Come funziona il LiFi?
Un classico sistema LiFi è costituito da una fonte luminosa (trasmettitore) e un sensore di luminosità (ricevitore). A livello del trasmettitore i dati vengono introdotti nella fonte luminosa modulando l'intensità della luce a velocità impercettibili dall'occhio umano. Questi impulsi vengono captati dal sensore di luminosità e trasformati in segnali elettrici (demodulazione) affinché i dati possano essere utilizzati dall'apparecchio terminale (computer, smartphone, ecc.).
Per la maggior parte delle applicazioni indoor i diodi luminosi (LED) sono le fonti luminose più idonee vista la loro economicità ed efficienza energetica. Stanno sostituendo le lampadine a incandescenza in quanto fonte di luce principale sia nelle abitazioni che nelle infrastrutture pubbliche. Già nel 2018 la maggior parte dei nuovi sistemi d'illuminazione energeticamente efficienti dovrebbe basarsi sul LED. Per una velocità più elevata e distanze maggiori i diodi laser sembrano essere l'opzione migliore.
Punti a favore del LiFi
Negli ultimi tempi la comunicazione attraverso la luce assume un ruolo sempre più importante quale complemento della radiocomunicazione. Eccone i motivi principali:
- Riutilizzo dello spazio: la luce visibile non attraversa i muri degli edifici e può essere diretta verso un punto definito. Rispetto alla comunicazione via onde radio, ciò permette una migliore riutilizzazione dello spazio dello spettro.
- Sicurezza: la luce visibile può essere chiaramente delimitata, la portata può quindi essere definita con precisione così che i dati non siano captabili all'esterno dell'edificio, la comunicazione diventa quindi più sicura.
- Interferenze elettromagnetiche: la luce visibile in quanto tale non causa interferenze elettromagnetiche, la tecnologia LiFi è quindi particolarmente idonea per l'utilizzo in aeroplani, ospedali e nelle zone industriali a rischio quali le centrali nucleari, le piattaforme petrolifere o per l'estrazione del gas. Stando alle ultime misurazioni effettuate dall'Unione europea di radiodiffusione (UER), affinché non producano interferenze elettromagnetiche, le lampade LED devono però essere installate correttamente.
- Protezione: in linea di massima la luce visibile non rappresenta un pericolo per la salute umana. Alcuni studi hanno però rivelato che il tremolio della luce può causare una reazione biologica (epilessia fotosensibile). Inoltre, la luce intensa di alcune lampade LED con un'elevata percentuale di blu può avere effetti negativi sul ritmo del sonno umano o sugli animali notturni.
- Complessità: poiché il LiFi è una tecnica di comunicazione incoerente, i trasmettitori e i ricevitori sono apparecchi relativamente semplici e poco costosi.
- Infrastruttura esistente: il LiFi può essere integrato nei sistemi d'illuminazione esistenti con l'ausilio di alcuni componenti relativamente semplici e poco costosi.
- Efficienza energetica: il LiFi è abbinato all'illuminazione LED. Dato che i LED sono fonti luminose ben controllabili ed efficienti dal punto di vista energetico, il LiFi rientra nelle tecnologie di comunicazione sostenibili.
Sfide e limiti del LiFi
Nonostante i numerosi vantaggi rispetto ai sistemi di radiocomunicazione, il LiFi si trova ad affrontare numerose sfide. I punti principali sono:
- Portata e schermatura: le fonti luminose hanno una capacità trasmissiva limitata, per una velocità di trasmissione elevata richiedono un collegamento visivo diretto tra il trasmettitore e il ricevitore. Se un oggetto o una persona si trovano sulla traiettoria, la capacità ottica diminuisce compromettendo la velocità di trasmissione o interrompendo completamente il segnale.
- Uplink: il LiFi attraverso l'illuminazione LED si presta innanzitutto per la diffusione, quindi per il «downlink», dall'emittente all'utente. A causa della durata limitata delle loro batterie, un collegamento uplink tramite la luce visibile non sarebbe invece efficiente per gli apparecchi mobili. Per far fronte a queste sfide occorre impiegare altre modalità di comunicazione come i raggi infrarossi o le radiofrequenze.
- Interferenza luminosa: altre fonti luminose naturali o artificiali creano interferenze, aumentano il rumore presso il rivelatore ottico e possono addirittura portare a una saturazione del ricevitore.
- Lights-off-Modus: le applicazioni LiFi che si basano sull'illuminazione LED sono prevalentemente indicate laddove l'illuminazione è costante (settore industriale o medico, trasporti pubblici). La trasmissione di dati a velocità ridotta può avvenire anche tramite LED con un'intensità luminosa debole, impercettibile all'occhio umano.
- Backhaul-Integration: ogni LED deve essere collegato a Internet, e visto che occorre una rete di diodi luminosi molto densa i costi per l'infrastruttura via cavo (Ethernet, fibra, ecc.) possono risultare molto elevati.
- Commercializzazione: è richiesta la collaborazione di due industrie diverse: i produttori di LED da un lato, che devono adeguare il design e il fissaggio delle lampade e, dall'altro, i produttori di apparecchi mobili che devono inserire nei loro prodotti ricetrasmettitori ad alta velocità provvisti di fotodiodi.
Connessioni ad alta e bassa velocità
La tecnologia LiFi consente sia una connessione a Internet ad alta velocità, sia la comunicazione tra apparecchi con una trasmissione dati a bassa velocità. Gli scienziati dell'Università di Oxford (UK) sono riusciti a raggiungere una delle velocità di trasmissione più elevate: con una tecnologia all'avanguardia e in condizioni di laboratorio hanno realizzato collegamenti bidirezionali con 224 Gbps per una distanza di tre metri. A titolo di confronto un film HD occupa uno spazio di 1,5 Gigabyte: il LiFi consente dunque di scaricare diversi film al secondo.
Alcuni ricercatori dell'istituto Fraunhofer Heinrich-Hertz di Berlino hanno presentato un prototipo, interamente costruito con materiale hardware a buon mercato disponibile in commercio, che effettua collegamenti bidirezionali di 200 Mbps su una distanza di due metri tra il soffitto e la scrivania. Il Disney-Research-Lab di Zurigo, a sua volta, ha invece mostrato un sistema di comunicazione tra dispositivi chiamato «EnLighting» che utilizza lampadine LED munite di fotodiodi e micro-controllori tesi a supportare una comunicazione a bassa velocità di trasmissione dei dati (fino a 600 bps) applicabile all'Internet delle cose.
Diversi prototipi, come pure alcuni prodotti già disponibili sul mercato offrono velocità di trasmissione relativamente buone per la connessione a Internet. Si pensi a «Orès LiFi», un sistema LiFi totalmente industrializzato che permette una completa rete wireless con una velocità di trasmissione bidirezionale fino a 42 Mbps e una funzione handover affinché la connessione rimanga stabile anche quando gli utenti passano da una fonte luminosa all'altra. Questo sistema è sviluppato e commercializzato da «pureLiFi» (start-up dell'Università di Edimburgo) insieme a Lucibel (specialista francese per soluzioni d'illuminazione basate sulla tecnologia LED).
A che punto siamo con le norme?
L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) è attualmente impegnato con i preparativi per la standardizzazione della tecnologia LiFi. A tale scopo viene aggiornato lo standard IEEE 802.15.7 che disciplina la comunicazione tramite raggi infrarossi, luce visibile e luce ultravioletta. I lavori dovrebbero concludersi a fine 2017.
Nel novembre 2016 l'IEEE ha creato un Topic Interest Group (TIG) per avviare i lavori relativi alla standardizzazione della tecnologia LiFi e integrarla nello standard 802.11. Inoltre, il gruppo di studio SG15 dell'Unione internazionale delle telecomunicazioni (UIT) ha iniziato ad analizzare sistemi di comunicazione indoor ad alta velocità basati sulla luce visibile (100 Mbps - 1 Gbps): le loro caratteristiche generali, il piano relativo alla lunghezza d'onda delle frequenze, l'architettura, le interfacce e i protocolli. I lavori si trovano ancora in uno stadio iniziale.
Un gruppo di lavoro dell'UIT ha iniziato a redigere un rapporto riguardo alla gestione dello spettro nella comunicazione attraverso la luce visibile.
Uno sguardo al futuro
Stando a un nuovo studio di mercato pubblicato nel 2015 da «Markets and Markets», entro il 2020 la tecnologia LiFi dovrebbe raggiungere un valore di mercato di 8500 milioni di dollari US. Oggigiorno esistono diversi prodotti e prototipi quasi pronti ad entrare sul mercato. La tecnologia è promettente ed interessa molti importanti attori: nel suo centro d'innovazione in Francia, Microsoft implementa la soluzione di Lucibel e pureLiFi, e recentemente la NASA ha annunciato di voler analizzare il potenziale del LiFi per i veicoli spaziali allo scopo di migliorare la sicurezza, il comfort e la qualità di vita degli astronauti.
La tecnologia LiFi utilizza lo spettro non regolamentato della luce visibile per il quale non occorre una concessione. Bisogna tuttavia garantire che i sistemi LiFi non rappresentino alcun rischio per la salute e vengano installati correttamente affinché non provochino interferenze elettromagnetiche. Pur offrendo numerosi vantaggi, LiFi pone ancora grandi sfide prima di poter diventare parte integrante della quotidianità nel campo della comunicazione di dati senza filo.
