Ánh sáng số sử dụng công nghệ LiFi

ÁNH SÁNG SỐ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ LIFI

Khi ánh sáng là dữ liệu, ánh sáng là nguồn tài nguyên

Công nghệ tiên phong đã được cấp bằng sáng chế

Nhìn nhận về ánh sáng qua lịch sử loài người

[Nguồn: Chương giới thiệu trong cuốn sách của giáo sư Harald Haas et. al]

Các lý thuyết về ánh sáng (light) và sự nhìn (vision) được phát triển từ thời xa xưa bởi các nhà triết học Hy Lạp cổ đại. Cho tới thời của Isaac Newton (1642-1727), ông đã quan sát thấy rằng ánh sáng trắng có thể bị phân hủy thành các ánh sáng quang phổ khác nhau sử dụng một lăng kính và lăng kính khác có thể kết hợp lại các ánh sáng màu thành một quang phổ trắng [a1]. Ông bác bỏ các ý tưởng Descartes và đã chứng minh rằng màu sắc là một thuộc tính nội tại của chính ánh sáng. Một định hướng máy móc lý thuyết về ánh sáng ban đầu được giới thiệu bởi Rene Descartes (1596-1650) và xa hơn được phát triển bởi Newton [a2]. Ánh sáng được cho là được tạo thành từ các hạt nhỏ gọi là tiểu thể (corpuscles) chuyển động theo đường thẳng với vận tốc hữu hạn và sự thúc đẩy. Johannes Kepler (1571-1630) đã giải thích 38 mệnh đề về các thuộc tính ánh sáng và cố gắng cung cấp một phân tích lý thuyết về hiệu ứng tổng hợp của các thấu kính [a3]. Ông chủ yếu được cho là đã áp dụng lý thuyết cơ học về ánh sáng trong mệnh đề [a4].

Robert Hooke (1635-1703) đã nghiên cứu sự giao thoa ánh sáng trên một màng mỏng và cố gắng so sánh nó với sự giao thoa của sóng âm thanh [a3]. Christiaan Huygens (1629-1695) đề xuất lý thuyết sóng của ánh sáng vào năm 1690 và cố gắng giải thích các tốc độ khác nhau của ánh sáng trong môi trường dày đặc [a1]. Huygens nhìn nhận ánh sáng đang lan truyền trong các sóng hình cầu sẽ cộng lại để tạo thành một mặt sóng. Leonhard Euler (1707-1783) công nhận rằng mỗi màu của ánh sáng đại diện cho một sóng hình sin của một tần số và bước sóng duy nhất. Tuy nhiên, lý thuyết về ánh sáng tồn tại cho đến đầu thế kỷ 19. Thomas Young (1773-1829) và Augustin – Jean Fresnel (1788-1827) đã thí nghiệm về giao thoa ánh sáng, và đã xác nhận rằng sóng bản chất của ánh sáng chủ yếu là do sự thất bại của lý thuyết tiểu thể trong việc mô tả khúc xạ và phân cực ánh sáng [a1]. Những nỗ lực chủ yếu nhằm vào việc ước tính bước sóng ánh sáng bằng cách quan sát các dạng giao thoa trên màn hình phía sau một khe đôi cách đều nhau. Ông ước tính bước sóng ánh sáng khác nhau giữa 710 nm cho màu đỏ và 420 nm cho màu xanh lam. Michael Faraday (1791-1867) đã chứng minh bản chất phân cực của ánh sáng bằng cách điều khiển sóng ánh sáng với

từ trường [a5, a6]. Tiếp theo là công trình tiên phong của James Clerk Maxwell (1831-1879) đã xác nhận bản chất điện từ của quang học sóng vào những năm 1860 [a1]. Heinrich Hertz (1857-1894) đã khám phá ra quang điện hiệu ứng và sự giống nhau giữa ánh sáng và sóng điện từ về phản xạ, khúc xạ và tốc độ lan truyền [a3]. Max Planck (1858-1947) đưa ra khái niệm lượng tử trong đó ông tuyên bố rằng ánh sáng được lượng tử hóa trong tự nhiên. Dựa trên điều này, Albert Einstein (1879-1955) đề xuất định luật hiệu ứng quang điện xác nhận lượng tử hóa bản chất của ánh sáng [5]. Gilbert Newton Lewis (1875-1946) đã đặt ra thuật ngữ photon cho ánh sáng lượng tử hóa [a3]. Niels Bohr (1885-1962) đã chứng minh rằng bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào lượng tử năng lượng. Những phát triển này hình thành cơ sở của quang học lượng tử. Ngày nay, các mô hình sóng hình học của ánh sáng là chỉ được coi là một mô hình gần đúng của sóng-hạt khi được coi là bước sóng của nguồn sáng nhỏ hơn nhiều so với kích thước của nguồn sáng kia thành phần hệ thống.

Lịch sử LiFi – Nguồn: [a7]

LiFi là một công nghệ mới mang tính cách mạng có khả năng truyền khối lượng lớn dữ liệu thông qua việc điều chế ánh sáng nhìn thấy (visible light). Nó là một dạng công nghệ truyền thông ánh sáng khả kiến ​​có khả năng truyền dữ liệu theo hai hướng. Như vậy, để xác định lịch sử của nó, chúng ta cũng phải xác định lịch sử của công nghệ Visible Light Communications (VLC).

Truyền thông ánh sáng có thể nhìn thấy

Công nghệ VLC sử dụng ánh sáng nhìn thấy ​​để truyền dữ liệu. Mặc dù nó có thể được coi là một dạng công nghệ tương đối mới, nhưng nó thực sự có thể bắt nguồn từ thời của Alexander Graham Bell và phát minh của ông, photophone.

Photophone

Vào ngày 19 tháng 2 năm 1880, Alexander Graham Bell và trợ lý của ông là Charles Sumner Tainter đã cùng nhau phát minh ra photophone. Photophone là một thiết bị truyền lời nói không dây bằng cách sử dụng một chùm ánh sáng.

Thiết kế của photophone được mô phỏng theo điện thoại đương đại vào thời điểm đó – ngoại trừ việc nó sử dụng ánh sáng điều chế thay vì tín hiệu điện đã điều chế. Âm thanh được chiếu về phía một tấm gương thông qua một thiết bị nhận âm thanh. Sóng âm thu được gây ra dao động tương tự trên gương. Ánh sáng mặt trời chiếu thẳng vào gương rung và được chiếu trở lại máy thu, gương này được chuyển đổi trở lại thành âm thanh.

Bell coi photophone là một trong những phát minh quan trọng nhất của mình. Nó mang tính cách mạng vì nó là công ty đầu tiên sử dụng ánh sáng điều chế để liên lạc. Nó cũng đóng vai trò là tiền thân của các công nghệ truyền thông quang học khác nhau bao gồm cáp quang và VLC.

Phòng thí nghiệm Nakagawa

Công trình sớm nhất được biết đến về VLC hiện đại bắt đầu tại Phòng thí nghiệm Nakagawa ở Đại học Keio, Nhật Bản. Nghiên cứu về công nghệ tập trung vào việc truyền dữ liệu bằng ánh sáng khả kiến ​​thông qua việc sử dụng các điốt phát quang (đèn LED).

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đề xuất khái niệm liên lạc thông qua ánh sáng nhìn thấy vào năm 2000. Sử dụng đèn LED làm trạm gốc, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng một hệ thống liên lạc trong nhà sử dụng ánh sáng trên cao làm phương tiện truyền dẫn.

Các nhà nghiên cứu tại Nakagawa đã nhìn thấy những triển vọng do công nghệ VLC mang lại. Họ đã nỗ lực rất nhiều trong việc nghiên cứu công nghệ này và vào năm 2009, họ đã có thể tạo ra một công nghệ truyền thông tốc độ cao đạt tới 100 Mbit/s.

Sự phát triển của VLC ở Hoa Kỳ và Châu Âu

Năm 2006, các nhà nghiên cứu CICTR tại Đại học Bang Pennsylvania đã đề xuất sự kết hợp giữa công nghệ truyền tải đường dây điện và đèn LED để truy cập băng thông rộng hiệu quả. Thông qua kênh này, mạng gia đình trở nên khả dụng đồng thời cung cấp ánh sáng hiệu quả, chi phí thấp.

Năm 2008, Liên minh Châu Âu (EU) đã khởi động dự án nghiên cứu của riêng họ vào VLC có tên OMEGA. Dự án nhằm phát triển một mạng truy cập gia đình tốc độ cực cao có khả năng đạt tốc độ lên đến 1 Gbit/s. Tốc độ mạng thử nghiệm lý thuyết là 1,25 Gbit/s. Chúng có thể đạt tốc độ truyền 300 Mbit/s.

Trong cùng năm, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ đã thực hiện nhiều dự án khác nhau tập trung vào Truyền thông Chiếu sáng Thông minh (viết tắt là SLC) nhằm cải thiện công nghệ truyền thông không dây. Sáng kiến ​​này đã cung cấp tài trợ nghiên cứu cho Đại học Boston, Học viện Bách khoa Rensselaer và Đại học New Mexico. Những người nhận tài trợ được giao nhiệm vụ phát triển công nghệ truyền thông thông qua việc sử dụng bóng đèn LED làm điểm truy cập WiFi tương đương.

Nhiều dự án nghiên cứu đã được thực hiện trong EU và Hoa Kỳ, bao gồm một số dự án được thực hiện trong Đại học Edinburgh ở Scotland, dẫn đến việc phát minh ra LiFi.

Phát minh ra LiFi

VLC là một thuật ngữ bao gồm tất cả các công nghệ truyền thông sử dụng ánh sáng nhìn thấy được. LiFi tận dụng các nguyên tắc cơ bản của VLC nhưng sử dụng giao thức mạng hai chiều để cung cấp kết nối mạng tốc độ cao. Phần lớn các nghiên cứu về LiFi được thực hiện bởi một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Edinburgh, đứng đầu là Giáo sư Harald Haas.

Giáo sư Harald Haas và LiFi

Giáo sư Harald Haas và nhóm các nhà nghiên cứu của ông là những người tiên phong trong lĩnh vực LiFi. Giáo sư đã bắt đầu nghiên cứu công nghệ VLC ngay từ năm 2006. Phần lớn nghiên cứu của ông đã tiên phong sử dụng ánh sáng làm phương tiện truyền dữ liệu hai chiều, mở đường cho công nghệ LiFi.

Mặc dù đây không phải là thời điểm chính xác mà nó được phát minh, nhưng thuật ngữ LiFi đã được giới thiệu với thế giới vào năm 2011 trong buổi nói chuyện TED của giáo sư Haas. Buổi nói chuyện có chủ đề “Dữ liệu không dây từ mọi bóng đèn”. Tại buổi nói chuyện, ông đã là người tiên phong đặt ra thuật ngữ Light Fidelity (LiFi), một cách chơi chữ của thuật ngữ Wireless Fidelity (WiFi). Để chứng minh khả năng của công nghệ mới, Giáo sư Haas đã trình diễn trực tiếp bằng cách phát một đoạn video lớn, độ nét cao từ đèn LED tiêu chuẩn.

Giáo sư Haas đã giúp thành lập một công ty thương mại hóa công nghệ LiFi vào năm 2012. Công ty được đặt tên là pureVLC, sau đó được đổi tên thành pureLiFi, và là một nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) được thiết lập để thương mại hóa các sản phẩm LiFi và thúc đẩy sự tích hợp của chúng với Hệ thống đèn LED.

Qua nhiều năm, pureLiFi đã có thể sản xuất nhiều loại sản phẩm LiFi được thiết kế để dễ dàng tích hợp LiFi vào các thiết bị hiện có, bao gồm smartphone.

Hiệp hội Liên minh LiFi (The LiFi Consortium)

Vào năm 2011, bốn nhà lãnh đạo ngành từ bốn quốc gia khác nhau đã thành lập một nhóm tìm cách nâng cao và thúc đẩy các công nghệ Truyền thông Không dây Quang học (OWC) khác nhau. Nhóm này được gọi là LiFi Consortium. Nó được thành lập bởi nhiều công ty lớn đến từ châu Âu và Mỹ.

Tuy nhiên, trọng tâm của tập đoàn không chỉ giới hạn ở LiFi, như đã nêu trước đây. Thay vào đó, nó thúc đẩy sự tiến bộ của tất cả các dạng OWC, bao gồm LiFi và sợi quang, trong số những dạng khác.

Các phát triển khác

Những tiến bộ trong công nghệ LiFi đã được hiển thị trong những năm qua. Vào tháng 8 năm 2013, các hệ thống LiFi đã có thể chứng minh tốc độ dữ liệu trên 1,6 Gbit/s trên một đèn LED màu đơn.

Một trong những mối quan tâm lớn nhất về việc sử dụng LiFi cho giao tiếp không dây là nó sẽ yêu cầu một đường truyền thẳng để thu được tín hiệu. Rất may, những lo ngại đó đã được giải tỏa vì đã có thông báo vào năm 2013 rằng các hệ thống LiFi sẽ không yêu cầu các điều kiện về đường truyền thẳng.

Vào tháng 10 năm 2013, các nhà sản xuất Trung Quốc đang nghiên cứu các bộ phát triển LiFi. Các nhà khoa học cho biết tốc độ dữ liệu lên tới 150 Mbps có thể đạt được thông qua việc sử dụng các bóng đèn vi mạch. Chi Nan, nhà khoa học chính trong nhóm, thừa nhận rằng sự thành công của LiFi với tư cách là một công nghệ thương mại sẽ dựa vào sự phát triển của các phần công nghệ quan trọng. Chúng sẽ bao gồm các điều khiển giao tiếp ánh sáng và thiết kế và sản xuất vi mạch.

Vào tháng 4 năm 2014, công ty Nga Stins Coman đã công bố sự phát triển của BeamCaster, một mạng cục bộ không dây LiFi có khả năng truyền 1,25 Gigabit dữ liệu mỗi giây. Họ dự đoán tốc độ tăng lên đến 5 Gb / s trong tương lai gần.

Nghiên cứu của Trang Nguyen, CEO@HuePress tại Viện nghiên cứu LiFi R&D Centre, UK

Tiếp nối thành công sau vị trí thành viên hội đồng (voting member) tại tổ chức IEEE Standards Association (IEEE-SA, Mỹ) với các đóng góp quan trọng cho chuẩn quốc tế về truyền ánh sáng không dây IEEE 802.15.7-2018, Trang Nguyen sang Anh làm việc tại Viện nghiên cứu LiFi R&D Centre. Dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo sư Harald Haas từ năm 2019 tới hiện tại (2021), Trang Nguyen đã có nhiều đóng góp quan trọng trong lĩnh vực LiFi. Các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy tốc độ truyền nhận LiFi đã đạt được lên tới 20 Gb/s, và còn hơn thế nữa. Tức là, với một bộ phim khoảng 1GB, LiFi chỉ cần chưa đến 1 giây để hoàn thành việc truyền hơn 10 bộ phim như vậy.

Tại LiFi R&D Research Centre, các đóng góp quan trọng của Trang Nguyen bao gồm việc đảm bảo chất lượng ánh sáng (màu sắc và khả năng thay đổi màu/độ sáng) khi ứng dụng LiFi vào hệ thống chiếu sáng và nhiều cải tiến quan trọng khác cho LiFi chưa được tiết lộ cho tới thời điểm hiện tại.

[a1] M. Guarnieri, “Two Millennia of Light: The Long Path to Maxwell’s Waves,” IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 9, no. 2, pp. 54–60, June 2015.

[a2] M. Guarnieri, “The Rise of Light – Discovering Its Secrets,” Proc. IEEE, vol. 104, no. 2, pp. 467–473, Feb 2016.

[a3] B. Vohnsen, “A Short History of Optics,” Physica Scripta, vol. T109, p. 75, 2004. [Online]. Available: https://doi.org/10.1238%2Fphysica.topical.109a00075

[a4] S. M. Straker, Kepler’s Optics: A Study in the Development of Seventeenth- Century Natural Philosophy. Indiana University, 1970.

[a5] M. Faraday, “X. The Bakerian Lecture.—Experimental Relations of Gold (and Other Metals) to Light,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London, no. 147, pp. 145–181, 1857.

[a6] M. Mansuripur, “The Faraday Effect,” Optics & Photonics News, vol. 10, no. 11, pp. 32–36, Nov 1999. [Online]. Available: http://www.osa-opn.org/abstract.cfm?URI=opn-10-11-32

[a7] https://lifi.co/the-history-of-lifi/