LiFi tích hợp kết nối không dây và công nghệ IoT mới cho đèn thông minh

Tóm tắt: Tích hợp LiFi trong hệ thống chiếu sáng LED mang lại những khả năng hấp dẫn cho giao tiếp không dây. Đèn LED hỗ trợ LiFi cho phép triển khai mạng IoT phổ biến và thân thiện hơn.

LiFi là công nghệ giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy (VLC) sử dụng sóng ánh sáng thay vì sóng vô tuyến để truyền dữ liệu không dây. Thuật ngữ viết tắt của “Light Fidelity” được đặt ra bởi Harald Haas, người đầu tiên phát triển khái niệm hiện đại về LiFi với nhóm nghiên cứu của mình tại Đại học Edinburgh. Là một công nghệ băng thông rộng không dây, tốc độ cao, LiFi được phát triển để giải quyết những thách thức và khắc phục những hạn chế mà các công nghệ truyền thông không dây hoạt động trong phổ tần vô tuyến dưới 10 GHz phải đối mặt. Với ngày càng nhiều thiết bị di động được kết nối mỗi ngày, tần số vô tuyến đang trở nên tắc nghẽn. Lưu lượng mạng bị quá tải cho phép các cơ sở hạ tầng RF hiện có làm hỏng phổ. Với Internet of Things (IoT) mở ra một thế giới cơ hội hoàn toàn mới, LiFi được coi là mang lại ý nghĩa cho cuộc cách mạng kỹ thuật số thú vị đòi hỏi kết nối phong phú.

LiFi hoạt động như thế nào

LiFi truyền dữ liệu bằng cách điều chế ánh sáng LED để tạo mã nhị phân (bật = 1, tắt = 0). Sự kết hợp của 1s và 0s tạo ra các chuỗi dữ liệu khác nhau được giải điều chế bởi bộ tách sóng quang (bộ thu photodiode). Bộ tách sóng quang tạo ra một dòng điện tỷ lệ với dòng ánh sáng. Sau đó, dòng điện được chuyển sang một bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số. Các tín hiệu đã được giải điều chế được giải mã và chuyển tiếp đến một thiết bị được kết nối, chẳng hạn như máy tính, máy tính bảng, điện thoại thông minh, tivi hoặc một thiết bị thông minh. Để hoạt động như một điểm truy cập mạng cung cấp giao tiếp hai chiều, thiết bị LiFi phải được thiết kế để cung cấp cả kết nối đường lên và đường xuống. Bên cạnh đường xuống sử dụng ánh sáng khả kiến ​​để truyền dữ liệu từ nguồn sáng đến các thiết bị đầu cuối kỹ thuật số, một kết nối đường lên phải được thiết lập để hoàn thành giao tiếp song công đầy đủ. Để tránh chói từ bộ thu photodiode, kênh đường lên sử dụng các phần không nhìn thấy của phổ ánh sáng như tia hồng ngoại để tải dữ liệu trở lại nguồn. Một số giải pháp LiFi có cấu trúc mạng lai kết hợp Li-Fi với truyền thông tần số vô tuyến thông thường (RF).

LiFi và LED

Nếu không có sự ra đời của hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn (SSL) thì sẽ không có tiến bộ mang tính cách mạng trong công nghệ truyền thông không dây quang (OWC). Trái tim của LiFi là đèn LED sử dụng điốt bán dẫn để tạo ra ánh sáng. Khi diode được phân cực thuận (bật) qua tiếp giáp p-n, các điện tử trong lớp bán dẫn loại n và lỗ trống trong lớp bán dẫn loại p chảy về phía nhau và năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng khi chúng kết hợp với nhau. Thay vì phát ra ánh sáng bằng cách kích thích môi trường khí trong một vỏ thủy tinh (tức là bóng đèn), như trường hợp của các nguồn sáng truyền thống, quá trình phóng điện của đèn LED xảy ra trong một kiến ​​trúc trạng thái rắn và có thể được điều khiển kỹ thuật số bằng cách điều chỉnh điện đặc điểm của dòng điện. Điều này có nghĩa là chỉ có đèn LED mới có thể hoạt động với tần số điều chế trong phạm vi dành riêng cho giao tiếp ánh sáng nhìn thấy. Mặc dù LiFi truyền dữ liệu bằng cách chuyển đổi đèn LED. Mắt người không thể nhận thấy được các xung ánh sáng vì tần số của chuỗi “bật” và “tắt” này quá cao khiến mắt không thể nhận biết được sự điều biến hoặc “nhấp nháy”.

Triển khai

Kiến trúc của hệ thống LiFi bao gồm hai phần: một đèn LED với một modem tích hợp để điều chỉnh ánh sáng và một khóa / dongle USB LiFi được cắm vào ổ cắm của máy tính xách tay hoặc máy tính bảng. Khả năng thực hiện điều chế tín hiệu là chìa khóa cho bất kỳ bộ đèn nào hỗ trợ LiFi. Modem là một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số được tích hợp hoặc gắn với trình điều khiển LED chuyển đổi nội dung phát trực tuyến do máy chủ cung cấp qua Internet thành tín hiệu kỹ thuật số. DSP đi kèm với một bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) để chuyển đổi dữ liệu thành byte. Sau đó, một mô-đun máy phát sẽ tạo ra kiểu bật-tắt tương ứng và hướng dẫn trình điều khiển đèn LED cung cấp hoạt động chuyển đổi tần số cao. LiFi dongle hoạt động như một bộ thu dữ liệu và truyền dữ liệu. Nó thường bao gồm một bộ tách sóng quang, một bộ khuếch đại tín hiệu, một mạch xử lý dữ liệu và một mô-đun đường lên.

Ưu điểm của LiFi

Dung lượng: So với phổ RF được điều chỉnh để giảm thiểu nhiễu và đảm bảo sử dụng hiệu quả băng thông hẹp (∼ 3 kHz đến ∼ 300 GHz), phổ ánh sáng khả kiến ​​cung cấp băng thông không có giấy phép cao hơn 10.000 lần. Nhu cầu băng thông ngày càng tăng theo cấp số nhân và phổ WiFi ngày càng thu hẹp khiến LiFi, với băng thông tiềm năng từ ∼ 400 THz đến ∼ 780 THz, là một giải pháp khả thi để bổ sung cho truyền không dây tầm ngắn và giảm bớt tắc nghẽn phổ RF.

Tốc độ: Công nghệ LiFi có thể truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn 1 Gbps. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy tốc độ dữ liệu có thể đạt hơn 224 Gbps, nghĩa là LiFi vượt trội hơn tất cả các công nghệ RF hiện tại (Wi-Fi 150 Mbps, Bluetooth 3 Mbps và IrDA 4 Mbps).

Tính khả dụng: Mọi ánh sáng đều có thể được chuyển đổi thành một điểm truy cập quang học. Việc lắp đặt đèn LED phổ biến có nghĩa là LiFi có thể được cung cấp hầu như ở mọi nơi. Hơn nữa, LiFi không tạo ra nhiễu điện từ (EMI) và có thể được lắp đặt trong môi trường nơi sóng vô tuyến có thể làm ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các thiết bị và dụng cụ điện. Những môi trường này bao gồm máy bay, phòng chụp ảnh y tế, hầm mỏ, nhà máy hóa chất và điện. LiFi thậm chí có thể được sử dụng cho các cuộc thám hiểm dưới biển vì sóng ánh sáng sẽ truyền qua nước.

Bảo mật: Sóng vô tuyến có thể xuyên qua các bức tường và các tín hiệu dữ liệu có thể dễ dàng bị tin tặc chặn bên ngoài một tòa nhà. Điều này làm cho giao tiếp RF dễ bị nghe trộm. Luồng dữ liệu qua LiFi vẫn bị giới hạn trong các khu vực được chiếu sáng, có thể hiểu là bảo mật tích hợp sẵn cho LiFi. Cùng với mã hóa dữ liệu, LiFi cung cấp một bảo mật và quyền riêng tư vượt trội trong việc truyền dữ liệu, do đó chấm dứt mối đe dọa từ những kẻ xâm nhập mạng!

Đơn giản triển khai: Phương thức giao tiếp không gắn kết cho phép triển khai LiFi với các thành phần đầu cuối tương đối đơn giản và chi phí thấp của cả máy phát và máy thu. Mặt khác, giao tiếp WiFi yêu cầu bộ trộn tần số, bộ lọc và các thuật toán phức tạp để sửa các lỗi RF như nhiễu, méo, nhiễu pha và mất cân bằng IQ.

Hiệu quả năng lượng: LiFi truyền dữ liệu thông qua sóng ánh sáng do đèn LED tạo ra. Đèn LED chiếu sáng hiệu quả cao tiết kiệm điện năng tối thiểu và tiết kiệm đến 80% năng lượng so với các công nghệ chiếu sáng thông thường.

Các ứng dụng

Tính khả dụng trên phạm vi rộng, giao tiếp tốc độ cao và một loạt các lợi ích bổ sung cho công nghệ WiFi cho phép LiFi cho một loạt các ứng dụng trong lĩnh vực Internet of Things (IoT), thế hệ thứ 5 của hệ thống di động (5G) và hơn thế nữa.

Hàng không: LiFi tạo điều kiện truyền dữ liệu trong cabin máy bay nhạy cảm với EMI vì bản chất sóng ánh sáng an toàn không gây nhiễu dải tần số vô tuyến được ngành hàng không sử dụng.
Y tế và Chăm sóc sức khỏe: Sóng vô tuyến WiFi có thể chặn tín hiệu từ thiết bị y tế và giám sát. Chúng cũng can thiệp vào các dụng cụ y tế như máy quét hình ảnh cộng hưởng từ (MRI). Tích hợp LiFi vào các thiết bị chiếu sáng (tức là đèn phẫu thuật trên cao) cho phép truyền dữ liệu một cách an toàn trong các cơ sở y tế và khu vực chăm sóc sức khỏe bị cấm sử dụng WiFi.

Môi trường công nghiệp: LiFi có thể cung cấp kết nối an toàn, không cần bảo trì trong khắp các cơ sở công nghiệp, đặc biệt là trong các ứng dụng mà sự tồn tại của sóng vô tuyến có thể gây nhiễu hoặc việc triển khai mạng WiFi không khả thi. LiFi được mang theo bởi ánh sáng, có nghĩa là nơi nào có ánh sáng thì nơi đó có thể có điểm truy cập LiFi.

Thông tin liên lạc dưới nước: Ánh sáng mặt trời đi vào nước có thể đi xa tới 1.000 mét (3.280 feet) vào đại dương. Khả năng thâm nhập tuyệt vời dưới nước khiến LiFi trở thành một công nghệ rất hứa hẹn cho liên lạc dưới nước. Liên lạc giữa các thợ lặn và giữa các nhân viên trên mặt nước sử dụng liên lạc bằng giọng nói (hệ thống thoại điện tử có dây, xuyên nước), tín hiệu tay, tín hiệu đèn pin và tín hiệu đường dây. Các phương pháp giao tiếp này hoặc cồng kềnh hoặc không hiệu quả. LiFi cho phép giao tiếp dưới nước được thực thi mạnh mẽ như giao tiếp WiFi qua mạng.

Quản lý giao thông và liên lạc phương tiện: LiFi có thể được sử dụng để liên lạc giữa phương tiện với phương tiện và phương tiện với tín hiệu. Các mô-đun thu phát được nhúng trong đèn pha và đèn hậu LED biến một chiếc xe thành một nút kỹ thuật số có thể tương tác với các phương tiện hỗ trợ LiFi khác cũng như các tín hiệu giao thông kỹ thuật số và đèn đường thông minh. Điều này rõ ràng tạo thuận lợi cho việc quản lý giao thông và an toàn đường bộ.

Môi trường nhạy cảm về quyền riêng tư: Kết nối có dây được sử dụng để ngăn chặn việc nghe trộm trong các thiết lập của quân đội và chính phủ ảnh hưởng không nhỏ đến tính di động. LiFi cung cấp giao tiếp an toàn, tốc độ cao mà không ảnh hưởng đến tính di động.

LiFi và IoT

Đèn LED hỗ trợ LiFi sẵn sàng đóng một vai trò quan trọng trong Internet of Things, cho phép tích hợp trực tiếp thế giới vật chất vào các hệ thống dựa trên máy tính. IoT biến đổi cách mọi người tương tác với môi trường của họ thông qua việc khai thác các khả năng thu thập dữ liệu (cảm biến), giao tiếp và hành động. Việc chuyển tiếp dữ liệu từ lớp nhận thức đến lớp ứng dụng của hệ thống IoT yêu cầu một lớp mạng đáng tin cậy, an toàn, hiệu quả và lan tỏa. Lớp mạng của IoT sử dụng kết hợp các công nghệ truyền thông mạng khoảng cách xa và tầm ngắn như Bluetooth, ZigBee, WiFi, 3G, 4G, 5G và giao tiếp đường dây điện (PLC). WiFi hiện là công nghệ mạng không dây được công nhận toàn cầu trong các ứng dụng IoT. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, WiFi có những điểm yếu của nó. Và LiFi được sinh ra để giải quyết sự kém hiệu quả của WiFi.

Với mức tiêu thụ điện năng rất thấp, thuận tiện trong việc thiết lập, tính khả dụng rộng rãi và chi phí thành phần thấp hơn, việc triển khai IoT với LiFi trên toàn bộ cơ sở sẽ là một bài tập không phức tạp. Khả năng truyền dữ liệu thông qua ánh sáng của LiFi dễ dàng mở rộng mạng lưới các giải pháp IoT có thể tùy chỉnh mà trước đây không thể thực hiện được với các công nghệ truyền thông RF. LiFi không chỉ cung cấp một kênh hiệu quả, hiệu quả và an toàn về chi phí để giao tiếp phổ biến hơn trong các mạng IoT, nó còn đóng góp sự mạnh mẽ chưa từng có trong tương tác giữa các nút kỹ thuật số và tạo ra vô số ứng dụng IoT di động từ nút này sang nút khác. Các hệ thống truyền thông LiFi và RF kết hợp để giải quyết những thách thức chính của IoT như khả năng tương tác, khả năng mở rộng và khả năng truy cập.