Le Optical Wireless Communications si propongono come soluzioni alternative alle reti radio, adeguate per applicazioni 5G, IoT e IoE. L’articolo è tratto da un intervento degli Ingegneri Luigi Salamandra e Gianpaolo Susanna ad un seminario ISCOM.
Progettare una smart city significa aver disponibili infrastrutture di comunicazione adeguate, accedere a reti con tecnologie di ampio raggio e di prossimità. Per una smart city la rete 5G costituisce un importante caposaldo, così come l’IoT (Internet of Things) per svilupparsi a dovere dovrà appoggiarsi a reti evolute, semplici e facilmente dispiegabili per contenere i costi di realizzazione, manutenzione e dei servizi correlati.
I laboratori di ricerca e sviluppo di tutto il mondo stanno testando tecnologie a radiofrequenza su bande molto elevate, dell’ordine di decine di GHz, ma appare probabile che difficilmente potranno garantire tutte le prestazioni richieste dall’Internet of Things. Per diversi motivi: dalla sicurezza informatica a quella della salute delle persone, dai costi di realizzazione a quelli di manutenzione, ecc.
Come alternative complementari, da qualche anno sono in fase di sviluppo tecnologie che utilizzano come mezzo fisico la luce anziché la radiofrequenza. In un seminario organizzato dall’ISCOM, Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione, gli Ingegneri Luigi Salamandra e Gianpaolo Susanna hanno tenuto un intervento dedicato proprio all’argomento delle Optical Wireless Communications. L’articolo riassume i tratti più concreti e curiosi in vista di probabili applicazioni di mercato.
Nei prossimi anni gli smart device (dispositivi collegati a internet) cresceranno a dismisura al punto che qualunque oggetto, perfino i vestiti, potranno essere connessi in rete. A tutto ciò aggiungiamo lo sviluppo di mezzi di trasporto a guida autonoma (senza pilota) oppure ibridi, ossia a guida assistita. Per realizzare tutto questo, che al momento passa sotto i nomi di Smart City, Smart Building, Internet of Things e Internet of Everythings, è necessaria la tecnologia 5G. Nei gruppi di lavoro del 5G è manifesta l’intenzione di sperimentare tecnologie innovative, alternative alla radio frequenza, che non devono necessariamente soddisfare prestazioni broadband/long-range ma si propongono anche per snellire un traffico dati che assumerà enormi proporzioni su brevi distanze, anche fino a 10 metri.
Short Range, Low Speed
Un sistema di comunicazione ottica si compone di due dispositivi di rete atti alla ricezione e trasmissione di dati, a loro volta dotati di trasduttori, da elettrico a ottico e viceversa; i due dispositivi sono collegati fra loro con una guida d’onda, la più nota è la fibra ottica.
Nelle Optical Wireless Communications la guida d’onda è rappresentata dall’aria, per questo motivo il sistema di comunicazione è di tipo wireless. Le tecnologie per Optical Wireless Comunications sono principalmente tre:
FSO, Free Space Optics
Si basa sull’utilizzo di un canale point-to-point. Il ricevitore deve essere in vista ottica con il trasmettitore (line of sight). Con sorgenti IR, poco attenuate dall’aria, si possono ottenere connessioni fisiche anche potenti: sono stati condotti positivi esperimenti a 1Tbps su distanze elevate, fino a 11 chilometri.
VLC, Visible Light Communications
Sfruttano come mezzo di trasmissione dei dati la luce visibile, con lunghezze d’onda comprese fra 780 e 380 nm. Il fattore interessante non riguarda tanto l’utilizzo della luce visibile, quanto il riscontro economico: ossia sfruttare gli impianti di illuminazione già esistenti e in generale qualunque sorgente di luce visibile come mezzo di comunicazione. Un vantaggio in prospettiva IoT molto interessante altrettanto utile in ottica Smart City. Ad esempio: la luce dei semafori, composta da tre colori, può generare tre distinti canali di comunicazione.
UVC, Ultra-Violet Communications
Come le VLC, sfruttano una sorgente luminosa a LED ma nello spettro ultravioletto. La cosa interessante è la tipologia di segnale, che è esente da rumore perché l’atmosfera filtra quasi tutta la luce ultravioletta. Grazie a recenti innovazioni, trasmettitore e ricevitore possono utilizzare la banda del cosiddetto deep UV, da 200 a 280 nm, per trasmissioni di segnale ottico ultravioletto outdoor, senza integrare filtri di rumore. È così possibile gestire trasmissioni a bassa potenza; questa tecnologia è abilitante per il low power short range detection.
Free Space Optics: fino a 2,5 Gbps su singolo canale
La guida autonoma applicata ai mezzi di trasporto può avvantaggiarsi della tecnologia Li-Fi: i proiettori delle auto trasmettono/ricevono i dati.
Questa tecnologia, come si dice in gergo, è già 5G ready, per la larghezza di banda che assicura: un canale FSO (Free Space Optics) può raggiungere una velocità di 2,5 Gbps con tratte fino a 11 km; inoltre, aggregando più canali durante un test sperimentale è stato superato 1 Tbps. L’FSO si basa sulla trasmissione a infrarossi: nell’atmosfera terrestre è più limitata dall’attenuazione dei fenomeni meteorologici ma, ad esempio, nello spazio (quindi in assenza di atmosfera) può utilizzare tutta la banda infrarossa, da 780 a 1600 nm. Si presta quindi ad essere utilizzata per consentire una comunicazione fra i satelliti in orbita geostazionaria.
Vantaggi e applicazioni
Un altro contesto applicativo della tecnologia Li-Fi è rappresentato dal trasporto aereo, per la comunicazione fra aerei, fra aerei e strutture aeroportuali e all’interno delle cabine, per offrire connettività internet ai passeggeri.
Lo spettro utilizzato, punto di forza economicamente importante, non è licenziato. La realizzazione di una rete FSO, quindi, limita i costi all’acquisto delle apparecchiature, all’installazione del sistema e alla manutenzione.
Inoltre, è una tecnologia che non prevede scavi nel terreno perché ogni link della rete deve essere in vista ottica, quindi installato in cima a palazzi, tralicci, colline, ecc. Le basse interferenze fra canale consentono di aggregare più canali fra loro per ottenere maggiore velocità di trasmissione.
La sicurezza, altro punto a favore, è elevata: la trasmissione a vista protegge da qualsiasi attività di hackeraggio: in caso di eventuali attacchi il sistema rileva in tempo reale il problema e interrompe le trasmissioni. Questo aspetto, in ottica 5G e IoT è di rilevante valore.
I punti di debolezza sono la vista ottica, non sempre disponibile, e le attenuazioni generate dai fenomeni atmosferici (nuvole, nebbia, pioggia, ecc.), quando le applicazioni non sono indoor o nello spazio. Oltre alle comunicazioni in esterna (palazzo-palazzi, traliccio-palazzo, collina-piazza del paese, ecc.) e nello spazio (fra due satelliti) un esempio indoor significativo è quello dei data center, strutture energivore e in forte espansione che memorizzano i big data, dove la dissipazione del calore viene resa più difficoltosa dalla quantità dei cavi presenti. La presenza di link FSO potrebbe rendere più efficienti i sistemi di raffreddamento. Un altro esempio riguarda i sistemi domotici e di intrattenimento residenziali. Esprimenti recenti hanno confermato la possibilità di aggregare più canali, per raggiungere velocità di oltre 1,5 Tbps, su tratte molto estese, da qualche centinaia di metri a qualche chilometro.
VLC, LED to LED networking
La VLC è in corso di standardizzazione con il nome commerciale di Li-Fi (Light-Fidelity). Con la tecnologia Li-Fi si possono realizzare reti ad alta velocità per comunicazioni di prossimità, fino a 10 metri di distanza. Si propone come il corrispettivo ottico del Wi-Fi perché consente di inviare dati attraverso la luce emessa da lampade LED, che diventano così il mezzo di trasporto. La comunicazione fra dispositivi, anche mobili, avviene utilizzando i sensori d’immagine (le fotocamere di smartphone e tablet e le webcam dei laptop) che ricevono le informazioni dal fascio di luce emesso.
Sul mercato sono già disponibili alcuni esempi di prodotti commerciali.
Le prestazioni di questa tecnologia sono:
– comunicazione point to point. È in fase di sperimentazione la configurazione point to muti-point (broadcast);
– banda di frequenza pari a cento volte il THz per un spettro dieci mila volte maggiore dell’Wi-Fi;
– velocità da 1 a 3,5 Gbps;
– limite di tratta a 10 metri, dedicato ad ambienti indoor.
Questa tecnologia è stata abilitata dallo sviluppo dei Led bianchi, realizzati integrando Led di diversi colori oppure un led blu che eccita fosfori di vari colori per formare la luce bianca.
I led bianchi che integrano più colori sono avvantaggiati nella velocità di trasmissione perché ogni singolo colore interno diventa un canale di trasmissione; quindi, più canali di trasmissione significano maggiore banda e velocità di trasmissione.
Esperimenti con Led bianchi formati da Led di diversi colori hanno consentito di raggiungere velocità superiore ai 10 Gbps (circa 4,7 Gbps per il canale blu, 4 Gbps per il canale rosso e 2,5 Gbps per quello verde). La rete elettrica, che alimenta le lampade Led, può fungere da modulatore e le future lampadine Led potranno essere predisposte per diventare reti basate su VLC.
Vantaggi e applicazioni
I vantaggi, come vedremo più avanti, sono innumerevoli anche perché interessano i più svariati campi applicativi. I punti di debolezza, invece, sono ben pochi, tipicamente gli stessi delle reti in vista ottica (Line of Sight). Ad esempio: qualunque barriera che interferisce con il fascio luminoso interrompe all’istante la comunicazione. Un altro punto di debolezza (ma a seconda di come lo si considera può diventare un punto di forza) è la tratta di trasmissione, estesa al massimo a 10 metri. I vantaggi di una tratta limitata sono evidenti in materia di sicurezza dei dati, per evitare crimini informatici.
I problemi generati dai Led blu (emissioni maggiori di 3000K), come il possibile danneggiamento della retina, la modifica del ritmo circadiano e l’insonnia, sono stati risolti con l’introduzione dei Led di colore bianco caldo e con l’applicazione sui Led di un rivestimento plastico dedicato. Le applicazioni sono davvero trasversali. L’illuminazione domestica potrà fungere anche da rete dati, così come quella di ospedali, uffici, negozi, musei, mezzi di trasporto, ecc.
Un altro interessante discorso potrà essere sviluppato con i fari anteriori e posteriori delle auto e di tutti gli altri mezzi di trasporto; ad esempio, l’auto in autonomia potrà attivare il cancello elettrico non appena arriverà in prossimità. I semafori e i cartelli stradali luminosi saranno nella condizione di attivare servizi dedicati alla mobilità, dal controllo/gestione di aree congestionate dal traffico alla gestione di veicoli a guida assistita o autonoma. Immaginate con la luce degli stop cosa potrà comunicare la vostra auto in tempo reale (senza alcuna latenza introdotta dai tempi di reazione umana) all’auto che vi segue. Infine, la VLC funziona anche sott’acqua, dove la radiofrequenza non arriverà mai e grazie al GPS indoor, l’accuratezza della posizione può raggiungere i 10 cm, sarà più facile vedere sugli scaffali del nostro supermercato quei prodotti che per tanti motivi non riusciamo mai a trovare.
Per concludere, la sinergia Li-Fi/Powerline potrebbe riproporre in forma diversa il paradigma Wi-Fi/Internet, evitando il problema dell’inquinamento elettromagnetico.
Il ruolo di ISCOM
La tecnologia Li-Fi può essere utilizzata anche sott’acqua; un punto di forza rispetto alla Wi-Fi che sott’acqua non funziona.
L’Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell’Informazione (ISCOM) opera all’interno del Ministero dello Sviluppo Economico quale Direzione Generale prettamente coinvolta in ambiti tecnico-scientifici. La sua attività, rivolta specificamente verso le aziende operanti nel settore ICT, le Amministrazioni pubbliche e l’utenza, riguarda fondamentalmente i servizi alle imprese, la normazione, la sperimentazione e la ricerca di base e applicata, la formazione e l’istruzione specializzata nel campo delle telecomunicazioni. L’ISCOM conduce studi e ricerche nel settore delle reti di nuova generazione (NGN), tra cui VLC e FSO, ed è coinvolto in progetti di ricerca nell’ambito della banda ultra-larga.