LI-FI

Le Li-Fi (ou Light Fidelity) est une technologie de communication sans fil basée sur l’utilisation de la lumière visible, de longueur d’onde comprise entre 480 nm (670 THz, bleu-vert) et 650 nm (460 THz, orange-rouge). Alors que le Wi-Fi utilise une partie radio du spectre électromagnétique hors du spectre visible, le Li-Fi utilise la partie visible (optique) du spectre électromagnétique. Le principe du Li-Fi repose sur le codage et l’envoi de données via la modulation d’amplitude des sources de lumière (scintillation imperceptible à l’œil), selon un protocole bien défini et standardisé.

Le Li-Fi est un type de système VLC (Visible Light Communication, transmission par la lumière visible). Il se différencie de la communication par laser, par fibre optique et de l’IrDa par ses couches protocolaires. Les couches protocolaires du Li-Fi sont adaptées à des communications sans fil jusqu’à une dizaine de mètres.

Origine du nom

Les acronymes Li-Fi et Wi-Fi trouvent leur origine dans le mot Hi-Fi qui est l’abréviation du terme anglophone pour High Fidelity et qui signifie en français « Haute Fidélité ». Le terme Wi-Fi a été utilisé pour Wireless Fidelity (par rétroacronymie basée sur les slogans de la wifi alliance, le terme n’étant pas un acronyme mais seulement un jeu de mots avec Hi-Fi) où le terme Wireless (sans fil) se réfère à l’usage des ondes radio. L’acronyme Li-Fi signifie Light Fidelity où Light se réfère à la lumière. Ce terme a été proposé pour la première fois par Harald Haas (en), professeur de communication mobile à l’université d’Édimbourg, lors de la conférence TED en 20111.

Qu’est-ce que le Lifi ?

La technologie LiFi appartient à la famille des VLC (Visible Light Communication). Il s’agit d’un réseau optique sans fil qui utilise des LED pour transmettre des données.  L’information est codée à travers la fluctuation d’un signal lumineux émis par une LED.  Les informations communicantes sont très rapides et ne sont pas détectées par l’œil humain (la vitesse de transmission est de l’ordre du MHz).

Comment fonctionne le Lifi ?

  • Le modem ou routeur lifi envoie à l’émetteur un signal via un câble PoE.
  • La LED reçoit ce signal et fluctue à une vitesse non perceptible par l’œil humain.
  • Une clé Lifi décode le signal lumineux en signal électrique et le transmet à un ordinateur
  • L’ordinateur décode le signal en une information compréhensible par l’homme.

Le rôle des émetteurs Lifi

Les LED émettent le signal. Elles sont connectées à un serveur qui se charge de transmettre l’information sous forme d’un signal électrique traduit en signal lumineux par la LED. L’émetteur peut s’intégrer dans un réseau internet haut-débit via un câble Ethernet RJ45 avec capacité PoE.

Les LEDS bleues sont celles permettant le plus haut débit. Néanmoins, elles sont souvent combinées au phosphore afin de rendre la lumière blanche. Cette opération diminue la capacité de l’émetteur, cependant cette technologie est peu onéreuse.

Autre type d’émetteur utilisable : les triplets RVB (rouge vert et bleu). Cette technologie est plus chère que la précédente du fait de l’utilisation de trois LED mais elle présente l’avantage d’avoir une bande passante beaucoup plus large.

Il est possible également avec les triplets RVB de faire du multiplexage. Il s’agit d’une technique permettant d’envoyer plusieurs informations en même temps sur des fréquences différentes, sur un même canal. Ici, l’information que l’on souhaite récupérer est ensuite filtrée afin de ne recevoir que le message voulu.

Le rôle des récepteurs Lifi

Les récepteurs utilisés sont des photodiode (photo-détecteurs). Ces composants électroniques permettent de capter la lumière et de transformer l’information lumineuse en information électrique.

Le fonctionnement

Le fonctionnement du LIFI se décompose en différentes phase :
– Conversion du signal électrique initial en un signal électrique robuste résistant à la transmission optique.
– Conversion de ce signal électrique en un signal optique (par un boitier électronique qui va varier l’intensité des LED suivant un protocole bien défini).
– Propagation du signal dans la pièce (le signal sera déformé par les réflexions multiples et les lumières parasites).
– Réception par un photorécepteur (caméra d’un smartphone/tablette ou photodiode sur une clef USB connecté à un ordinateur) et conversion en un signal électrique.
– Traitement et décodage du signal électrique pour comprendre l’information transmise.

Quelles sont les applications du Lifi ?

Application unidirectionnelle

Dans une configuration unidirectionnelle, le LiFi va en continu, émettre une information qui sera reçu par un device. Auquel cas, son application peut être :

  • La géolocalisation
  • La mise à disposition d’informations (médiation culturelle, fiche technique d’un équipement etc…)

Cette solution se substitue au QR code et est peu onéreuse.

Application bidirectionnelle

Dans une configuration bi-directionnelle, la LED communique avec un device qui lui émet des informations/requêtes sous forme de signal infrarouge (spectre lumineux non visible). Cette application permet notamment la navigation sur internet.

Quels sont les avantages du Lifi ?

  • Une capacité de débit importante de l’ordre de plusieurs Gbit/s en laboratoire
  • Une technologie non invasive qui ne diffuse pas d’onde électromagnétique. Elle assure donc de rester en dessous des recommandations de l’OMS. En outre l’absence d’onde électromagnétique est compatible avec les besoins des hôpitaux.
  • La sécurisation des données. La communication ne se fait que dans le cône de lumière envoyé par le luminaire. Le piratage à distance par les ondes n’est pas possible.
  • Une diffusion de l’information avec 50% moins d’énergie électrique que le wifi pour une durée de vie moyenne de la source de 50 000h
  • Possibilité de distribuer internet avec via une source lumineuse (technologie PoE)
  • Géolocalisation précise à 10cm près si l’utilisateur est situé en dessous de la source lumineuse en indoor ou outdoor

Pour se développer, la technologie peut compter sur :

  • Des structures déjà existantes comme l’éclairage public
  • L’interdiction des lampes incandescente d’ici 2020 favorisant le développement des LED
  • Une grande surface d’usage et d’implantation (partout où il est possible d’implanter des LED)
  • Le développement de l’IoT
  • Le développement des Smart City
  • Un spectre radio déjà surchargé
  • Le déploiement de la 5G
  • Le durcissement de la législation concernant les ondes (loi Abeille, janvier 2017)

Quelles sont les faiblesses du Lifi ?

Néanmoins le LiFi possèdent certaines limites :

  • Son coût d’utilisation si la structure souhaitant y recourir n’est pas équipée de dispositif LED en amont et de câblage Ethernet,
  • Un débit optimal avec Lumière LED bleue, or celle-ci est complétée par du phosphore pour donner la lumière blanche qui nous éclaire (dégradant de manière significative les performances du débit),
  • La nécessité de créer un référentiel recensant l’ensemble des points lumineux pour géolocaliser, qui est une tâche fastidieuse,
  • Une portée du signal qui se limite à l’angle couvert par la LED et qui n’excède pas 10 mètres,
  • Son incapacité à traverser les milieux opaques,
  • La forte nécessité d’un angle en raison d’un faible taux d’équipement compatible.

le passage de l’information est réalisé par la lumière, ce qui implique que le luminaire doit être allumé (pas obligatoirement à 100% mais suffisamment pour faire passer assez d’informations de manière franche).
– Il est nécessaire d’avoir un récepteur complémentaire sur les smartphones, tablettes ou ordinateurs, car aucun appareil du marché n’en n’a en standard à l’heure actuelle.
– Le LIFI permet nativement d’envoyer un signal uniquement monodirectionnel (il ne peut en recevoir contrairement au WIFI). Il est donc nécessaire de mettre un système en place supplémentaire pour avoir de l’information bidirectionnelle (type infrarouge par exemple), ce qui ajoute de la complexité et des coûts et diminue la fiabilité.
– Le fait de transmettre l’information par la lumière permet d’augmenter la sécurité comme vu plus haut mais cela peut également avoir des inconvénients car dès qu’un corps opaque s’intercale entre le  luminaire et le récepteur, cela coupe le signal : ce peut être le cas par exemple d’un meuble, d’une personne ou d’un smartphone dans une poche.
– Les solutions LIFI sont actuellement plus onéreuses que les solutions classiques.
– Les autres lumières présentes dans la pièce (artificielles et naturelles) peuvent créer des interférences qui peuvent brouiller le signal.

Lifi vs Wifi ?

Le principal frein au recours du LiFi par rapport au WiFi réside dans sa portée. Pour équiper un grand espace d’une couverture internet, de nombreux points LiFi sont nécessaires alors qu’une seule borne WiFi peut convenir. Le coût du LiFi peut donc rapidement devenir supérieur à celui de l’équipement WiFi.  En outre l’incapacité du LiFi à traverser les milieux opaques peut vite devenir un frein.

 
 

Comment le LIFI a-t-il été inventé ?

Les ondes radioélectriques ne sont qu’une partie du spectre qui peut transporter nos données. Et si nous pouvions utiliser d’autres ondes pour surfer sur Internet ?

Le physicien allemand, Harald Haas, a mis au point une solution qu’il appelle «données à travers l’éclairage » en envoyant des données à travers une ampoule LED qui varie en intensité plus vite que l’œil humain. C’est la même idée que la télécommande à infrarouge, mais beaucoup plus puissante. Cette technologie consiste à insérer un microchip dans la lampe LED connectée à une source de transmission de collecte amont (soit fibre optique, CPL ou DSL …).

Harald Haas veut transmettre des données sans fil depuis chaque ampoule électrique : « Cleaner, greener, bright … »

Présentation à la conférence TED d’aout 2011 par Harald Haas (pioneer behind a new type of light bulb that can communicate as well as illuminate – access the Internet using light instead of radio waves)

Site de la startup Française OLEDCOMM née du labo d’ingénieurs de l’université de Versailles Saint-Quentin, qui produit entre autre des appareils Li-Fi / VLC de géolocalisation intérieure avec le support de Philips.

Haas dit que son invention, qu’il appelle « D-Light », peut produire des débits de données supérieurs à 10 mégabits par seconde (plusieurs pilotes fonctionnent à 150 Mbit/s). Il imagine un avenir où les données pour les ordinateurs portables, les smartphones et les tablettes sont transmises par la lumière dans une pièce. Et de la sécurité serait renforcée, si vous ne pouvez pas voir la lumière, vous ne pouvez pas accéder aux données.Une multitude d’applications sont possibles pour cette technologie, depuis l’accès public à Internet par le biais de lampadaires aux voitures qui communiquent par leurs phares. Le LIFI pourrait faciliter les transmissions des données sans fil à travers le spectre du visible en apaisant les craintes de certains usagers vis à vis des ondes électromagnétiques.

Le LIFI : une technologie au service de la Smart City ?

Dans une vision exploratoire de la Smart City, le LIFI pourrait être utilisé dans certains zones par l’éclairage public urbain, les transports publics (métro, trains, avions …) mais aussi les environnements médicaux ou industriels où les communications wireless radio sont perturbées et/ou dangereuses.

Des atouts, mais aussi des inconvénients :

– Paradoxe si LIFI est économe en énergie car utilise l’éclairage et ne consomme que très peu d‘énergie supplémentaire => il ne fonctionne que si la lumière est allumée, même faiblement, mais doit être allumée… ce qui limite l’usage dans des espaces publics !

– Le LIFI a un potentiel de transmission théorique très supérieur (x10 000) au sans fil radio : valorise le spectre de Lumière versus le spectre électromagnétique Radio : Le spectre de la lumière visible est 10 000 fois supérieures au spectre des ondes radios par la Technologie « LED / SIM OFDM » de transmission  de données.

– Le LIFI est  mono-directionnel (on ne peut que recevoir et pas émettre vers le capteur LIFI) l’interactivité est donc impossible sauf en le couplant avec une autre technologie (ex CPL, WIFI….) ce qui limite son développement : Un peu a l’instar des premières technologies satellitaires (désormais bidirectionnelles) les terminaux ou objets connectés des usagers ne peuvent pas émettre. Il interdit donc toutes applications transactionnelles ou qui nécessitent d’envoyer des flux vers le réseaux (envoi d’email, connexion type VOIP, messagerie instantanée, connexion à un domaine professionnel ou personnel …).
Les usages du LiFi sont, du coup, limités à la diffusion pure de signal quand aucune remontée n’est nécessaire. Par exemple la géolocalisation à l’intérieur d’un bâtiment ou pour des services de type broadcast (téléchargement d’applications, de documents, de contenus médias, visualiser des flux vidéo HD …) en  « poussant » des contenus vers une tablette, un smartphone … dans toutes les pièces de la maison, dans les chambres d’hôtels, dans un lieu professionnel, dans un espace commercial, pour l’accueil d’un service public ou lors de la visite d’une exposition.

– Le LIFI offre un niveau de sécurité original et supérieur : le flux de données n ‘est accessible que dans le « faisceaux direct » de lumière a la différence des ondes radios qui circulent de façon moins contrôlables

– Le LIFI n’est qu’une technologie des derniers mètres : Il nécessite de déployer un réseau de collecte derrière les « lampes LED », c’est une énorme infrastructure de collecte à établir. Plusieurs pistes pourraient coupler CPL et LIFI dans les réseaux d’éclairage public.

– Le LIFI nécessite de changer le parc des lampes actuelles par des LED compatibles LIFI : 14 Milliards d’ampoules dans le monde. C »est un énorme marché, mais il ne faut pas arriver trop tôt ou trop tard comme pour toute innovation, il faut ouvrir la réflexion dès la conception d’un éclairage d’un bâtiment, d’un quartier, d’un moyen de transport, d’un espace public (station de métro …) … !

=> Dans une 1ère génération le LIFI pourrait cibler des applications industrielles ou des espaces spécialisées : ciblés au départ (gare, métro, train, tunnel, aéroport, avion, hôpitaux, usines, musées, centres de congrès ou d’expositions …).

Ce n’est pas en 2014 que le wireless radio (WIFI…)  sera remplacé par le wireless lumière mais à 5 ou 10 ans, cette technologie pourrait venir compléter notre panoplie d’outils d’accès « sans fil » et notamment dans le domaine du « broadcast » de proximité (diffusion de flux tres haut débit dans des espaces dédiés ou modulaires).

L’enjeu industriel le plus important reste celui de convaincre les fabricants de devices (smartphone, tablettes, objets connectés …) d’équiper de base en LIFI leurs produits. Sans l’effet de taille critique du parc de terminaux doté d’interfaces compatibles avec le LIFI, cette technologie pourrait rester cantonnée à des univers très industriels professionnels ou des « niches » de marché très ciblé comme c’est le cas pour CPL (Courant Porteur en Ligne) qui au début des années 2000 était positionné comme concurrent de l’ADSL pour l’accès internet à domicile. Mais, son marché a été réduit à la portion congrue de « distribution interne » aux bâtiments et notamment des logements en support ou complément du WIFI. Le CPL pourrait retrouver un second souffle avec la diffusion massive des compteurs intelligents électriques dans le cadre des évolutions « smartgrid » (en France notamment 35 millions de compteurs Linky équipés en CPL d’ici 10 ans). L’avenir du LIFI est donc incertain mais c’est une technologie complémentaire à celle qui existe.

Ce qui a fait le succès du WIFI c’est avant tout son adoption par les industriels des devices du monde entier et la production de chipset intégrant le WIFI à un coût dérisoire. C’est certainement le défi majeur de cette nouvelle technologie sans fil !

Pour relever ce défi et les autres, les acteurs promoteurs du LIFI se sont organisés au sein du LIFI Consortium.

Consortium Li-Fi pour promouvoir cette innovation

Les membres fondateurs du consortium Li-Fi sont d’entreprises technologiques internationales et des institutions de recherche spécialisées dans les technologies de communication optique.

Le groupe est basé sur un concept élaboré collectivement et feuille de route pour mettre en place une nouvelle technologie sans fil sur le marché qui dépasse les capacités et les qualités du Wi-Fi.

Le Consortium Li-Fi a plusieurs objectifs :

  • Promouvoir l’état de l’art des technologies de communication optique sans fil et des solutions auprès des investisseurs financiers, des institutions publiques et du grand public;
  • Informer les acteurs intéressés pour développer la technologie et la financer;
  • Créer et développer des solutions complètes et des applications par anticipation des besoins clients;
  • Assurer la coordination avec les groupes de normalisation et autres organisations du secteur de fournir aux clients OEM avec un ensemble complet de techniques et de marketing.

Un représentant de chacun des membres fondateurs du Consortium Li Fi constituent le comité de pilotage. Leur rôle est de développer et de gérer la portée et l’orientation des technologies, des applications et des relations pour remplir la mission du Consortium.

Le comité directeur se compose actuellement de représentants des membres fondateurs cinq :

  • Fraunhofer IMPS, Allemagne – Frank Deicke
  • IBSENtelecom, Norvège – Walter Kraus (président)
  • Suprême Architecture, Etats-Unis, Israël – Josef Shwartz
  • TriLumina, Etats-Unis – Rudi Wiedemann

Le Consortium Li-Fi est encouragé à construire du matériel promotionnel et des outils, y compris le site Web, des livres blancs, des liens, des communiqués de presse, articles, etc qui servira de sa mission officielle.

Une fonction clé du Consortium Li-Fi est d’établir et maintenir une relation de travail avec d’autres organisations, qui peuvent aider à créer un environnement de maturité de l’industrie pour les implémenter.

Octobre 2013, la Chine entre dans la bataille du LIFI !

En octobre et novembre 2013, selon l’agence chinoise Xinhua la scientifique Mme Chi Nan, de l’université de Fudan Shanghai, a mené une expérimentation et présenté un pilote LIFI  lors de l ‘exposition « China International Industry Fair » de Shanghai (5 – 9 nov 2013). Les vitesses de connexion de données testées atteignent 150 Mbps en utilisant un petit nombre d’ampoules LED chacune d’un watt . »Avec une ampoule LED plus puissante, nous pouvons atteindre 3,5 Gbps vitesses « . Le routeur et le récepteur sont équipés d’ampoules LED afin de permettre d’émettre et recevoir des données.

Selon le Professeur Chi Nan «Il y a encore beaucoup de problèmes qui doivent être résolus « , soulignant la nécessité d’améliorer la couverture Li-Fi , et miniaturiser les composants nécessaires . Au fil du temps , cependant , le récepteur Li-Fi pourrait éventuellement prendre la forme d’ un « donglet USB » qui se fixe à un ordinateur portable. Chi Nan estime qu’il faudra cinq ans pour que la technologie puisse entrer sur le marché de grande consommation. Jusqu’à présent, son équipe a passé environ 18 mois sur le projet.

Décembre 2013, point sur la recherche Li-FI en UK : EPSRC’s Ultra-parallel visible light communications (UP-VLC) project

Dernières avancées concrètes  du LIFI par des chercheurs des universités d’Oxford, Cambridge, St Andrews, Strathclyde et de l’université d’Edimbourg et vers le site de recherche .

Le Li-fi comme alternative au Wifi ? Ces chercheurs en sont convaincus en réussissant à obtenir un débit sans fil supérieur à 10 Gbit/s : 250 fois plus rapide que les débits maximum disponibles chez les particuliers. Ils ont pour cela fait le choix d’utiliser des ondes lumineuses plutôt que les ondes radio, sur lesquelles fonctionne le Wifi.

Plusieurs projets de recherche existent déjà dans ce domaine, en lumière continue ou discontinue. Un des paramètres principaux influençant les débits de données obtenus et la fréquence de commutation de la source de lumière utilisée.

Les LED et les lasers sont parmi les sources ayant les fréquences de commutation les plus élevées, permettant d’obtenir les meilleures performances de transfert de données dans le domaine, mais constituant un véritable défi de stabilité au niveau du protocole de communication entre l’émetteur et le récepteur.

C’est précisément cette difficulté que les activités de recherche du projet Ultra Parallel Visible Light Communications, géré de manière conjointe par les universités d’Oxford, Cambridge, St Andrews et Strathclyde, et financé par l’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC, conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques) ont récemment réussi à surmonter.

Chaque LED utilisée dans ces conditions est capable de générer un débit supérieur à 3 Gbps, les chercheurs ont donc réussi à coupler 3 LED différentes et à les faire fonctionner en simultané pour atteindre le débit pharamineux de 10 Gbps.

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