Li-Fi: Conexões sem fio sem rádios

Wi-Fi, celular 3G/4G e tecnologias relacionadas, funcionam muito bem. Todos - e um número crescente de dispositivos não humanos da Internet das Coisas (IoT) - os utiliza, e esse é o problema. As redes estão se aproximando dos limites de sua capacidade e é desafiador aumentar a capacidade da rede baseada em rádio para atender a uma demanda crescente por largura de banda.

 

Um dos principais desafios para o crescimento da largura de banda em redes de acesso baseadas em rádio é a disponibilidade de espectro de RF utilizável. 

 

Esse problema pode ser dividido de duas maneiras:

  • Espectro licenciado
  • Espectro não licenciado

 

O espectro licenciado é concedido exclusivamente por uma agência governamental - por exemplo, a Federal Communications Commission (FCC) dos Estados Unidos - para uso em uma aplicação de rádio específica, por um grupo específico de usuários e, freqüentemente, para uma região ou regiões específicas de um país. Devido à demanda esmagadora, os blocos de escolha do espectro de RF em todo o país podem custar bilhões de dólares em leilões de espectro nacional. Há esforços contínuos para liberar o espectro de usos mais antigos e menos rentáveis ​​e movê-lo para coisas como o celular 5G. No entanto, isso também tem problemas, como tornar bilhões de aparelhos de TV ou outros dispositivos de rádio obsoletos à medida que seu espectro é dominado. Portanto, o espectro licenciado permanece escasso e caro.

 

Uma alternativa ao espectro licenciado é o espectro não licenciado. Redes como Wi-Fi, Bluetooth, sistemas de automação residencial, veículos de controle remoto e outros geralmente usam um conjunto de fatias espectrais chamadas bandas de Instrumentação, Científica e Médica (ISM). O uso dessas bandas é gratuito para todos - sujeito a algumas regras detalhadas - mas esse uso não é exclusivo. Qualquer pessoa pode transmitir em bandas ISM e, à medida que os dispositivos se comunicam, a largura de banda disponível para qualquer dispositivo pode mudar significativamente. Também tende a haver mais interferência nas bandas ISM, por exemplo, de fornos de microondas que compartilham seu espectro. As bandas em frequências mais altas - digamos acima de 10 GHz - tendem a ser menos confusas, mas suas características de propagação de rádio são ruins, sendo facilmente bloqueadas por paredes ou folhagem.

 

Independentemente de o espectro usado ser licenciado ou não licenciado; existe uma capacidade máxima disponível que depende da frequência, largura de banda, relação sinal-ruído (SNR), técnicas de modulação, design de antena, protocolos e codificação. Quando essa capacidade é excedida, a rede fica mais lenta. É por isso que seu telefone é tão lento em eventos lotados. Nesses eventos, muitas pessoas estão enviando muitos dados em uma capacidade de rede de rádio fixa. Técnicas de antena direcional como MIMO (multi-input multi-output) ajudam alguns reutilizando o espectro em áreas adjacentes de diferentes ângulos, mas existem sérias limitações. O que precisamos fazer é obter muita largura de banda e técnicas de modulação eficientes em frequências muito além da jurisdição da FCC ou das bandas caóticas do ISM, e isso nos leva a comunicações por feixes de luz.

 

A Light Fidelity (Li-Fi) surgiu como uma tecnologia VLC (Visible Light Communication) para comunicação sem fio. O Li-Fi e as formas relacionadas de comunicações ópticas de espaço livre usam feixes de luz modulados para transportar dados digitais com capacidades de rede muito altas sem usar nenhum espectro de RF no processo. Uma mensagem digital, digamos um pacote IP, é codificada com um protocolo padrão e usada para modular uma fonte de luz - visível, ultravioleta, infravermelha, laser ou LED - com um fluxo de bits de alta velocidade. A luz emitida é processada por um sistema óptico para direcioná-la para um receptor. Em seguida, atravessa o espaço livre para onde uma parte da luz é recebida por um sistema óptico no dispositivo remoto. A luz é convertida em sinal elétrico por um fotodetector rápido, amplificada, demodulada e convertida de volta à mensagem original para uso pelo processador do dispositivo remoto. Para comunicação bidirecional, o processo é repetido na direção oposta - às vezes usando um comprimento de onda diferente da luz para evitar interferências. Os protótipos mostraram capacidades acima de 100 Gbps. Em 2013, a NASA estabeleceu um recorde de distância para comunicações a laser entre a s Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE)) em órbita lunar e uma estação terrestre no Novo México a 622 Mbps e a uma distância de 385000 km.

 

Harald Haas, da Universidade de Edimburgo, foi pioneiro em grande parte do trabalho sobre Li-Fi e desenvolveu excelentes palestras e documentos sobre o assunto em um TED Talk. Ele também é o co-fundador de um fornecedor líder de produtos comerciais: pureLiFi. Existem vários esforços de padrões na comunicação óptica de espaço livre, sendo o mais importante o IEEE 802.15.7. Esses sistemas geralmente funcionam modulando uma fonte de luz montada no teto - um pequeno transmissor semelhante a um ponto de acesso Wi-Fi (AP) ou uma luminária modificada - enviando os fluxos de dados pelo espaço livre e recebendo os fluxos em um interface óptica em um dispositivo remoto. Os smartphones, incluindo os recursos do receptor Li-Fi, foram testados. Esses sistemas tendem a “banhar” uma sala inteira com o mesmo sinal modulado de fontes de luz não direcionais, e todos os dispositivos receptores na sala usam protocolos e criptografia de Medium Access Control (MAC) para recuperar apenas as partes do fluxo de dados compartilhado para eles.

 

Vamos ver se podemos fazer melhor. E se, em vez de enviar o mesmo padrão de bit óptico omnidirecional para todos os dispositivos, como o Wi-Fi convencional, tentamos direcionar feixes de luz individuais para cada dispositivo - como um MIMO óptico suprido? Uma maneira de fazer isso é colocar um defletor de feixe - por exemplo, um par de galvanômetros de varredura X-Y - em frente à fonte de luz modulada e desviar o feixe em torno de um caminho para visitar todos os dispositivos ativos em sua faixa em sequência rápida. Esse sistema armazena o tráfego em buffer para todos os endpoints que ele pode ver, define o ângulo de deflexão para apontar para o ponto de extremidade selecionado e envia dados em velocidades de vários gigabits até que os buffers estejam esgotados - ou um timer expire - antes de mover o defletor para o próximo ponto de extremidade . Os defletores de feixe usados ​​em aplicações como marcação a laser ou shows de luzes a laser podem ser adaptados para isso. A Figura 1 mostra um dispositivo do tamanho de uma caixa de chapéu equipada com setores sobrepostos dessa tecnologia de rede óptica. Se esse dispositivo fosse pendurado no teto de um auditório ou colocado em uma torre de água, milhares de terminais poderiam ser atendidos simultaneamente com largura de banda rápida, segura e isenta de espectro de rádio. Se você quiser saber mais sobre os detalhes técnicos desse tipo de rede, dê uma olhada na minha patente nos EUA 6.650.451.

Figura 1: Dispositivo com setores sobrepostos usando a tecnologia de rede óptica de espaço livre. (Fonte: Autor)

 

E se quiséssemos ainda mais desempenho e capacidade? Podemos excluir as partes móveis dos galvanômetros, que desaceleram o sistema e podem causar problemas de confiabilidade, e transformar vários transceptores de feixe de transmissão/recepção em um volume compacto. Visualize um dispositivo com aparência semelhante a uma grande bola de golfe com centenas de feixes bidirecionais, cada uma emergindo de cada covinha. Um subconjunto desses transceptores seria ativado sempre que um dispositivo remoto entrasse em seus ângulos de visão. Estações terrestres fixas e terminais móveis teriam esses transceptores, criando uma rede mesh. À medida que os transceptores se movem, transferências são feitas para feixes adjacentes. Essa tecnologia seria ideal para conectar grandes enxames de drones, dispositivos de IoT em fábricas e aplicações similares. Minha patente norte-americana 9.350.448 tem mais detalhes sobre a operação desse tipo de sistema e sobre como construir a ótica complexa do transceptor de feixe múltiplo usando lentes olho de peixe.

 

Conclusão

 

Em conclusão, o Li-Fi e outras técnicas ópticas de espaço livre oferecem muitas promessas para redes de alto desempenho. Eles não usam espectro de rádio escasso e caro e oferecem alta capacidade. Além disso, essas tecnologias podem ser mais seguras e imunes a interferências do que as tecnologias de rede baseadas em rádio.

 

Pontos chaves:

  • As tecnologias de rede de rádio, como Wi-Fi e celular, têm limites de capacidade impostos pelo espectro de rádio disponível.
  • Ao passar do rádio para tecnologias baseadas na luz, como o Li-Fi, para transmitir mensagens, capacidade, segurança e interferência, a imunidade pode ser melhorada.
  • As redes ópticas direcionais, usando endpoints desviados ou de feixe múltiplo, podem fornecer capacidade e segurança ainda melhores.

 

Artigo escrito originalmente por Charles Byers para Mouser Electronics: Li-Fi: Wireless Connections Without Radios .Traduzido por Equipe Embarcados.

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