Vi skickar samma dag
Personlig service & fri rådgivning
Genuin omtanke

...
Startsida
Kunskapsbanken
Nätverk
LiFi – när belysningen blir en del av nätverket

Nätverk

Från radiovågor till ljus – nästa steg inom trådlös kommunikation

Föreställ dig ett kontor där takbelysningen inte bara lyser upp arbetsplatsen utan också kan användas för trådlös datakommunikation. Det är en av idéerna bakom Light Fidelity (LiFi) – en teknik där information överförs optiskt i stället för med traditionella radiovågor.

LiFi är en form av trådlös optisk kommunikation och kan användas som komplement till WiFi, Ethernet, fiberoptik och mobilnät. Tekniken är särskilt intressant i miljöer där radiokommunikation är olämplig, där många användare behöver hög lokal kapacitet eller där man vill kunna begränsa den trådlösa signalens geografiska utbredning.

Ett viktigt steg från forskningsområde till standardiserad nätverksteknik togs genom IEEE 802.11bb, som publicerades 2023 och definierar stöd för kommunikation via ljus inom IEEE 802.11-familjen.

Från radiovågor till optisk kommunikation

WiFi, Bluetooth, mobiltelefoni och många IoT-system använder elektromagnetiska vågor inom olika radiofrekvensband. Kapaciteten har under årtionden ökat genom bland annat bredare kanaler, effektivare modulation, MIMO och förbättrad signalbehandling.

LiFi angriper frågan från ett annat håll: den trådlösa länken flyttas till den optiska delen av det elektromagnetiska spektrumet.

Ljus och radiovågor är båda elektromagnetisk strålning. Skillnaden ligger framför allt i frekvensen och därmed våglängden som används. Synligt ljus omfattar ungefär 380–780 nanometer, motsvarande frekvenser i storleksordningen hundratals terahertz. Det optiska området erbjuder därför ett mycket stort potentiellt spektrumutrymme för kommunikation.

LiFi ska samtidigt inte likställas helt med Visible Light Communication (VLC). VLC är ett bredare begrepp för kommunikation med synligt ljus, medan LiFi normalt beskriver nätverksbaserad, dubbelriktad optisk kommunikation.

LiFi behöver dessutom inte vara begränsat till synligt ljus. Även infraröda optiska länkar kan ingå, exempelvis för kommunikation från klienten tillbaka till nätverket.

Från forskningsidé till IEEE-standard

Begreppet LiFi fick stor internationell uppmärksamhet genom professor Harald Haas, då verksam vid University of Edinburgh. Under en TED Global-presentation 2011 demonstrerade Haas hur LED-belysning kunde användas för att överföra digital information.

Grundidén var att LED-belysning inte enbart skulle användas för illumination utan också kunna bli en del av byggnadens kommunikationsinfrastruktur.

Sedan dess har tekniken utvecklats genom snabbare optiska komponenter, bättre halvledare och allt mer avancerad digital signalbehandling.

Ett viktigt steg kom 2023 med IEEE 802.11bb, som förde optisk trådlös kommunikation in i 802.11-standardfamiljen och skapade bättre förutsättningar för optiska länkar att samverka med etablerade nätverksarkitekturer.

Så fungerar LiFi

Grundprincipen kan beskrivas med tre delar:

Sändare → optisk kanal → mottagare

Sändaren använder en ljuskälla vars optiska effekt kan förändras mycket snabbt. Variationerna sker i en sådan takt att datamoduleringen inte uppfattas som blinkningar av människans öga.

På mottagarsidan registrerar en fotodetektor förändringarna i det infallande ljuset. Signalen omvandlas till en elektrisk signal som förstärks, filtreras och behandlas digitalt.

För användaren kan resultatet fungera ungefär som andra IP-baserade anslutningar. Den stora skillnaden finns i det fysiska lagret: den trådlösa länken använder optisk strålning i stället för radio.

Det är samtidigt viktigt att skilja mellan belysning och kommunikation. En LiFi-länk innebär inte nödvändigtvis att en vanlig belysningsarmatur fungerar som accesspunkt. Beroende på systemets konstruktion kan kommunikationsfunktionen vara integrerad i belysningen eller använda separata optiska sändare och exempelvis infrarött ljus.

Där fiber möter trådlös kommunikation

Ett praktiskt sätt att förstå LiFi är att jämföra tekniken med fiberoptik och WiFi.

Fiberoptik transporterar data med ljus genom en kontrollerad optisk vågledare. LiFi låter i stället den optiska signalen färdas genom ett öppet utrymme mellan sändare och mottagare.

Fiber kan alltså bära stora datamängder fram till exempelvis ett våningsplan, rum eller en accesspunkt, medan LiFi kan användas för den sista trådlösa sträckan till klienten.

Teknikerna behöver därför inte konkurrera. En nätverksarkitektur kan kombinera fiber som backbone, Ethernet för fasta anslutningar, WiFi för bred radiotäckning och LiFi för lokala optiska kommunikationszoner.

Den optiska länken ställer särskilda krav

LiFi egenskaper innebär också vissa begränsningar.

Optiskt ljus beter sig annorlunda än radiovågor i en byggnad. Signalen passerar normalt inte genom ogenomskinliga väggar, och kommunikationen påverkas bland annat av avstånd, infallsvinkel, reflektioner, omgivande ljus och föremål som skymmer den optiska länken.

Direkt optisk väg mellan sändare och mottagare ger normalt goda förutsättningar, men beroende på systemets konstruktion kan även reflekterat ljus användas.

I praktiken innebär det att placeringen av accesspunkter och mottagare blir en viktig del av nätverksdesignen.

Modulation – mer än att blinka med en lampa

Den enklaste illustrationen av optisk digital kommunikation är On-Off Keying (OOK), där förändringar i ljusintensiteten representerar digital information.

Moderna system kan använda betydligt mer avancerade metoder. Ett exempel är OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing, där dataströmmen fördelas mellan många delbärare. Principen används även inom flera andra moderna kommunikationssystem och kan ge hög spektral effektivitet.

Optisk kommunikation har samtidigt andra fysikaliska förutsättningar än traditionell RF-kommunikation. Ljuskällans egenskaper, mottagarens bandbredd, optisk effekt och omgivningsförhållanden påverkar därför vilka metoder som är lämpliga.

Varför LiFi är intressant

LiFi kanske mest uppenbara fördel är att kommunikationen inte behöver använda de radiofrekvensband som exempelvis WiFi och Bluetooth arbetar i.

Det kan vara värdefullt i miljöer där många radiosystem redan används samtidigt eller där ytterligare RF-kommunikation är olämplig.

En annan egenskap är möjligheten att skapa små kommunikationsceller. En optisk accesspunkt kan täcka ett begränsat område, vilket gör det möjligt att bygga nät med många lokala kommunikationszoner.

Den begränsade utbredningen kan också vara en fördel ur säkerhetssynpunkt.

Säkerhet – fysisk avgränsning är inte samma sak som kryptering

LiFi beskrivs ibland som en i sig säker kommunikationsteknik eftersom ljuset normalt inte passerar genom vanliga väggar. Det är en förenkling.

Den begränsade utbredningen kan göra det svårare att fånga upp kommunikationen från en plats där den optiska signalen inte är tillgänglig. På så sätt kan LiFi skapa en användbar fysisk avgränsning.

Men fysisk avgränsning ersätter inte IT-säkerhet.

En professionell LiFi-installation behöver fortfarande autentisering, kryptering, behörighetsstyrning, nätverkssegmentering och andra relevanta säkerhetsmekanismer.

LiFi bör därför ses som ett möjligt extra fysiskt säkerhetslager – inte som en ersättning för kryptografiskt skydd.

LiFi inom IEEE 802.11

IEEE 802.11bb-2023 är en central milstolpe för LiFi. Standarden specificerar stöd för Light Communications inom 802.11-familjen.

Betydelsen ligger inte bara i själva överföringstekniken. Kopplingen till 802.11 ger bättre förutsättningar för optisk kommunikation att ingå i etablerade nätverksmiljöer i stället för att alltid behöva byggas som separata, proprietära system.

Standardisering kan på sikt också bidra till bättre interoperabilitet mellan produkter och leverantörer. Det innebär dock inte automatiskt att alla LiFi-produkter fungerar tillsammans. Kompatibiliteten behöver fortfarande kontrolleras för de produkter och system som ska användas.

Hur ser ett LiFi-system ut?

En LiFi-installation består normalt av betydligt mer än en LED-lampa. Beroende på användningsområde kan systemet innehålla:

LiFi-accesspunkter eller optiska sändare som kopplar den optiska länken till det fasta nätverket.
Klientutrustning, exempelvis externa eller integrerade optiska transceivrar.
Optiska sändar- och mottagarmoduler för industriella och inbyggda system.
Switchar och Ethernet-infrastruktur för anslutning av accesspunkterna.
Fiberoptisk backbone för transport av stora datamängder mellan olika delar av nätverket.
Nätverks- och säkerhetssystem för exempelvis autentisering, segmentering och övervakning.

Eftersom tekniken fortfarande utvecklas bör aktuella produktmodeller, prestanda och kompatibilitet alltid kontrolleras mot tillverkarnas senaste specifikationer.

LiFi i industri och produktion

Industrin är ett intressant användningsområde för LiFi.

Produktionsanläggningar kan innehålla robotar, PLC-system, sensorer, kameror, autonoma mobila robotar och annan utrustning som ställer höga krav på nätverket. Samtidigt kan elektromagnetiska förhållanden eller andra tekniska krav göra nätverksdesignen komplicerad.

LiFi kan då användas som en lokal optisk kommunikationslänk i avgränsade produktionsområden, exempelvis robotceller, testmiljöer och laboratorier.

Installationer måste samtidigt ta hänsyn till skymning, vibrationer, smuts, optiska störkällor och rörliga objekt. LiFi bör därför betraktas som en kommunikationslösning som behöver projekteras för den aktuella miljön – inte bara som en alternativ typ av belysning.

Kontor och smarta byggnader

I kontorsmiljöer kan LiFi skapa lokala kommunikationszoner där många användare befinner sig på en begränsad yta.

Optiska accesspunkter kan exempelvis placeras i taket och anslutas till byggnadens fasta nät. Flera mindre täckningsområden kan då komplettera WiFi och ge ytterligare kapacitet där användartätheten är hög.

Samma princip kan användas i konferensrum, utbildningslokaler och andra miljöer med många samtidiga klienter.

Sjukvård och laboratorier

LiFi kan vara intressant i miljöer där ytterligare RF-kommunikation är oönskad eller behöver kontrolleras noggrant.

Eftersom den optiska länken inte använder samma radiofrekvenser som WiFi, Bluetooth eller mobilkommunikation kan LiFi erbjuda en alternativ kommunikationsväg.

Det innebär däremot inte att LiFi automatiskt är lämpligt eller godkänt tillsammans med all medicinteknisk utrustning. Krav på bland annat patientsäkerhet, cybersäkerhet och regulatorisk efterlevnad måste fortfarande bedömas för den konkreta installationen.

Flyg, tåg och andra transportsystem

Även transportsektorn är ett möjligt användningsområde. Flygplan och tåg innehåller omfattande teknisk infrastruktur samtidigt som många användare kan behöva datakommunikation på en begränsad yta.

Optiska länkar kan här erbjuda lokal kommunikation utan att ytterligare radiospektrum behöver användas för just den länken.

Installationerna måste naturligtvis uppfylla de säkerhets-, miljö- och certifieringskrav som gäller för respektive transportsystem.

Begränsningar som måste räknas in

LiFi är inte en generell ersättare för WiFi.

Väggar blockerar den optiska länken, föremål kan skymma mottagaren och omgivande ljus kan påverka mottagningsförhållandena. Större lokaler kan därför behöva flera optiska accesspunkter, vilket i sin tur ställer krav på kabelinfrastruktur, installation och nätverksplanering.

Klientsidan är också viktig. WiFi finns redan integrerat i ett mycket stort antal datorer, telefoner och IoT-produkter. LiFi kräver kompatibel optisk hårdvara, antingen integrerad i enheten eller ansluten externt.

Det är en viktig faktor både för kostnaden och för hur enkelt tekniken kan införas.

Så kan en komplett LiFi-lösning byggas

I en professionell installation bör LiFi betraktas som en del av den totala nätverksarkitekturen.

En lösning kan exempelvis använda fiberoptik som backbone mellan serverrum, nätverksrum och olika delar av fastigheten. Därifrån distribueras trafiken via Ethernet till LiFi-accesspunkter där optisk trådlös kommunikation behövs.

Accesspunkterna skapar lokala optiska kommunikationszoner och klienterna ansluter genom kompatibel optisk hårdvara. WiFi kan samtidigt finnas kvar för generell radiotäckning.

Resultatet blir ett hybridnät, där fiber, Ethernet, WiFi, mobilnät och LiFi fyller olika funktioner.

LiFi roll i framtidens nätverk

LiFi långsiktiga potential ligger sannolikt inte i att ersätta WiFi, utan i att lösa kommunikationsbehov där en optisk trådlös länk erbjuder särskilda fördelar.

Fiber ger hög kapacitet i den fasta infrastrukturen. Ethernet ger stabil anslutning till stationär utrustning. WiFi erbjuder flexibel radiotäckning och mobilnäten ger geografisk mobilitet. LiFi kan komplettera dessa med lokala optiska länkar där hög kapacitet, RF-oberoende eller fysisk avgränsning är särskilt värdefull.

Sammanfattning

LiFi, Light Fidelity, är trådlös nätverkskommunikation där optiska länkar används i stället för traditionella radiofrekvenser. Tekniken kan kombineras med befintlig fiber-, Ethernet- och IP-infrastruktur och har genom IEEE 802.11bb fått en standardiserad plats inom 802.11-familjen.

LiFi är särskilt intressant i miljöer där lokal kapacitet, kontrollerad signalutbredning eller minskat beroende av radiokommunikation är viktigt. Samtidigt påverkas optiska länkar av bland annat hinder, placering och omgivande ljus, och klienterna behöver kompatibel optisk hårdvara.

Tekniken bör därför framför allt ses som ett komplement till fiber, Ethernet, WiFi och mobil kommunikation.

Med IEEE 802.11bb finns en viktig teknisk grund på plats. Hur stor roll LiFi får framöver kommer i hög grad att bero på utvecklingen av kompatibla accesspunkter, klienter och integrerade optiska komponenter – och på vilka användningsområden där optisk trådlös kommunikation ger en tydlig praktisk fördel.

Författare: Jonas Wahlström Område: SFP, mediakonverterare och WDM-muxar.