رفتن به محتوای اصلی

شما اینجا هستید

Light Fidelity لای فای!

7 اسفند, 1395 - 11:39 -- عابدی

Light Fidelity لای فای!

تهیه کننده : مهرداد کشاورز رضایی

دفتر معاونت فناوری اطلاعات وامنیت شبکه استانداری قزوین

پروفسور هارلد هاس در طول صحبتش در ted از تکنولوژی جدیدی با نام LI-FI پرده برداشت .پروفسور هارلد هاس از دانشگاه ادین بورگ تحقیق در این زمینه را از سال 2004 آغاز کرده بود.

LI-FI یک ارتباط بی سیم کامل و پر سرعت مانند WIFI است که از نور استفاده می کند. این تکنولوژی زیر مجموعه ی ارتباط های بی سیم (owc) است و می تواند یک متمم در یک ارتباط رادیویی یا جایگزینی مناسب در زمینه های data broadcasting باشد.LI-FI که برگرفته از LIght Fidelity است برای ارتباط خود از یک طیف نور مرئی یا مادون قرمز به جای امواج رادیویی استفاده می کند.شایان به ذکر است که از این تکنولوژی به عنوان یک راه حل برای حل محدودیت BandWIdth در امواج رادیویی نام برده می شود.یک راه حل کامل که منجر به ایجاد پردازشی برای استاندارد ها شده است. همان طور که ذکر شد LI-FI مانند WIFI یک ارتباط بی سیم است پس از استاندارد های 802.11 استفاده میکند که این کافی نیست و به نظر می رسد باید منتظر تجدید نظر در آن باشیم.

سیستم Light Visually X-Transceiving (LVX) : سیستم LVX از طریق نور مرئی و با امنیت بالا، داده‌ها را مبادله می‌کند. این سرویس جایگزین سیستم بی‌سیمRF خواهد شد. این سیستم امکان استفاده چندین کاربر را از شبکه می‌دهد بدون اینکه اثر اخلال کننده‌ای روی سیگنال‌های RF داشته باشد
LI-FI
از دیود های نوری LED به عنوان رسانه انتقال در شبکه استفاده می کند که سرعت آن بسیار بالا تر از WI-FI است

.LI-FI می تواند همه وسایل الکترونیکی که به اینترنت وصل می شوند را با یک تراشه کوچک مدیریت کند ، هر وسیله که دارای این تراشه باشد می تواند عملکردی همانند access point در شبکه LI-FI داشته باشد. محققان رشد LI-FI را سالانه حدود %82 بین سال های 2013 تا 2018 پیش بینی کرده اند.این ارتباط نورمرئی به وسیله ی سویچ بین خاموش و روشن شدن لامپ ها در نانو ثانیه کار میکند البته انتقال داده ها فقط در حالت روشن بودن چراغ اتفاق می افتد .این خاموش و روشن شدن لامپ ها به حدی است که چشم انسان قادر به تشخیص آن نیست و تنها چیزی که می بیند یک طیف از نور است، این چراغ ها می توان در مکان هایی که برای انسان کاربردی ندارد جاسازی کند.
امواج نور نمی توانند از دیوار عبور کنند و این باعث می شود تا محدوده یا رنج کمتری از مکان را پشتیبانی کند با این حال یک سیکل نورمنعکس شده از دیوار می تواند به سرعتی حدود 70 mbit/s برسد.از مزیت های LI-FI می توان به قابلیت استفاده در مناطق حساس به امواج الکترو مغناطیسی اشاره کرد که بسیار مفید خواهد بود ، از جمله این مکان ها می توان به کابین هواپیماها ، بیمارستان ها و نیروگاه های هسته ای اشاره کرد.همچنین LI-FI می تواند در مکان هایی که امواج الکترو مغناطیسی حضور دارد بدون هیچ تداخلی کار کند.

هم LI-FI هم WI-FI داده ها را فرای امواج الکترومغناطیسی عبور می دهند ولی فرق آنها در این است که WI-FI برای انتقال داده ها از امواج رادیویی استفاده می کند ولی LI-FI برای این کار از نورمرئی استفاده می کنند و این در حالی است که کمیسیون ارتباطات ایالات متحده هشداری جدید در خصوص خطر بالقوه پر شدن ظرفیت WI-FI داده است در حالی که LI-FI هیچ گونه محدودیتی ندارد. سرعت انتقال داده در شبکه نوری بسیار بالا بوده و مقدار مصرف انرژی در آن بسیار پایین است، همچنین این شبکه از امنیت بالایی برخوردار است و امکان تداخل الکترومغناطیسی در آن وجود ندارددر این شبکه، نور در جهات مختلف پخش می‌شود و دستگاه دریافت کننده، امواج نور را گرفته و آنها را تبدیل به داده‌هایی می‌کند که قابل استفاده در کامپیوتر و قابل دیدن در صفحه مونیتور باشد.
طیف نور مرئی 10000 بار بزرگتر از تمام طیف فرکانس رادیویی است. هم اکنون سرعت تبادل داده‌ها از ۱ تا ۱۰ مگابایت در ثانیه محاسبه شده است.پیش‌بینی می‌شود که در آزمایشگاه‌های پیشرفته، میزان سرعت انتقال داده‌ها از طریق امواج نور افزایش یابد و به ۸٠٠ مگابایت در ثانیه یا حتی به یک گیگابایت در ثانیه هم برسد
 بنیانگذاران پیش بینی کرده اند که LI-FI ، 10 برابر ارزانتر از WI-FI ارائه می شود. از جنبه های منفی آن نیز می توان به برد کوتاه و هزینه راه اندازی بالا (در حال حاضر) اشاره کرد. Purelife اولین نشان تجاری از سیستم LI-FI است که در حال گسترش است.

این تکنولوژی اولین بار در کنگره جهانی موبایل که سال 2014 در بارسولونا برگزار شد ، رونمایی شد. در این کنگره برای نشان دادن عملکرد این تکنولوژی در یک گوشی اندرویدی ساده استفاده کرده که در آن به جایی دوربین دوم از یک سنسور نوری استفاده شده بود .

همچنین همین کار را در یک تبلت انجام دادن همچنین هر دو دستگاه نیاز به یک تراشه کوچک LI-FI داشتند که این تراشه بر روی ورودی میکروفن آن ها نصب شد البته با این حال باز هم میتوانستید هدفون را به گوشی وصل کنید زیرا این تراشه یک ورودی هدفون داشت. پس از نصب این تراشه ها و نصب نرم افزار مخصوص آن با در مسیر قرار دادن سنسور نوری هرکدام در مسیر تراشه LI-FI گوشی دیگر می توانستید از داده های گوشی مقابل از جمله عکس ها و فیلم ها استفاده کرد.

پیش از این نیز از امواج نور برای انتقال اطلاعات استفاده شده بود ولی آنچه در این پروژه اهمیت دارد تبدیل نور به زبان رایج داده‌هاست
در این تکنولوژی از لامپ‌هایLight Emitting Diodes (LED) استفاده می‌شود زیرا اینگونه لامپ‌ها نور را در جهات مختلف پخش کرده و به همین دلیل شبکه گسترده‌ای از ارتباطات مبتنی بر نور را امکان‌پذیر می‌کنند
هنگامی که یک دستگاه بی‌سیم بسیار کوچک در لامپ LED قرار گیرد در محدود روشنایی این لامپ اطلاعات بسادگی ارسال و دریافت می‌شود

هر شعاع LED برای دسترسی به یک نقطه از شبکه تعبیه می‌شود. چنین شبکه‌ای دارای پتانسیل بالایی است که پهنای باند بیشتری را نسبت به تکنولوژی RF به کاربران ارائه دهد.

نقل و انتقال داده از طریق نور مرئی شامل فوتون‌های نورانی است که چشم انسان می‌تواند آنها را ببیند
در این شبکه لامپ‌هایی از نوع LED بکار می‌رود که بجای رشته‌ها و گازهای داغ که در لامپ‌های ساده موجود است، از دیود‌های پخش کننده نور یا نور جامد استفاده شده است، با این تفاوت که روشنایی LED حالت جامد به سرعت به حالت اعتدال می‌رسد و خارج می‌شود، ولی چشم انسان نمی‌تواند این تغییر حالت را ببیند، داده‌ها روی سیگنال‌های به حالت تعادل رسیده سوار شده و انتقال می‌یابد در این شرایط چشم انسان تنها از روشنایی محیط استفاده می‌کند و متوجه انتقال داده‌ها نمی‌شود
لامپ‌های LED از نوع دیود پخش کننده نور با اندازه استاندارد و نور ثابت، کد‌های باینری را منتقل می‌کنند این نقل و انتقال از0 طریق مودم مخصوصی که نسبت به امواج نورانی واکنش نشان می‌دهد انجام می‌گیرد.
کلید استفاده از این تکنولوژی در خاموش و روشن کردن چراغ‌های LED است
نور کم، که اصطلاحا به آن سوسو می‌گویند هم قادر به انتقال داده‌هاست و لازم نیست که نور اتاق حتما زیاد باشد.

این تکنولوژی محدود به داخل اتاق یا محیط‌های بسته نیست بلکه در فضا‌های باز هم قابل استفاده می‌باشد بعنوان نمونه در کارخانه اتومبیل‌سازی این تکنولوژی آزمایش شده است.

تصور کنید با روشن کردن کلید برق اتاقتان کامپیوتر، آیفون، تلویزیون، رادیو و ترموستات‌های گوناگونی که در طول روز استفاده می‌کنید بخوبی کار کنند. پروفسور Thomas Little بیان می‌کند که شبکه ارتباطی مبتنی بر LED که نور و روشنایی هم تولید می‌کند انرژی بسیار کمی مصرف کرده و نیز از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار است، این در شرایطی است که تداخل الکترومغناطیسی در این سیستم وجود ندارد، بعبارتی در این سیستم تنها لامپ LED است که عمل روشنایی و مبادله اطلاعات را انجام می‌دهد.

پژوهشگران در این پروژه در صدد هستند که قابلیتی ایجاد کنند تا داده‌ها از طریق لامپ‌هایLED یا دیودهای ساطع نور ضعیف هم منتقل شوند، زیرا سوسو زدن یا کم زیاد شدن نور چراغ‌های سقف اتاق‌ها آنقدر سریع اتفاق می‌افتد که چشم انسان قادر به درک آن نیست در این شرایط امکان انتقال کدها با سرعتی بالا از طریق حسگرهای نوری به کامپیوتر وجود داردروش انتقال اطلاعات از طریق نور هوشمند به مراتب سریع‌تر ودارای امنیت بیشتری نسبت به تکنولوژی ارتباطات شبکه در حال حاضر می‌باشد

به گفته پروفسور Thomas LIttLeاین تکنولوژی فرصتی استثنایی را فراهم می‌کند تا با استفاده از انرژی نهفته در امواج نورانی نسل جدیدی در ارتباطات بی‌سیم که از امنیت بالایی نیز برخوردار است فراهم شود
او بیان کرد که در سال آینده همزمان با خاموش و روشن کردن نوعی از لامپ‌های LEDمی توانیم ارتباطات سریع‌تر و امن‌تری داشته باشیم که هزینه کمتری نسبت نمونه‌های فعلی دارد و بطور حتم باعث ایجاد تحولاتی گسترده و امکان بروز دستاوردهای غیرمنتظره خواهد شداو پیش‌بینی کرده است که ارتباطات شبکه نوری بی‌سیم تنها با استفاده از نور سفید لامپ LED در یک اتاق انجام می‌شود و نحوه عملکرد آن شبیه به دستگاه کنترل تلویزیون یا دستگاه برقرار کننده ارتباط با اینترنت، ارتباطات تلفنی، امواج رادیویی و تلویزیونی و ترموستات‌های کنترل درجه حرارات محیط می باشد.

مصرف انرژی در تکنولوژی LED به مراتب کمتر از تکنولوژی بی‌سیم RFاست، بنابراین فرصت‌های تازه‌ای در جهت ایجاد شبکه‌های ارتباطی بوجود می‌آورد بدون اینکه هزینه زیادی از لحاظ مصرف انرژی داشته باشد و نیز باعث کاهش کربن منتشر شده در طول زمان می‌شود که از جهت زیست محیطی بسیار حائز اهمیت است.
InderMonga
مدیر بخش تحقیقات شبکه‌های پیشرفته در نورتل(Nortel) می‌گوید ایده نوآورانه شبکه هوشمند روشنایی، ERC ظرفیت بسیار بالایی در جهت تحولات گسترده در زمینه‌های گوناگون را دارد
او معتقد است که با این تکنولوژی نوین فرصت‌های بالقوه‌ای بوجود می‌آید و در آینده، کاربران هم از کیفیت بالا و هزینه پایین انرژی و هم از دسترسی آسان و امنیت اطلاعات در این شبکه رضایت کامل خواهند داشت
از آنجا که نور سفید در سطوح تیره مانند دیوار نفوذ نمی‌کند، بنابراین سطح بالایی از امنیت در این روش وجود دارد مانند استراق سمع که از پشت دیوار امکان‌پذیر نیستطبق بررسی‌های بعمل آمده با استفاده از این روش ۳۰ تا ۸۰ در صد در مصرف انرژی، صرفه‌جویی می‌شود. در این تکنولوژی هوشمند، هنگامی که افراد مشغول بکار هستند محیط پیرامون آنها روشن شده و هنگامی که افراد حاضر در محیط مشغولیتی ندارند روشنایی بطور خودکار کم می‌شود.
این تکنولوژی بمنظور ایمنی در خودروهای آینده بکار می‌رود. امروزه چراغ‌های ترمز اتومبیل‌ها از LED ساخته می‌شود با بکار بردن حسگرهایی که به نور این چراغ‌ها واکنش نشان می‌دهند راننده از ترمز اتومبیل جلویی آگاه شده یا بطور اتوماتیک سرعت خودرو کم می‌شود.امروزه ۵۵ شرکت در سراسر دنیا از این سیستم استفاده می‌کنند. با پیاده‌سازی سرویسLVX در مراکز دولتی، مدارس و مراکز خصوصی و... انواع خدمات به کاربران از طریق سیستم ارتباط نوری ارائه خواهد شد.این سیستم دسترسی آسان و راحتی را به شبکه بی‌سیم نور مرئی و یا ارتباط با انواع دستگاه‌های الکترونیکی فراهم می‌کند. سیستم LVX یا در دستگاه الکترونیکی تعبیه می‌شود یا از طریق یک آداپتور قابل استفاده است. سرعت انتقال داده‌ها در این سیستم ۳ مگابیت در ثانیه استلای‌فای، جدیدترین فناوری انتقال بی‌سیم اطلاعات سرعت بالا با استفاده از ارتباطات نور مرئی(VLC)  است. بدین طریق دانشمندان توانسته‌اند در سال جاری موفق به ارسال اطلاعات در محیط آزمایشگاه با سرعت‌های بالاتر از 224 گیگابیت برثانیه (معادل دانلود 18 تا فیلم 1.5GB در هر ثانیه) شوند. مخترع این فناوری در سال 2011، «هاروارد‌هاس» از دانشگاه ادینبورگ بود.

به لطف همکاری محققان دانشگاه برکلی و MIT، امکان تحقق این روند جدید وجود دارد. دو تیم ذکر شده برای ساختن ریز پردازنده ای همکاری می کنند که برای انتقال اطلاعات، به جای سیگنال های الکتریسیته از نور استفاده می کند. قسمت های ورودی و خروجی اپتیکال ۸۵۰ در تراشه ی جدید، پهنای باند پردازنده را ۱۰ تا ۵۰ برابر نسبت به پردازنده های الکترونیکی افزایش می دهد. اندازه ی این تراشه ی جدید Gbps300 در هر میلیمتر مکعب است.

لای‌فای که از امواج نوری (در محدوده 400 الی 800 تراهرتز) برای انتقال اطلاعات از نقطه‌ای به نقطه دیگر بهره می‌گیرد. هر منبع نوری، می‌تواند اطلاعات باینری(دودویی) را به صورت رشته‌ای از «خاموش»ها و «روشن»ها منتقل نماید، اما LED‌ها سرعت بالایی در تبدیل وضعیت از حالت روشن به خاموش و بالعکس داشته و در نتیجه می‌توانند سرعت زیادی برای انتقال اطلاعات در اختیارمان بگذارند.

در مقایسه با فناوری «وای‌فای» که برای انتقال اطلاعات از امواج رادیویی بهره می‌گیرد، در عمل سرعت انتقال اطلاعات در فناوری «لای‌فای» می‌تواند به حدود 10 گیگا بیت بر ثانیه برسد که 250 برابر بیشتر از میانگین سرعت پهنای باند معمولی (بعبارتی هزار بارسریعتر از سرعت متوسط وای‌فای) است. شبکه وای‌فای پهنای باند محدودی داشته و اگر چند دستگاه هم‌زمان به این شبکه وصل باشد، امکان بالایی در بروز مشکلات از قبیل افت سرعت پیش‌بینی می‌شود. وای‌فای در برابر نفوذ هکرها نیز آسیب‌پذیر است؛ به ویژه اگر امواج شبکه‌ای وای‌فای فراتر از محدوده خانه و یا دفتر کارتان برود و افراد بیگانه بتوانند به این امواج دسترسی یابند. با افزایش تعداد دستگاه‌های متصل به شبکه وای‌فای، امکان تداخل امواج بیشتر و بیشتر می‌شود.

سخت‌افزار مورد نیاز برای فناوری لای‌فای هم، نیمه‌ رساناهایی هستند که در تولید لامپ‌های LED معمولی کاربرد دارند. با بهره‌گیری و تشخیص تغییرات در میزان روشنایی (مثلا" با روشن و خاموش شدن‌های لامپ‌های LED با سرعت بسیار بالا و برنامه ریزی شده)  می‌توان اطلاعات دودویی تولید و سپس این اطلاعات را از طریق دستگاهی مجهز به گیرنده مناسب دریافت نمود. لذا با استفاده از این روش می‌توان لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و گوشی‌های هوشمند را به اینترنت وصل کرد.

این فناوری نیاز به زیرساخت خاصی ندارد و در واقع، چیزی است‌که به زیرساخت‌های موجود اضافه می‌شود. درحال حاضر 14 میلیارد لامپ LED در سراسر جهان وجود دارند و کار می‌کنند، در صورتی‌که تعداد ایستگاه­های مخابراتی رادیویی تنها به 4/1 میلیون واحد می‌رسد. برای استفاده از لای‌فای، شرایط کارکرد لامپ‌های LED عوض نمی‌شود و بدلیل سرعت بالای خاموش و روشن شدن‌ها، آنها دائماً روشن بنظر می‌رسند. بعبارتی‌ کاربران متوجه هیچ تغییری در وضعیت نوردهی لامپ‌ها نخواهند شد، جز اینکه برای دسترسی به اتصال اینترنت باید لامپ‌ها همیشه روشن بمانند. البته نور لامپ‌ها را می‌توان به قدری کم نمود که برای چشم انسان قابل تشخیص نبوده ولی اتصال هم‌چنان برقرار بماند. لای‌فای این ظرفیت را دارد که به یکی از سریع­ترین روش‌های انتقال اطلاعات تبدیل شود.

تولید کنندکان ماشین آلات و دستگاه های هوشمند به دنبال راهی هستند که شارژ وسایل برقی به صورت وایرلس تامین شود. اما محققان دانشگاه کلورادو بولدر معتقدند تنها راه انتقال اطلاعات، الکتریسیته نیست و می توان از فرایندی کاملا متفاوت استفاده کرد.

6تراشه های قدیمی ریز پردازنده (قطعه ای که از لپتاپ ها تا ابر رایانه های فعلی مورد استفاده قرار می گیرد)، برای برقراری ارتباط و انتقال داده ها از مدارهای الکتریکی استفاده می کنند. ثابت شده است که مقدار جریان الکتریسیته ی مورد نیاز برای افزایش سرعت و حجم انتقال داده ها، یک فاکتور محدود کننده محسوب می شود؛ بنابراین تغییر مکانیسم های انتقالی به نور می تواند این مشکل را هم برطرف کند وموضوع پهناباند (Band Width) وحجم انتقال اطلاعات بین تراشه ها وقطعات الکترونیکی از بین میرود وسرعت انتقال آنها بسیار رشد خواهد کرد..

سومین مزیت، بهینه بودن از نظر مصرف انرژی است. وای-فای یکی از علل زود خالی شدن باتری گوشی‌ها و تبلت‌ها و حتی لپ‌تاپ‌هاست اما لای-فای می‌تواند نقش شارژ بی‌سیم را هم ایفا کند، به عنوان مثال چند سلول خورشیدی برای تأمین انرژی در کنار گیرنده قرار می‌گیرند و علاوه بر اتصال به اینترنت، می‌توان انرژی موردنیاز گجت‌ها را از طریق LI-FI تأمین کرد.

چهارمین مزیت، نیمه‌ی پر لیوان مقوله‌ی خط دید مستقیم است. خط دید مستقیم کاربری لای-فای را مشکل می‌کند اما از نظر امنیت ، بهتر است. هکرها نمی‌توانند از ماورای دیوارها، به گجت‌های شما دسترسی داشته باشند.

اولین مورد را قبلاً بررسی کردیم: نیاز به خط دید مستقیم. نه یک لامپ بلکه چندین لامپ LED برای پوشش داده تمام منزل و دفتر کار لازم است و این یعنی هزینه‌ی زیاد و پیچیدگی کاربری.

مشکل دوم که بی‌ارتباط با مشکل فوق نیست، هزینه است. به لامپ‌ها و گیرنده‌ی جدید نیاز داریم و متأسفانه گوشی‌ها و تبلت‌های موجود، نمی‌توانند بدون وسایل جانبی یا در واقع دانگل‌های خاص، از تکنولوژی جالب لای-فای بهره‌ی لازم را ببرند.

سومین مشکل این است که لای-فای زیر نور مستقیم خورشید و حتی در شرایطی که روشنایی محیط شدید است، قابل استفاده نیست چرا که فتودیتکتور(Photo decetector) نمی‌تواند موج خاصی که با مدولاسیون، داده را منتقل می‌کند، دریافت کند. البته فتودیتکتور در روشنایی معمولی روز به درستی عمل می‌کند ولیکن منظور از روشنایی زیاد، دقیقاً مشخص نیست.

به زودی این پروژه تحولات گسترده‌ای در زمینه ارتباطات ایجاد خواهد کرد. پژوهشگران با درک بیشتر کاربردهای تکنولوژی روشنایی هوشمند و یافتن مواد اولیه لازم برای دستگاه‌های بی‌سیم خواهند توانست نسل جدیدی از ارتباطات را ارائه دهند که باعث تحولات گسترده‌ای خواهد شد.

منابع:

http://www.techworld.com

https://www.wikipedia.org

http://www.purelifi.com/

Li-FI Technology for Indoor Access

Authors : Gado Mohamed , Abd El-Moghith Doaa

Compressed Sensing in Li-Fi and Wi-Fi Networks

Authors :Malek Benslama Hadj Batatia Mokhtari Hatem