforcées par des photodiodes et des microcontrôleurs pour soutenir un débit plus faible (jusqu'à 600 bps) dans le cadre de l'internet des objets.
A l'heure actuelle, il existe de nombreux prototypes et quelques produits déjà commercialisés avec un débit de connexion à l'internet relativement bon. «Orès LiFi», par exemple, est un système LiFi entièrement industrialisé qui offre un réseau WLAN complet avec des débits de transmission bidirectionnels allant jusqu'à 42 Mbps. Il possède une fonction de transfert qui permet aux utilisateurs de conserver une liaison stable lorsqu'ils passent d'une source de lumière à une autre. Le système a été développé et mis sur le marché par «pureLiFi» (une jeune entreprise de l'Université d'Edimbourg) et la société française «Lucibel» (spécialisée dans la conception de solutions d'éclairage basées sur la technologie LED).
Normes
L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) travaille actuellement à la normalisation de la technologie LiFi. Il actualise la norme IEEE 802.15.7, qui réglemente la communication par infrarouge, lumière visible et lumière ultraviolette. Les travaux devraient s'achever fin 2017.
En novembre 2016, l'IEEE a créé un Topic Interest Group (TIG) chargé de débuter la normalisation du LiFi et d'intégrer le LiFi dans la norme WLAN 802.11. Par ailleurs, le groupe de travail GT15 de l'Union internationale des télécommunications (UIT) est en train d'examiner des systèmes intérieurs de communication de lumière visible à haut débit (de 100 Mbps à 1 Gbps); l'examen comprend aussi les caractéristiques générales, le plan de répartition des longueurs d'onde, l'architecture, les interfaces et les protocoles. Les travaux en sont encore à un stade préliminaire.
Par ailleurs, le groupe de travail GT1 de l'UIT a commencé à rédiger un rapport sur la gestion du spectre dans le domaine de la communication optique de données.
Perspectives
Selon un rapport de recherche de marché publié par Markets and Markets en 2015, la technologie LiFi devrait atteindre une valeur de 8'500 millions de dollars US d'ici 2020. Plusieurs produits et prototypes sont sur le point d'être commercialisés. La technologie est prometteuse et de nombreux acteurs clés envisagent d'y recourir. Ainsi, Microsoft implémente dans son centre d'innovation en France la solution développée par Lucibel et pureLiFi. Quant à la NASA, elle a annoncé récemment qu'elle examinait la possibilité d'utiliser le LiFi à bord d'engins spatiaux pour améliorer la sécurité, le confort et la qualité de vie des futurs astronautes.
La technologie LiFi utilise le spectre non réglementé de la lumière visible, pour lequel aucune concession n'est exigée. Il convient cependant de garantir que les systèmes LiFi ne présentent aucun risque pour la santé et qu'ils soient installés correctement, afin de ne pas générer de perturbations électromagnétiques. Le LiFi offre de nombreux avantages, mais des défis importants doivent être relevés avant que cette technologie devienne partie intégrante de la communication sans fil au quotidien.