Giải pháp đột phá mới trong công nghệ truyền thông không dây bằng ánh sáng: Light Fidelity (Li-Fi)

355

Ngày nay Internet kết nối vạn vật(Internet of Things – IoT) trở nên thông dụng và là nền tảng công nghệ cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư I4.0. Kết nối không dây bằng sóng radio WiFi đã chuyển sang thế hệ thứ tư 4G với tốc độ vượt trội. Thế hệ thứ năm 5G đang được tiêu chuẩn hóa và sẽ xuất hiện trong tương lai gần. Tuy nhiên Wi-Fi cũng có điểm hạn chế về dung lượng, tốc độ và tính bảo mật trong khi yêu cầu của truyền tải dữ liệu ngày càng lớn dòi hỏi phải tìm ra công nghệ kết nối mới. Mới đây các nhà khoa học Anh đã phát minh một công nghệ kết nối không dây mới với dữ liệu được truyền bằng ánh sáng mang tên Li-Fi(Light Fidelity)có tốc độ tăng hơn hệ thống WiFi hàng trăm lần và tính bảo mật rất cao. Vậy công nghệ Internet kết nối không dây bằng ánh sáng Li-Fi là gì? Tương lai của hệ thống này sẽ về đâu? Bài viết sau đây sẽ giải thích cho bạn đọc rõ về công nghệ Li-Fi đầy hứa hẹn này.
KHCN 011. Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến hiện nay
Ngày nay, công nghệ kết nối không dây sử dụng sóng radio có mặt ở khắp mọi nơi. Với bất cứ ứng dụng hay dịch vụ nào liên quan đến truyền tải dữ liệu sẽ đều có một giải pháp không dây. Sau đây sẽđiểm qua các công nghệ không dây phổ biến hiện nay:
KHCN 02Zigbee
– Là chuẩn giao thức mạng không dây sử dụng sóng radio để kết nối các thiết bị do Zigbee Alliance phát triển. Tên gọi liên quan đến điệu nhảy của loài ong khi trở về tổ.
– Tiêu chuẩn: IEEE 802.15.4
– Tần số: 2.4 GHz
– Khoảng cách: 10 tới 20 m
Ứng dụng: Thiết bị điện tử công nghiệp và gia dụng, IoT.
KHCN 03LoRaWAN
– Là chuẩn giao thức mạng không dây dựa trên nền tảng sóng radio tầm xa LoRa (Long Range) công suất thấp do tổ chức LoRa Alliance phát triển
– Tiêu chuẩn: IEEE 802.15.4g
– Tần số: dưới 1 GHz
– Khoảng cách: 0-20 km
– Ứng dụng: Thiết bị công nghiệp, Hệ thống thông minh,
KHCN 04Z-Wave
– Là chuẩn giao thức mạng không dây sử dụng các sóng radio công suất thấp và tin cậy, dễ dàng truyền qua các vật cản.
– Tiêu chuẩn: Z-Wave Alliance ZAD 12837 / ITU-TG.9959
– Tần số: 800-900 MHz
– Khoảng cách: 100 m
– Ứng dụng: Tự động hóa tòa nhà
KHCN 05Bluetooth
– Là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn sử dụng để kết nối các thiết bị cá nhân tạo thành mạng cục bộ. Tên Bluetooth liên quan đến tên nhà vua thống nhất các bộ lạc Đan Mạch Harald Bluetooth.
– Tiêu chuẩn: IEEE 802.15.1
– Tần số: 2.4GHz
– Khoảng cách: 0-10m
– Ứng dụng: Smart home, thiết bị điện tử y tế, điện thoại
KHCN 06WiFi
– Viết tắt từ Wireless Fidelity là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng radio.
– Tiêu chuẩn: IEEE 802.11
– Tần số: 2.4GHz và 5 GHz
– Khoảng cách: 0-100m
– Ứng dụng: Smart home, thiết bị điện tử y tế, điện thoại, TV.
Đã trải qua mạng thế hệ 1, 2, 3 và đang phát triển mạng 4G.
KHCN 075G
– Là kế tiếp của công nghệ truyền thông di động 4G. So với mạng 4G, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn 100 lần, mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Được xem là chìa khóa để đi vào thế giới Internet kết nối vạn vật(IoT).
– Ưu điểm: Tốc độ cực nhanh, ứng dụng vào mọi thiết bị điện, điện tử công nghiệp và gia dụng, hệ thống an ninh.
– Nhược điểm: Phải tăng cường hạ tầng cơ sở trạm BTS để cung cấp dịch vụ 5G.

Hệ thống kết nối không dây 4G
Hệ thống kết nối không dây 4G

2. Những nhược điểm của công nghệ kết nối không dây bằng sóng radio
– Việc kết nối Wi-Fi đòi hỏi cơ sở hạ tầng viễn thông mạnh bao gồm các trạm gốc BTS (Base Transceiver Station) được đặt tại một vị trí nhất định dựa theo mạng hình tổ ong, nhằm tạo ra hiệu quả thu phát sóng cao nhất với vùng phủ sóng rộng.Mạng di dộng 5G sử dụng bước sóng milimét, phổ tín hiệu giữa các tần số siêu cao cao 20GHz và 300GHz. Các bước sóng này có thể truyền tải khối lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao, nhưng không truyền được xa và khó vượt các chướng ngại vật như các bước sóng tần số thấp hơn trong mạng 4G. Vì vậy khi xây dựng mạng 5G, các nhà mạng cần sử dụng một lượng lớn anten thu phát để có cùng độ phủ sóng như 4G hiện tại màkhông bị cản bởi các tòa nhà kiến trúc cao tầng do đó đòi hỏi cơ sở hậ tầng khá tốn kém. Hình sau đây là kết cấu của một hệ thống kết nối 4G.
– Sóng radio chịu ảnh hưởng của nhiễu điện từ gây bởi hiện tượng phóng điện tự nhiên như sét, bão từ trên mặt trời, của các thiết bị điện từ công suất lớn như trạm biến áp, đường dây tải điện…
– Có thể bị kẻ xấu lợi dụng thâm nhập vào hệ thống truyền thông Wi-Fi nhằm lấy cắp thông tin, làm lộ thông tin cá nhân và bí mật quốc gia, do đó việc bảo mật thông tin trong hệ thóng kết nối Wi-Fi là nhiệm vụ quan trọng.
– Sóng radio có ảnh hưởng tới sự phát triển của tế bào sống vì thế cần tôn trọng quy tắc an toàn về điện từ khi làm việc và sống trong môi trường phủ sóng radio.
Các công nghệ không dây sử dụng sóng radio đã được phát minh và ứng dụng vào cuộc sống hàng ngày của con người, vào hoạt động sản xuất kinh doanh, vào nghiên cứu khám phá thế giới và gặt hái được nhiều thành công, tuy nhiên chúng có những điểm yếu cần phải khắc phục như đã đề cập ở trên. Bởi vậy, các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực không ngừng để tìm ra các giải pháp mới. Một trong những phương thức không dây mới được các nhà khoa học phát minh đó là dùng ánh sáng để truyền tải dữ liệu.
3. Sử dụng ánh sáng để truyền tải dữ liệu – công nghệ Li-Fi
3.1 Lịch sử:
Công nghệ Li-Fi bắt đầu được nghiên cứu từ những năm 1990 tại Anh, Đức, Hàn Quốc và Nhật Bản.Các nhà khoa học nhận thấy đèn LED có thể truyền thông tin bằng ánh sáng trong khi vẫn chiếu sáng bình thường.
Năm 2004, Tiến sĩ Harald Haas thuộc Đại học Edinburgh bắt đầu nghiên cứu về công nghệ này. Trong một cuộc hội thảo TEDGlobal diễn ra tại Edinburgh (Anh), tiến sĩHarald Haas đã giới thiệu ngọn đèn bàn dùng điốt phát quang LED có thể truyền thông tin đến một bộ thu.

Tiến sĩ Harald Haas và ngọn đèn LED của ông.
Tiến sĩ Harald Haas và ngọn đèn LED của ông.

Năm 2011, tiến sỹ Haas đã đứng trên sân khấu chia sẻ tầm nhìn của ông về một tương lai, nơi mà người ta chỉ cần sử dụng những bóng đèn LED để thiết lập nên một mạng lưới kết nối không dây. Nhờ đèn LED rất nhạy, việc đưa tín hiệu vào ánh sáng mới thực hiện được. Haas đề cập đến khả năng áp dụng công nghệ của ông để làm cho ngọn đèn LED trở thành phương tiện thu phát tín hiệu số, tạo nên cơ chế liên lạc không dây tương tự Wi-Fi. Cũng từ đây khái niệm Li-Fi (Light Fidelity) đã được khai sinh ra.

Biểu tượng: Li - Fi So sánh giữa Li-Fi và Wi-Fi
Biểu tượng: Li – Fi So sánh giữa Li-Fi và Wi-Fi

Có thể hiểu và giải thích về Li-Fi như sau: “Li-Fi là truyền dữ liệu thông qua chiếu sáng, gửi dữ liệu thông qua việc điều biến ánh sáng một đèn LED trong khi đèn vẫn chiếu sáng bình thường”.
3.2 Nguyên lý làm việc của Li-Fi
Li-Fi (Light Fidelity) là một mạng không dây sử dụng kỹ thuật ánh sáng nhìn thấy để truyền dữ liệu tương tự như Wi-Fi sử dụng sóng radio. Li-Fi sử dụng ánh sáng nhìn thấy thay vì sóng vô tuyến GigaHertz để truyền dữ liệu
Năm 2015, thử nghiệm tại một văn phòng ở Tallin thủ đô của Estonia ghi nhận được tốc độ truyền dữ liệu thông qua Li-Fi vào mức 224GB, nhanh hơn Wi-Fi 100 lần.
Việc điều chỉnh sóng ánh sáng không phải là một khái niệm mới, tuy nhiên Haas muốn sử dụng những đồ vật thật phổ thông để thực hiện điều đó, và bóng đèn LED chính là tầm nhìn của ông. Với Li-Fi, bạn có thể kết nối vào Internet chỉ bằng cách ở trong khu vực được chiếu sáng bởi chùm sáng phát ra từ bóng đèn, thậm chí bạn có thể dùng đèn pha của xe hơi để truyền nhận dữ liệu nữa.
Li-Fi theo định nghĩa của Đại học Edinburgh, là “hệ thống giao tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy thế hệ thứ 5, nó sử dụng ánh sáng từ đèn LED như một phương tiện làm đường liên lạc có tính mạng lưới, khả năng di động và tốc độ cao theo cách tương tự như Wi-Fi”. Nhờ tính hội tụ cao, đèn LED sẽ giúp tạo ra các kênh tải đến và truyền lên riêng biệt một cách dễ dàng

Hình 5: Li-Fi
Hình 5: Li-Fi

Cơ chế hoạt động của Li-Fi rất đơn giản, nếu đèn LED bật thì bạn truyền số một số 1, nếu LED tắt bạn truyền số 0. LED có thể chuyển trạng thái bật/tắt rất nhanh, ở mức nano giây, nó là cơ hội tốt để truyền nhận dữ liệu. Mỗi lần bật tắt như thế thì một bộ thu tín hiệu nằm trong đèn LED sẽ ghi nhận và chuyển đổi nó thành dữ liệu.Trên sơ đồ khối sau đây ta nhận thấy:
Tại phía phát tín hiệu từ Internet được chuyển tới driver LED làm thay đổi cường độ sáng của đèn. Vì điều này diễn ra quá nhanh nên mắt người không thế nhìn thấy được sự thay đổi trạng thái của đèn, chúng ta vẫn thấy bóng đèn sáng như thường.
Tại bộ thu tín hiệu ánh sáng được detector quang tiếp nhận, khuếch đại và xử lý sau đó được chuyển thành tín hiệu điện đầu vào máy tính. Chắc chắn các bóng đèn Li-Fi cần phải được duy trì nguồn điện để có thể hoạt động, tuy nhiên LED có thể điều chỉnh độ sáng xuống một mức cực thấp mà mắt chúng ta không nhìn thấy nhưng việc truyền tải tín hiệu vẫn diễn ra. Tỉ lệ nhấp nháy của ánh sáng tùy thuộc vào dữ liệu mà chúng ta muốn giải mã.
Mỗi một nguồn sáng sẽ làm việc như một trung tâm cho việc truyền nhận dữ liệu.

Sơ đồ làm việc của Li-Fi
Sơ đồ làm việc của Li-Fi
Thành phần thu và phát Li-Fi
Thành phần thu và phát Li-Fi

3.4 Thành phần cấu tạo của hệ thống:
Cấu tạo của một hệ thống LI-Fi gồm:
1. Desktop unit: gắn với máy tính, có tác dụng chuyển đổi những thay đổi nhỏ trong biên độ của ánh sáng thành một tín hiệu điện, khi đó từ tín hiệu điện này được chuyển đổi ngược lại thành một luồng dữ liệu và được truyền đến máy tính hoặc điện thoại
2. LED driver: được gắn vào đèn LED có tác dụng xử lý các luồng dữ liệu được nhúng trong các photodiodesvới tốc độ rất cao.
Phạm vi hoạt động: Truyền những tín hiệu ánh sáng nằm trong dải tần số từ 400 tới 800 TeraHertz

Dải tần làm việc
Dải tần làm việc

Phương thức hoạt động:Các mã nhị phân được truyền đi dưới dạng ánh sáng bằng cách gửi 2 trạng thái bật đèn và tắt đèn đến điểm đích, trong vòng nano giây (10−9 s).Hai trạng thái bật tắt này sẽ tương đương với 2 số 0 và 1 của hệ nhị phân.
KHCN1113.5 Tính năng của Li-Fi
Tốc độ:Li-Fi đã xuất tốc độ trên 100 Gbps.
An ninh: Do tín hiệu Li-Fi là ánh sáng nhìn thấy không thể đi xuyên qua tường. Đây là nhược điểm nhưng cũng là ưu điểm về bảo mật, vì thế nó có thể loại bỏ các mối đe dọa của dữ liệu bị tấn công từ xa. Giải pháp này rất phù hợp cho các hoạt động liên quan đến nghiên cứu, quốc phòng, ngân hàng, hệ thống an ninh…

Sơ đồ hoạt động của một hệ thống Li Fi
Sơ đồ hoạt động của một hệ thống Li Fi

Hiệu quả năng lượng: Tiêu thụ năng lượng được giảm thiểu thông qua việc sử dụng các đèn LED, việc truyền tải dữ liệu Li-FI đòi hỏi công suất thêm không đáng kể.
An toàn – một giải pháp thay thế cho các sóng radio: Các bước sóng ánh sáng nhìn thấy vô hại đối với con người. Li-Fi được biết như một giải pháp thay thế cho các sóng radio trong các môi trường nhạy cảm như bệnh viện, trung tâm y tế, trường học, một số cơ sở công nghiệp, buồng phản ứng hạt nhân…
Mật độ dữ liệu: Mỗi ánh sáng Li-Fi có thể cung cấp tốc độ tương tự hoặc lớn hơn một điểm truy cập Wi-Fi. Vì vậy trong cùng khu vực, Li-Fi có thể cung cấp 10x hay 100x hay 1000x lớn hơn mật độ công suất không dây. Đó là Mbps cho mỗi mét vuông.
4. Các ứng dụng của Li-Fi
Li-Fi là hệ thống kết nối không dây bằng ánh sáng hoàn toàn mới bổ sung cho kết nối Wi-Fi nhằm khắc phục các nhược điểm của nó. Có thể liệt kê các ứng dụng cơ bản của Li-Fi như sau:
4.1 Kết nối không dây văn phòng và các thiết bị di động nghe nhìn:
KHCN 164.2 Kết nối Internet Li-Fi có thể sử dụng an toàn trên máy bay, Li-Fi có thể được sử dụng để giảm trọng lượng và hệ thống cáp và thêm tính linh hoạt để bố trí chỗ ngồi trong khoang hành khách máy bay có đèn LED đã được triển khai. Trong chuyến bay giải trí hệ thống cũng có thể được hỗ trợ và tích hợp với các thiết bị di động của hành khách.
KHCN 174.3 Trong bệnh viện Li-Fi không gây nhiễu điện từ vì vậy không gây nhiễu cho các thiết bị dùng sóng radio.Những thiết bị Li-Fi không bị hạn chế bởi giấy phép sử dụng tần số.
KHCN 184.4 Liên lạc Li-Fi cũng thực hiện ở dưới nước, do sự hấp thụ tín hiệu mạnh trong nước nơi mà sóng vô tuyến có dải thông cực kỳ thấp(nước hấp thụ năng lượng sóng radio),đèn LED đặt dưới nước có thể giúp thợ lặn nhận được thông tin từ Internet, Li-Fi sẽ cung cấp một giải pháp cho thông tin liên lạc tầm ngắn.
KHCN 194.5 Mọi đèn LED nơi công cộng (đèn đường, đèn hiệu giao thông, đèn ở bảng hiệu…) đều có thể trở thành nguồn cung cấp thông tin cho thiết bị di động. Bất kỳ ánh sáng cá nhân hoặc công cộng có thể được sử dụng để cung cấp nguồn sáng Li-Fi và các thông tin liên lạc tương tự, cơ sở hạ tầng cảm biến có thể được sử dụng để giám sát và kiểm soát ánh sáng và dữ liệu cho hệ thống chiếu sáng thông minh.
KHCN 204.6 Li-Fi có thể cung cấp đường truyền bổ sung cho các mạng di động có sẵn nhằm giảm tải dải thông, tránh xảy ra hiện tượng tắc nghẽn mạng.
KHCN 204.7 Li-Fi có khả năng cung cấp, thay thế an toàn cho việc thông tin điện từ tần số radio, thông tin liên lạc trong môi trường dễ cháy nổ như hầm mỏ và nhà máy hóa dầu, buồng phản ứng hạt nhân.
KHCN 234.8 Các thiết bị di động như: máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại di động thông minh…có thể kết nối và sử dụng trực tiếp Li-Fi giúp đảm bảo liên kết phạm vi ngắn việc truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và tính bảo mật tốt.
KHCN 215. Tương lai nào cho Li-Fi
Công nghệ Li-Fi dựa trên các tín hiệu ánh sáng đèn LED cho việc truyền các dữ liệu nhờ ánh sáng. Ngoài ra, vì tốc độ của Internet Li-Fi cao bạn có thể tải về phim ảnh, trò chơi, âm nhạc… chỉ trong giây lát với sự giúp đỡ của công nghệ này. Bạn chỉ cần đứng dưới bất kỳ ánh sang đèn LED nào và lướt Internet khi kết nối sẽ được thực hiện.
Nhưng vì sao cứ phải là đèn LED? Tất cả đều có liên quan đến tốc độ. Đèn huỳnh quang hoặc đèn dây tóc bình thường bật tắt quá chậm. Chúng không thể bật tắt ở tốc độ nano giây như những gì LED có thể làm. Tuổi thọ của đèn LED cũng cao hơn so nhiều với các loại nguồn sáng phổ biến khác. Các đèn LED có tuổi thọ rất dài, lên đến khoảng 50.000 giờ, trong khi đèn huỳnh quang thì chỉ đến 10.000 giờ mà thôi.
Trong tương lai không xa khả năng Li-Fi thay thế bổ sung cho các công nghệ không dây sử dụng sóng radio là hoàn toàn có thể bởi tính ứng dụng cao vào cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất, dịch vụ… Chưa dừng lại ở đó, đường truyền tín hiệu của Li-Fi là hoàn toàn miễn phí. Không ai tính tiền ánh sáng cả. Trong khi đó, việc sử dụng các dải tần sóng radio thường phải đợi quá trình cấp phép lâu dài từ các cơ quan chức năng, các hãng viễn thông cũng cần phải chi rất nhiều cho quy trình này. Một số nhà khoa học dự đoán ngành công nghiệp Li-Fi sẽ đạt 6 tỉ USD vào năm nay 2018. Giáo sư Haas từng nói “Trong tương lai chúng ta sẽ không chỉ có 14 tỷ bóng đèn, chúng ta có thể có 14 tỷ thiết bị Li-Fi triển khai trên toàn thế giới cho một tương lai sạch hơn, xanh hơn và tươi sáng hơn”. Hình sau đây cho thấy tốc độ tang trưởng và ứng dụng của Li-Fi trong các lĩnh vực trong một tương lai gần.

Lê Văn Doanh – Nguyễn Triệu Sơn – Đỗ Đức Anh
(Bộ môn Chiếu sáng Thông minh – Trung tâm R&D Chiếu Sáng,
CTCP Bóng đèn- Phích nước Rạng Đông)