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Li-Fi – Un percorso “luminoso” per la trasmissione dati ad alta velocità

Risorsa indubbiamente preziosa, lo spetto radio, ovvero la parte dello spettro elettromagnetico utilizzato per le comunicazioni wireless, si sta rapidamente affollando. Non c'è voluto molto tempo per far capire agli utenti della tecnologia Wi-Fi situati nelle aree urbane l'influenza delle interferenze di router attigui sulle prestazione di comunicazione delle loro apparecchiature di rete. Per ovviare a questo inconveniente il primo, e senza dubbio più semplice, approccio preso in considerazione è stato quello di aggiungere ulteriori bande di frequenza.

Introduzione

Oltre alla banda originale a 2,4 GHz, che deve essere comunque condivisa con numerosi altri protocolli tra cui Bluetooth, Wi-Fi ha previsto il supporto di ulteriori canali nella banda a 5 GHz. In ogni caso, il numero di bande di frequenze disponibili per l'espansione di Wi-Fi deve sottostare a limitazioni alquanto severe, in considerazione del numero estremamente elevato di applicazioni che devono poter accedere alle porzioni loro riservate nello spettro RF.

Col tempo, gli sviluppatori delle apparecchiature Wi-Fi più avanzate hanno cercato di ovviare al problema legato alle restrizioni relative alle bande di fequenza utilizzabili adottando diverse tecniche per poter inviare un maggior numero di dati sfruttando la porzione di spettro disponibile. Queste spaziano dall'adozione di schemi di modulazione avanzati che permettono di trasmettere più bit di dati in ciascun simbolo radio ai miglioramenti apportati in termini di diversità di antenna (o spaziale) grazie ai quali è possibile indirizzare le trasmissioni verso i singoli ricevitori. Altri tipi di approccio prevedevano lo spostamento delle bande utilizzate da Wi-Fi nel range di frequenza superiore a 10 GHz. In questo modo sarebbe possibile disporre di canali con ampiezza di banda più estesa e velocità di trasmissione dati proporzionalmente più elevate. A questo punto potrebbe essere utile prendere in considerazione l'ipotesi di utilizzare altre bande dello spettro elettromagnetico come ad esempio quelle dell'infrarosso o della luce visibile.

Le comunicazioni che sfruttano la luce visibile (VLC - Visible Light Communication) sono già state utilizzate per applicazioni di backhaul punto-punto al fine di ottenere velocità di trasmissione dati superiori a 100 Mbit/s in tutte quelle situazioni in cui risulta poco pratico installare i cavi, ad esempio attraverso canyon profondi. Le trasmissioni basate sulle luce sono state anche prese in considerazione perchè in grado di migliorare le comunicazioni in ambienti ostili, come ad esempio sott'acqua e al di fuori dell'atmosfera terrestre. Poichè le radiofrequenze si disperdono rapidamente nell'acqua, risulta difficile stabilire comunicazioni affidabili se non a patto di usare portanti con frequenze molto basse, per cui anche la velocità di trasmissione dati sarà ridotta. Sebbene l'acqua assorba in maniera consistente l'estremità più rossa (verso i 700 nm) delle frequenze dello spettro della luce visibile, studi recenti hanno dimostrato che i laser blu-verdi possono trasmettere informazioni a una velocità che può arrivare a un centinaio di Mbit/s a una distanza di parecchie decine di metri. Con l'obiettivo di coprire distanze molto più lunghe, la NASA ha iniziato a effettuare test per le comunicazioni tra la Terra e lo spazio utilizzando un laser a infrarossi modulato. Il canale a 622 Mbit/s permette di evitare l'attenuazione provocata dalle nuvole commutando tra differenti stazioni di terra che agiscono in cooperazione per comunicare con un satellite orbitante.

Caratteristiche

La versione Li-Fi delle comunicazioni con luce visibile è in ogni caso destinata ad applicazioni prevalentemente terrestri. Essa è stata sviluppata per sfruttare i vantaggi dei LED che sono ora installati negli apparecchi di illuminazione, anche se è necessario apportare alcune modifiche. Molti sistemi di illuminazione a LED di tipo commerciale utilizzano un elemento a elevata luminosità che produce luce all'estremità blu dello spettro. Con un rivestimento di fosfori gialli è possibile ottenere una luce bianca. L'azione dei fosfori rallenta l'effetto di qualsiasi modulazione d'ampiezza applicata alla sorgente luminosa, limitando in tal modo l'ampiezza di banda a un frequenza attorno ai 2 MHz. In ogni caso, se un ricevitore esegue il filtraggio della componente gialla, è possibile ottenere, in linea di principio, velocità di trasmissione dati fino a 1 Gbit/s. Utilizzando ricevitori in grado di gestire i vari componenti di un apparecchio di illuminazione con colori sintonizzabili, che solitamente utilizza un mix di LED rossi, verdi e blu (RGB), si possono ottenere velocità di trasmissione dati di 5 GBit/s (o superiori). Gli esperimenti condotti da un team dell'università di Edimburgo, guidati dal professor Harals Haas (che ha coniato il termine Li-Fi) hanno evidenziato che l'aggiunta di diodi laser agli apparecchi di illuminazione abbinata a una configurazione di trasmissione in parallelo permette di ottenere velocità di trasmissione superiori a 100 Gbit/s.

La tecnologia Li-Fi condivide alcune caratteristiche d'utilizzo con le versioni di Wi-Fi che operano a frequenze superiori a 10 GHz dello spettro radio. Nel momento in cui aumenta la frequenza del segnale portante, le comunicazioni RF acquisiscono una maggiore direzionalità. Sebbene i protocolli che utilizzano i canali a frequenze superiori a 10 GHz, come ad esempio quello relativo alla comunicazione cellulare 5G, sfruttano le riflessioni per migliorare le prestazioni in termini di ricezione, i canali di comunicazione saranno prevalentemente basati su trasmissioni di tipo LOS (Line-of-Sight - ovvero in condizioni di visibilità reciproca).

Grazie alla maggiore direttività della tecnologia Li-Fi, è possibile la realizzazione di "attocelle" (ovvero punti di accesso ottici) per cui un singolo utente che si trova sotto un faretto può disporre dell'ampiezza di banda necessaria. A questo punto è utile sottolineare che Li-Fi non è solamente una tecnologia di tipo LOS in quanto prevede la possibilità di utilizzare anche le riflessioni, evitando in tal modo di utilizzare solamente percorsi di trasmissione in visibilità reciproca. Ciò è possibile grazie all'uso di sistemi di codifica, come ad esempio la modulazione di tipo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), senza dubbio più complessa rispetto alla codifica binaria impiegata nei primi esperimenti Li-Fi.

La direttività di Li-Fi garantisce un potenziale vantaggio in termini di sicurezza. Oltre a essere in gran parte confinati all'interno di un cono di luce al di sotto del trasmettitore, i segnali non sono in grado di penetrare pareti solide. Alcuni schemi di trasmissione Wi-Fi che utilizzano frequenze di 60 GHz, come quelli delineati nello standard IEEE 802.11ax, utilizzano tecniche che permettono di inviare segnali attraverso le pareti, un elemento ritenuto di fondamentale importanza dal gruppo di lavoro che si occupa dello stesura dello standard per l'utilizzo in ambito domestico. Con la tecnologia Li-Fi, qualsiasi potenziale intrusore che voglia intercettare il segnale deve trovarsi in prossimità sia del trasmettitore sia dell'utente legittimo che deve ricevere il segnale. Ciò naturalmente incrementa le probabilità di rilevamento. Un caso d'uso proposto dal gruppo di lavoro IEEE 802.11bb è relativo a una lampada da tavolo che supporta la tecnologia Li-Fi, in grado di fornire una connessione wireless sicura tra il computer dell'utente e la rete core. Il canale di uplink, dal dispositivo all'installazione luminosa, sfrutta un piccolo emettitore operante nella regione dell'infrarosso. In questo modo è possibile evitare le interferenze con il segnale in downstream, oltre a non creare disturbo all'utilizzatore del dispositivo. Nelle fasi iniziali dell'evoluzione di questa tecnologia sono stati sollevati alcuni dubbi legati al fatto che gli utenti avrebbero potuto notare alcuni sfarfallii (flicker) provenienti dai trasmettitori che utilizzavano la tecnologia Li-Fi. In ogni caso la velocità di modulazione è così elevata che tale effetto è praticamente impercettibile, a parte una possibile variazione nel bilanciamento del colore dell'uscita luminosa complessiva. Si tratta comunque di uno sbilanciamento che i progettisti di apparecchi di illuminazione possono compensare senza alcun problema.

Un potenziale svantaggio della tecnologia Li-Fi quando viene utilizzata nelle plafoniere è rappresentato dall'interferenza di co-canale. In questo caso i coni di luce si intersecano per cui un ricevitore non riceverà un segnale chiaro dai entrambi i trasmettitori. Gli schemi di codifica basati sulla modulazione OFDM contribuiscono alla risoluzione di questo problema, oltre a permettere l'utilizzo per scopi di comunicazione della luce che viene riflessa dalle pareti o da altri oggetti. Il gruppo di lavoro IEEE 802.11bb ha proposto un protocollo in grado di assicurare una velocità di trasmissione dati minima di 10 Mbit/s (che può raggiungere un valore di picco pari a 5 Gbps), ovvero dieci volte superiore rispetto a quella prevista dalla versione IEEE 802.11 di Wi-Fi (che è una delle più diffuse), basata su una portante a 5 GHz. La più recente, e anche più costosa, versione di Wi-Fi (IEEE 802.11ac) permette di colmare almeno in parte questo divario, grazie alla capacità di supportare velocità di trasmissione dati di 1,73 Gbit/s.

In ogni caso Wi-Fi si ripropone di eguagliare le velocità di picco di Li-Fi grazie alle versioni IEEE 802.11ax e IEEE 802.11ay che prevedono frequenze della portante di 60 GHz. Questi standard permettono di superare il problema della ridotta distanza di trasmissione dello standard IEEE 802.11ad, che ha rappresentato il primo tentativo di realizzare una versione a 60 GHz di Wi-Fi. Alcuni test che sono stati condotti hanno permesso di ottenere una distanza di trasmissione massima di 300 metri (per IEEE 802.11ay), adatta quindi per l'utilizzo in reti d'ufficio. In ogni caso non va dimenticato che il modello di utilizzo è differente rispetto a quello di Li-Fi. Una differenza fondamentale è rappresentata dal fatto che mentre nel caso del Wi-Fi un singolo router è in grado di soddisfare le esigenze di più utenti, i promotori della tecnologia Li-Fi prevedono di sfruttare al massimo il concetto di attocella, lasciando alle reti di backhaul il compito di supportare le sessioni che prevedono trasferimenti dati a velocità dell'ordine dei Gbit/s a più utenti presenti nella medesima stanza.

Un'altra differenza tra IEEE 802.11ay e la maggior parte degli altri protocolli è la sua capacità di espletare servizi aggiuntivi grazie agli algoritmi sviluppati per la compensazione degli ostacoli. I router, potenzialmente, possono effettuare la mappatura delle stanze, rilevare la presenza di persone e persino determinare i gesti eseguiti. In un ambiente che adotta la tecnologia Li-Fi, compiti di questo tipo saranno presumibilmente espletati con l'ausilio di telecamere separate.

Anche se Li-Fi dovrà affrontare una dura battaglia con le nuove versioni di Wi-Fi nelle applicazioni in ambito domestico e office, la comunicazione basata sulla luce può vantare significativi vantaggi in determinati tipi di applicazioni. Negli aerei, ad esempio, il peso dei cavi utilizzati per erogare servizi multimediali ai passeggeri rappresenta il maggior ostacolo alla realizzazione di apparecchi più efficienti in termini di consumi. Li-Fi, dal canto suo, permette di garantire elevate velocità di trasmissione dati ai singoli passeggeri semplicemente sostituendo le luci tradizionali posizionate al di sopra di ogni sedile con LED predisposti al supporto di questa tecnologia. Li-Fi si propone anche come una valida soluzione per le comunicazioni a elevata ampiezza di banda in tutte quelle applicazioni dove le interferenze in radiofrequenza rappresentano un problema, come ad esempio nelle sale operatorie degli ospedali. Essa è inoltre una tecnologia molto più sicura per i sistemi industriali, soprattutto quelli che operano in ambienti dove è alto il rischio di esplosioni. Negli impianti dove vengono trattate polveri fini o composti chimici volatili, l'impiego di comunicazioni RF ad alta frequenza risulta particolarmente difficile mentre per i cavi elettrici utilizzati per la trasmissione dati è necessario predisporre adeguate misure di sicurezza.

Conclusioni

Grazie al suo approccio innovativo, la tecnologia Li-Fi verrà adottata in ambienti dove in precedenza risultava difficile implementare sistemi di comunicazioni ad alta velocità. Per la maggior parte delle applicazioni, tuttavia, dove quantità di informazione che deve essere trasmessa (data capacity) e convenienza sono i requisiti più importanti, la scelta tra Li-Fi e Wi-Fi sarà fatta in funzione dei requisiti specifici dell'applicazione considerata.

 

A cura di, Mark Patrick, Mouser Electronics

 

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