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Li-Fi (Light Fidelity): cos’è e come funziona la connessione via LED

Li-Fi (Light Fidelity): cos’è e come funziona la connessione via LED

Cos’è il Li-Fi

Il Li-Fi (o Light Fidelity) è una tecnologia wireless innovativa che, per trasmettere dati e informazioni, utilizza le onde luminose emesse da una lampadina a LED anziché le onde radio.

Grazie alle sue caratteristiche uniche quali velocità di trasmissione dati, connessione senza fili in assenza di onde radio, estrema sicurezza e accuratezza, questa tecnologia potrebbe arrivare presto a sostituire la tecnologia wi-fi in molti ambiti applicativi, specialmente in ambienti interni. I vantaggi del Li-Fi rispetto al Wi-Fi sono considerevoli. Il Li-Fi offre maggiore larghezza di banda, efficienza, disponibilità e sicurezza migliori, trasferimento dei dati più veloce.

Li-Fi, comunicazione a luce visibile basata sulla tecnologia LED

Il Li-Fi è quindi una forma di comunicazione a luce visibile riconducibile alle comunicazioni wireless ottiche (OWC). Il termine fu utilizzato per la prima volta nel 2011 da un professore dell’Università di Edimburgo, Harald Haas, durante un intervento sulla Visible Light Communication al TED Global, l’annuale conferenza americana dedicata a innovazione e creatività.

“Tutto ciò di cui avremo bisogno in futuro – disse in quella occasione il prof. Haas – sarà inserire un microchip in ogni dispositivo di illuminazione LED per combinare le due funzionalità di illuminazione e trasmissione dati attraverso una rete senza fili”.

Con il Li-Fi, la banda larga è maggiore

Il mondo potrebbe essere arrivato a un punto svolta nella connettività e nella connessione senza fili. Di fronte a una richiesta in continuo aumento di accesso a Internet e trasmissione di dati e alla crescita esponenziale di oggetti e dispositivi connessi (Internet of Things – IoT), il wi-fi risulta essere incapace di supportare ulteriori aumenti di traffico. Al contrario, il Li-Fi potrebbe svolgere un ruolo importante per soddisfare la crescente domanda di dati. Lo spettro della luce visibile è 10.000 volte più grande dell’intero spettro radio. Oltre a una maggiore banda larga, il LiFi può raggiungere una velocità di trasmissione dati superiore ai 10 Gbps, dimostrandosi molto più veloce del Wi-Fi.

Pensiamo a un mondo in cui la connettività ad alta velocità sia pervasiva come le luci delle nostre case e delle nostre città. Immaginiamo miliardi di luci basate sulla tecnologia LED che collegano miliardi di dispositivi intelligenti che inviano e ricevono dati alimentando la prossima generazione di applicazioni a banda larga come sistemi basati su intelligenza artificiale, edge computing e realtà aumentata.

Il LiFi si prepara a diventare la piattaforma per una nuova era digitale alimentata da miliardi di connessioni attraverso la luce. Le proiezioni di mercato parlano già di previsioni di crescita a due cifre molto importanti.

In questo momento esistono delle sperimentazioni in atto, sia all’estero sia in Italia, e la tecnologia sembra essere arrivata a un punto di svolta.

Uno dei pionieri della tecnologia è l’azienda pureLiFi, creata dallo stesso professor Haas, che riporta risultati interessanti. Tra gli altri protagonisti del mercato si incontrano aziende del calibro di Panasonic, Signify (Philips Lighting) e Siemens.

Schema sul LiFi
Cosa è il Li-Fi, come funziona e quali vantaggi offre – Fonte pureLiFi

Aumentano le richieste di IoT e connessione senza fili

Qualche dato per definire il contesto del settore della connettività:

  • Secondo Gartner e Cisco, nel 2020 ci sono tra i 20 e i 50 miliardi di dispositivi connessi (in 3G, 4G, 5G, wifi, bluetooth, TV 4K ecc.)
  • Gli esperti prevedono che entro 20 anni la trasmissione attraverso le onde radio sarà in grado di coprire solo il 5%-10% della domanda prevista di dati mobili
  • Secondo Ericsson, i dati mobili stanno crescendo del 60% all’anno a 71 exabyte al mese pari a 71 miliardi, miliardi di byte previsti per il 2021
  • Circa il 90% dei dati mobili sarà utilizzato in ambienti interni.

Fonte: pureLiFi

Li-Fi: come funziona

Basandosi sulla comunicazione a luce visibile e modulando l’intensità  dei singoli LED, la tecnologia Li-Fi è in grado di trasmettere una grande quantità di dati in modo efficiente e sicuro.

Questa modalità di inviare dati non rappresenta però una novità in senso assoluto. Il telecomando della televisione che noi tutti abbiamo in casa utilizza una luce invisibile a infrarossi per inviare segnali. Il concetto quindi esiste da tempo, ma c’è da dire che grazie alla tecnologia LED, ai dispositivi IoT e allo smart lighting e stato possibile ampliarlo ai nuovi sistemi di illuminazione…

Lampadina LED e LED driver al cuore del sistema

Ma vediamo come funziona esattamente un sistema Li-Fi.
Il cuore del sistema è ovviamente la lampadina a LED e il suo LED driver che ne consente il pilotaggio e che quindi, controllando il fascio di luce, modula anche la trasmissione dei dati.

Per fare questo, il LED driver prevede un punto di accesso in cui inserire la sequenza dei dati da trasmettere. In questo modo, nella rete Li-Fi, le luci a LED vengono accese e spente a una velocità molto elevata senza che ciò sia percepibile dall’occhio umano.

Un ricettore di impulsi luminosi o foto-rilevatore (un sensore ottico, come per esempio la fotocamera del telefonino), capace di rilevare e decodificare i segnali trasmessi dal LED, converte il fascio luminoso in un segnale elettrico che può essere letti da un qualsiasi computer o dispositivo collegato a Internet. Tutti i dispositivi che utilizzano la tecnologia  Li-Fi devono essere dotati di un lettore di schede, o dongle,  che agisce come una sorta di modem wireless.

Schema funzionamento Li-Fi
Tecnologia Li-Fi: componenti, struttura e funzionamento del sistema

Rete e router Li-Fi

Una rete wireless basata sulla tecnologia Li-Fi necessita di un router per offrire la stessa qualità di una rete Wi-Fi. Un router LiFi permette la connessione di rete con un collegamento esterno (cavo in fibra ottica, ADSL, LAN) e collega i dispositivi Internet of Things entro un raggio di 20 metri.

Con la tecnologia Li-Fi l’illuminazione e il fascio di luce possono essere oscurati e i dati possono ancora essere trasferiti. Il trasferimento dei dati può avvenire anche tramite la riflessione. Inoltre, il Li-Fi può inviare dati bilateralmente, rendendo possibili sia il download che il caricamento e può inviare dati senza che possano essere intercettati. Garantisce così una forma nuova e più sicura di connettività wireless.

Lo standard IEEE 802.15.7

Il Li-Fi si basa sul cosiddetto standard IEEE 802.15.7 un protocollo simile all’802.11 del Wi-Fi ma che usa la luce visibile come mezzo fisico di trasporto, che ha una larghezza di banda molto più ampia delle onde radio.

Tecnologia: Li-Fi vs Wi-Fi

Gli esperti prevedono che il numero di dispositivi connessi a Internet crescerà in maniera esponenziale.  Inoltre, con l’avvento del 5G (ovvero delle tecnologie e degli standard di quinta generazione per la telefonia mobile), le reti dovranno essere più veloci e affidabili…. Parliamo di 1 Gb al secondo per una molteplicità di dispositivi, da 0 a ennemila.

Anche il consumo di dati mobili aumenterà. I consumatori vogliono essere sempre connessi agli altri e avere accesso a Internet wireless velocemente. Inoltre, sempre più comunicazioni avvengono tra dispositivi (Machine-to-Machine) e sempre più dispositivi sono IoT (Internet of Things).
All’aumentare del numero di dispositivi connessi a Internet, la larghezza di banda limitata riduce la velocità di trasferimento dei dati.

Grafico
Tecnologia Li-Fi vs Wi-Fi

Le reti Wi-Fi non bastano a supportare la crescita di connettività

Questo significa che servirà una maggiore connettività e reti wireless capaci di supportare le richieste del mercato. Di fronte a un tale scenario, le attuali tecnologie – reti Wi-Fi in primis – potrebbero non essere sufficienti. Per questo motivo si stanno sperimentando nuove forme di trasmissione dei dati via wireless per risolvere il problema. In questo senso, la tecnologia LiFi offre una interessante alternativa al WiFi superando di fatto i suoi limiti e proponendo: una velocità di trasmissione delle informazioni 100 volte superiore a quella del Wi-Fi, una maggiore banda larga, una maggiore sicurezza nell’invio di dati e una maggiore affidabilità.

Inoltre, uno degli svantaggi della comunicazione Wi-Fi è legata alla generazione di campi elettromagnetici che ne limitano o addirittura escludono l’utilizzo in alcuni ambienti critici come in campo medicale e militare. Il Li-Fi offre una valida tecnologia alternativa permettendo una trasmissione dati efficace, specialmente in ambienti chiusi, e senza emissione di onde radio.

Per quanto concerne il tema della sicurezza, le reti Li-Fi sono molto meno “attaccabili” e hanno meno punti deboli rispetto alle WLAN (wireless local area network).

Caratteristiche LiFi vs WiFi

In sintesi, queste le caratteristiche delle due tecnologie messe a confronto:

  • Standard
    LiFi: IEEE 802.15
    Wi-Fi: IEEE 802.11
  • Raggio
    LiFi: Basato sulla luce LED
    Wi-Fi: 100 metri
  • Applicazione primaria
    Li-Fi: wireless local area networking
    Wi-Fi: wireless local area networking
  • Velocità di trasferimento dati
    LiFi: Fino a 1 Gbps (download)
    WiFi: 800 Kbps  – 11 Mbps
  • Consumo energetico
    Li-Fi: Basso
    Wi-Fi: Medio
  • Costo
    Li-Fi: Alto
    Wi-Fi: Medio
  • Sicurezza
    Li-Fi: Alta
    Wi-Fi: Media

Oltre a portare significativi vantaggi rispetto alle tecnologie wireless esistenti, la tecnologia Light Fidelity è progettata per essere integrata in dispositivi intelligenti.

Li-Fi: vantaggi

Vediamo in sintesi quali sono i principali vantaggi della tecnologia Li-Fi:

1. Sicurezza della rete Li-Fi

Una rete LiFi trasmette i dati e le informazioni con una maggiore protezione in termini di privacy. I dati vengono infatti trasmessi entro una certa portata ottica (dove arriva la luce LED) e non possono superare i muri di una stanza o comunque barriere fisiche. Per intercettare i dati o hackerare la rete (ad esempio con tecniche quali Man-In-The-Middle o packet spoofing) bisognerebbe essere fisicamente presenti nell’ambiente in cui si trova la fonte di luce. Questo elimina eventuali possibilità di intrusione o intercettazione da parte di terzi come è invece possibile nel reti che utilizzano segnali radio, le quali hanno una portata che si estende ben oltre i limiti fisici dell’impianti specialmente nel caso di antenne ad alto guadagno oppure sensibilità estremamente elevate (ad esempio nel caso di reti Lora).

2. Li-Fi: nessuna interferenza

Il Li-Fi non utilizza segnali a radiofrequenza. In questo modo supera il problema delle interferenze legato al sovraffollamento di regioni dello spettro. Grazie a questo enorme vantaggio, il Li-Fi si presta a essere utilizzato in alcuni ambienti dove altrimenti potrebbe interferire con la strumentazione presente o con segnali presenti. Un esempio su tutti è la sala operatoria o l’ospedale in genere. Ma anche negli aerei, nel campo della difesa e negli impianti chimici ad alto rischio.

In Figura 1 abbiamo riportato la tipica situazione di saturazione delle banda 2.4GHz riscontrata durante un evento fieristico: in questo scenario la comunicazione è pressoché impossibile.

Grafico dello spettro wi-fi
Wi-Fi: tipico sovraffollamento della banda 2.4 GHz

3. Geolocalizzazione 

La tecnologia LiFi permette di direzionare con grandissima precisione e accuratezza l’emissione della luce a LED. Le informazioni possono essere indirizzate su un punto preciso o nell’area specifica in cui arriva la luce, mentre le zone in ombra restano senza ricevere dati. In più, il Li-Fi permette una comunicazione bidirezionale.

4. Alta velocità del LiFi

Come già detto, il Li-Fi può raggiungere una velocità di trasmissione dati velocità di quasi 100 volte superiore a quella del Wi-Fi. E la sua velocità non viene rallentata dal numero di dispositivi connessi o dal quantitativo di dati in upload o download.

5. Li-Fi vs Wi-Fi: maggiore Banda Larga

Lo spettro delle onde luminose è 10.000 volte più grande dello spettro delle onde radio. Se pensiamo che, grazie allo sviluppo dell’IoT (Internet of Things), entro qualche anno avremo almeno 50 oggetti connessi in una casa, possiamo immaginare i benefici di una tale tecnologia. Rispetto invece al Wi-Fi, in cui la banda viene invece facilmente saturata…

6. Densità di dati

Il Li-Fi ci permetterà di superare i limiti della tecnologia Wi-Fi e delle altre tecnologie wireless. Mentre con il Wi-Fi, la quantità di dati che possono essere trasmessi è limitata, con il Li-Fi la connessione sarà veloce anche con più dispositivi connessi contemporaneamente. Si parla di oltre 10/15 Gbps.

7. Semplicità della componentistica

I componenti necessari a realizzare un dispositivo con tecnologia Li-Fi sono molto più semplici di quelli previsti per il Wi-Fi o il Bluetooth. Basta una lampadina LED, una telecamera e un lettore di schede o dongle… non serve installare speciali antenne o ripetitori: si possono utilizzare le lampadine a LED della propria abitazione, del proprio negozio e un domani si potranno usare i lampioni già presenti in strada. Il livello minimo di luce perché il Li-Fi funzioni al meglio è di circa 60 lux.

8. Costi del Li-Fi

I costi dei componenti e quindi di un sistema LiFi sono in genere bassi. Una soluzione Li-Fi dovrebbe risultare più economica rispetto a una wireless. Ad esempio, in uno spazio ufficio o in un supermercato, i costi sarebbero legati a quelli dell’impianto di illuminazione a LED già previsto o esistente.

9. Efficienza energetica del Li-Fi

Utilizzando la stessa rete per illuminare e inviare dati e segnali, è possibile un considerevole risparmio energetico. Per inviare informazioni, il Li-Fi funziona anche con una luce che all’occhio umano appare spenta.

10. Capillarità della rete

Ogni punto luce potrebbe trasformarsi in un punto per ricevere e inviare dati. Questo significa che un domani sarà possibile usare reti di punti luce già presenti ovunque: i lampioni di una città, le lampade a LED delle case, i faretti di negozi e centri commerciali, le plafoniere degli uffici…

11. Nessun rischio per la salute

Seppure con tanti se e con tanti ma, si parla molto di come la radio-frequenza e le emissioni di onde elettromagnetiche possano nuocere alla salute umana… Con il LiFi il problema non si pone.

Infografica
LiFi: i principali vantaggi della tecnologia

Conclusioni

Il Li-Fi appare un sistema di trasmissione dati interessante in quanto presenta alcune caratteristiche particolari quali la assenza di intereferenze con segnali radio e il maggiore grado di riservatezza dovuto alla portata ottica del segnale.
Queste caratteristiche non lo pongono quindi in diretta competizione con i sistemi wi-fi e in generale a radio frequenza esistenti, quanto piuttosto gli riservano una nicchia di mercato legata ad applicazioni particolari quali il settore biomedico, la difesa, il settore avionico.

Li-Fi: svantaggi

I principali limiti e svantaggi della tecnologia LiFi possono essere riassunti in due aspetti principali:
1. la Distanza (Range) che purtroppo è limitata rispetto ad altre tecnologie come il wi-fi. Con il Li-Fi infatti non si possono superare barriere fisiche come i muri delle stanze;
2. al momento ci sono solo delle sperimentazioni e dei progetti pilota e che la tecnologia non sia ancora arrivata a maturità, per cui alcuni dubbi restano ancora aperti.

Inoltre, il LiFi non si può usare in assenza di un punto luce e questo può rappresentare un limite nel tipo di applicazione e nelle situazioni in cui questa tecnologia può essere usata. In più, altre sorgenti luminose possono interferire con il segnale… perfino la luce solare potrebbe creare delle interferenze e quindi dei problemi. Tutto è però ancora da verificare.

Scritto da
Laura Baronchelli