Научная
деятельность
Университет ИТМО

Первая в России устойчивая сеть передачи данных с помощью света запущена в Университете ИТМО

Первая в России локальная сеть передачи данных с помощью света была запущена на кафедре световых технологий и оптоэлектроники. Новый формат, известный как Li-Fi, в будущем может стать достойной альтернативой Wi-Fi. В нем вместо радиочастотного используется оптический сигнал, при этом скорость передачи данных в сотни раз быстрее, чем в традиционных беспроводных сетях. Так, в лаборатории Университета ИТМО удалось достичь 50 мегабит в секунду, что уже сравнимо с Wi-Fi и даже превосходит его. Li-Fi сегодня считают более защищенным каналом коммуникации, который к тому же можно будет использовать в «мертвых зонах» Wi-Fi: операционных, самолетах и других местах, где радиопомехи нежелательны. 

Что такое Li-Fi

Li-Fi расшифровывается как Light Fidelity, по аналогии с Wireless Fidelity (Wi-Fi). Это технология, в которой передача данных по беспроводной сети происходит не с помощью радиочастотного сигнала, а с помощью света в видимом диапазоне длин электромагнитных волн. Работает система следующим образом. Источником сигнала служит обычный светодиод. Он мерцает с высокой скоростью, излучая импульсы света на фотоприемник. Фотоприемник декодирует эти импульсы света в электрический сигнал, который, в свою очередь, расшифровывается в цифровые данные. Таким образом, светодиод и фотоприемник чем-то похожи на трансмиттеры: есть свет – это единица, нет света – это ноль. Что приятно, для человека такой способ передачи данных незаметен: мерцание в светодиодах слишком быстро, чтобы мы могли его увидеть. 

Самое главное преимущество технологии – это скорость передачи данных. Лабораторные тесты показали, что в теории можно достичь скорости в 220 гигабит в секунду: это примерно в  четыре тысячи раз быстрее, чем реальные скорости существующего сегодня беспроводного соединения. Это позволило бы пользователю скачать около 18 фильмов размером 1,5 гигабайт за одну секунду. Но это в теории. На практике, в конце 2015 года эстонская компания Velmenni смогла достичь передачи на скорости один гигабит в секунду, что примерно в 10-20 раз быстрее существующего Wi-Fi соединения (также зависит от настроек сети).

Такие невероятные результаты получаются за счет того, что Li-Fi использует электромагнитные волны видимого диапазона частот, проще говоря, видимый свет.  Свет имеет примерно в 100 000 раз большую частоту, чем Wi-Fi сигнал, и, следовательно, теоретически возможны более высокие скорости передачи данных

Впервые о Li-Fi громко заявил профессор Эдинбургского университета Гарольд Хаас на конференции TED в 2011 году. Тогда ученый наглядно показал, как именно работает технология, и указал на ее преимущества и недостатки. Кроме высокой скорости, Li-Fi имеет и другие преимущества: так, он позволит сильно экономить на электричестве, ведь больше не потребуются распределительные станции, роутеры и прочие устройства для создания Wi-Fi сигнала – сигнал будет поступать от обычных лампочек. Кроме того, благодаря свету работать в сети можно будет и в самолетах, и в больницах, и в других «мертвых» зонах для Wi-Fi. Но профессор указал и на недостаток новой беспроводной технологии передачи данных – в темноте пользоваться Интернетом никто не сможет. Также при перемещении из одной комнаты в другую необходимо будет каким-то образом поддерживать этот сигнал. Гарольд Хаас является основателем компании pureLIFI, у которой уже есть девайс для обеспечения соединения.

Первое Li-Fi-соединение в России

Первая в России сеть Li-Fi была запущена в Университете ИТМО в июне. Эксперимент происходил в лаборатории. Для этого были собраны два приемо-передающих модуля-модема. Первый, помимо самого модуля-модема, включал в себя светодиодный модуль из 64 белых светодиодов для обычного подвесного офисного светильника. С помощью них происходила передача сигнала на фотоприемное устройство второго модуля. Кроме фотоприемного устройства, второй модуль состоял из нескольких излучающих лазерных диодов  инфракрасного диапазона, для передачи обратной информации на фотоприемное устройство первого модуля. Модули были подключены к двум ноутбукам и расположены в зоне прямой видимости. На компьютерах были созданы сетевые папки, в которых были размещены видеоролики высокого разрешения. Два модема связались между собой, что и позволило смотреть видеоролики с сетевой папки другого ноутбука. Скорость передачи данных в такой сети составила 50 Мбит/с на расстоянии свыше трех метров между модулями.

«Этот показатель превышает реальные скорости стандартной технологии Wi-Fi. Этот эксперимент – только начало нашей работы, так как скорость передачи данных также ограничена электроникой в модемах. Для нашего опыта мы использовали стандартные модемные платы, но мы уже смогли получить устойчивое соединение», – прокомментировал заведующий лабораторией кафедры светодиодных технологий Сергей Щеглов.

Узконаправленные инфракрасные диоды на модуле-приемнике использовались не случайно. Так как модуль должен отправлять сигнал и обратно в модуль-передатчик, это значит, что устройство должно излучать какой-либо свет. Если это будет свет в видимом диапазоне, то человеку будет неудобно пользоваться устройством и смотреть на него. Инфракрасный же свет человек не видит, а из-за узкой направленности излучение не будет попадать на человека напрямую.

Исследовательская группа проводила контрольное тестирование Li-Fi-системы в темном помещении, но замеры делались и в обычных «комнатных» условиях. В результате оказалось, что даже солнечный свет из окон не сильно мешает нормальной передаче сигнала, подчеркнул Сергей Щеглов. Ведь свет распространяется от передатчика во все стороны, отражается от стен и других поверхностей. Таким образом, создается как бы «засветка» из оптического сигнала с информацией, которой достаточно, чтобы поддерживать в помещении эффективную передачу данных. Если заглядывать в будущее, Li-Fi-соединение будет обеспечиваться в помещениях за счет не одной лампочки или светильника, а сразу всей системой освещения. Таким образом, человек, даже перемещаясь от одного источника излучения к другому или из комнаты в комнату, не будет испытывать проблем с соединением.

Еще один плюс Li-Fi – это безопасность соединения, которая обеспечивается в помещении. Ведь для того, чтобы перехватить сигнал, злоумышленнику придется находиться в этом помещении. Таким образом, можно организовывать сети на очень ограниченных пространствах, где защитой от взлома будут служить обычные стены.

«Конечно, мы не можем отвечать за безопасность доставки информации от серверов до роутера. Когда мы говорим о защите информации, мы отвечаем за тот участок соединения, который образуется от модема до точки доступа. И эта защита очень эффективна. Ведь как действуют классические схемы угона автомобилей: водитель подходит к машине, нажимает кнопку на брелке, радиочастотный сигнал выключает сигнализацию, а в это время угонщик стоит где-то рядом и записывает этот сигнал. Оптический сигнал перехватить так просто не получится», – сказал Сергей Щеглов. 

Создание Li-Fi соединения в Университете ИТМО является частью проекта, реализуемого в партнерстве с АО «Связь Инжиниринг», ООО «О2 Световые Системы» и ОАО «Авангард» по заказу Министерства промышленности и торговли. Работа ведется в рамках государственной программы «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013-2025 годы». Проведение лабораторного эксперимента – это один из этапов проекта. В дальнейших планах разработчиков усовершенствовать технологию и увеличить скорость передачи данных, а далее внедрить в производство и эксплуатацию.

Использовать Li-Fi можно будет во многих точках. Во-первых, на производственных площадках, где есть электромагнитные помехи, например, в металлургических цехах. Во-вторых, в местах скопления большого количества пользователей: торговых центрах, на конференциях. В таких случаях каждый светильник может быть превращен в точку доступа в Интернет. Благодаря своей безопасности, Li-Fi может стать популярен в государственных и коммерческих структурах. Кроме того, технология может обеспечивать устойчивую связь между автономными автомобилями за счет использования излучения светодиодных фар и во многих других случаях.