LiFi Technology, công nghệ của tương lai

Đây là một công nghệ mới tương tự WiFi nhưng sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu khi mà tần số vô tuyến RF đang ngày càng cạn kiệt, yêu cầu về sử dụng cũng như phải cấp phép sử dụng gây ra hiện tượng nghẽn mạng khi có quá nhiều thiết bị cùng kết nối đến một điểm truy cập (AP) , LiFi được giáo sư Haas giới thiệu để thay thế trong những khoảng không gian ngắn bằng cách sử dụng sóng ánh sáng để truyền dữ liệuTài liệu này mô tả đầy đủ nhất về công nghệ LiFi, đặc điểm, hoạt động, các dự án và sản phẩm liên quan

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

********

BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN SÂU

ĐỀ TÀI CÔNG NGHỆ Li-Fi

Giảng viên : Lê Xuân Trung

Sinh viên : Nguyễn Tiến Huy

Lớp : D13VT2

Mã sinh viên : B13DCVT066

Hà nội 8/2017

Lời mở đầu

Chúng ta biết rằng phổ tần số vô tuyến là tài nguyên quý giá đối với ngành viễn thông hiện nay Ngày nay với sự phát triển của truyền thông không dây vấn đề sử dụng hiệu quả phổ đã ngày càng trở nên quan trọng Nhiều giải pháp đã được thực hiện một trong những giải pháp này là thực hiện sử dụng ánh sáng khả kiến để truyền dữ liệu Những tần số ánh sáng khả kiến miễn phí và không cần cấp phép Công nghệ Li-Fi là một công nghệ truyền thông không dây tầm ngắn cung cấp kết nối mạng cục bộ, nó sử dụng các diode phát sáng hay LED phát sáng để truyền dữ liệu tùy thuộc vào tính chất riêng của việc chiếu sáng Trong báo cáo này sẽ giải thích nền tảng của công nghệ này, tầm quan trọng của nó, các ứng dụng và thách thức cho việc thực hiện các dự án Li-Fi trong tương lai

Phụ lục

Giới thiệu……….1

1 Những vấn đề của hệ thống truyền thông không dây……… 2

1.1 Những vấn đề là gì………2

1.2 Truyền thông ánh sáng khả kiến……….3

1.2.1 Định nghĩa……… 3

1.2.2 Các thành phần……….3

2 Định nghĩa Li-Fi, nguyên tắc làm việc và lợi thế………4

2.1 Li-Fi là gì ……….4

2.2 Lịch sử phát triển………5

2.3 Dự án D-Light……….5

2.4 Nguyên tắc làm việc………6

2.5 Lợi thế của Li-Fi……….7

3 Các ứng dụng của Li-Fi………10

3.1 Cuộc sống với Li-Fi……… 10

3.2 Các ứng dụng của Li-Fi……… 10

4 Hệ thống Li-Fi và những thách thức………13

4.1 Các hệ thống thực hiện……… 13

4.1.1 PureLiFi………14

4.1.2 UP-VLC……… 16

4.2 Lợi thế và lợi ích của Li-Fi với truyền thông RF……… 18

4.3 So sánh Li-Fi với Wi-Fi……….20

4.4 Các thách thức của Li-Fi……… 20

Kết luận……… 22

Thuật ngữ viết tắt………23

Tài liệu tham khảo……… 24

4

số nhân hàng năm Vậy nên dung lượng đáp ứng sẽ ngày càng giảm do những giới hạn về tài nguyên tần số vô tuyến RF(Radio Frequency), do đó chúng ta sẽ phải chịu những vấn

đề nghiêm trọng cho việc này

Để khắc phục những vấn đề này trong tương lai, giáo sư Harald Haas một chuyên gia về giao tiếp mạng vô tuyến đã đề xuất một giải pháp nổi bật và phù hợp vào năm 2011 đó là

sử dụng ánh sáng để truyền dữ liệu Ông đưa ra việc làm thế nào bóng đèn điốt phát quang (LED: Light-Emitting Diodes) được trang bị công nghệ xử lý tín hiệu có thể truyền một video trực tuyến độ phân giải cao đến một máy tính và ông đã cho thấy rằng một bóng đèn LED một oát có thể đủ để cung cấp kết nối cho bốn máy tính

Công nghệ mới này được gọi là Li-Fi (Light-Fidelity) Nó là một hệ thống truyền thông khôn dây tầm ngắn dựa vào chiếu ánh sáng từ đèn LED và sử dụng ánh sáng nhìn thấy như một sóng mang thay cho tần số sóng mang vô tuyến RF truyền thống Giáo sư Harald Haas đặt ra thuật ngữ “Light-Fidelity” và thành lập một công ty cá nhân và gọi là truyền thông ánh sáng khả kiến (Pure Visible Light Communication) để khai thác công nghệ đó Ông đã hình dung ra tương lai nơi mà dữ liệu cho máy tính và điện thoại thông minh được truyền qua ánh sáng trong một phòng theo một cách bảo mật

Trong báo cáo này chúng ta sẽ nói về các tính năng, ứng dụng và lợi thế của nó cũng như những dự án thực tế có thể được thực hiện Và ta sẽ thấy rằng công nghệ này có thể trở thành công nghệ của tương lai

2

1.Những vấn đề của hệ thống truyền thông không dây

Những vấn đề nghiêm trọng của hệ thống truyền thông được gọi là “Spectrum Crunch” (hệ thống đề cập đến sự thiếu hụt tần số vô tuyến đáp ứng số lượng ngày càng tăng của các thiết bị), các giải pháp được đề xuất để giải quyết nó và một trong những giải phát là sử dụng ánh sáng khả kiến, ta sẽ mô tả một cách ngắn gọn vệ hệ thống ánh sáng khả kiến VLC (Visible Light Communication) và các thành phần của nó

1.1 Những vấn đề là gì ?

Bất chấp những cải tiến liên tục trong các hệ thống không dây như : 3G, 4G, etc , một cuổng khủng hoảng được dự đoán do thiếu nguồn tài nguyên tần số vô tuyến, sự hạn chế trong băng thông không thể hỗ trợ sự tăng trưởng về nhu cầu dữ liệu tốc độ cao và lượng

hệ thống truyền thông lớn

Hình 1: Nhiều hệ thống truyền thông gây ra hiện tượng Spectrum Crunch

Hình 1 trong băng thông giữa 300 kHz và 4 GHz đây là khoảng gây ra hiện tượng

“Spectrum Crunch” mặc dù sự nghẽn băng tần có giảm khi chúng ta sử dụng tần số cao

để truyền số liệu, nhưng đây không phải là một giải pháp thực tế vì phần quang phổ này yêu cầu các thiết bị rất phức tạp và chi phí cao

Vậy chúng ta làm cách nào để giải quyết vấn đề này?

Thực tế, một số lượng lớn công nghệ cung cấp cho giải quyết vấn đề này Một trong số

đó là “Cognitive Radio” Nó là một công nghệ mới trong truyền thông không dây với một kiến trúc thu phát có thể phát hiện một cách thông minh kênh truyền thông nào đang được sử dụng và ngay lập tức chuyển vào các kênh trống để sử dụng truyền dữ liệu, ví dụ: môt hệ thống quản lý băng tần mà khi một băng tần được cấp cho một người nhưng không phải lúc nào nó cũng được sử dụng và tại thời điểm này nó sẽ được cung cấp cho một người dũng khác Tuy vậy một giải pháp khác có thể được sử dụng đó là truyền dữ

VLC là một công nghệ truyền thông quang sử dụng các tia ánh sáng khả kiến, các tia

này ở trong khoảng 400 THz đến 800 THz được sử dụng như một sóng mang cho việc truyền dữ liệu bằng việc chiếu sáng Nó sử dụng xung ánh sáng tốc độ cao, cái không thể phát hiện được bằng mắt người để truyền dữ liệu Nó cũng bao gồm ánh sáng bất kỳ của phổ điện từ để truyền dữ liệu Quy trình chuẩn hóa VLC được thực hiện bởi IEEE

(802.15)

Một tính năng của VLC là cung cấp băng thông băng rộng như minh họa trong hình 2 Chúng ta có thể thấy khoảng phổ lớn gấp 10000 lần so với băng thông sử dụng tần số vô tuyến RF

Hình 2: Vị trí của ánh sáng nhìn thấy và tần số RF trong quang phổ điện từ

1.2.2 Các thành phần

Như ta có thể thấy trong đồ hình dưới đây, VLC là một hệ thống truyền thông bao gồm một bộ phát, một bộ thu và một kênh truyền thông Các thành phần chính của VLC là:

 Đèn LED độ sáng cao hay các nguồn sáng, hoạt động như một bộ phát

 Một photodiode silicon có cuộn phát hiện và chỉ ra các bước sóng khả kiến phản hồi tốt

 Kênh truyền thông là không khí

4

Hình 3: Sơ đồ khối của hệ thống VLC

Chúng ta thường thêm một vài thành phần cần thiết như một bộ điều khiển kênh và điều khiển kênh nhận Điều khiển kênh bao gồm một kênh điều khiển và bộ đầu ra để xác định dữ liệu và đảm bảo nó sẵn sàng để truyền và kênh nhận bao gồm một bộ lọc để chọn băng yêu cầu, bộ khuếch đại để cung cấp tỉ số tín hiệu trên nhiễu để giải điều chế tín hiệu như trên hình 3

2 Định nghĩa Li-Fi, nguyên tắc làm việc và các lợi thế

Trong phần này ta sẽ nói về công nghệ Li-Fi một cách chi tiết và chỉ ra lịch sử của nó,

mô tả dự án đầu tiên được gọi là D-Light Ta cũng sẽ giải thích nguyên tắc làm việc cho công nghệ này cũng như các lợi thế của nó

2.1 Li-Fi là gì?

Li-Fi là công nghệ mới cho hệ thống truyền thông tầm ngắn, nó thích hợp cho việc truyền dữ liệu qua các LED phát sáng Sử dụng ánh sáng khả kiến, một phần của quang phổ điện trường cái vẫn chưa được sử dụng nhiều

Giáo sư Harald Haas, người sáng lập đầu tiên của công nghệ Li-Fi, trong thiết kế công nghệ toàn cầu đã nói: “Trái tim của công nghệ này là một thế hệ mới của các đèn LED phát quang”, hiểu đơn giản nếu đèn LED bật, ta phát “1”, và nếu LED tắt ta phát số “0”, chúng có thể được chuyển mạch rất nhanh, đưa ra một cơ hội tuyệt vời cho việc truyền

dữ liệu Nó có khả năng mã hóa dữ liệu trong ánh sáng bằng việc thay đổi tỉ suất nhấp nháy của đèn LED tạo ra các chuỗi bít “0” và “1” khác nhau Trong hình 4 là ý tưởng việc truyền dữ liệu sử dụng ánh sáng Cường độ của đèn LED được điều chỉnh nhanh mà mắt người không thể nhìn thấy được và cảm giác như không có sự thay đổi (bật và tắt), nhiều kỹ thuật tinh vi có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu như sử dụng dãy đèn LED, mỗi đèn LED truyền một luồng dữ liệu khác nhau để cung cấp việc truyền dữ liệu

Dưới đây là tổng quát lịch sử của Li-Fi:

 2011, Haas đưa ra công nghệ này tại hội thảo TED và được tài trợ bắt đầu làm nó

 Tháng 10/2011 các công ty và nhóm công nghiệp đã thành lập một liên minh về

Li-Fi, để nâng cao tốc độ của hệ thống quang và vượt qua những hạn chế về phổ tần cho phép bằng việc khai thác các phần khác nhau của phổ quan điện từ

 2012, công nghệ VLC được trưng bày bởi hiệp hội Li-Fi

 Tháng 10 năm 2013, các nhà sản xuất Trung Quốc làm việc trên các công cụ phát triển Li-Fi

 Tháng 4 nawmg 2014, công ty Nga Stins Coman công bố việc phát triển một mạng Li-Fi tại địa phương gọi là BeamCaster Tiêu chuẩn hiện tại của họ đạt tốc độ truyền

dữ liệu 1.25 Gbps

2.3 Dự án D-Light

D-Light có nghĩa là “dữ liệu thông qua việc phát sáng”, phát minh của giáo sư Haas Ông nói rằng phát minh của mình có thể đạt tốc độ truyền dẫn hơn 10Mbps, tốc độ lớn hơn kết nối băng rộng thông thường Ông hình dung ra tương lai khi mà dữ liệu cho điện thoại thông minh hay máy tính bảng truyền qua ánh sáng trong một phòng nhưng Haas nói phiên bản của dự án này bị hạn chế bởi sự tồn tại của LED và việc sử dụng LED như một nguồn phát cũng như bộ dò đồng thời Tuy vậy ông đã tạo ra một LED tốt hơn cung cấp tốc độ

6

truyền dữ liệu gần 4 Gbps hoạt động trên nguồn quang 5 miliwatt và nâng cao băng thông photodiode tại bộ nhận Ông cũng nói rằng chúng ta có thể gửi dữ liệu với khoảng cách 10 mét và tốc độ 1.1 Gbps với một thấu kính đơn giản, và sẽ sớm tăng lên 15 Gbps Chuẩn không dây Wi-Fi cho tần số vô tuyến tiệm cận dưới 7 Gbps trên giây, vậy nên Li-Fi sẽ gấp đôi tốc độ này

Hệ thống D-Light sử dụng ghép kênh theo tần số trực giao (OFDM), nó cho phép chúng ta thay đổi cường độ của LED tại tốc độ cao, bóng đèn sẽ chỉ cần bật và cung cấp ánh sáng Tín hiệu có thể được thu bởi các máy thu đơn giản Ông nói “cần phải như vậy để rẻ nhưng không ở khắp nơi được, mà phải tiến tới miễn phí”

2.4 Nguyên tắc làm việc

Công nghệ Li-Fi thực hiện sử dụng LED trắng cho việc phát sáng dùng một dòng điện liên tục Tuy nhiên, những biến thể hiện tại, ánh sáng đầu ra có thể thay đổi với tốc độ vô cùng cao Nếu LED bật, nó truyền 1 và tắt truyền 0 Những đèn LED có thể thay đổi bật

và tắt nhanh chóng để truyền dữ liệu, tât nhiên là khổng thể nhìn thấy bằng mắt người Vậy chúng ta cần tất cả dữ liệu truyền trên một vài LED và điều khiển dữ liệu mã hóa vào trong LED và cho việc nhận dữ liệu, chúng ta cần một bộ cảm biến hình ảnh, Photodiode sử dụng như một bộ cảm nhận, các thành phần được cho như hình 5

Hình 5: Thành phần chính của hệ thông Li-Fi: LED, Photodiode, Image sensor

Một liên kết Li-Fi tổng thể được mô tả như hình 6 Nó bao gồm nguồn sáng, môi

trường truyền lan khả kiến (LOS), một máy dò ánh sáng Thông tin (nội dung trực tuyến) dưới dạng kỹ thuật số hay tương tự là đầu vào cho mạch điện tử điều chế nguồn sáng Nguồn sáng đầu ra đi qua một hệ thống quang (để điều khiển ánh sáng phát ra, ví dụ như đảm bảo máy phát ánh sáng an toàn với mắt) đi ra không gian tự do Tín hiệu nhận được đến thông qua một hệ thống quang (như một bộ lọc để loại bỏ nhiễu, một thấu kính hay một bộ hội tụ ánh sáng vào máy dò) tiếp đó qua photodiode (PD) và được khuếch đại trước quá trình chuyển đổi tín hiệu

Với hầu hết các ứng dụng trong nhà đèn LED là nguồn sáng dễ chịu, các tiêu chuẩn an toàn, chi phí và năng lượng thấp Chúng thay thế đèn sợi đốt như là một nguồn chiếu

7

sáng chính trong môi trường nhà và công cộng, đến năm 2018 đa số cá thiết bị chiếu sáng

sẽ sử dụng đèn LED Do cường độ chiếu sáng cao hơn, xa hơn

Hình 6: Kết nối Li-Fi tổng thể

Quá trình trên được mô tả như sau : ở một đầu trên tất cả các dữ liệu trên internet sẽ được truyền đến một đèn điều khiển Khi nguồn bật vi mạch chuyển đổi dữ liệu số thành dạng ánh sáng Tại phía thu ánh sáng được phát hiện bằng bộ cảm biến (PD: photo

detector) Sau đó tín hiệu được khuếch đại và xử lý để đưa đến thiết bị nhận

Có 2 loại máy dò trong Li-Fi được sử dụng đó là photo diode PIN và APD Dù APD có

hệ số tăng ích cao hơn tuy nhiên PIN vẫn sử dụng phổ biến hơn do chịu được nhiệt độ cao, chi phí thấp và hiệu suất tốt hơn

Để cung cấp truy cập internet, một đường lên từ một thiết bị đến mạng cần đảm bảo (ngoài đường xuống) sẽ cho phép thiết bị yêu cầu, sửa đổi và tải lên thông tin Một ví dụ

là truyền thông Li-Fi song công trình bày trong hình 7 cặp đèn LED-PD cần được đặt trên

cả hai đầu của liên kết không dây để cung cấp tính năng này

8

Hình 7: Hệ thống truyền thông dùng cặp đèn LED cho VLC

Do sự định hướng cố hữu của ánh sáng (ngược hoàn toàn với tín hiệu RF), trong một

mạng Li-Fi mỗi nguồn sáng là một điểm truy cập không dây, nó là điều cần thiết cho hoạt động mạng mà các liên kết truyền thông không bị gián đoạn khi người dùng đang di chuyển Do đó mạng phải chuyển giao người dùng từ một điểm truy cập tiếp theo

Các bóng đèn LED sẽ có một chip làm việc xử lý dữ liệu Cường độ ánh sáng có thể được thao tác để gửi dữ liệu bằng các thay đổi nhỏ trong biên độ

Hình 8 cho thấy nguyên tắc làm việc của hệ thống Li-Fi, cho việc truyền dữ liệu, nó chó thể thực hiện bởi một LED đơn hay nhiều LED Trên phía nhận là một photo cảm biến, phát hiện Nó chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện và nó sẽ chuyển tín hiệu điện đến thiết bị kết nối với nó Bộ điểu chỉnh điện áp và mức kênh được sử dụng trên cả hai bên để chuyển đổi hay duy trì mức điện áp giữa bộ phát và bộ thu

Hình 8: Nguyên tắc làm việc của Li-Fi

Các bộ phận trong hình như :

9

- Voltage regulator (điều chỉnh điện áp); level shifter (dịch mức điện áp: giải quyết sự không tương thích về điện áp giữa các thiết bị); transmitter/reciever circuit (kênh truyền thông phát/thu)

2.5 Lợi thế của Li-Fi

Li-Fi là một ý tưởng cho vùng phủ sóng dữ liệu không dây mật độ cao trong các khu vực hạn chế để giảm các vấn đề về nhiễu sóng vô tuyến các tính năng của nó bao gồm lợi ích về năng lượng, an toàn và bảo mật của một hệ thống không dây ta sẽ nó ngắn gọn

về lợi thế như dưới đây

-Năng lượng: LED phát quang vừa có hiệu quả và không yêu cầu nhiều năng lượng như các nguồn truyền thống vì hầu hết năng lượng do tản nhiệt của LED không tốn quá nhiều

-Môi trường: Truyền sóng RF và lan truyền trong nước vô cùng khó nhưng Li-Fi làm việc tốt trong môi trường này

Dung lượng

Bất kỳ thiết bị quang nào như đèn ô tô, đèn trần, đèn đường,… được sử dụng như một điểm phát Nó có nghĩa là bất kỳ phổ ánh sáng nào đều có thể sử dụng giúp ta giảm chi phí kiến trúc của trạm phát Và vấn đề quan trọng nhất ở đây là băng thông, dữ liệu, tốc độ

-Băng thông: phổ ánh sáng khả kiến dồi dào gấp 10000 khi so với phổ RF

-Mật độ dữ liệu: Li-Fi có thể đạt được lượng dữ liệu gấp 1000 so với Wi-Fi vì ánh sáng khả kiến có thể được chứa trong một vùng tia sáng trong khi RF có xu hướng trải rộng và gây nhiễu

-Tốc độ cao: tốc độ dữ liệu rất cao có thể đạt được như 500 Mbps do nhiễu thấp, băng thông cao và cường độ quang đầu ra cao

An toàn

Ánh sáng có xung quanh chúng ta là một phần của cuộc sống và do đó không có mối lo nào liên quan đến sử dụng các phương tiện truyền thông này Nó không bao giờ mang lại bất kỳ phản ứng phụ nào đối với bất kỳ sinh vật nào như sóng vô tuyến điện và sóng truyền thông gây nguy hiểm cho các mạch điện từ cũng như ảnh hưởng tới các loại chim và con người

Bảo mật

10

“Nếu chúng ta không thể thấy ánh sáng chúng ta không thể truy cập dữ liệu”

Vì tín hiệu sẽ không đi qua tường, nó sẽ khó khăn cho việc nghe trộm tín hiệu

Li-Fi Ta có thể thấy nơi dữ liệu được truyền đi tuy nhiên không cần phải có thêm bảo mật truyền thống như khi ghép đôi các thiết bị cho kết nối RF như Bluetooth

3.Các ứng dụng của Li-Fi

Các ứng dụng của Li-Fi là không giới hạn và hứa hẹn cho tương lai của truyền thông

Ta sẽ nói về một vài ứng dụng của nó

3.1 Cuộc sống với Li-Fi

Sự phát triển mạnh mẽ trong việc sử dụng LED cho việc chiếu sáng cung cấp cơ hội để kết hợp công nghệ Li-Fi vào nhiều môi trường do bất kỳ thiết bị chiếu sáng nào như đèn

xe hơi, đèn trần, đèn đường phố đều có thể sử dụng như một điểm phát giúp ta tiết kiệm chi phí

Công nghệ này đặc biệt phù hợp với nhiều ứng dụng internet phổ biến, chúng ta có thể tải phim, game, nhạc trong vài phút với sự giúp đỡ của Li-Fi

Hình 9 cho ta thấy môi trường với công nghệ Li-Fi nơi các bòng đèn được sử dụng cho truyền thông dữ liệu đến PC, máy tính cá nhân, máy tính bảng, điện thoại tất cả đều có một photo kết nối như một bộ thu của nó

Hình 9: Môi trường Li-Fi 3.2 Các ứng dụng của Li-Fi

Do những lợi thế của nó nên Li-Fi có nhiều ứng dụng Dưới đây là vài ứng dụng quang trọng nhất của nó