XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В последние годы направление беспроводных компьютерных сетей (в частности технологии 3G, 4G и Wi-Fi) переживает период ускоренного развития. Это связано с расширением функциональных возможностей сотовых телефонов, ноутбуков, планшетов и прочих электронных устройств. Особенностью беспроводных сетей является предоставление услуг связи вне зависимости от места и времени. Беспроводные каналы актуальны там, где по техническим причинам дорого или просто невозможно проложить кабельные линии. Если раньше беспроводные компьютерные сети передавали данные со скоростью от 1.2 до 14.0 Кбит / с, то теперь новые технологии беспроводной передачи оперируют со скоростями в несколько десятков мегабит в секунду .

Однако существуют препятствия на пути развития беспроводной передачи данных. В первую очередь, недостаток точек, предоставляющих доступ в сеть. По данным на январь 2014 года, в мире насчитывалось около 6 миллионов мобильных базовых станций, в то время как количество устройств, позволяющих использовать беспроводные сети, составляет около 7,4 миллиардов устройств. К 2019 году прогнозируется рост числа подобных гаджетов до 11,4 миллиардов, в то время как увеличение количества станций планируется только до 11 миллионов . К тому же сам процесс использования беспроводных данных путем соединения с базовой станцией имеет весомые недостатки.

Низкая пропускная способность канала: жесткое ограничение радиоволн, используемых в качестве среды для передачи, в количестве данных, а также высокая стоимость использования подобного метода.

Низкая эффективность: мобильная базовая станция потребляет гораздо больше электроэнергии на охлаждение оборудования, чем на саму передачу информации.

Высокие ограничения на доступ к сети: на данный момент возникают трудности с использованием беспроводных сетей в самолетах и больницах, где есть зависимость оборудования от электромагнитных помех, зданиях со специфическими особенностями конструкции, а также в местностях, расположенных на большом расстоянии от базовых станций.

Проблема с надежностью обеспечения безопасности соединения: радиоволны могут проходить через стену, что позволяет перехватывать данные «на стороне» и использовать их для плохих намерений - взлом, просмотр конфиденциальной информации и т.д.

Одним из путей решения накопившихся проблем является использование светодиодных ламп как точек доступа беспроводной передачи данных. Данный метод называется Li-Fi (Light Fidelity или Light-based Wi-Fi), а технология, реализующая данный метод - VLC (Visible light communication). Основной концепцией технологии VLC является использование оптического спектра широкого диапазона как среды для передачи информации в закрытых беспроводных коммуникационных системах.

Лампа может передавать данные на высокой скорости и управлять доступом к данным путем переключения светодиодов. Процесс передачи информации происходит путем обмена бинарными данными (0 или 1) между приемником и источником информации. Принцип использования лампы как источника информации довольно прост: если светодиод включен, передается цифра 1, если выключен - 0. Переключение диода происходит настолько быстро, что глаз человека не может заметить этот процесс. Все, что требуется для передачи - несколько светодиодов внутри лампы и микрочип, генерирующий входные данные и управляющий диодами в зависимости от данных.

Сначала чип конвертирует поток входных данных в световую форму. Затем свет определяется фотодатчиком, встроенным в беспроводное устройство и преобразуется обратно в бинарный код для последующей обработки информации. После того, как первичный световой поток был обнаружен, освещение лампы увеличивается, позволяя передавать гораздо больше потоков данных приемнику. Фотодатчик использует для приема оптических сигналов PIN-диод, имеющий большой диапазон приема сигнала, устойчивость к среде с электромагнитными помехами и невысокую стоимость, что делает его более полезным в использовании, чем лавинный диод.

История развития Li-Fi берет начало в 2011 году, когда профессор Эдинбургского университета (Великобритания) Харольд Хаас предложил идею, название которой «данные через излучение». Он использовал волоконную оптику для передачи данных через светодиодную лампу. Через некоторое время консорциумом университетов (Оксфордский, Кэмбриджский, Сент-Эндрюсский и Стрэткладский) были начаты исследования по развитию данной технологии. Целью данных исследований является внедрение Li-Fi точек доступа не только в светодиодные лампы бытового назначения, но и телевизоры, дорожные знаки и рекламные щиты.

Светодиодных ламп в несколько тысяч раз больше, чем мобильных базовых станций, поэтому поиск точки доступа и обеспечение стабильного соединения не станет проблемой для реализации технологии VLC. Также Li-Fi сети, основанные на технологии VLC, решают все остальные проблемы, упомянутые в начале статьи.

Диапазон оптического спектра в 10000 раз больше, чем диапазон радиоволн, что позволяет в такой же пропорции увеличить скорость передачи данных вплоть до нескольких терабит в секунду. Таким образом, решается проблема невысокой пропускной способности.

Светодиодные лампы потребляют мало энергии, имеют длительный срок эксплуатации и, по сравнению с другими электрическими устройствами, сокращают выброс углекислого газа. Это говорит об их высокой эффективности использования в качестве источника в беспроводной сети, а также о высоком энергосбережении данной технологии.

Доступность Li-Fi сетей так же не будет являться проблемой. С использованием VLC доступ к сети будет доступен из любой точки планеты, где работает светодиодный источник, управляемый микрочипом вне зависимости от чувствительности среды к электромагнитным помехам.

Также решается вопрос безопасности беспроводного соединения: в отличие от радиоволн, световые лучи не могут проникать через стены, поэтому ни одно устройство, кроме приемника оптического излучения, не сможет пользоваться доступом к сети. Возникает двухточечная передача данных, что означает отсутствие возможности перехвата и использования данных.

Дополнительно пользователь при использовании Li-Fi получает удобство в установлении и регулировании приема данных, так как колебаний при работе фотодатчика гораздо меньше, чем в Wi-Fi приемнике радиоволн.

При дальнейшем развитии и выходе на рынок технология VLCможет найти применение в различных областях.

В больницах, где возникают трудности при прокладке оптоволоконных кабелей, Li-Fi сети будут полезны в управлении оборудованием операционных блоков.

В области дорожного регулирования Li-Fi может создать обмен информацией между светодиодами на светофорах и на фарах автомобилей, что при параллельном развитии автоматизации позволит сократить число аварий;

В подводных исследованиях, где невозможно соединение экспедиции с внешним миром, как через кабель, так и через Wi-Fi связь.

В разработке интерактивных ТВ-приложений, так как станет возможным многопоточный обмен данных между телевизором и светодиодной лампой на конце пульта. Таким образом, телевизионная сфера станет еще более интерактивной.

В промышленности, а именно на химических и нефтяных заводах развертывание и дальнейшая работа Li-Fi сетей является более выгодным, чем поддержка Wi-Fi сетей, где существует проблема распространения радиоволн.

В то же время необходимо понимать, что Li-Fi сети смогут найти свое применение только в закрытых беспроводных коммуникационных системах, диапазон доступа которых жестко ограничен. В тех ситуациях, когда необходимо создать единую многопользовательскую беспроводную сеть с точкой доступа, способной передавать данные на большие расстояния, технология Wi-Fi по-прежнему не будет иметь альтернатив, так как радиоволны способны проходить через стены и различные препятствия, в отличие от используемых в VLC оптических волн. Этот факт дает Li-Fi сетям не только преимущество в обеспечении безопасности соединения, но и недостаток в масштабируемости сети.

Таким образом, благодаря вышеперечисленным особенностям технологии VLC массовое внедрение Li-Fi сетей позволит создать условия для получения высокоскоростного, надежного, доступного и недорогого беспроводного Интернет-доступа в закрытых беспроводных коммуникационных системах.