یکی از چالش‌های سازند‌گان دستگاه‌های اینترنت اشیا مصرف انرژی محصولاتشان است. همه شرکت‌ها می‌خواهند محصولاتی با کمترین مصرف انرژی بسازند، زیرا در اینترنت اشیا نمی‌توان از منبع‌های تغذیه برق یا انرژی‌های دیگر به دلخواه استفاده کرد و معمولاً محدودیت‌هایی از نظر حجم باتری یا اتصال به برق وجود دارد.
خبرنامه دانشجویان ایران: یکی از چالش‌های سازند‌گان دستگاه‌های اینترنت اشیا مصرف انرژی محصولاتشان است. همه شرکت‌ها می‌خواهند محصولاتی با کمترین مصرف انرژی بسازند، زیرا در اینترنت اشیا نمی‌توان از منبع‌های تغذیه برق یا انرژی‌های دیگر به دلخواه استفاده کرد و معمولاً محدودیت‌هایی از نظر حجم باتری یا اتصال به برق وجود دارد.
به گزارش خبرنگار فناوری اطلاعات «خبرنامه دانشجویان ایران»؛ وای‌فای فناوری با مصرف انرژی بالا است و سازند‌گان محصولات اینترنت اشیا به‌دنبال راهکاری برای کاهش مصرف انرژی اتصال به شبکه‌های بی‌سیم هستند. به نظر می‌رسد لای‌فای (Li-Fi) یک راه حل بسیار مناسب و مقرون به صرفه برای جایگزینی با وای‌فای باشد. لای‌فای فناوری جدیدی برای ارتباطات بی‌سیم است که سرعتی صدها برابر بیشتر از وای‌فای دارد و از پرتوهای نوری به‌جای امواج رادیویی استفاده می‌کند. در حال حاضر، لای‌فای توسط تعداد زیادی از مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی در حال توسعه و آزمایش است. به‌علاوه، سرمایه‌گذاری قابل توجهی از شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی (EPSRC) دریافت کرده است.
فناوری لای‌فای
Light Fidelity یا Li-Fi یک سیستم ارتباطی نوری قابل مشاهده است که می‌تواند ارتباطات بی‌سیم را با سرعت بسیار بالایی فراهم کند. با استفاده از کدهای باینری و زیرمجموعه‌ای از قطعات ارتباطی نوری بی‌سیم (OWC) می‌توان به سرعتی 100 برابر سریع‌تر از وای‌فای فعلی و ۲۵۰ برابر سریع‌تر از پرسرعت‌ترین استانداردهای باند پهن دست یافت. وای‌فای از فرکانس‌های رادیویی استفاده می‌کند، در حالی که لای‌فای مبتنی بر نور مرئی با طیف ۴۰۰ تا ۸۰۰ تراهرتز است. انتقال اطلاعات با استفاده از نور پهنای باند را تا 10 هزار برابر افزایش می‌دهد و ظرفیت‌های جدید و گسترده‌ای در شبکه‌های بی‌سیم فراهم کند.
یکی از مزایای لای‌فای این است که زیرساخت‌های آن تقریباً ساخته شده و آماده استفاده هستند و ۱۴ میلیارد لامپ فلورسنت با لامپ‌های LED کم‌مصرف اما کارآمد تعویض شدند. لای‌فای از این چراغ‌های LED برای انتقال اطلاعات در فرمت‌های غیرقابل مشاهده استفاده می‌کند. تکرار کلید روشن/ خاموش در چراغ‌های LED می‌تواند بستری را برای انتقال اطلاعات با سرعت‌های بسیار زیاد فراهم کند.
لای‌فای به طور بالقوه می‌تواند مشکلات دسترسی و پهنای باند را در سراسر جهان از بین ببرد و طیف وسیعی از دستگاه‌ها را به یکدیگر متصل کند. این اتفاق نیاز به مصرف انرژی کمتری نسبت به وای‌فای دارد و البته هزینه‌ها را هم کاهش می‌دهد. همچنین، لای‌فای می‌تواند امنیت بیشتری روی شبکه‌های محلی (LAN) فراهم کند، زیرا نور توسط دیوارها مسدود می‌شوند و نمی‌توانند از آن عبور کنند. پس کاربران غیرمجاز نخواهند توانست به شبکه و اطلاعات دسترسی داشته باشند.
چرا لای‌فای برای اینترنت اشیا مهم است؟
در جهان کنونی، بیش از ۱.۴ میلیون آنتن رادیویی سلولی و ۳.۵ میلیارد گوشی تلفن همراه هر ماه ۶۰۰ ترابایت اطلاعات را جابه‌جا می‌کنند. در آینده، اگر با همین نرخ رشد روبه‌رو باشیم و میلیاردها دستگاه دیگر آنلاین شوند، صنعت مخابرات و ارائه‌دهند‌گان خدمات ارتباطی با چالش‌های جدی و جدیدی در حوزه بهره‌وری انرژی مواجه می‌شوند. سیسکو پیش‌بینی کرده است رشد تولید اطلاعات در سال ۲۰۱۸ در مقابل سال ۲۰۱۳ یک رشد نمایی وحشتناک باشد.
اما از آن سو، هر روز با محدودیت‌های بیشتری در استفاده از امواج رادیویی روبه‌رو می‌شویم. این امواج برای ارتباطات رادیویی با تأخیر کم و پهنای باند زیاد مناسب نیستند و در اثر تراکم جمیعت در مکان‌های خاص، پدیده تداخل و برهم افتادگی رخ می‌دهد و شبکه‌های بی‌سیم از کار می‌افتند. امکان توسعه ظرفیت فرکانس‌های رادیویی وجود ندارد و بسیاری از کارشناسان اعتقاد دارند برای سلامتی انسان و موجودات دیگر مضر هستند. امنیت وای‌فای بسیار پایین است و در مراکزی مانند بیمارستان‌ها نباید استفاده شود.
ایستگاه‌های رادیویی انرژی زیادی مصرف می‌کنند که غالب آن برای خنک‌سازی دستگاه‌های نصب شده در ایستگاه و انتقال اطلاعات مصرف می‌شود. لای‌فای نشان داده است می‌تواند در این زمینه باعث صرفه‌جویی هزینه‌ای بسیار زیادی بشود و جلوی مصرف بالای انرژی را بگیرد. نصب ایستگاه‌های رادیویی جدید با هزینه‌های بالایی روبه‌رو است، در حالی که لای‌فای از بستر و زیرساخت فعلی روشنایی شهری در سراسر کشور برای ارتباطات بی‌سیم بهره می‌گیرد. لای‌فای به طور بالقوه می‌تواند زمینه اتصال ده‌ها میلیارد دستگاه به اینترنت و یکدیگر را فراهم سازد، در حالی که مصرف انرژی و هزینه‌های مرتبط با آن بسیار پایین و ناچیز است. دستگاه‌های نصب شده در خانه‌های هوشمند می‌توانند ارتباط ماشین-به-ماشین با یکدیگر داشته باشند. کافی است چراغ‌های LED در خانه به سیستم لای‌فای مجهز شده باشند. در حال حاضر، این نوع ارتباطات میان دستگاه‌های خانه هوشمند در حال گذراندن مراحل آزمایشی خود است و به‌زودی سیستم‌های خانه هوشمند مبتنی بر لای‌فای روانه بازار می‌شوند. در مثال دیگری، به‌جای نصب ایستگاه‌ها و آنتن‌های رادیویی در سطح شهرها برای افزایش ظرفیت و پهنای باند شبکه موبایل، چراغ‌های نصب شده در خیابان‌ها می‌توانند در شب امکان دسترسی به اینترنت و ارتباطات بی‌سیم را فراهم کنند. توجه کنید که این نوع ارتباط بی‌سیم پرسرعت می‌تواند به‌طور ۲۴/۷ وجود داشته باشد. آزمایشگاه تحقیقاتی Dartmouth Systems فرضیه نیاز به روشن بودن لامپ‌های LED برای انتقال اطلاعات در فناوری لای‌فای را رد کرده است و اثبات می‌کند در روزهای آفتابی که نیازی به روشن کردن چراغ‌های خیابان‌ها نیست، باز هم می‌توان انتقال اطلاعات بی‌سیم از طریق نور میان دستگاه‌ها را داشت. یعنی لزوماً نیازی به روشن کردن لامپ‌ها برای اتصال به اینترنت نیست. این آزمایشگاه سیستم‌هایی ساخته است که لامپ LED در حالت خاموش می‌تواند تبادل اطلاعات داشته باشد.
پیشرفت‌ها تا کنون
در حال حاضر، تحقیقات روی فناوری لای‌فای بیشتر روی بهبود و کارایی لای‌فای و یافتن روش‌هایی برای ترکیب وای‌فای و لای‌فای به‌طور قابل اطمینان متمرکز شده است. بسیاری از استارت‌آپ‌ها و دانشگاه‌ها در حال تحقیق و توسعه لای‌فای هستند تا بتوانند هرچه سریع‌تر این فناوری را به خانه‌های مردم برسانند. شرکت سامسونگ یکی از بزرگ‌ترین فعالان در پس‌زمینه توسعه لای‌فای است.
در نوامبر ۲۰۱۴، شرکت PureLiFi که ایده اولیه لای‌فای را ارائه و به طور عملی نحوه کار این سیستم را رونمایی کرد و همین طور اولین چراغ‌های LED لای‌فای را ساخت، از دانشگاه ادینبورگ جدا شد و با شرکت فرانسوی به‌نام Lucibel شروع به همکاری کرد تا بتواند هرچه زودتر محصولات خود را روانه بازار کند. در حال حاضر، این شرکت چندین راهکار و محصول مبتنی بر لای‌فای روانه بازار کرده است. PureLiFi دانگلی به‌نام LiFi-X عرضه کرده است که با اتصال به نوت‌بوک و کامپیوترهای دسکتاپ می‌تواند به‌جای وای‌فای از لای‌فای برای ارتباطات بی‌سیم استفاده کند.
شکل ۱ - دانگل لای‌فای (LiFi-X) که با نصب روی نوت بوک‌ها اجازه استفاده از لای‌فای را می‌دهد.
این دانگل نور پخش شده در فضا از سوی چراغ‌های LED را جذب می‌کند و از این طریق به اینترنت متصل می‌شود. PureLiFi می‌تواند راهکارهای کاملی برای ارتباط دستگاه‌ها با یکدیگر به طور بی‌سیم روی لای‌فای ارائه بدهد، ولی فعلاً این محصولات و راهکارها گران قیمت هستند و کاربران خانگی نمی‌توانند به سراغشان بروند. این شرکت در سال ۲۰۱۶ یک سرمایه‌گذاری جدید به مبلغ ۷ میلیون پوند دریافت کرده است تا روند تکامل لای‌فای را تسریع ببخشد.
از سوی دیگر، EPSRC در حال تأسیس یک کنسرسیوم از پنج دانشگاه معتبر کشور انگلیس است. رهبری این کنسرسیوم را دانشگاه Strathclyde برعهده خواهد داشت. این کنسرسیوم باید چراغ‌های LED بسیار کوچک در حد میکرو برای لای‌فای بسازد که بتوانند اطلاعات را با سرعت یک میلیون برابر بیشتر نسبت به یک چراغ LED یک میلی‌متر مربعی منتقل کنند. لای‌فای در مکان‌هایی مانند موزه‌ها و مراکز خرید کشورهایی مانند فرانسه، بلژیک، چین و هند مورد آزمایش قرار گرفته است. شرکت Oledcomm به‌دنبال نصب سیستم‌های لای‌فای در بیمارستان‌های شمال فرانسه است. همچنین، گزارش شده است اپراتورهای مخابراتی Du و Zero1 که متعلق به کشور امارت هستند، سیستم‌های لای‌فای را در شهر دبی به‌طور آزمایشی نصب کردند.
شکل ۲ - اپراتور مخابراتی Zero1 در حال آزمایش لای‌فای در شهر دبی
در این آزمایش‌ها، صوت و تصویر با موفقیت و سرعتی بیشتر از وای‌فای از طریق لای‌فای منتقل شده است. رکورد سرعت انتقال اطلاعات با فناوری لای‌فای در دست محققان دانشگاه آکسفورد است. آن‌ها به نرخ انتقال اطلاعات ۲۲۴ گیگابیت بر ثانیه رسیدند. در حال حاضر، سریع‌ترین روترهای بی‌سیم مبتنی بر وای‌فای سرعتی حدود ۷ مگابیت بر ثانیه دارند.
سهم بازار
اخیراً شرکت‌های بزرگی از بازار مانند PureLifi ،GE ،Philips، Oledcomm و LVX روی لای‌فای سرمایه‌گذاری کردند. شرکت GE با همکاری شرکت ByteLight روی نسل جدیدی از زیرساخت‌های LED کار می‌کند تا نشان بدهد نسل بعدی چراغ‌های GE LED می‌توانند از لای‌فای پشتیبانی کنند. این شرکت از به‌کارگیری ترکیبی VLC و بلوتوث برای ارتباط لای‌فای گوشی‌های هوشمند، دوربین‌ها و تبلت‌ها استفاده می‌کند. (شکل ۳) همچنین، GE با شرکت کوال‌کام همکاری می‌کند تا بتواند با ترکیب بزرگ داده و فناوری‌های مبتنی بر موقعیت، راهکارهای وسوسه‌برانگیزی برای مراکز خرید و فروشگاهی ارائه دهد و باعث شود مشتریان ارزش بیشتری برای این مرکز خرید قائل شوند، زیرا می‌توان در این فروشگاه‌ها از اینترنت پرسرعت برای خریدهای خود استفاده کنند. در می ۲۰۱۶، تیم LVX برای استفاده از لای‌فای در مأموریت‌های فضایی همکاری جدیدی را با ناسا آغاز کرد. آن‌ها می‌خواهند فناوری‌ها و ویژگی‌های جدیدی مانند معماری Global Positioning Satellite Routing Systems را نیز روی لای‌فای پیاده‌سازی کنند. در آینده، پیش‌بینی می‌شود یک فضاپیما در سفر به کره مریخ بتواند از طریق لای‌فای با یک ایستگاه فضایی روی زمین ارتباط برقرار کند و شاید از این طریق به اینترنت دسترسی داشته باشند. شرکت اپل نیز روی لای‌فای کار می‌کند و می‌خواهد کدهایی را به سیستم عامل iOS اضافه کند تا دستگاه‌هایی مانند آیفون و آی‌پد از این فناوری پشتیبانی و پرتورهای نوری دریافت‌شده را به اطلاعات تبدیل کنند. از سوی دیگر، شرکتی مانند سیسکو روی دسترسی به‌سرعت چند گیگابیتی در شبکه‌های IoT و IOE سرنام Internet of Everything با لای‌فای تمرکز کرده است. گزارش‌هایی که در اوایل سال ۲۰۱۷ منتشر شده است نشان می‌دهد که غالب غول‌های اینترنتی روی لای‌فای کار می‌کنند و می‌خواهند این فناوری را با محصولات خود ترکیب کنند. برای نمونه می‌توان به شرکت‌های گوگل و ورایزون اشاره کرد.
شکل ۳- نمونه‌ای از لامپ‌های LED کوچک شرکت GE برای گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها
چالش‌ها و مزایا
بزرگ‌ترین چالش کنونی لای‌فای برای اینترنت اشیا درست کردن یک لینک آپلود روی دستگاه دریافت‌کننده اطلاعات برای چراغ LED نصب شده روی سقف است. یعنی در فناوری لای‌فای کنونی لینک دانلود به‌راحتی فراهم می‌شود و دستگاه‌های اینترنت اشیا می‌توانند پرتوهای نوری حاوی اطلاعات را از چراغ‌های LED دریافت کنند، اما وقتی می‌خواهند اطلاعاتی را برای این چراغ‌ها یا منبع‌های نوری لای‌فای بفرستند با مشکل روبه‌رو هستند. تمام چراغ‌های LED باید گیرنده‌های لای‌فای هم داشته باشند تا بتوانند اطلاعات ارسالی از سوی یک دستگاه را دریافت کنند. بنابراین، به یک طول موج دیگر برای دریافت اطلاعات نیاز داریم که باید مادون قرمز یا رادیویی باشد. در واقع، فناوری کنونی لای‌فای که مبتنی بر VLC است، یک فناوری پخش‌کننده سراسری اطلاعات است و دریافت‌کننده اطلاعات نیست. برخی از مراکز تحقیقاتی روی معماری ترکیبی لای‌فای-وای‌فای کار می‌کنند تا بشود لینک دانلود را روی لای‌فای و لینک آپلود را روی وای‌فای راه‌اندازی کرد، چون اپراتورها گزارش داده‌اند که بیش از ۸۰ درصد ترافیک اینترنت به درون خانه‌ها مربوط می‌شود. برخی شرکت‌ها روی ترکیب لای‌فای و شبکه‌های موبایل نسل آینده 5G کار می‌کنند و به نظرشان یک دستاورد شگفت‌انگیز خواهد بود که روی نور مرئی بتوان از شبکه موبایل استفاده کرد. پیش‌بینی می‌شود استفاده‌های اولیه لای‌فای در مراکزی باشد که به‌کارگیری وای‌فای با ممنوعیت‌ها و محدودیت‌هایی مواجه است. بیمارستان‌ها و اتاق‌های عمل جراحی مدرن، سالن‌های تئاتر، هواپیماها و مراکز شهری که ازدحام جمعیت زیاد است، اولین نامزدهای استفاده از وای‌فای هستند. چراغ‌های ترافیکی شهری نیز می‌توانند با چراغ‌های خودروها ارتباط برقرار کنند تا از حوادث رانندگی جلوگیری شود. زیردریایی‌ها و دیگر وسایل نقلیه راه دور (ROVs) نیز می‌توانند با لای‌فای پیکربندی شوند تا بتوانند در اعماق اقیانوس‌ها از ارتباطات بی‌سیم استفاده کنند.
شکل ۴- نمونه‌ای از دستگاه‌های پرتوافکنی لای‌فای در اعماق دریا و اقیانوس برای ارتباطات زیردریایی
جاهایی که وای‌فای ممنوع است؛ برای مثال، نیروگاه‌های شیمیایی و نیروگاه‌های اتمی نیز می‌توانند از لای‌فای استفاده کنند. دستگاه‌های هوشمند معمولاً از فناوری جایگزینی مانند GPS برای مکان‌یابی استفاده می‌کنند، ولی قطب نماهای دیجیتالی می‌توانند برای موقعیت‌یابی و جهت‌گیری از لای‌فای استفاده کنند تا ورودی‌های اطلاعاتی قابل اطمینانی داشته باشند.
حرکت رو به جلو
لای‌فای می‌تواند امکان دسترسی گسترده‌تر دستگاه اینترنت اشیا به اینترنت و شبکه‌ها را فراهم کند. به‌زودی گوشی‌های هوشمند می‌توانند اطلاعات ترافیکی را از چراغ‌های راهنمایی سر چهار راه‌های خیابان‌ها دریافت و دانلود کنند یا برنامه‌های جدید سینما را ببینند. طبق گفته مؤسسه Global Insights، فناوری لای‌فای می‌تواند به یک ارزش مالی ۲.۶ میلیارد دلاری در بخش سلامت و مراقبت‌های بهداشتی دست پیدا کند، زیرا در بیمارستان‌ها امواج رادیویی خطرناک هستند و از سوی دیگر قابل مدیریت نیستند.
بیمارستان‌ها محیط‌هایی خاص و حساس هستند که باید هر رسانه انتقال‌دهنده اطلاعات به طور کامل مدیریت و هدایت شوند تا در یک سالن و بخش منتشر و در سالن و بخش دیگری بسته باشد. همچنین، امنیت اطلاعات در مکان‌های بیمارستانی اهمیتی دوچندان دارد. در آینده، برای نورپردازی مغازه‌ها و فروشگاه‌ها از لای‌فای استفاده می‌کنند تا مشتریان به‌راحتی بتوانند از طریق گوشی‌های هوشمند اطلاعات هر محصول و جنس را مشاهده و تصاویری سه بعدی و تبلیغاتی از آن دریافت کنند. پیش‌بینی می‌شود هر دو فناوری لای‌فای و وای‌فای به طور موازی و در کنار یکدیگر بتوانند یک شبکه کارآمد برای اینترنت اشیا بسازند.
مردم از ایستادن زیر یک تیر چراغ برق یا حضور در یک اتاق روشن برای استفاده از اینترنت بیشتر از ایستادن کنار یک آنتن رادیویی لذت می‌برند. تداخل امواج نورى در لای‌فای مانند آن چیزى که اکنون در امواج رادیویی واىفاى گرفتارش هستیم، به وجود نخواهد آمد و با مصرف کمتر انرژی شبکه‌های موبایل با بهره‌وری بیشتری در دسترس خواهد بود. دیگر برای مردم تفاوتی نمی‌کند که درون خانه یا بیرون از خانه هستند، چون در هر دو مکان می‌توانند یک لینک اینترنت پرسرعت داشته باشند.
منبع: آی‌او‌تی یو‌کی
