V současné době využíváme pro bezdrátové připojení k Internetu technologie založené na šíření rádiových vln (WiFi, 3G, LTE), v blízké budoucnosti by je ale mohlo doplnit i připojení, které pro přenos dat využívá světlo.
Pokusy přenášet komunikaci prostřednictvím světelných paprsků probíhaly už v 19. století. Ačkoli Alexander Graham Bell je dnes známý hlavně jako vynálezce telefonu a gramofonu, byl to právě skotský rodák, kdo si v roce 1881 nechal patentovat zařízení schopné přenášet zvuk pomocí měnící se intenzity paprsku světla.
Schéma fungování Bellova fotofonu.
Byť o tzv. fotofonu Bell mluvil jako „největším svém vynálezu“, přístroj se ani zdaleka nedočkal takového úspěchu jako telefon. Zřejmě i proto, že Bell nedokázal vyřešit některé problémy (třeba narušování přenosu při nepřízni počasí), se kterým se vskutku pokrokové zařízení potýkalo. Limitem byla i relativně krátká vzdálenost, na kterou fotofon fungoval, ale také například skutečnost, že zařízení nedokázalo přenášet komunikaci obousměrně.
Další z obrazů znázorňujících Bellův fotofon.
Ačkoli v prvních třech desetiletích 20. století zažila technologie menší renesanci, když ji pro své účely nechalo vylepšit německé a britské námořnictvo (postupně se podařilo dosah rozšířit až na 14 kilometrů), koncem 50. let zájem o ni definitivně upadl. Zřejmě i v důsledku rozvoje radiotechniky a pokroku v oblasti optických vláken, která sice také využívají světla, ale díky oddělení od vnějšího prostředí netrpí podobnými neduhy jako řešení fotofonu.
LED a nové pokusy
K možnostem využití viditelného světla, tentokrát pro přenos dat, se vrátil začátkem toho tisíciletí německý profesor Harald Haas. K oprášení Bellovy myšlenky vedl rozmach LED žárovek, respektive objev, že LED technologii je možné využít nejen jako úsporný zdroj světla, ale také pro přenos informací.
Technologie označovaná jako Li-Fi pracuje s viditelným světelným spektrem. To je na rozdíl od rádiového spektra zhruba desettisíckrát větší. Li-Fi by se tak v budoucnu mohlo stát alternativou, která by dnes vytíženému rádiovému spektru odlehčila.
Proč ale bylo nutné čekat až na LED žárovky, když Bell si vystačil s parabolickým zrcadlem a běžným světlem? Pro přenos dat prostřednictvím viditelného světelného záření jsou využívány velmi rychlé pulsy a klasické žárovky nereagují dostatečně rychle na změnu intenzity světla. Naproti tomu LED žárovky dokážou „blikat“ tak rychle, že to lidské oko nedokáže zaznamenat.
Navíc LED žárovky jsou už z výroby vybavené elektronikou, kterou stačí jen doplnit o Li-Fi mikročip a rázem se z nich stane zařízení schopné vysokorychlostního přenosu dat. K tomu dochází tak, že LED žárovka vysílá data ve formě nul a jedniček. Když vysílá jedničku, je zapnutá, když nulu, je vypnutá. Takto blikat dokáže více než stomilionkrát za sekundu.
1 Gbit/s na vzdálenost 10 metrů
Data tímto způsobem je možné přenášet velkými rychlostmi a na relativně slušné vzdálenosti. Haas nedávno se svými kolegy dosáhl při pokusu s jednobarevnou mikrodiodou o výkonu 5 mW rychlosti 3,5 Gbit/s na vzdálenost jednoho metru. Při zvětšení vzdálenosti na 10 metrů rychlost klesla na 1,1 Gbit/ss.
Haas ale upozorňuje, že pokus probíhal pouze s jednobarevnou diodou, pokud by se podařilo zkombinovat červenou, zelenou a modrou, znamenalo by to tři různé světelné proudy, které by dohromady dávaly na vzdálenost jednoho metru rychlost přesahující 10 Gbit/s. Nejnovější WiFi standard 802.11ad přitom zvládne maximálně 7 Gbit/s.
Kromě vysílače je pochopitelně nutný i přijímač. Zatím je to poměrně velké zařízení, nicméně vzhledem k tomu, že se již podařilo postavit a úspěšně vyzkoušet Li-Fi čipy o velikosti pouhých 2,8 milimetru obsahující 49 fotodiod, dá se předpokládat, že by přijímač mohl být bez větších problémů integrovaný například do mobilních telefonů.
Srovnání Wi-Fi versus Li-Fi.
Nejdříve obrázek, před třemi lety i video
Haas společně se svými kolegy vyvinul algoritmus, díky kterému je Li-Fi schopné zvládnou několik datových toků najednou. Nejdříve v roce 2006 na konferenci Highlights der Physik v Německu Haas předvedl přítomným prostřednictvím technologie přenos obrázku. O pět let později na TED konferenci v Edinburghu demonstroval přenos videa z upravené lampy na promítací plátno.
Zatímco WiFi funguje na principu Access Pointů, ke kterým se může připojit velké množství uživatelů, vysílače Li-Fi mohou zatím komunikovat pouze s jedním přijímačem. Na druhou stranu to má i svoje výhody, protože každý uživatel má v podstatě vyhrazený svůj vlastní kanál a nemůže tak dojít k přetížení jako v případě AP. Navíc se jednotlivé Li-Fi vysílače navzájem neruší.
Haasův tým už ale pracuje na řešení, které by umožnilo vysílačům obsluhovat více zařízení, podobně jako je tomu u Wi-Fi. Uživatelé se budou moci pohybovat po místnosti a být obsluhováni různými vysílači, aniž by při přechodu od jednoho k druhému došlo k pozorovatelnému výpadku spojení.
Li-Fi nemá ambici nahradit existující technologie fungující na bázi rádiových vln. Má je vhodně doplnit, jak naznačuje následující obrázek.
Zejména v budovách, kde je v současné době WiFi signál tlumen stěnami, by připojení prostřednictvím žárovek mohlo najít uplatnění. Navíc by se díky takovému řešení podařilo zřejmě ušetřit i nějakou tu elektrickou energii.
Výzkumníci ze společnosti MarketsandMarkets předpovídají Li-Fi zářnou budoucnost.
Jestli tuto technologii opravdu čekají impozantní meziroční nárůsty tržeb, je těžké odhadnout. Jisté ale je, že už se začaly objevovat první firmy, které komerční produkty na bázi Li-Fi nabízí. Například společnost RiT Wireless, patřící pod ruskou skupinu Stins Coman, již více než rok prodává zařízení s názvem Beamcaster, určené pro připojení až osmi zařízení.
Auta, domácí spotřebiče, ale i potápěči a pacienti
Mnohem větší potenciál se ale pro Li-Fi otevírá v souvislosti s předpovídaným nástupem Internetu všeho (Internet of Everything, IoE). Koncept IoE, tak jak ho definuje americká společnost Cisco, má propojit pomocí Internetu dohromady lidi, procesy, data a věci. Prostřednictvím Li-Fi mohou být k Internetu či jiné síti jednoduše připojena zařízení, která jsou osazena LED diodami (sic).
Může tak proměnit v hotspoty veřejné osvětlení (samozřejmě ne to osazené sodíkovými výbojkami). Stejně tak by se pro Li-Fi našlo uplatnění i v automobilovém průmyslu, ve kterém v poslední době stále více rezonuje slovní spojení „chytrá auta“. Představte si například, že by spolu mohly automobily komunikovat skrze světlomety a koncová světla. Na stejném principu by šlo Li-Fi použít i pro komunikaci mezi automobilem, semaforem či proměnným dopravním značením. Využití pro zvýšení bezpečnosti je nasnadě.
Li-Fi bez větších problémů funguje pod vodou, mohlo by tedy zajišťovat například komunikaci mezi potápěči. Dokonce i letecký průmysl, který reaguje na neustálou poptávku po úspornějších letadlech, by díky Li-Fi mohl nahradit některé kabelové spoje.
Haas chce jít ale ještě dál a vidí pro Li-Fi velkou příležitost v medicíně. Připomíná například, že tato technologie neruší přístroje typu pacemakeru a mohla by být využita k monitorování stavu pacientů. Jako úplné sci-fi se jeví Haasův sen, že by díky Li-Fi přenosům bylo v budoucnu možné nahradit přerušené nervy.
Nejen LED, ale i fotovoltaické články
Jenže ani LED žárovky Haasovi zřejmě nestačí. Už nyní se svými kolegy testuje, zda by k podobnému účelu nebylo možné využít i fotovoltaické články. První výsledky komerčně vyráběných článků ukazují, že i přes ně je možné data „světelnou technologií“ přenášet. Toho by se dalo v budoucnu využít například u mobilních telefonů, který by měly článek zabudovaný v displeji. Byly by jeho prostřednictvím nejen připojeny k Internetu, ale také by si dobíjely potřebnou energii na svůj provoz.
Fotovoltaický článek jako přijímač pro Li-Fi.
Pokud vás Li-Fi zaujalo, stojí za to zhlédnout následující video, kde profesor Haas vše podrobně vysvětluje:
Mimochodem, pokud jste video nezhlédli a vrtá vám, stejně jako mně, hlavou, jak je možné, že Haasovo Li-Fi funguje na rozdíl od Bellova fotofonu obousměrně, vězte že je za tím malý trik. Přijímač s vysílačem totiž komunikuje prostřednictvím infračerveného záření.
