آینده مخابرات بی‌سیم فوق پهن‌باند

برقراری ارتباط با نرخ تبادل داده بسیار بالا در کنار ملزومات فنی و تجاری دیگر نظیر تضمین سطح بالای امنیت و مقرون‌به‌صرفه بودن برقراری ارتباط، از مشخصاتی هستند که نسل آینده مخابرات بی‌سیم را تعریف می‌کنند. فناوری LiFi از گزینه‌های عملیاتی اصلی برقراری ارتباط پهن‌باند با مشخصات یاد شده است که ضمن ارائه نرخ تبادل داده بالا، امکان استفاده از طیف فرکانسی بدون نیاز به مجوز و همچنین، تضمین امنیت مقاوم انتها به انتهای مورد نیاز در شبکه بی‌سیم نسل پنجم (5G) و پس از آن را فراهم می‌نماید. در این مقاله به معرفی این فناوری نوظهور در لایه فیزیکی سیستم‌های مخابرات بی‌سیم به‌عنوان مکمل شبکه مخابراتی RF پرداخته و ابعاد متفاوت این فناوری از جمله ویژگی‌های فنی، بازار LiFi، حوزه‌های کاربردی، بازیگران اصلی این حوزه و تجربه اپراتورهای مخابراتی در به‌کارگیری این فناوری بررسی شده است.

کلیدواژه: 5G ،LiFi، طیف فرکانسی بدون مجوز، RF

مقدمه

تحول دیجیتال^[1]و استفاده روزافزون از انواع تجهیزات هوشمند و خدمات پرسرعت پهن‌باند نظیر خدمات چندرسانه‌ای، واقعیت افزوده/مجازی^[2]و افزایش برقراری تماس‌ها و کنفرانس‌های ویدیوئی به‌ویژه در دوره شیوع بیماری کووید-19 در کنار کاربردهای دقیق و حرفه‌ای در صنایع تولیدی، منجر به افزایش فزاینده تقاضای برقراری ارتباط مداوم بر بستر شبکه‌های مخابراتی و درنتیجه، افزایش ترافیک داده در طیف فرکانسی موجود شده است.

تلاش برای پاسخ‌گویی به موارد ذکر شده، منجر به معرفی نسل پنجم مخابرات سلولی (5G) با هدف فراهم آوردن نرخ داده بالا و برقراری ارتباط پایدار و امن با تأخیر بسیار پایین شده است.

برآیند روندهای بالا در کنار بلوغ فناوری‌های کنونی نسل‌های مخابرات سلولی منجر به حرکت صنعت مخابرات بی‌سیم به سوی ارائه راهکارهایی از قبیل معماری شبکه جدید، استفاده از طیف فرکانسی بدون نیاز به مجوز و همچنین بهره‌گیری از فناوری‌های نوین برقراری ارتباط در باندهای فرکانسی بالاتر و معرفی شبکه‌های مخابرات بی‌سیم نوری (OWC) ^[3]شده است.

البته، توجه به این نکته حائز اهمیت است که فناوری OWC جایگزین شبکه‌های مخابراتی بی‌سیم RF نبوده و با توجه به نوع کاربرد و محیط مورد نظر می‌توان از آن‌ها به‌طور جداگانه یا به‌صورت ترکیبی در کنار یکدیگر بهره برد.  در سیستم‌های مبتنی بر OWC، برقراری ارتباط از طریق انتشار امواج الکترومغناطیسی در محدوده طیف فرکانسی نور مرئی (VL) ^[4]، فروسرخ (IR) ^[5] و فرابنفش (UV) ^[6]انجام می‌شود (شکل 1).

شکل 1: طیف فرکانسی امواج الکترومغناطیسی [1]

فناوری‌های مبتنی بر OWC را می‌توان در گروه‌های فناوری‌های مخابرات نوری فضای باز (FSO) ^[7]، مخابرات نوری مبتنی بر دوربین (OCC) ^[8]و مخابرات مبتنی بر نور مرئی (LiFi) ^[9]دسته‌بندی نمود. مشخصات کلی این فناوری‌ها شامل فرستنده و گیرنده، طیف فرکانسی و محیط‌های قابل بهره‌برداری در شکل 2، نمایش داده شده است.

در ادامه تمرکز این مقاله بر فناوری LiFi بوده و این فناوری را از منظر ویژگی‌های فنی، سهم بازار و کاربردها مورد مطالعه قرار می‌دهد.

شبکه‌های LiFi از منظر فنی

در شبکه‌های مبتنی بر  LiFi، ارتباط فروسو با پهنای باند بسیار بالا و به وسیله نور مرئی محقق می‌شود. این در حالی است که برای برقراری لینک فراسو علاوه بر طیف فروسرخ از راهکارهای ارتباطاتی دیگری مانند بلوتوث و یا Wi-Fi^[10] نیز می‌توان استفاده نمود. سیستم‌های مخابراتی مبتنی بر فناوری LiFi ، شامل ارتباطات «چندکاربره»^[11]، «دوسویه»^[12]و «پخش همگانی»^[13]بوده و به عنوان یک شبکه مخابرات بی‌سیم کامل شناخته می‌شوند. ویژگی‌های فناوری LiFi در شکل 3، نمایش داده شده است.

شکل 2: فناوری های مبتنی بر OWC

شکل 3: ویژگی‌های کلیدی فناوری LiFi

اساس عملکرد مدولاسیون نوری به این صورت است که پیام دیجیتال با استفاده از تغییرات شدت نور ارسال می‌شود. با توجه به حمل اطلاعات توسط شدت نور، ویژگی‌های خاصی بر مدولاسیون نوری حاکم است. از آن‌جا که شدت نور ذاتاً کمیتی حقیقی و نامنفی است، نمیتوان در سیستم‌های OWC، مستقیماً از روش‌های مدولاسیون رایج در سیستم‌های RF، استفاده کرد. به‌عنوان مثال، بکارگیری OFDM در سیستم‌های LiFi با تغییرات خاصی در سمت فرستنده همراه بوده که به نسخه‌های ACO-OFDM و DCO-OFDM در این سیستم‌ها منجر شده است.

شکل 4: اندازه بازار LiFi و بازیگران اصلی این حوزه

استاندارد این فناوری ذیل مجموعه استانداردهای IEEE 802.11 در حال توسعه است. یکی از نکات جالب توجه در این زمینه حضور نایب رئیس (VP) شرکت pureLiFi (از بازیگران اصلی حوزه LiFi) در گروه مطالعات مخابرات نوری IEEE به‌عنوان رئیس هیئت‌مدیره است.

بازار LiFi و حوزه‌های کاربردی مرتبط

بازار LiFi بسیار رقابتی بوده و از چندین بازیگر اصلی تشکیل شده است. از نظر سهم بازار، تعداد کمی از بازیگران اصلی در حال حاضر بر بازار تسلط دارند. از بازیگران اصلی کلیدی این حوزه می‌توان به مواردی همچون Signify ،pureLiFi ،LVX Li-Fi ،oledcomm و lucibel اشاره نمود. این بازیگران اصلی با سهام برجسته در بازار بر گسترش پایگاه مشتریان خود در کشورهای خارجی تمرکز دارند. این شرکت‌ها از طرح‌های مشترک استراتژیک برای افزایش سهم بازار و افزایش سودآوری خود استفاده می‌کنند. این شرکت‌ها، همچنین، برای تقویت قابلیت‌های محصول خود، استارت‌آپ‌هایی را نیز خریداری کرده که بر روی فناوری‌های LiFi کار می‌کنند.

ارزش بازار LiFi در سال 2020 به 295.4 میلیون دلار رسید و انتظار می‌رود که تا سال 2026 به بیش از 4100 میلیون دلار برسد. این فناوری می‌تواند بخش قابل توجهی از پتانسیل اقتصادی اینترنت اشیاء را محقق کرده، برنامه‌های انقلاب صنعتی نسل چهارم را هدایت کند و به خدمات نور به عنوان یک سرویس (LaaS) در صنعت روشنایی منجر شود.

از طرفی، ویژگی ذاتی فناوری LiFi مبنی بر استفاده از نور مرئی برای برقراری ارتباط پهن‌باند، این فناوری را به گزینه مناسبی برای بسیاری از کاربردهای داخل ساختمانی (indoor) و در فواصل نزدیک تبدیل کرده است. به طور مثال، این فناوری گزینه مناسبی برای پیاده‌سازی ساختمان‌های هوشمند با هدف ارتقاء تجربه زندگی و بهبود آسایش ساکنین است. این فناوری همچنین در کاربردهای مبتنی بر مکان مانند پارک هوشمند خودرو یا حوزه‌هایی مانند نظارت بر سلامت نقش مهمی ایفا خواهد نمود. در ادامه این بخش، برخی از حوزه‌های کاربردی کلیدی این فناوری را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

خانه هوشمند

رشد روزافزون استفاده از لامپ‌های LED در ساختمان‌ها برای روشنایی، فرصت‌های زیادی را برای کاربردهای مبتنی بر LiFi با هدف برقراری ارتباط بی‌سیم ساده، قابل اعتماد و پرسرعت در حوزه کاربردی خانه هوشمند فراهم می‌کند. از آن‌جا که با بهره‌گیری از فناوری LiFi برقراری ارتباط داده‌ بی‌سیم پرسرعت در کنار تأمین روشنایی محیط فراهم می‌شود، استفاده گسترده از این فناوری در ساختمان‌های هوشمند بسیار مقرون به صرفه است.

مزیت بهره‌گیری از این بستر ارتباطی در یک خانه هوشمند، انتخاب ساده بهترین مکان‌های پوشش‌دهی با دیدن و دنبال کردن مسیر تابش نور به‌طور مستقیم است. همچنین با تنظیم زاویه تابش نور و استفاده از وسایل مورد استفاده در منزل مانند پرده یا مبلمان، امکان شنود و نفوذ به شبکه محلی تشکیل شده در یک خانه هوشمند با استفاده از راهکارهایی مانند man in the middle (که برای پوشش RF قابل انجام است)، به‌راحتی از بین‌ می‌رود. 

شکل 5: کاربرد فناوری LiFi در خانه‌های هوشمند

شکل 6: کاربرد فناوری LiFi در محیط‌های داخلی

در این راستا، شرکت Li-Fi VLNComm مستقر در شارلوتزویل از وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم پشتیبانی دریافت کرده و سه محصول Li-Fi شامل چراغ رومیزی، USB و پنل LED عرضه کرده است.

راه‌کارهای سازمانی

در این راستا، شرکت PureLiFi مستقر در بریتانیا، با همکاری دانشگاه ادینبورگ، راه‌حل‌های LiFi خود را در مدرسه راهنمایی آکادمی Kyle به کار برد. این پروژه توسط اسکاتلندی فیوچرتراست که از استراتژی دیجیتال دولت اسکاتلند پشتیبانی می‌کند، نظارت می‌شود.

شبکه‌های LiFi برای کارهای روزانه، پخش کنفرانس، دسکتاپ از راه دور به‌همراه ویدئو، می‌توانند تجربه کاربری پیشرفته‌ای را با اطمینان از امنیت قوی ارائه دهند. جهت‌گیری انتشار نور می‌تواند به طور موثری تداخل در دفاتر پرجمعیت را کاهش دهد. همچنین، بارگذاری شبکه بی‌سیم به LiFi طیف را برای اتصال دستگاه‌های دیگر آزاد می‌کند.

واقعیت مجازی/ افزوده

LiFi سرعت‌های بالاتر، تأخیر کمتر و ارتباطات بی‌سیم بدون تداخل را ارائه می‌دهد که به غلبه بر چالش‌های فناوری کمک کرده و به محصولات AR و VR اجازه می‌دهد بدون نیاز به اتصال سیمی بتوانند تجربه کاربری بالایی را برای کاربر فراهم نمایند.

حمل‌ونقل خودران

با توجه به سرعت بالا، ویژگی‌های تأخیر کم LiFi و استفاده گسترده چراغ‌های LED در زیرساخت حمل‌ونقل، LiFi یک فناوری ایده‌آل برای تکمیل و تقویت فناوری‌های بی‌سیم فعلی است که برای حمل‌ونقل خودران و خودروها استفاده می‌شود.

شکل 7: کاربرد فناوری LiFi در حمل‌ونقل خودران

حوزه سلامت

همه‌گیری کووید-19 به طور قابل توجهی عملکرد روزانه سازمان‌های مختلف در صنایع را مختل کرده است. با رشد چشمگیر تعداد بیماران کووید-19 در سراسر جهان در پیک‌های این بیماری، بیمارستان‌ها و مراکز پزشکی با چالش جدی در درمان بیماران مواجه شدند. دراین میان، در آوریل 2020، موسسه Nav Wireless Technology Pvt Ltd فناوری LiFi را برای انتقال داده‌های مهم بیمار، مانند خواندن دستگاه تنفس مصنوعی و دما با استفاده از انتقال داده‌های بی‌سیم از طریق چراغ‌های LED به کار گرفت. این دستگاه یک چراغ LED plug-n-play با یک تراشه با قابلیت LiFi در داخل آن و یک دانگل USB است که می‌تواند به دستگاه متصل شود. از مزایای بهره‌گیری از این فناوری کاهش خطر عفونت برای پزشکان و کادر پزشکی است.

شبکه‌های مخابراتی LiFi و بازیگران حوزه تلکام

با توجه به پتانسیل‌های فناوری LiFi از منظر فنی و تجاری، این فناوری در راهبرد توسعه تعداد قابل توجهی از اپراتورهای مخابراتی پیشرو در سراسر جهان قرار گرفته است. به عنوان نمونه، در ادامه این بخش روی برنامه Orange در خصوص بهره‌برداری از این فناوری تمرکز می‌نماییم.

اپراتور Orange قویاً به پتانسیل فناوری LiFi اعتقاد دارد. در گزارشی از این اپراتور عنوان شده است: با فعال کردن اتصال بی‌سیم سریع و پایدار بر اساس نور مرئی، LiFi آماده است تا نحوه برقراری ارتباطات مخابراتی در آینده را متحول کند. محققان و تیم‌های آزمایشگاه Orange با  توجه به ظرفیت محدود طیف فرکانسی موجود، توجه خود را به نور معطوف کردند. به نقل از این تیم، انتقال داده‌ها به این وسیله قبلاً در سال 1880 توسط مخترع تلفن، گراهام بل، با موفقیت آزمایش شده بود. اما تا اواسط دهه 2000 و با ظهور لامپ‌های LED، پیشرفت‌های فناوری جدید در این زمینه امکان‌پذیر نشد.

محقق و مدیر پروژه نوآوری در آزمایشگاه Orange، معتقد است: فناوری LiFi در کنار مزیت بزرگ بهره‌گیری از فرکانس‌های رادیویی تازه، مزایای دیگری نیز مانند فراهم نمودن سرعت بالا (تقریباً بین 100 تا 250 مگابیت بر ثانیه) برای کاربران خود به همراه دارد. همچنین، سیگنال منتشر شده توسط LiFi بسیار پایدار بوده و هیچ‌گونه تداخل الکترومغناطیسی با RF و WiFi ایجاد نمی‌کند. این امر به ویژه در بخش هوانوردی غیرنظامی و بیمارستان‌ها مورد توجه است. ارتش نیز از آن‌جا که LiFi تضمین‌های امنیتی بیشتری را ارائه می‌دهد، شروع به تجهیز خود به این فناوری کرده است. در این راستا، شرکت Purelifi با ارتش آمریکا برای برقراری ارتباط بر پایه نور و بهره‌گیری از امنیت بالای ارتباط LiFi همکاری می‌کند. به طور کلی، به اعتقاد Orange ، Wi-Fi و LiFi در آینده بسیار نزدیک، مکمل یکدیگر خواهند بود. اپراتور Orange در تاریخ 4 اکتبر 2021، در شهر لوکزامبورگ یک فروشگاه نمایندگی افتتاح نمود که برای اولین بار این فروشگاه مجهز به فناوری LiFi و OCC است.

نتیجه‌گیری

تکامل راه‌حل‌های ارائه شده مبتنی بر این فناوری و ظهور بازیگران قدرتمند در بازار توسعه فناوری LiFi موجب شده است که این فناوری به یکی از کاندیداهای مهم بهره‌برداری عملیاتی در شبکه‌های مخابراتی نسل پنجم و پس از آن تبدیل شود. در همین راستا، اپراتورهای مخابراتی پیشرو از طرح‌های نوآورانه مبتنی بر این فناوری استقبال کرده‌اند و با سرمایه‌گذاری در این فناوری، سعی در تبدیل آن به یکی از ‌های دسترسی پهن‌باند در مقیاس داخل ساختمانی در بسیاری از کاربردهای شهر هوشمند و صنعتی دارند. در این راستا، توجه به روند توسعه این فناوری و همگامی با زیست‌بوم توسعه این فناوری زمینه را برای تحقق تحول دیجیتال و انقلاب صنعتی چهارم در حوزه‌های ارتباط با مشترکان حرفه‌ای، مشتریان سازمانی و بازیگران صنعتی ایجاد خواهد نمود. 

منابع

[1] Ghassemlooy Z., Popoola W. and Rajbhandari S, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB, Second Edition, CRC Press, 2019.

[2] H. Haas, L. Yin, Y. Wang and C. Chen, “What is LiFi?,” Journal of Lightwave Technology, vol. 34, no. 6, pp. 1533-1544, 2016.

[3] https://www.imarcgroup.com/li-fi-market

[4] H. Haas et al, “Introduction to indoor networking concepts and challenges in LiFi,” Journal of Optical Communications and Networking, vol. 12, no. 2, pp. A190-A203, 2020.

[5] https://www.oledcomm.net/6-benefits-lifi/

[6] https://www.oledcomm.net/an-industrial-view-on-lifi-challenges-and-future/

[7] https://purelifi.com/lifi-technology/

[8]https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/visible-light-communication-market 946.html?gclid=CjwKCAiAgvKQBhBbEiwAaPQw3Lg_OHXL8kOdALsyneRSWkPAUqa3GmrJULXFPMCgC-rmyFjrvFofYRoCTKYQAvD_BwE

[9] https://www.i-scoop.eu/lifi-market-ieee-lifi-standardization/

[10] https://www.orange.lu/en/business/blog/lifi-connectivity/

---

پی‌نوشت

[1] Digital transformation

[2] Augmented/Virtual Reality (AR/VR)

[3] Optical Wireless Communication (OWC)

[4] Visible Light (VL)

[5] Infra-Red (IR)

[6] Ultra Violet (UV)

[7] Free Space Optical Communication (FSO)

[8] Optical Camera Communication (OCC)

[9] Visible Light Communication (VLC)

[10] Wireless Fidelity (Wi-Fi)

[11] Multi User

[12] Bidirectional

[13] Broadcast