La technologie Li-Fi, se connecter par la lumière

Parmi les technologies de communication sans fil, le Li-Fi s’inscrit comme une innovation. Par tous les moyens et en toutes circonstances, l’homme n’a de cesse de perfectionner les possibilités technologiques en matière de télécommunications. Le Li-Fi est de toute évidence un progrès. Mais cette avancée n’a pu être possible qu’après l’invention de la LED. Elle est de facto l’élément central et structurel de la Technologie Li-Fi.


Rappels historiques

La technologie Li-Fi, se connecter par la lumière
Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ont été récompensés pour leur invention de diodes électroluminescentes (LED) émettant avec efficacité de la lumière bleue, ce qui a rendu possible la création des LEDs blanches.

La première fois qu’une lumière est émise via un semi-conducteur remonte à 1907. Cette prouesse fut obtenue par Henry Joseph Round.

En 1927, Oleg Vladimirovich Lósev dépose le premier brevet de ce que nous appelons aujourd’hui “une diode électroluminescente”.

En 1955, Rubin Braunstein découvre l’émission infrarouge de l’arséniure de gallium (éléments minéraux chimiques). Ce semi-conducteur sera ensuite utilisé par Nick Holonyak Jr. et S. Bevacqua. Ils créeront la première LED rouge en 1962. Durant quelques années, les chercheurs se limiteront à quelques couleurs telles que le rouge, le jaune et le vert.

En 1992,  les recherches de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia permirent la création de LED bleues. Leurs recherches portaient sur la technologie des semi-conducteurs InGaN.

En octobre 2014, les chercheurs japonais Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano reçoivent le prix Nobel de physique. Une récompense liée à leur invention de la première LED bleue à forte puissance lumineuse.


La LED un atout sur plusieurs plans

Longévité et autonomie maîtrisable

La durée de vie d’une LED est plus longue qu’une lampe à incandescence ou fluorescente. La fin de vie se déclarant par une baisse progressive de rendement. 

Après une autonomie moyenne de 30 000 heures de fonctionnement, le rendement  baissera en moyenne de 10 à 30 %. Il faut aussi que les composants électroniques de l’alimentation restent fonctionnels.

Économique et écologique

La LED est à la fois économique et écologique. En effet, elle consomme peu d’électricité grâce à une bonne efficacité lumineuse. Ce qui permet, par exemple, le fonctionnement à partir d’une énergie potentielle gravitationnelle faible comme pour la GravityLight. Il s’agit d’une lampe sans batterie.

Les LED GU4 assurent une sécurité de fonctionnement en très basse tension. Les GU10 fonctionnent directement en 230 volts. On peut aussi citer leur faible production de chaleur et le fait qu’elles ne produisent pas d’UV 11.

L’addition de LED de couleurs différentes (rouge, verte et bleue) et la variation des courants les alimentant produisent une grande variété de couleurs.

Les LED blanches laissent un grand choix dans la température des couleurs, allant des blancs chauds aux blancs froids.

L’alternance allumage/extinction rapide et fréquente n’endommage pas l’ampoule. Celle-ci atteint sa pleine puissance lumineuse généralement en moins d’une seconde après l’allumage. A contrario, les ampoules fluocompactes, « basse consommation » affichent 60% de leur puissance lumineuse entre 3 et 60 secondes.

L’impact environnemental des LED est donc plus faible que les lampes fluorescentes. Ce constat est aussi lié à l’absence de polluants comme le mercure dans la fabrication des LED. Cependant, l’amélioration de la puissance des LED repose fréquemment sur l’utilisation d’indium. Il s’agit d’un métal dont les dérivés sont dangereux pour la santé des ouvriers qui le manipulent.


La technologie Li-Fi, se connecter par la lumière


Qu’est-ce que le Li-Fi ?

Le Li-Fi est l’abréviation de Light Fidelity. C’est  une technologie sans fil dont la base de communication transmissible se fait principalement par la lumière visible. Elle s’effectue sur des longueurs d’ondes comprises entre 480 nm (670 THz, bleu-vert) et 650 nm (460 THz, orange-rouge). Ainsi, le Li-Fi utilise la partie visible (optique) du spectre électromagnétique avec un émetteur et un récepteur optique. En comparaison, le  Wi-Fi utilise une fréquence radio du spectre électromagnétique sans spectre visible.

Le principe du Li-Fi repose sur le codage et l’envoi de données via la modulation d’amplitude des sources de lumière. Cette variabilité est imperceptible pour l’œil et fonctionne selon un protocole bien défini et standardisé.

Le Li-Fi est un type de système VLC (Visible light communication, transmission par la lumière visible). Contrairement à une communication via signal laser, le Li-Fi utilise une communication par fibre optique. Les couches protocolaires du Li-Fi sont adaptées à des communications sans fil pouvant atteindre 10 mètres environ.


Principe de fonctionnement de la Technologie Li-Fi

Comme tout système de communication, pour établir un canal, il faut un émetteur et un récepteur.

Le système Li-Fi est donc composé d’un bloc d’émission et d’un bloc de réception reliés par un canal optique. Les données numériques à transmettre sont au préalable encodées. Ceci afin de renforcer leur robustesse face aux éventuelles dégradations engendrées par le canal optique. Puis, ces données codées, alors sous forme de signal électrique subissent une conversion en signal lumineux. Le processus passe par le biais d’un circuit électronique qui pilote une ou plusieurs LED. Une alternance lors de cette phase par effet de variabilité transcrira les données en 0 et 1 selon le codage Manchester.

Après propagation, cette lumière est captée par un photorécepteur qui convertira le signal en courant électrique. Le signal électrique est par la suite démodulé et décodé pour récupérer les données transmises.

Concrètement, les équipements requis pour l’ensemble du procédé sont des dispositifs optiques : lentilles, miroirs, filtres…. Ceux-ci jouent tour à tour un rôle de transmission, d’encodage et de décodage. Ils jouent également un rôle correcteur tant dans la qualité de la transmission que dans les données transmises.

Comparativement à un réseau “radio”, (talkie-walkies, téléphone sans fil, téléphonie mobile), les frais nécessaires à son déploiement sont relativement bas. En effet, le système Li-Fi n’exploite pas de fréquences radio. Les débits atteignables sont de 10 Gbits/s.


Les Avantages de la Technologie Li-Fi

La technologie Li-Fi arrive avec son lot d’avantages dans un environnement qui ne nécessite qu’une LED et un peu de lumière.

L’intérêt de cette luminosité est sa bande de fréquence d’environ 300 THz. Une fréquence constante non régulée en gratuité totale. Par opposition, les fréquences radio utilisées dans les technologies WiFi, 3G/5G sont situées dans un intervalle de 300 Mhz et 6 Ghz. Pour être utilisées, ces fréquences sont régulées par les gouvernements et autorités de télécommunications sous forme de redevance. Donc le Li-Fi n’est soumis à aucune régulation.

La technologie Li-Fi est compatible par convergence ou complémentarité avec les technologies existantes. Ainsi, la lumière issue du Li-Fi n’engendre aucune incompatibilité avec d’autres technologies. C’est ici le gros avantage du Li-Fi qui n’interfère pas avec les fréquences radio de sources externes. Il pourra ainsi cohabiter avec du Wi-Fi, de la 3G etc…

Avec la lumière, à l’inverse des ondes radio, le réseau se sanctuarise puisqu’il ne traverse pas les murs. Cela sécurise les données dans un périmètre défini. Mais la portée intérieure du signal Li-Fi se trouve également limitée.

La technologie combine le 2 en 1. Une installation équipée de Li-Fi pourra aussi bien favoriser le transfert de données et permettre un éclairage dans une même zone.

Se procurer des ampoules LED est très simple de nos jours. Leur usage se traduit par une omniprésence au quotidien. Ainsi, on les retrouve dans les logements, les véhicules, les éclairages publics urbains etc… L’avantage économique est donc aussi important que l’aspect écologique de la technologie. En effet, le système Li-Fi est moins onéreux à déployer comparé à une connexion “radio” (WiFi).

De plus, techniquement, le Li-Fi offre une rapidité supérieure aux connexions sans fil. Il atteint 10 000 fois plus vite un débit pouvant avoisiner les 10 Gbits/s.


Limites et restrictions liées au Li-Fi

La principale limite du Li-Fi repose sur le positionnement pour la captation du signal lumineux. L’utilisateur doit tenir compte des champs d’expositions qui deviennent un peu contraignants en fonction du type d’installation en place. Par exemple, l’installation au plafond, à hauteur élevée ou l’accès au signal via une lampe de chevet ou de bureau. Le Li-Fi ne peut être opérationnel dans un espace confiné comme la poche d’un vêtement ou un attaché case.

La portée du signal est faible, seulement quelques mètres. De ce fait, la mobilité pour des communications bidirectionnelles se trouve réduite. Elle l’est encore davantage par les meubles ou les murs. Il faut tenir compte du fait que les transmissions peuvent se faire avec d’autres sources de lumière. La plus naturelle est celle du soleil. Mais la source peut aussi avoir une provenance externe comme les lampadaires.

Pour mieux fonctionner, le Li-Fi doit être croisé à une technologie relais (comme le CPL ou le Wifi) car il s’agit avant tout d’une technologie unidirectionnelle. L’autre alternative, l’utiliser de manière ascendante c’est-à-dire directement par le récepteur sans redistribution de signal pour un tiers.

La dernière limite est le fait qu’il n’existe pas encore énormément d’appareils sur le marché embarquant la technologie Li-Fi.


Une technologie en constante évolution

Puisqu’on n’arrête pas le progrès, le Li-Fi a hérité, avec le temps, de certaines améliorations en matière de débit et d’infrastructures. Ce qui a permis de renforcer sa fiabilité avec des résultats encourageants.

En outre son schéma unidirectionnel, il s’inscrit dans certains cas comme une ouverture plausible sur les questions de géolocalisation, les communications subaquatiques, les réseaux routiers etc… Le principe fondamental demeure une lumière continuelle dans un champ de réception donné pour la captation du signal de réception.

En finalité, il s’agit d’une technologie à ne pas perdre de vue. On parle déjà de l’ère du Li-FiMax comme une révolution 2.00 avec plus de débits et moins de contraintes. Nous y reviendrons ultérieurement.

 

Source : KYOS, wikipedia


Vidéo digitale - afrodigimag.com Comprendre le Li-Fi

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