Technologie LI-FI : haut débit et géolocalisation grâce aux LEDs

La sortie prochaine d’une version haut-débit du Li-Fi a été annoncée l’Institut Carnot CEA-Leti et la société LUCIOM, qui développe la technologie VLC (visible-light communication) avec les LED (light-emitting diodes).

Avec cette technologie, LUCIOM entend proposer des produits light-fidelity (Li-Fi) haut débit bi-directionnels, attendus pour la moitié de l’année 2015 et parmi les premiers du genre, pouvant fonctionner avec différentes sources d’éclairage à LED ainsi que sur les appareils portables.

Au cours des dernières années, la prédominance des LED sur le marché de l’éclairage a provoqué un engouement certain pour les communications utilisant la lumière visible. Ces sources d’éclairage qui sont peu onéreuses ont pénétré rapidement le marché, permet au Li-Fi (transmission d’informations par l’éclairage) d’être plus efficace et économique que les communications classiques de radiofréquence (RF) sans fil.

De plus, les LED étant modulables à de très hautes fréquences, et leurs oscillations étant invisibles à l’œil nu, elles permettent la transmission des données à très haut débit.

Transmission de données par LED

Au début de l’année, le Leti a présenté un nouveau prototype de transmission Li-Fi haut débit. Cette technologie exploite les capacités de modulation haute fréquence des LED utilisées dans l’éclairage commercial. Elle atteint des débits allant jusqu’à 10 Mbit/s à une distance de trois mètres, permettant une navigation Internet rapide, et convenant même pour la consultation de vidéos en ligne, en utilisant un flux lumineux inférieur à 1 000 lumens avec un éclairage direct ou indirect.

Cette technologie permet de mettre les LED au service des appareils mobiles, dont la prolifération mondiale va croissant, et de faire de ces appareils des dispositifs de transmission de données sécurisés et respectueux de l’environnement.

Les smartphones et tablettes existants peuvent devenir des dispositifs Li-Fi grâce à un petit récepteur intégré sur la prise audio 3,5 mm (prise casque). Le récepteur étant peu encombrant, il s’intègre facilement sur les appareils, tout en laissant la prise audio accessible.

Un GPS fonctionnel même en milieu fermé

En plus de la transmission de données, cette technologie permet d’utiliser les sources d’éclairage à LED comme une balise de positionnement : combinée avec les capteurs gyroscopiques présents dans les smartphones et les tablettes, elle permet de prévoir les mouvements entre les deux balises et donner à l’utilisateur une position très précise. Les téléphones peuvent communiquer avec les LED intelligentes à l’intérieur des bâtiments lorsque la technologie du GPS n’est pas disponible, en suivant les mouvements entre deux « balises ». Cette localisation peut également servir à fournir des services personnalisés supplémentaires ou des informations aux clients ainsi qu’aux responsables d’infrastructures.

Le CEA-Leti et LUCIOM ont mis en commun leurs compétences pour finaliser cette technologie. Le Leti a développé la partie « modulation » de la lumière des LED pour encoder de l’information, et mène les études techniques pour l’optimisation d’un prototype. LUCIOM intervient plus particulièrement sur les émetteurs – récepteurs qui assurent la conversion entre les signaux optiques et électroniques.

"Notre système de géolocalisation à l’intérieur des bâtiments aurait vocation à guider les consommateurs dans le dédale des grands centres commerciaux et à les amener vers les magasins qui les intéressent par un circuit plus pertinent", a déclaré Michel Germe, PDG de LUCIOM. "En poursuivant notre collaboration avec le Leti, nous allons réaliser de nouveaux émetteurs-récepteurs bi-directionnels qui permettront la mise sur le marché de ces applications mi-2015."

"LUCIOM est l’une des premières entreprises à avoir compris que les LED et le Li-Fi pouvaient devenir un moyen de communication puissant, sécurisé et très économe en énergie ainsi qu’une alternative au Wi-Fi, a déclaré Laurent Malier, Directeur du Leti. Grâce à cette première preuve de concept développée en début d’année par le Leti, et à son expertise en communications RF, nous visons des débits de transmission dépassant les 100Mbit/s à l’aide de l’éclairage traditionnel à base de LED."

Exemple illustré :

Recevoir les informations sur une œuvre d’art au cours de la visite d’un musée, envoyer un e-mail dans un avion… juste en plaçant sa tablette sous une lampe ?

C’est possible grâce au Li-Fi (Light Fidelity)! Complémentaire du Wi-Fi, cette technologie de communication sans fil permet la diffusion haut débit de données numériques par la lumière visible, spectre optique compris entre 400 nm (violet) et 700 nm (rouge). Voici son principe.

Envoi des informations numériques dans le réseau électrique

L’ordinateur est branché au réseau électrique par un adaptateur « courant porteur en ligne » (CPL). Ce dernier permet à l’ordinateur, tout en étant alimenté, d’envoyer ses données directement via le réseau électrique. Les informations sont superposées au courant électrique à 50 Hz par l’ajout d’un signal à plus haute fréquence.

Selon la nature et le « poids » (nombre d’octets) des données, l’envoi se fait en bas débit par l’utilisation d’une faible bande passante (textes, images, sons) ou en haut débit par une bande passante plus large découpée en plusieurs sous-canaux (connexion Internet, vidéos à la demande).

Conversion du signal électrique en signaux lumineux

Le signal électrique parvient jusqu’à une LED qui est également connectée au réseau via un adaptateur CPL.

Équipée d’un système de traitement à la fois analogique et numérique, elle le convertit en signaux lumineux qu’elle émet quand elle est allumée.

Dans le cas d’un envoi bas débit, ces signaux lumineux, tels du morse, sont basés sur un système binaire: 0 = éteint; 1 = allumé. Pour du haut débit (jusqu’à 100 Mbit/s, soit autant que le wi-fi), il s’agit d’une variation subtile de l’intensité du courant traversant la LED (+/- 30 %). Dans les deux cas, ces changements sont tellement rapides (plusieurs millions de fois/s pour le haut débit) qu’ils sont imperceptibles à l’œil nu et n’impactent pas l’éclairage.

Réception et traitement des signaux lumineux

Les appareils (ordinateur, tablette, téléphone) situés dans la zone d’éclairage (quelques mètres) reçoivent les données transmises grâce à leur récepteur Li-Fi. Il se compose d’un détecteur des signaux lumineux (photodiode), d’un amplificateur « trans-impédance » pour la conversion en signal électrique et d’un système de traitement du signal pour démoduler les données numériques.

Pour l’heure les appareils ne peuvent pas envoyer d’informations vers le dispositif d’éclairage. Des pistes de recherches visent à leur intégrer des petites LED ou des dispositifs de lumière infrarouge qui émettront des signaux lumineux. Cela implique également que la LED du plafond possède un récepteur Li-Fi.