La tecnologia LiFi

Perché il LiFi

LiFi è una tecnologia di comunicazione wireless che utilizza lo spettro della luce infrarossa e visibile per la comunicazione di dati ad alta velocità.

LiFi, acronimo coniato per la prima volta nel 2011¹, estende il concetto di comunicazione a luce visibile (VLC, Visible Light Communication) per ottenere comunicazioni wireless ad alta velocità, sicure, bidirezionali e completamente in rete².

È importante notare che LiFi supporta la mobilità degli utenti e l’accesso multiutente. La dimensione dello spettro dell’infrarosso e della luce visibile insieme è circa 2600 volte la dimensione dell’intero spettro delle frequenze radio di 300 GHz.

È dimostrato³ che il tasso di crescita annuale composto (CAGR) del traffico wireless è stato del 60% negli ultimi 10 anni. Se tale crescita verrà mantenuta per i prossimi 20 anni, ipotesi piuttosto ragionevole con il crescere dell’Internet-of-Things (IoT) e della Machine Type Communication (MTC), questo comporterà una domanda di 12.000 volte la larghezza di banda attuale assumendo la stessa efficienza dello spettro.

Per esempio, la banda RF industriale, scientifica e medica (ISM) nella regione dei 5,4 GHz è di circa 500 MHz, ed è usata principalmente dal WiFi. Questa larghezza di banda si sta già saturando e questa è una delle ragioni che ha condotto alla Wireless Gigabit Alliance (WiGig). WiGig usa lo spettro tra 57 GHz-66 GHz, cioè una larghezza di banda massima di 9 GHz. Tra 20 anni, la richiesta di larghezza di banda per i futuri sistemi wireless sarebbe comunque di 12.000 × 500 MHz, il che si traduce in una richiesta di 6 THz di larghezza di banda. L’intero spettro RF è solo 0,3 THz. Questo significa un deficit di 20 volte rispetto all’intero spettro RF, e un deficit di 667 volte rispetto alla larghezza di banda attualmente assegnata per WiGig. In confronto, i 6 THz di larghezza di banda sono solo lo 0,8% dell’intero spettro IR e della luce visibile.

Per superare questa crisi dello spettro si può ricorrere ad un riutilizzo spaziale delle risorse di frequenza. Questo approccio è stato usato con molto successo in passato ed ha portato, come visto nel nostro articolo 5G: Dalle macrocelle alle femtocelle, alla realizzazione di microcelle. Questo approccio è stato il principale contributore al miglioramento delle velocità di trasmissione dati. Le dimensioni delle celle nella comunicazione cellulare si sono drasticamente ridotte. Il raggio della cella, al fine di riutilizzare lo spettro RF disponibile in modo più efficiente e di ottenere maggiori densità di dati, nei primi sistemi 2 G era di 35 km, nei sistemi 3G di 5 km, nei sistemi 4G di 100 m e, nel 5G, probabilmente di circa 25 m. Tuttavia, ulteriori riduzioni delle dimensioni delle celle sono più difficili da ottenere a causa dell’alto costo delle infrastrutture per i collegamenti dati backhaul e fronthaul che collegano questi punti di accesso distribuiti alla rete centrale. Inoltre, con una cella di dimensioni più piccole aumenta la probabilità che una stazione base interferente e un terminale utente si trovino in linea di vista. L’interferenza risultante può diminuire significativamente la velocità di trasmissione e può causare un grosso problema nelle reti cellulari⁴. Per queste ragioni è ipotizzabile che i contributi per la futura crescita del traffico dati mobile deriveranno da maggiore utilizzo dello spettro piuttosto che dal riutilizzo spaziale delle frequenze. In particolare, le risorse ottiche sono molto attraenti perché sono abbondanti e sono, almeno attualmente, prive di licenza.

Queste risorse possono essere utilizzate per la comunicazione dei dati, cosa dimostrata con successo per decenni nella comunicazione a fibre ottiche utilizzando l’amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione (laser). Con l’adozione diffusa di diodi emettitori di luce ad alta luminosità (LED) è sorta l’opportunità di utilizzare lo spettro della luce visibile per una rete wireless pervasiva.

Tradizionalmente, un sistema VLC è stato concepito come un singolo collegamento wireless punto a punto tra una sorgente di luce LED e un ricevitore che è dotato di un dispositivo di rilevamento ottico come un rilevatore foto ottico (PD). La velocità di trasmissione dei dati ottenibile dipende dalla tecnologia di modulazione digitale utilizzata e dalla tecnologia di illuminazione.

La maggior parte dei LED commerciali sono composti da un LED blu ad alta luminosità con un rivestimento di fosforo che converte la luce blu in giallo. Quando la luce blu e la luce gialla sono combinate, questa si trasforma in luce bianca. Questo è il modo più conveniente per produrre luce bianca oggi, ma il materiale di conversione del colore del fosforo rallenta la risposta in frequenza, cioè le frequenze più alte sono fortemente attenuate. Di conseguenza, la larghezza di banda di questo tipo di LED è solo di 2 MHz. Con un filtro blu al ricevitore per rimuovere i componenti gialli lenti, è tuttavia possibile raggiungere velocità di trasmissione dati nell’ordine di 1 Gbps con questi dispositivi.

I LED rossi, verdi e blu (RGB) più avanzati consentono velocità di trasmissione dati fino a 5 Gbps poiché la luce bianca viene prodotta mescolando i colori di base invece di usare una sostanza chimica di conversione

del colore. Sono state dimostrate velocità di trasmissione record con un singolo micro LED di 8 Gbps⁵ ed è stato dimostrato che 100 Gbps sono raggiungibili con l’illuminazione basata sul laser⁶.

 

Realizzazione di reti LiFi

I locali vengono tipicamente illuminati da diverse lampade che forniscono l’illuminazione. Ogni luce è pilotata da un modem LiFi o da un chip LiFi e, quindi, serve anche come stazione base ottica o punto di accesso (AP, Access Point). Le stazioni base ottiche sono collegate alla rete centrale tramite connessioni backhaul ad alta velocità. Le lampade hanno anche un rilevatore a infrarossi integrato per ricevere i segnali dai terminali. Le luci illuminanti sono modulate ad alta velocità. I risultanti sfarfallii ad alta frequenza, che sono molto più alti della frequenza di aggiornamento del monitor di un computer, non sono visibili agli occupanti della stanza.

L’alimentazione e i dati possono essere forniti ad ogni apparecchio di illuminazione utilizzando un certo numero di tecniche diverse, tra cui PoE⁷ e la comunicazione power-line (PLC)⁸. Un uplink ottico è implementato utilizzando un trasmettitore sull’apparecchiatura utente (UE), spesso utilizzando una sorgente IR (in modo che sia invisibile all’utente).

Ognuno di questi apparecchi di illuminazione, che allo stesso tempo agiscono come AP LiFi wireless, creano una cella estremamente piccola, una attocellula ottica⁹. Poiché la luce è spazialmente confinata, è possibile in LiFi portare il concetto di piccola cella ad un nuovo livello creando celle ultra-piccole con raggi inferiori a 5 m, sfruttando l’enorme spettro aggiuntivo senza licenza nel dominio ottico.

L’equilibrio tra le lampade che contengono AP e quelle che forniscono solo l’illuminazione è determinato dai requisiti della rete, ma potenzialmente tutti i corpi illuminanti possono contenere AP.

Rispetto a un sistema hot-spot wireless a singolo AP, tali sistemi cellulari possono coprire un’area molto più grande e permettere a più UE di essere connessi simultaneamente¹⁰. Nelle reti cellulari, il riutilizzo spaziale denso delle risorse di trasmissione wireless è usato per raggiungere una densità di dati molto alta¹¹. Di conseguenza, i collegamenti che utilizzano lo stesso canale in celle adiacenti interferiscono l’uno con l’altro (CCI, Co-Channel Interference)¹².

Il passaggio da collegamenti punto a punto a reti wireless complete basate sulla luce pone diverse sfide.

All’interno di ogni cella, ci possono essere diversi utenti e quindi sono necessari schemi di accesso multipli.

La fornitura di un uplink può anche richiedere un approccio diverso dal downlink. Questo perché è richiesto un basso consumo di energia nel dispositivo portatile, e una fonte di luce visibile in uplink sul dispositivo potrebbe distrarre l’utente. Pertanto, l’uso dello spettro infrarosso sembra più appropriato per l’uplink.

Inoltre, le tecniche di modulazione per un uplink ad alta velocità devono essere efficienti in termini di spettro e di potenza allo stesso tempo. Due tecniche di modulazione sviluppate di recente che raggiungono questo obiettivo sono l’OFDM unipolare migliorato (eU OFDM, enhanced Unipolar OFDM)¹³ o lo Spectral and Energy Efficient OFDM (SEE OFDM)¹⁴.

Le tecniche avanzate di mitigazione delle CCI¹⁵ spesso richiedono che questi AP LiFi multipli siano gestiti per mezzo di un meccanismo di controllo centralizzato come resource scheduler all’interno del controller di una rete definita dal software (SDN)¹⁶. I compiti principali del resource scheduler sono di allocare in modo adattivo la potenza del segnale, la frequenza, il tempo e le risorse di spettro.

Tipicamente, ci sono dei compromessi tra l’overhead della segnalazione, la complessità computazionale, la velocità dei dati degli utenti, la velocità dei dati aggregati e l’equità degli utenti, e la selezione ottimale delle rispettive tecniche di mitigazione delle CCI e di programmazione delle risorse dipende dai casi d’uso reali e dai vincoli del sistema¹⁷ ¹⁸.

Altre funzioni del controllore centrale includono il raggiungimento dell’accesso multiutente e il processo di handover da cella a cella quando i terminali si spostano. L’handover gioca un ruolo importante nelle reti LiFi. Per esempio, il controller di handover deve assicurare che la connettività sia mantenuta quando gli utenti lasciano il locale. Pertanto, ci potrebbero essere situazioni in cui non c’è copertura LiFi. In questi scenari, per evitare la perdita di connettività, si utilizza il fatto che LiFi è complementare alle reti RF¹⁹.

Le reti LiFi ad attocelle hanno molti vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti. In primo luogo, a differenza delle antenne RF omnidirezionali che irradiano segnali in tutte le direzioni, una sorgente di luce LED irradia tipicamente la potenza ottica in modo direzionale a causa del modo in cui è costruita. Pertanto, la radiazione dei segnali di luce visibile è naturalmente confinata in una regione limitata. Al contrario, i sistemi RF a onde millimetriche richiedono complicate e costose tecniche di beamforming dell’antenna per raggiungere lo stesso obiettivo. In secondo luogo, le reti LiFi ad attocelle possono essere implementate modificando i sistemi di illuminazione esistenti. Qualsiasi rete LiFi ad attocelle può fornire capacità wireless extra senza interferenze alle reti RF che possono già esistere. Le reti LiFi ad attocelle, quindi, hanno il potenziale per aumentare i sistemi cellulari 5G in modo conveniente²⁰.

Una caratteristica unica di LiFi è che combina l’illuminazione e la comunicazione dei dati utilizzando lo stesso dispositivo per trasmettere i dati e fornire l’illuminazione.

Le tecniche di mitigazione delle interferenze sono necessarie per garantire che all’interno della regione di forte CCI, una stazione mobile possa anche raggiungere un alto SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) e questo è un problema non banale che coinvolge l’elaborazione del segnale come la cancellazione successiva delle interferenze²¹.

Concetti da confutare in merito al LiFi

Ci sono molte idee sbagliate in relazione a LiFi:

LiFi è una tecnologia LoS:

Utilizzando uno schema di modulazione di tipo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)²², la velocità dei dati è proporzionale al rapporto segnale-rumore (SNR, Signal-to-Noise-Ratio) raggiunto. In un tipico ambiente di lavoro dove il livello minimo di illuminazione per la lettura è di 500 lx, il SNR all’altezza del tavolo è tra 40 dB e 60 dB²³. Questo significa che schemi di modulazione digitale di ordine superiore possono essere usati insieme all’OFDM per sfruttare la capacità del canale disponibile. Usando la modulazione e la codifica adattiva (AMC, Adaptive Modulation and Coding) è possibile trasmettere dati a SNRs bassi come -6 dB.

LiFi non è sicura:

Tra i vantaggi della tecnologia LiFi rientra quello della trasmissione dei dati in totale sicurezza, grazie agli impulsi luminosi delle luci a LED. La safe connection è garantita dalla direzione del flusso dei dati, che si limita al locale in cui è stabilita la connessione attraverso il router LiFi. Questo aspetto riveste un’importanza fondamentale, giacché sarebbe, di per sé, sufficiente a risolvere il problema relativo alle intrusioni alla rete dall’esterno. L’unico modo per violare il sistema sarebbe quello di essere fisicamente presenti nell’ambiente in cui si trova la fonte di luce.

LiFi non funziona in presenza di luce solare:

La luce del sole costituisce un segnale di interferenza costante al di fuori della larghezza di banda utilizzata per la modulazione dei dati. LiFi opera a frequenze tipicamente superiori a 1 MHz. Pertanto, la luce solare costante può essere rimossa utilizzando dei semplici filtri ottici. Un ulteriore effetto della luce del sole è l’aumento dello Shot Noise, che non può essere facilmente eliminato dai filtri ottici. La saturazione può essere evitata utilizzando algoritmi di controllo automatico del guadagno in combinazione con filtri ottici. La luce del sole può inoltre essere vantaggiosa in quanto consente ai ricevitori LiFi basati su celle solari, dove la cella solare agisce come dispositivo di ricezione dei dati, di utilizzare la luce del sole come energia²⁴.

La luce non può essere attenuata:

Ci sono tecniche di modulazione avanzate come eU-OFDM, cui abbiamo accennato prima, che permettono il funzionamento di LiFi vicino alla tensione di accensione (ToV, Turn-on Voltage) dei LED, il che significa che le luci possono essere fatte funzionare a livelli di uscita della luce molto bassi pur mantenendo alti tassi di trasmissione dati.

Le luci sfarfallano:

La frequenza più bassa alla quale le luci sono modulate è nell’ordine di 1 MHz. La frequenza di aggiornamento dello schermo di un computer è di circa 100 Hz. Questo significa che il flicker-rate di una

lampadina LiFi è 10.000 più alto di quello dello schermo di un computer. Pertanto, non c’è alcun flicker percepito dall’occhio umano.

Si tratta di una tecnologia esclusiva per il downlink:

Un vantaggio chiave è che LiFi può essere combinato con l’illuminazione a LED. Questo però non significa che le due funzioni debbano essere sempre usate insieme. Le due funzioni possono essere facilmente separate. Di conseguenza, LiFi può essere usato molto efficacemente anche per la comunicazione uplink dove l’illuminazione non è necessaria. Lo spettro infrarosso, quindi, si presta perfettamente per l’uplink.

Vantaggi della tecnologia LiFi

Velocità:

Forse il più grande punto di forza della tecnologia LiFi è che è in grado di trasmettere dati a velocità molto maggiori del WiFi. Durante i test di laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di raggiungere velocità di trasferimento bidirezionali di 224 Gigabit al secondo. Naturalmente, sarebbe difficile raggiungere queste velocità in un ambiente del mondo reale. Ma raggiungere anche l’1% di questo risultato significa una velocità di 2,24 Gigabit al secondo, un miglioramento significativo rispetto al WiFi, che raggiunge una velocità di trasferimento di circa 20 Megabit al secondo.

Versatilità:

Con gli attuali concetti operativi di LiFi, le sue applicazioni sperimentali si concentrano sull’uso di lampadine e lampade a LED. Quindi, è facilmente integrabile in aree che già utilizzano sistemi di illuminazione a LED. Internet sarebbe quindi facilmente accessibile ovunque ci sia luce e può essere utilizzato in una varietà di applicazioni che richiedono una connessione internet.

Costo:

Poiché le lampade a LED sono poco costose da produrre, gli analisti prevedono che il dispiegamento di LiFi sia più facile e dieci volte più economico del WiFi. Inoltre, poiché i sistemi LiFi funzionano per fornire illuminazione e per la connettività internet, si risparmia sui costi energetici.

Disponibilità:

Il mondo cerca di usare la tecnologia verde e le lampadine a LED stanno diventando un punto fermo ovunque: nelle case, negli uffici, nelle aziende e anche nei trasporti. Questo significa che molto presto la connettività internet ad alta velocità sarà onnipresente come le lampadine.

Sicurezza cyber:

La tecnologia di comunicazione RF è sempre stata vulnerabile alle intercettazioni, al dirottamento del segnale o anche agli attacchi di forza bruta. Tuttavia, la luce visibile non è in grado di permeare le superfici opache. I segnali emessi da LiFi, così come i dati trasmessi attraverso di essa, rimangono confinati all’interno dello spazio illuminato.

Sicurezza fisica:

Date le intrinseche caratteristiche tecnologiche, LiFi può essere posto in uso in ambienti intrinsecamente pericolosi come impianti petrolchimici e piattaforme petrolifere dove RF è spesso vietato.

Svantaggi della tecnologia LiFi

Limitazioni:

LiFi offre una portata limitata. Mentre questo può rivelarsi utile per la sicurezza, crea anche degli svantaggi. Le barriere fisiche limitano la sua portata operativa. Per aumentare la sua portata, lampade o lampadine devono essere posizionate strategicamente in varie stanze. Al contrario, un singolo router WiFi ha una portata più ampia.

Interferenze:

I segnali LiFi sono suscettibili alle interferenze luminose, compresa la luce del sole. I ricevitori possono avere difficoltà nell’elaborazione dei segnali quando sono presenti altre fonti di luce. Inoltre, poiché le lampade a LED devono rimanere accese per funzionare, possono contribuire ulteriormente all’inquinamento luminoso, soprattutto se impostate a livelli di luminosità più elevati per compensare le possibili interferenze.

Infrastrutture:

Teoricamente parlando, l’installazione di sistemi LiFi sono poco costosi perché fanno uso solo di lampade a LED. In realtà, l’installazione dei sistemi LiFi può diventare costosa a causa della mancanza di infrastrutture. Inoltre, a causa della sua gamma limitata, diversi router LiFi dovranno essere installati per una

maggiore connettività.

Questo significa incorrere in ulteriori costi di acquisto e di installazione. Al contrario, una piccola casa richiede solo un singolo router WiFi.

Potenzialità di mercato

LiFi è una tecnologia dirompente che è pronta ad avere un impatto su molti settori. Può sbloccare l’IoT, guidare le applicazioni Industry 4.0, light-as-a-service (LaaS) nel settore dell’illuminazione, abilitare nuovi sistemi di trasporto intelligenti, migliorare la sicurezza stradale quando ci saranno sempre più auto senza conducente, creare nuove reti wireless cybersicure, abilitare nuovi modi di monitoraggio della salute, offrire nuove soluzioni per superare il digital divide e abilitare la connettività wireless ad altissima velocità nei futuri data center.

LiFi avrà un effetto catalizzatore per la fusione di due grandi industrie: l’industria delle comunicazioni wireless e l’industria dell’illuminazione. Tra 25 anni, la lampadina a LED potrà servire migliaia di applicazioni e potrà essere parte integrante delle emergenti città intelligenti, delle case intelligenti e dell’IoT.

LaaS sarà un tema dominante nel settore dell’illuminazione, che guiderà i nuovi modelli di business richiesti quando le lampade a LED dureranno 20 anni o più. LaaS, in combinazione con LiFi, fornirà quindi un modello di business per l’industria dell’illuminazione per entrare in quello che è stato tradizionalmente il mercato delle comunicazioni wireless.

Nell’industria wireless, LiFi ha il potenziale per creare un cambiamento di paradigma passando dalla comunicazione ad onde centimetriche a quella ad onde nanometriche.

Un importante prerequisito per l’adozione su larga scala della tecnologia LiFi è la disponibilità di standard. In questo contesto, gli sforzi sono iniziati in IEEE 802.15.7, IEEE 802.11 così come ITU-R per standardizzare la tecnologia LiFi²⁵.

 

 

 

¹ H. Haas, Wireless data from every light bulb, TED Global (August 2011)

² H. Haas, L. Yin, Y. Wang, C. Chen, What is LiFi?, IEEE J. Light. Technol., 34 (6) (2016), pp. 1533-1544

³ P.J. Winzer, D.T. Neilson, From scaling disparities to integrated parallelism: a decathlon for a decade, IEEE J. Light. Technol., 35 (5) (2017), pp. 1099-1115

⁴ F. Boccardi, R.W. Heath, A. Lozano, T.L. Marzetta, P. Popovski, Five disruptive technology directions for 5G, IEEE Commun. Mag., 52 (2) (2014), pp. 74-80

⁵ M.S. Islim, et al., Towards 10 Gb/s orthogonal frequency division multiplexing-based visible light communication using a GaN violet micro-LED, Photon. Res., 5 (2) (2017), pp. A35-A43

⁶ D. Tsonev, S. Videv, H. Haas, Towards a 100 Gb/s visible light wireless access network, Opt. Express, 23 (2) (2015), pp. 1627-1637

⁷ W. Ni, R.P. Liu, B. Collings, X. Wang, Indoor cooperative small cells over ethernet, IEEE Commun. Mag., 51 (9) (2013), pp. 100-107

⁸ A. Papaioannou, F.N. Pavlidou, Evaluation of power line communication equipment in home networks, IEEE Syst. J., 3 (3) (2009), pp. 288-294

⁹ H. Haas, High-speed wireless networking using visible light, SPIE Newsroom (2013)

¹⁰ V.H. MacDonald, The cellular concept, Bell Syst. Tech. J., 58 (1) (1979), pp. 15-43

¹¹ Espressa in bit al secondo per metro quadrato (bps/m2)

¹² A. Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University Press (2005)

¹³ D. Tsonev, S. Videv, H. Haas, Unlocking spectral efficiency in intensity modulation and direct detection systems, IEEE J. Sel. Areas Commun. (99) (2015), p. 1

¹⁴ H. Elgala, T.D.C. Little, SEE-OFDM: Spectral and energy efficient OFDM for optical IM/DD systems, IEEE 25th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communication (PIMRC), 2014 (2014), pp. 851-855

¹⁵ H. Ma, L. Lampe, S. Hranilovic, Robust MMSE linear precoding for visible light communication broadcasting systems, 2013 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps) (2013), pp. 1081-1086

¹⁶ A. Tzanakaki, et al., Wireless-optical network convergence: enabling the 5G architecture to support operational and end-user services, IEEE Commun. Mag., 55 (10) (2017), pp. 184-192

¹⁷ B. Ghimire, H. Haas, Self-organising interference coordination in optical wireless networks, EURASIP J. Wirel. Commun. Netw., 1 (131) (2012)

¹⁸ C. Chen, V.S.,D. Tsonev, H. Haas, Fractional frequency reuse in DCO-OFDM-based optical attocell networks, J. Light. Technol., 33 (19) (2015), pp. 3986-4000

¹⁹ Y. Wang, S. Videv, H. Haas, Dynamic load balancing with handover in hybrid Li-Fi and Wi-Fi networks, Proc. IEEE 25th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC) (2014), pp. 548-552

²⁰ M. Ayyash, et al., Coexistence of WiFi and LiFi toward 5G: concepts, opportunities, and challenges, IEEE Commun. Mag., 54 (2) (2016), pp. 64-71

²¹ P. Patel, J. Holtzmann, Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in DS/CDMA system, IEEE J. Sel. Areas Commun., 12 (5) (1994), pp. 796-807

²² M.Z. Afgani, H. Haas, H. Elgala, D. Knipp, Visible light communication using OFDM, Proc. IEEE 2nd Int. Conf. Testbeds Res. Infrastructures Develop. Netw. Communities (2006), pp. 129-134

²³ K.D. Langer, J. Vucic, Optical wireless indoor networks: recent implementation efforts, Proc. European Conference on Optical Communication (ECOC) (2010), p. 6

²⁴ Z. Wang, D. Tsonev, S. Videv, H. Haas, On the design of a solar-panel receiver for optical wireless communications with simultaneous energy harvesting, IEEE J. Sel. Areas Commun., 33 (8) (2015), pp. 1612-1623

²⁵ LiFi is a paradigm-shifting 5G technology, Harald Haas