Li-Fi

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Le Li-Fi (ou Light Fidelity) est une technologie de communication sans fil basée sur l'utilisation de la lumière visible comprise entre la radiation (480 nm de longueur d'onde, soit 670 THz) (perçue bleue) et la radiation (650 nm, soit 460 THz) (perçue rouge). Alors que le Wi-Fi utilise une partie radio du spectre électromagnétique hors du spectre visible, le Li-Fi utilise la partie visible (optique) du spectre électromagnétique. Le principe du Li-Fi repose sur le codage et l'envoi de données via la modulation d'amplitude des sources de lumière (scintillation imperceptible à l'œil), selon un protocole bien défini et standardisé.

Le Li-Fi se différencie de la communication par laser, par fibre optique et de l'IrDa par ses couches protocolaires. Les couches protocolaires du Li-Fi sont adaptées à des communications sans fil jusqu'à une dizaine de mètres, soit légèrement plus que Bluetooth basse puissance, et moins que Bluetooth haute puissance ou Wi-Fi.

En 2012, il permettait une liaison entre un luminaire communiquant (lampe à Leds) et un ordinateur, mais cette liaison était descendante et bas-débit. En 2015, il peut s'intégrer dans un réseau internet haut-débit en permettant une communication entre une lampe connectée au réseau via un câble Ethernet RJ45 avec capacité PoE (Power over Ethernet) et des ordinateurs distants de quelques mètres et dotés d'un capteur récepteur/émetteur spécial (qui pourrait bientôt ressembler à une simple clé USB). Associé à un système émetteur-récepteur infrarouge (pour le signal montant), il pourrait bientôt se connecter au Wi-Fi pour des liaisons bidirectionnelles à haut-débit, mais en restant limité en termes de distance à la source lumineuse (avec les techniques disponibles en 2015, au delà de 10 à 15 m, le signal est dégradé[1]).

Origine du nom[modifier | modifier le code]

Les acronymes Li-Fi et Wi-Fi trouvent leur origine dans le mot Hi-Fi qui est l'abréviation du terme anglophone pour High Fidelity et qui signifie en français « Haute Fidélité ». Le terme Wi-Fi a été utilisé pour Wireless Fidelity où le terme Wireless se réfère à l'usage des ondes radio. L'acronyme Li-Fi signifie Light FidelityLight se réfère à la lumière. Ce terme a été proposé pour la première fois par Harald Haas, professeur de communication mobile à l'université d'Édimbourg, lors de la conférence TED en 2011[2].

Historique[modifier | modifier le code]

La première démonstration de communication Li-Fi date de 1880 quand Alexander Graham Bell, connu pour l'invention du téléphone, montra son photophone capable de transmettre sur plusieurs centaines de mètres le son de sa voix en utilisant la lumière du soleil. Ce fut la première technique de communication sans fil mise au point, bien avant l'apparition des communications radio qui feront passer aux oubliettes le photophone. Alexander Graham Bell dira à propos de cette invention : « Can imagination picture what the future of this invention is to be!. » (« Notre imagination peut-elle nous dire ce que sera le futur de cette invention ? »).

Le développement du Li-Fi est fortement corrélé au développement des diodes électroluminescentes ou LED puisqu'elles sont les seules sources de lumière (avec les lasers) à avoir des capacités de commutations très rapides (jusqu'à un milliard de fois par seconde). Naturellement, c'est au Japon, pays de la LED, que les premières expériences de communications Li-Fi avec des luminaires LED se feront connaître en 2005, les précurseurs dans ce domaine étant les chercheurs de l'université de Kieo à Tokyo.

Depuis 2010, avec la forte croissance des ventes de LED et leur apparition dans les bâtiments, de nombreux acteurs académiques et industriels se sont lancés dans l'étude et le développement de solutions Li-Fi. Les activités de recherche les plus significatives étant : Smart Lighting Engineering Centre[3], COWA[4], UC-Light Centre[5], université d'Oxford[6] et Fraunhofer Institute[7]. En France, l'université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines mène depuis 2007 des travaux de recherche dans ce domaine, notamment autour d'applications de communication entre véhicules en utilisant leurs phares à LED.

De nombreux grands groupes (Siemens[8], Samsung, Toshiba, Casio) et startups (LVX Systems USA[9], PureVLC GB[10], Nagakawa JP[11]) travaillent sur la commercialisation des premiers produits compatibles Li-Fi. En France, la société OLEDCOMM France LiFi[12] propose déjà une première famille de solutions Li-Fi compatibles pour des applications de géolocalisation indoor et de transmission audio/vidéo. Cette société a été partenaire de France Télévisions à l'occasion de la conférence LEWEB 12[13] à PARIS pour y présenter la première présentation publique de cette technologie avec des démonstrations de streaming audio et vidéo de programmes du groupe public[14]. Intégrateur Li-Fi pour OLEDCOMM, la société FAIREFAIRE[15] propose des équipements pour l'événementiel et l'animation commerciale[16].

Principe de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Un système Li-Fi est composé de deux principaux blocs : un bloc d'émission et un bloc de réception entre lesquels s’intercale le canal optique. Le cheminement des données à transmettre est alors le suivant :

  • Les données numériques à transmettre sont d’abord encodées pour rendre la transmission plus robuste aux dégradations causées par le canal optique.
  • Ces données codées, alors sous forme de signal électrique sont converties en signal lumineux grâce à un circuit électronique pilotant une ou plusieurs LED. Plus précisément, ce circuit électronique permet de faire varier l’intensité lumineuse des LED en fonction des données à transmettre. La modulation utilisée est donc une modulation d'intensité, dont l'exemple le plus simple est la modulation On-Off Keying (OOK) où des 0 et des 1 logiques sont transmis selon le codage Manchester.
  • La lumière émise se propage ensuite dans l’environnement et subit des déformations dues par exemple aux obstacles, aux conditions météorologiques... Cet environnement et les déformations associées sont regroupés sous le terme de canal optique.
  • Le signal lumineux déformé est enfin reçu par un photorécepteur (photodiode, caméra…) qui le convertit en courant électrique. Le signal électrique résultant est traité puis démodulé et décodé pour récupérer les données transmises.

Dans la pratique, les modules d'émission et de réception peuvent être équipés de dispositifs optiques (lentilles, miroirs, filtres...) permettant d'améliorer la qualité de la transmission de données.

Avantages du Li-Fi[modifier | modifier le code]

Le Li-Fi présente de nombreux avantages qui proviennent d'une part de l'utilisation de la lumière visible et d'autre part de l'utilisation de LED :

  • Le spectre de la lumière visible couvre une bande fréquentielle d'environ 300 THz. L'utilisation de cette bande n'est par ailleurs pas régulée et est donc gratuite. En comparaison, le spectre des fréquences radio qu'utilisent les technologies de communications par radio, comme le Wi-Fi ou la 3G, est compris entre 300 MHz et 6 GHz. Il est régulé par l'Union Internationale des Télécommunications ce qui rend son utilisation généralement payante. Par ailleurs, ce spectre est aujourd'hui saturé par un nombre toujours croissant de terminaux mobiles[réf. nécessaire]. Par exemple, il manquait selon la Commission fédérale des communications américaine 300 MHz de bandes radio en 2014[réf. nécessaire]. Le Li-Fi et ses 300 THz de bande spectrale pourrait donc être utilisé pour soulager la bande radio.
  • La lumière visible n'interfère pas avec les fréquences radio ce qui assure la compatibilité du Li-Fi avec les technologies radio (Wi-Fi, 3G, 4G…).
  • La lumière visible, contrairement aux ondes radio, ne peut passer au travers des murs ce qui assure le cloisonnement des données mais limite la portée en intérieur.
  • Les LED peuvent être facilement modulées à très grande vitesse ce qui permet d'atteindre des débits élevés sans utiliser de techniques complexes.
  • Les LED consomment peu d'énergie, ont une durée de vie moyenne de 50 000 heures et voient leur coût diminuer d’année en année[réf. souhaitée]. Pour ces différentes raisons, elles remplacent progressivement les autres sources lumineuses (ampoules à incandescence ou fluorescentes…) pour l’éclairage intérieur et extérieur des bâtiments, des infrastructures routières et des automobiles ce qui fournit un maillage préexistant au déploiement du Li-Fi[réf. nécessaire].

Standardisation[modifier | modifier le code]

Une communication Li-Fi est réalisée selon le protocole de communication établi par le comité international IEEE 802 (réseaux locaux et métropolitains).

Ce standard définit la couche PHY et la couche MAC à adopter afin de développer des solutions compatibles à l'échelle mondiale. Le standard est capable de délivrer des débits suffisants pour transmettre de l'audio, de la vidéo et des services multimédia. Il tient également compte de la mobilité de la transmission optique, de sa compatibilité avec les éclairages artificiels présents dans l'infrastructure, des déficiences qui peuvent être causées par les interférences générées par l'éclairage ambiant. La couche MAC permet de réaliser la liaison avec les couches hautes plus communes comme celles utilisés dans les protocoles TCP/IP. Enfin, le standard se conforme à la réglementation en vigueur sur la sécurité oculaire des usagers.

Le standard définit trois couches PHY selon les débits envisagés. La couche PHY I a été établie pour des applications en extérieur. PHY I opère de 11,67 kb/s à 266,6 kb/s. La couche PHY II permet d'atteindre des débits de 1,25 Mb/s à 96 Mb/s. La couche PHY III est appropriée lorsqu’on utilise plusieurs sources émettrices suivant une méthode de modulation particulière appelée Color-Shift Keying (CSK). PHY III opère de 12 Mb/s à 96 Mb/s.

Les formats de modulation préconisés pour PHY I et PHY II sont les codages on-off keying (OOK) et variable pulse-position modulation (VPPM). Le codage Manchester utilisé pour les couches PHY I et PHY II englobe l’horloge dans les données transmises en représentant un 0 logique par un symbole OOK de « 01 » et un 1 logique par un symbole OOK de « 10 » avec une composante continue. Ce point est important car la composante continue permet d’éviter l’extinction de la lumière lors d’une suite prolongée de 0 logiques.

Capacités (en termes de haut-débit)[modifier | modifier le code]

Selon une start-up française développant ces systèmes, le débit est en 2015 de « 10 mégabits/seconde en download et 5-10 Mb/s en upload" ; mais des travaux d'optimisation sont d'ores et déjà en cours, et la limite théorique du débit est de 1 gigabits par seconde »[1]. Selon cette même start-up, « La bande Lifi est 10 000 fois plus large que la bande Wifi. Beaucoup d'utilisateurs peuvent être connectés en même temps à une seule borne »[1].

Une première application commerciale peut être observée dans un supermarché d'Euralille, où les clients peuvent être guidés vers les promotions en cours au moyen de luminaires émettant en lifi et de récepteurs portatifs[17].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Bibliographie[modifier | modifier le code]

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Liens externes[modifier | modifier le code]