آینده اینترنت و گذار از امواج الکترومغناطیس به پرتوهای نوری

اینترنت برخلاف تصور رایج، تنها در دسترس نیمی از جمعیت جهان قرار دارد. اتصالی که امروزه به قابلیتی پیش‌فرض و عادی در اکثر کشورهای جهان تبدیل شده است، برای بسیاری در دسترس نیست. در واقع میلیاردها نفر در سرتاسر جهان هنوز به اینترنت پایه و اتصالی پایدار به جامعه‌ی جهانی دسترسی ندارند. وضعیت موجود نشان می‌دهد که اگر به‌دنبال برابری دیجیتال در کل جهان باشیم، ابتدا باید دسترسی جامعه‌ی باقی‌مانده را به اینترنت ممکن کنیم.

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که استفاده‌ی جهانی از اینترنت تا سال ۲۰۲۰، سهمی برابر با ۲۰ درصد از مصرف انرژی را به خود اختصاص خواهد داد. با نگاهی به آمارهای این‌چنینی به این نتیجه می‌‌رسیم که توسعه‌ی اینترنت جهانی یا هرگونه زیرساخت فناوری دیگر تنها در صورتی ممکن و مقرون‌به‌صرفه خواهد بود که روشی با حداقل مصرف انرژی (یا حتی مصرف انرژی صفر) برای آن تدوین شود.

فناوری LiFi

هارالد هاس استاد دانشگاه ادینبرا در سال ۲۰۱۱ یک سخنرانی تد انجام داد که توجه مخاطبان را به فناوری جدیدی جلب کرد. او گفت که چراغ‌های LED بی‌شمار موجود در جهان را می‌توان علاوه بر تأمین نور برای توزیع داده هم به کار گفت. فناوری مورد نظر هاس به‌نام LiFi شناخته می‌شود و علاوه بر زنجیره‌ی تأمین بسیار قدرتمند، سرعت قابل‌توجهی را هم در اختیار مردم قرار می‌دهد. کارشناسان سرعت انتقال داده با استفاد از LiFi را به یک گیرنده‌ی استاندارد قدرت گرفته از سلول خورشیدی، نزدیک به ۵۰ مگابایت بر ثانیه بیان می‌کنند.

صحبت‌های هاس پیشنهادی برای یک اینترنت بی‌سیم با بازدهی بالاتر، سرعت بیشتر و ارزان‌تر بود. دنیای فناوری در واکنش به پیشنهاد این استاد دانشگاه به تکاپویی عجیب افتاد و استارتاپ‌های متنوع برای پیاده‌سازی فناوری وارد عمل شدند؛ اما آیا برنامه‌های آن‌ها با موفقیت همراه بود؟ ژورنال علمی Binary District برای بررسی پیشرفت فناوری با یکی از محققان دانشگاه ادینبرا در بخش تحقیق و توسعه‌ی R&D به نام محمد سفیان اسلیم مصاحبه کرد که در ادامه به بخش‌هایی از آن می‌پردازیم.

LiFi چگونه کار می‌کند؟

فناوری WiFi از نگاه علم طیف‌شناسی الکترومغناطیس در نقطه‌ای بین موج‌های رادیویی و مایکروویو عمل می‌کند. این محدوده‌ی باریک از طیف موج را می‌توان در میان شبکه‌های متعدد به اشتراک زمانی گذاشت. LiFi در طیفی دیگر عمل و از طیف نور مرئی برای جابه‌جایی داده استفاده می‌کند. نور مرئی محدوده‌ای تقریبا ۱۰ هزار برابر طیفی دارد که توسط موج‌های رادیویی اشغال می‌شود. در نتیجه این موج می‌تواند پهنای باندی ۱۰۰ برابر بیشتر از WiFi ارائه کند.

در فرایند LiFi، ابتدا داده‌ها در نور ساطع‌شده از LED کدگذاری می‌شوند. کدگذاری یعنی داده‌ها به تغییر شدت نور در لامپ اصلی تبدیل می‌شوند که البته از دید انسان مخفی خواهد بود. داده‌ی یاد شده تنها توسط گیرنده‌های مخصوص قابل دریافت و تفسیر خواهد بود. البته هاس و تیم تحت مدیریتش موفق به توسعه‌ی روش‌هایی برای دریافت داده‌ها توسط سلول‌‌های خورشیدی عادی شده‌اند. 

در تصوری از آینده‌ی مجهز به فناوری LiFi، بسیاری از رویکردهای موجود در جهان تغییر می‌کنند. تبلیغات محلی در فروشگاه‌ها با دقت و قدرت بیشتری پخش می‌شوند. هر فرد حاضر در یک محیط شهری شلوغ تقریبا همیشه به اینترنت فوق سریع دسترسی خواهد داشت. حتی ماشین‌ها نیز با استفاده از LEDهای جلو و عقب خود قابلیت ارتباط با هم را پیدا می‌کنند که منجر به کاهش تصادفات هم می‌شود. مکان‌هایی که توزیع اینترنت WiFi در آن‌ها دشوار بود، با استفاده از فناوری جدید نوری به اینترنت پرسرعت مجهز می‌شوند. از میان چنین مکان‌هایی می‌توان به کابین هواپیما یا مکان‌های شهری باز اشاره کرد.

مثال‌های بالا تنها نمونه‌هایی محدود از قابلیت‌های اینترنت LiFi بودند. علاوه بر آن‌ها می‌توان به قابلیت قطعی و اولیه‌ی اینترنت نوری اشاره کرد که به‌عنوان امکانی مکمل در کنار اینترنت وای‌فای و داده‌ی موجود در جهان کار می‌کند.

توسعه‌ی فناوری LiFi

لای‌فای از سال ۲۰۱۱ و زمانی‌که هاس آن را معرفی کرد، تغییر و توسعه‌های متعددی را پشت سر گذاشته است. نیکولا سرافیموفسکی، معاون ارشد استانداردسازی و توسعه‌ی کسب‌وکار در شرکت PureLiFi در سال ۲۰۱۷ ارائه‌ی مهمی درباره‌ی فناوری اینترنت نوری داشت. در آن ارائه، اولین دانگل کاربردی اینترنت نوری شرکت، معرفی شد. نیکولا در ارائه‌ی خود دانگل شرکتش را اولین قدم در مسیر تبدیل کردن LiFi به محصولی عمومی و جامع بیان کرد. در واقع او کاربردی بودن فناوری و همچنین قابلیت جابه‌جایی اتصال از یک نور به نوری دیگر را در ارائه‌ی خود نشان داد.

محمد سفیان اسلیم به‌عنوان دستیار تحقیقات در کنار هارالد هاس فعالیت می‌کند. او در مصاحبه‌ای پیرامون روند توسعه‌ی فناوری و ارتباط آن با فناوری‌های موجود مانند وای‌فای صحبت کرد. LiFi در قدم اول نیاز به اتصالی دائمی و بدون وقفه دارد تا با ظرفیت کامل به فعالیت ادامه دهد. در نتیجه فعالیت‌هایی همچون جابه‌جایی یک دستگاه حتما منجر به قطع شدن اتصال می‌شود. در چنین شرایطی چگونه می‌توان به لای‌فای در شرایط دشوار عملکردی اطمینان کرد؟ محمد در مصاحبه پیرامون کاربرد روزمره‌ی فناوری مذکور می‌گوید:

گوشی‌های هوشمند کنونی ما مجهز به حسگرهای دریافت‌کننده‌ی نور همچون حسگرهای مجاورت و دوربین هستند. ما پیش‌بینی می‌کنیم که در آینده حسگرهای تشخیص نور پرسرعت به بازار خواهند آمد که LiFi را به راحتی در دستگاه‌ها فعال می‌کنند.تحقیقات متعددی پیرامون تأثیر حرکت کاربر و حفظ اتصال در دستگاه‌های در حال حرکت منتشر شده است که راهکارهایی همچون جابه‌جایی اتصال به نقطه‌ی اتصال دیگر را پیشنهاد می‌دهند. از تحقیقات مذکور می‌توان نتیجه گرفت که جهت دستگاه موبایل و جابه‌جایی کاربر احتمالا تأثیری منفی روی کارایی LiFi خواهد داشت. به هر حال پیش‌بینی می‌شود که با استفاده از مجموعه‌ای از گیرنده‌ها می‌توان کیفیت سرویس را افزایش داد و همچنین مانع از قطعی‌های مکرر به‌خاطر حرکت یا مسدود شدن مسیر شد. در واقع اکنون هم محصولاتی تجاری در حوزه‌ی LiFi وجود دارند که از جابه‌جایی دستگاه پشتیبانی می‌کنند.علاوه بر توضیحات بالا، جابه‌جایی کاربر را می‌توان با مواردی همچون جابه‌جایی اتصال از LiFi به اتصال‌های دیگر همچون WiFi جبران کرد. به‌عنوان‌مثال وقتی کاربر پس از جابه‌جایی به محیطی وارد شود که فناوری اتصال نوری در آن پشتیبانی نمی‌شود، از اینترنت وای‌فای یا داده‌ی موبایل استفاده خواهد کرد.

با نگاهی به توضیحات محمد این سؤال ایجاد می‌شود که برای رسیدن به راهکاری کاربردی از جنس LiFi چه مقدار دیگر زمان نیاز داریم؟ ارائه‌ی نیکولا و نمایش محصول شرکتش نشان داد که به فناوری کاربردی نزدیک شده‌ایم. البته تبلتی که او در ارائه‌ی خود استفاده کرد، مجهز به قطعاتی اضافه بود که در دستگاه‌های مرسوم امروزی نمی‌بینیم. محمد در توضیح این رخداد می‌گوید که دستیابی به فناوری کاربردی آن‌چنان دور نیست و تنها به استانداردسازی و ادغام بهینه‌ی فناوری‌ها نیاز دارد.

محمد درباره‌ی نیازهای فرایند استانداردسازی می‌گوید:

اخیرا در بحث تحقیقات و فعالیت‌های تجاری مرتبط با LiFi شاهد افزایش فعالیت بوده‌ایم. گروهی مخصوص برای تدوین پیش‌نویس استاندارد LiFi تشکیل شد که به‌عنوان زیرمجموعه‌ای از گروه IEEE 802.11 مبتنی بر LiFi فعالیت کردند. استاندارد جدید فعلا ارجاع IEEE 802.11bb را دریافت کرده است. مشکل ادغام و هماهنگی هم به وضعیت تولیدکننده‌های دستگاه‌های مخصوص مصرف‌کننده بستگی دارد. درواقع سرعت آن‌ها در به‌کارگیری LiFi به‌عنوان یک فناوری ارتباطی، سرعت پیاده‌سازی فناوری را مشخص می‌کند.

فناوری LiFi در خدمت اینترنت اشیاء

سلول‌های خورشیدی که برای دریافت داده‌های LiFi استفاده می‌شوند، توانایی انجام وظایف اصلی خود یعنی جذب انرژی را هم خواهند داشت. در واقع نوری که برای ارسال داده استفاده می‌شود هم توسط سلول‌ها جذب خواهد شد و در نتیجه فرایند را از لحاظ انرژی کاملا مقرون‌به‌صرفه می‌کند. در واقع اگر سلول‌های خورشیدی به المانی الزامی در زیرساخت اینترنت تبدیل شوند، شاهد افزایش شدید تعداد آن‌ها خواهیم بود. روندی که نه‌ تنها به توسعه‌ی اینترنت سریع، بلکه به افزایش استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر هم منجر خواهد شد.

LiFi را می‌توان یک فناوری کاربردی برای سیستم‌های IoT دانست. زیرساخت موجود نوری را می‌توان به‌عنوان نقاط اتصال ارتباطی مورد استفاده قرار داد. در نهایت LiFi می‌تواند پلی بین ارتباطات و صنعت نورپردازی باشد و به ظهور پدیده‌ای به نام نور به‌عنوان سرویس (LaaS) کمک کند. حضور دائمی منابع نوری امکان ایجاد شبکه‌ای مملو از نقاط اتصال را ایجاد می‌کند. در نتیجه تعداد کاربران و مکان‌های متصل به اینترنت نیز بیشتر می‌شود که در نهایت کاربردهای متنوعی را ایجاد خواهد کرد.به‌عنوان مثال می‌توان از چراغ‌های وضعیت دستگاه‌های IoT برای انتقال داده استفاده کرد و حسگرهای نوری نیز به مرور با دستگاه‌ها ادغام شوند. از میان کاربردهای جذاب می‌توان به استفاده از سلول‌های فتوولتاییک اشاره کرد تا به‌عنوان دریافت‌کننده در دستگاه‌های متصل به اینترنت به کار گرفته شوند. چنین رویکردی منجر به ایجاد یک اتصال LiFi بدون نیاز به انرژی اضافه می‌شود که در دستگاه‌های IoT به کار گرفته خواهد شد.

LiFi برای جایگزینی WiFi توسعه می‌یابد؟

قطعا سؤال بالا پاسخ منفی دارد. در واقع رویکرد صحیح درباره‌ی LiFi آن را به‌عنوان یک لایه‌ی اتصالی دیگر در کنار WiFi و اینترنت داده معرفی می‌کند. در حالت ایده‌آل وقتی کاربر مثلا در خیابان حرکت می‌کند، اتصال LiFi به‌صورت گسترده در اختیار او خواهد بود. اتصالی که به لطف حضور منابع بی‌شمار نوری همچون چراغ‌های ترافیکی یا ابزارهای دیگر فراهم می‌شود. در چنین حالتی وقتی گوشی هوشمند را درون جیب خود قرار می‌دهید یا به منطقه‌ی تاریک وارد می‌شوید، قطع ارتباط ناگذیر خواهد بود.

در زمان قطع شدن از اینترنت LiFi به خاطر عدم حضور منبع نوری، اتصال وای‌فای یا داده به کمک کاربر می‌آید. اکنون نیز وای‌فای و اینترنت داده به‌نوعی مکمل هم هستند و در زمان عدم حضور یکی، دیگری ارتباط اینترنتی را فراهم می‌کند. در نهایت LiFi هم با چنین رویکردی به اتصالات قدیمی اضافه می‌شود. محمد در ادامه‌ی مصاحبه می‌گوید:

LiFi با هدف جایگزینی WiFi توسعه نمی‌یابد. این یک برداشت عمومی غلط است. ما پیش‌بینی می‌کنیم که LiFi به‌عنوان یک فناوری کمکی با قابلیت هماهنگی و همکاری با WiFi و ارتباطاتی همچون 5G وارد عمل خواهد شد. در چنین رویکردی LiFi می‌تواند قابلیت‌های اضافه‌ای همچون اتصال سریع‌تر و امنیت بیشتر در سطح فیزیکی را به کاربر ارائه کند. اتصال نوری بی‌سیم از یک نقطه‌ی اتصال LiFi هیچ‌گاه قابل ردگیری یا نفوذ توسط عامل خارجی نخواهد بود. به‌علاوه اینترنت نوری در مکان‌هایی همچون بیمارستان‌ها یا مراکز دیگر کاربرد بیشتری خواهد داشت که اتصال WiFi در آن‌ها محدودیت دارد.

توضیحات محمد به مزیت مهم دیگری برای اینترنت نوری اشاره می‌کند. سرعت اتصال که قبلا در موارد متعدد بیان شده بود؛ اما LiFi در کنار آن امنیت ذاتی را هم به کاربر ارائه می‌کند. نور مرئی برخلاف وای‌فای یا دیگر امواج رادیویی از دیوار عبور نمی‌کند. در نتیجه می‌توان نور را با روش‌هایی همچون بستن منافذ در محیطی مشخص حبس کرد. چنین رویکردی امکان هک ارتباط از بیرون را غیر ممکن می‌کند.

توضیحات بالا نشان داد که دلایل مناسبی برای پذیرفتن LiFi به‌عنوان فناوری کاربردی وجود دارد. البته قطعا به‌کارگیری فناوری جدید به زمان بیشتری نیاز خواهد داشت. به‌عنوان مثال، هنوز هیچ دستگاه مخصوص مصرف‌کنند‌ه‌ی کاربردی با قابلیت دریافت سیگنال‌های LiFi در بازارها وجود ندارد. وقتی فناوری به اندازه‌ی کافی توسعه پیدا کند و عموم جامعه هم به آن علاقه‌مند شوند، قطعا سرمایه‌گذاری‌های بزرگی از سوی غول‌های فناوری در آن رخ خواهد داد.

زیرساخت کنونی لامپ‌های LED در جهان نشان می‌دهد که LiFi را می‌توان به مناطقی گسترش داد که اکنون از اتصال WiFi بی‌بهره مانده‌اند. به‌علاوه اینترنت اشیاء نیز امکاناتی بسیار بیشتر از اتصالات موبایل را به کاربران ارائه می‌کند.