Li-Fi: вайфай на лампочках

На выставке бытовой электроники CES 2012, проходившей в январе 2012 года в американской столице развлечений Лас-Вегасе, японская Casio продемонстрировала необычный фокус: один смартфон передавал текстовые сообщения на другой при помощи... экрана. Это была демонстрация в действии технологии беспроводной связи Visible Light Communication (VLC), также известной, как Li-Fi.

О возможности передачи данных при помощи света известно давно: достаточно вспомнить оптические телеграфы, известные с XVII века. Для обмена сообщениям использовались высокие семафорные башни или столбы, оснащённые фонарями или прожекторами и отражающими зеркалами, при этом дальность связи между двумя точками достигала 65 километров. Несколько линий оптического телеграфа существовало и в России вокруг тогдашней столицы Петербурга вплоть до 1860 года, когда на смену им пришёл электрический телеграф.

Вернуться к этой, казалось бы, безнадёжно устаревшей идее, заставило, как ни странно, развитие микроэлектроники: современные излучатели света, как видимого спектра, так и инфракрасного и ультрафиолета, позволяют передавать огромные объёмы данных - нужно лишь особым образом закодировать сигнал и организовать массивы излучателей. Включённая лампа может означать логическую единицу, а выключенная - ноль. Если при этом использовать такие излучатели, как светодиоды, то сам процесс не будет заметен для человека, поскольку они способны включаться и выключаться на высочайшей скорости. Проще говоря, такой передатчик может служить и в качестве обычного светильника.

Ведущим разработчиком этой технологии стала группа учёных Эдинбургского университета во главе с немецким профессором Гаральдом Хаасом. Параллельные исследования в области оптической беспроводной связи ведутся в Германии, США, Корее и Японии - в частности, компаниями Siemens, Intel и Casio. В октябре 2011 года несколько фирм из Германии, Норвегии, Израиля и США объединились в Консорциум Li-Fi для продвижения перспективной технологии на рынке.

Гаральд Хаас занимается разработкой VLC с 2003 года: представители нескольких факультетов Эдинбургского университета создали проект под названием D-Light, спонсором которого стал университет, ему же принадлежат все права на создаваемую интеллектуальную собственность. Любопытно, что офис Хааса расположен в историческом здании, где в 1880 году Александр Белл впервые отправил голосовое сообщение при помощи модулированного луча света. Сегодня здесь же проводятся исследования по реализации этой же идеи на принципиально новом научном уровне.

Эксперименты проекта D-Light показали, что светодиоды можно использовать как для освещения, так и для беспроводной передачи данных. При этом эта технология быстрее, безопаснее и дешевле любых других типов беспроводной связи. Кроме того, она применима в тех случаях, когда радиосвязь невозможно использовать, или где она в принципе недоступна, к примеру, на больших глубинах под водой или в полёте.

Суть изобретения Хааса заключается в способе модулирования сигналов: информация, закодированная в луче света от полупроводниковых светодиодов, передаётся с помощью огромного числа изменений интенсивности свечения, происходящих со сверхвысокой частотой 100 миллионов циклов в секунду или 100 МГц. Фотоэлемент фиксирует эти мельчайшие изменения и преобразует их обратно в цифровой сигнал.

В ходе исследований Хаас использовал особенности системы беспроводной передачи данных MIMO (Multiple Input Multiple Output - несколько входов и несколько выходов), в которой для отправки и приёма данных применяются несколько разнесённых между собой антенн, слабо коррелированных друг с другой, что обеспечивает ускорение передачи данных. Кроме того, во внимание принимались возможности реализованной в мобильных сетях 4G и спутниковом DAB-радио цифровой схемы модуляции OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing - мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов).

К недостаткам OFDM относится высокое соотношение пиковой и средней мощности, приводящее к широким колебаниям сигнала. Однако Хаас сделал из этого недостатка преимущество - в условиях оптической схемы передачи данных эти колебания позволили повысить мощность. Это означает возможность параллельной отправки потоков информации на скорости, ограниченной исключительно числом используемых светодиодов. Такую схему модуляции Хаас назвал пространственной OFDM-модуляцией или SIM-OFDM. "Мы использовали три измерения, - рассказывает он, - время, частоту и пространство. До нас этого никто не делал".

В лабораторных условиях удалось добиться максимальной скорости передачи данных в 123 Мбита в секунду, в ближайших планах - скорость 600 Мбит в секунду. Немецкие исследователи из Берлинского Института Генриха Герца уже достигли скорости 800 Мбит в секунду - для сравнения, очень немногие операторы беспроводных сетей могут предложить скорости, превышающие 100 Мбит в секунду.

По мнению Гаральда Хааса, новая технология обладает огромным коммерческим потенциалом: она позволяет превратить обычные осветительные приборы в хотспоты, что в корне изменит способ доступа к интернету, сетевому видео, играм. Мы сможем скачивать фильмы с настольной лампы, подключаться к картографическим сервисам через уличный фонарь и слушать музыку через освещённые витрины магазинов.

Хаас, а также его коллеги Гордон Поуви и Мостафа Афгани основали компанию VLC Ltd, которая получила от Эдинбургского университета эксклюзивную лицензию на технологию VLC. Новая фирма довольно успешно привлекает инвесторов и рассчитывает представить первые коммерческие продукты уже к июню 2012 года. Первенцами должны стать стандартные светодиодные светильники, вкручиваемые в обычные бытовые патроны, которые могут одновременно служить для беспроводной передачи данных.

VLC обеспечивает весьма высокую скорость передачи данных, при этом сама технология гарантирует довольно серьёзный уровень безопасности: передатчик и приёмник должны находиться на линии прямой видимости, и перехватить сигнал не так просто, как в случае с радиоволнами. Достаточно повернуть настольную лампу - и не нужно никаких кодов доступа или ключей. Свет не проникает через стены и не подвержен влиянию помех, которые затрудняют передачу информации по радио.

Разумеется, всё это одновременно можно назвать и недостатками Li-Fi: например, мобильный телефон на основе этой технологии не будет столь же практичен, как аппарат, использующий для связи радиоволны. Скорее, это местный способ связи, применимый в помещениях, в городской инфраструктуре или для ближней связи в средах, препятствующих прохождению радиоволн.

Сами основатели VLC Ltd называют приоритетным для компании внедрение оптической беспроводной технологии в пассажирских самолётах. Как известно, использование радиоприборов при взлёте и посадке строго запрещено из-за возможных помех для навигационного оборудования. Световая технология полностью снимает эти ограничения и освобождает уже порядком перегруженный радиодиапазон для действительно важных сигналов. В VLC рассчитывают заключить контракт с неким производителем самолётов из Германии, название которого пока не разглашается.

Кроме того, VLC Ltd ведёт переговоры с Центром визуализации клинических исследований при Королевском институте медицинских исследований в Эдинбурге. Радиологическое оборудование чрезвычайно чувствительно к электромагнитному излучению, поэтому для передачи данных от томографов требуются особые кабели с усиленной экранировкой. Оптическая технология способна передавать данные, не создавая каких-либо помех и позволяет очень серьёзно сэкономить.

Как ни странно, у VLC Ltd уже есть конкуренты - японская фирма Nakagawa Laboratories и американская компания LVX System. Японцы, в 2003 году сотрудничавшие с Гордоном Хаасом, предлагают подводную систему связи для дайверов: речь преобразуется в свет и модулированным лучом передаётся другому аквалангисту. Американцы ещё в декабре 2010 года начали предоставлять широкополосный беспроводной доступ в интернет в восьми общественных зданиях в городе Сент-Клауде, штат Миннесота. LVX System рекламирует свою услугу как "оптоволокно без волокна", однако, по некоторым сведениям, пропускная способность сети более чем скромна и составляет порядка 3 Мбит/с. В VLC Ltd, конечно, не намерены ограничиваться такими скоростями, так что давайте подождём и посмотрим, на что будет способна её собственная продукция.