La technologie VLC permet l'établissement de canaux dédiés et de communications simplex, semi-duplex et duplex intégral. Un système VLC peut transmettre des signaux numériques en contrôlant la répétition des cycles marche/arrêt d'un dispositif photoluminescent tel qu'une LED (diode électroluminescente à semi-conducteurs) ou une technologie émergente comme l'OLED (diode électroluminescente organique flexible utilisée dans les téléviseurs HD et les smartphones), ou encore en contrôlant la fréquence de couleur de la lumière transmise, sans que l'œil humain ne la perçoive.
La technologie LED évolue selon trois catégories : (i) les LED à phosphore, permettant des débits jusqu’à 40 Mbit/s ; (ii) les LED RVB, avec des débits jusqu’à 100 Mbit/s ; et (iii) les LED à cavité résonante (RCLED), atteignant des débits jusqu’à 500 Mbit/s. En communication par lumière visible (VLC), le canal de lumière visible est défini par différentes longueurs d’onde, allant approximativement de 375 nanomètres (violet) à 750 nanomètres (rouge), ou par la gamme de fréquences, approximativement de 400 THz (rouge) à 800 THz (violet). La technologie VLC fait partie des technologies de communication optique sans fil (OWC), qui incluent également les technologies infrarouges (IR) et ultraviolettes (UV).
Caractérisation. Propriétés. Applications.
D'après un rapport Cisco VNI de 2011, la demande des utilisateurs, mesurée en exaoctets par mois, croît plus rapidement que l'efficacité spectrale. Plus précisément, la demande des utilisateurs devrait augmenter de 32 % entre 2010 et 2015, tandis que l'efficacité spectrale ne devrait progresser que de 12 % sur la même période. Cisco note également que le taux de croissance annuel composé (TCAC) de l'utilisation des données mobiles avoisine les 80 %. De plus, d'ici 2015, le trafic des appareils sans fil devrait dépasser celui des appareils filaires, et la vidéo mobile devrait devenir le principal mode de trafic Internet dans les années à venir. Ces augmentations du trafic réseau imposent une refonte radicale de la conception des communications sans fil. La technologie VLC est présentée comme une alternative à considérer par rapport aux technologies RF telles que Wi-Fi/WLAN (IEEE 802.11a+b+g (x1), IEEE 802.11n (x10), IEEE 802.11ac (x200)), GPRS, WCDMA, HSDPA/HSUPA, HSPA, LTE, etc.
La technologie VLC/Li-Fi, apparue au début du XXIe siècle, permet la transmission de données par la lumière visible grâce à des LED dont l'intensité varie à une vitesse imperceptible pour l'œil humain. Cette technologie repose notamment sur une nouvelle génération de LED haute luminosité. Il est possible d'encoder des données par la lumière en modulant la fréquence d'allumage et d'extinction de la LED, produisant ainsi différentes séquences binaires de 0 et de 1. La modulation d'intensité de la LED est si rapide qu'elle est indétectable par l'œil humain. Des débits allant jusqu'à 500 Mbit/s ont déjà été atteints (Siemens 2010).
Les principales caractéristiques de la technologie VLC sont les suivantes : (1) Il s’agit d’une technologie à visée directe (LOS). En principe, l’émetteur et le récepteur doivent être alignés. (2) Elle permet des communications sans fil haute densité et la réutilisation de l’espace. (3) C’est une technologie ouverte ; son spectre n’est pas soumis à licence. (4) Elle n’est pas affectée par les interférences radiofréquences (RF). (5) Elle n’a pas d’incidence sur la santé, contrairement aux émissions RF, notamment celles à haute tension par mètre (V/m). (6) Elle utilise la lumière, omniprésente dans notre société. (7) Elle permet le positionnement et la géolocalisation en intérieur. (8) Elle utilise l’optique en espace libre (FSO). (9) Les données peuvent être transmises partout où il y a de la lumière. (10) La lumière peut être transmise sous l’eau. (11) La lumière ne traverse pas les murs, contrairement aux signaux RF ; cela limite donc les risques d’écoute clandestine, même si une interception et une capture par réflexion sont possibles. (12) La lumière n'est pas affectée par les interférences électromagnétiques RF, ni par les inhibiteurs RF, cependant les transmissions basées sur des signaux RF peuvent être désactivées à l'aide de tels dispositifs, rendant impossible, par exemple, de parler au téléphone portable à proximité de ces dispositifs.
Entités impliquées dans la VLC. Domaines d'application.
Il existe actuellement un écosystème vaste et diversifié de développeurs de technologies VLC, parmi lesquels : le consortium LiFi, la norme IEEE 802.15.7 (qui définit un canal à sept couleurs pour la couche physique (L1) de la VLC et autorise des schémas de modulation tels que OOK/VPPM et CSK), VLC Ltd, Intel, Samsung, ETRI, le VLCC (Visible Light Communication Consortium, regroupant Casio, Toshiba, Sony, NEC, Sharp, NTT, etc.), Siemens, ByteLight, LVX Systems, Philips, IBSEMtelecom, le MIT, la JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association), UCR, etc. Au niveau européen, les activités liées à la VLC sont particulièrement importantes dans le cadre du projet OMEGA.
Le champ d'application de la VLC (communication par lumière visible) se développe considérablement. Par exemple : (1) Services de localisation en intérieur, c'est-à-dire la géolocalisation et les services basés sur la localisation (LBS). Ces services permettent la navigation et le suivi d'entités (personnes, animaux, machines, objets) dans les bâtiments où le GPS est indisponible. Ceci est particulièrement utile dans les hôpitaux, les entrepôts, les bureaux, etc., où la technologie LED est de plus en plus répandue. (2) Communications à haute densité. La VLC peut compléter le spectre Wi-Fi en fournissant une bande passante supplémentaire dans les environnements où les bandes de communication, avec ou sans licence, sont saturées. On peut citer comme exemples les centres de congrès, les halls d'entrée des salles de conférence, les aéroports, les plages, les gares et aéroports, les stades, etc. (3) Éclairage LED contrôlable (casinos, hôtels, stades, immeubles de bureaux, etc.). (4) Réseaux domotiques. La VLC permet la communication sans fil pour l'éclairage résidentiel et industriel, y compris l'accès à Internet et la diffusion multimédia. (5) Aviation commerciale. Elle permet les communications de données sans fil pour les communications personnelles, les divertissements et les jeux en vol. (6) Communications sous-marines. Pour les plongeurs, les sous-marins, etc. (7) Environnements dangereux. Il permet les communications dans des environnements dangereux tels que les mines, les installations gazières, les usines pétrochimiques, les sites d'explosifs, etc. (8) Hôpitaux et établissements de santé. Il permet la mobilité et la communication entre les patients sans impacter leur santé. (9) Applications militaires et de défense. Il permet des communications sans fil à haut débit à bord des véhicules militaires et sur les champs de bataille. (10) Communications dans les environnements où le Wi-Fi présente des risques de fuite de données à travers les murs. (11) Trois principaux marchés peuvent être identifiés : l'accès et les réseaux sans fil, l'efficacité énergétique de l'éclairage et la gestion intelligente de l'éclairage. La technologie VLC permet tous types d'applications mobiles, les réseaux de capteurs sans fil (WSN), la réalité augmentée, les applications d'intérieur, les réseaux de jouets en environnement mobile, les communications M2M, les applications d'intelligence artificielle mobile (AmI) et les villes intelligentes.
Composants de la technologie.
Une transmission VLC comprend deux composants fondamentaux :
(1) L’émetteur. Celui-ci génère de la lumière à l’aide de différents types de LED pour émettre de la lumière visible modulée par les données à transmettre de manière unidirectionnelle/simplex, bidirectionnelle HDX ou FDX. Voici quelques méthodes/schémas de modulation : (i) VPPM (modulation de position d’impulsion variable). Similaire à la PPM, elle permet de contrôler la largeur d’impulsion afin de compenser l’atténuation de la lumière. (ii) SM (modulation spatiale). Elle permet de déterminer la source d’un signal optique. Si la source est identifiée, plusieurs sources d’information peuvent être utilisées pour transporter plusieurs flux de données indépendants (un par source), ou la source du signal peut être intégrée au codage de l’information. Plusieurs sources peuvent être plusieurs LED au sein d’un même appareil ou luminaire. (iii) OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence). Ce procédé utilise un ensemble de sous-porteuses, chacune à une fréquence différente mais harmoniquement liée. Il offre une bonne efficacité spectrale, mais sa mise en œuvre est relativement complexe. (iv) Modulation de largeur d'impulsion (PWM). Cette technique permet de transmettre des informations codées dans la durée de l'impulsion. Plusieurs bits de données peuvent être transmis par impulsion, mais la durée des impulsions peut être plus longue qu'avec la modulation OOK, ce qui limite ses avantages. Sa mise en œuvre est simple. (v) Modulation par déplacement de couleur (CSK). Utilisée dans les systèmes à LED RVB, cette technique combine différentes couleurs de lumière pour transmettre les données de sortie en utilisant la couleur elle-même, permettant ainsi une intensité de sortie constante. Sa mise en œuvre est complexe. (vi) Modulation de position d'impulsion (PPM). Les données sont codées en fonction de la position de l'impulsion dans une trame. Plusieurs bits peuvent être envoyés par impulsion ; cependant, la durée de la trame est plus longue qu'avec une modulation OOK à un bit, ce qui la rend moins efficace. Chaque trame contient la même quantité d'énergie optique. (vii) Modulation par tout ou rien (OOK). Les données sont générées par l'allumage et l'extinction de la LED. Un niveau logique haut (1) est obtenu en allumant la LED, et un niveau logique bas (0) en l'éteignant. Il est simple à mettre en œuvre, mais non optimal en termes de contrôle de l'éclairage et de débit de données. (viii) PAM (Modulation d'amplitude d'impulsion). L'information est véhiculée par l'amplitude de l'impulsion. La PAM peut transporter plus de données par impulsion que la modulation OOK, mais elle est plus sensible au bruit du canal optique. Par exemple, en modulation 256-ASK, chaque élément de signal transporte le logarithme en base 2 de 256, soit 8 bits. (ix) Parmi les autres schémas, on trouve la 512-QAM (un mélange d'ASK en amplitude et de PSK en phase), la 1024-PSK, la BFSK (Modulation par déplacement de fréquence binaire) en fréquence et la SS-kPPM (Modulation de position d'impulsion de sous-porteuse), où k est une puissance de deux, par exemple 2 ou 4. Les données sont représentées par la présence ou l'absence de l'onde porteuse.
(2) Unité réceptrice. Ils utilisent divers éléments pour démoduler/décoder la lumière en données reçues, en utilisant des photodétecteurs tels que des photodiodes, des matrices CCD, des phototransistors, etc., et des mécanismes cryptographiques-stéganographiques appropriés pour découvrir les chiffrements visibles et révéler les aspects subliminaux des données inobservables/non identifiables.
Protection des transmissions VLC :
Les transmissions VLC peuvent être altérées de manière malveillante et doivent donc être protégées par des fonctions de hachage cryptographiques ou des signatures numériques, car les fonctions de détection d'erreurs linéaires telles que CRC/VR/LRC sont insuffisantes pour gérer les manipulations non autorisées potentielles des messages transmis via la technologie VLC. La stéganographie et la cryptographie sont deux techniques de dissimulation d'informations distinctes qui garantissent la cybersécurité et la protection de la vie privée. La lumière ordinaire étant composée de plusieurs photons, certains d'entre eux peuvent être analysés pour décoder les données qu'elle transporte. Les techniques stéganographiques permettent la transmission de messages secrets/privés, appelés stéganogrammes, dans un canal VLC où d'autres types d'informations publiques sont déjà transmises. L'objectif de la stéganographie et des canaux subliminaux est de dissimuler physiquement des messages critiques au sein d'autres supports numériques afin que leur présence ne soit pas détectée. La cryptographie, quant à elle, permet uniquement de masquer le sens du contenu des messages secrets aux entités potentiellement non autorisées. En cryptographie, le message chiffré est visible même s'il n'est pas compris. Le bruit peut être constitué de données chiffrées, et le défi consiste à trouver une clé permettant de le transformer en données intelligibles uniquement pour les entités autorisées et légitimes. La cryptographie et la stéganographie diffèrent dans leur manière de dissimuler les données transmises, mais elles sont actuellement utilisées conjointement. Les signaux optiques VLC ne traversent pas les murs, empêchant ainsi toute écoute clandestine, contrairement par exemple aux signaux RF à 2,4 GHz. Les signaux RF de même fréquence peuvent interférer entre eux, et la bande passante peut être limitée par la contention ; cependant, en VLC, plusieurs LED peuvent être utilisées pour augmenter la bande passante. En VLC, l'interférence se manifeste sous forme de bruit (aucun signal ne s'annule) lié à l'évanouissement multi-trajets. En VLC, la redondance des trajets est assurée par l'utilisation de plusieurs LED. La cryptographie quantique est essentielle pour les transmissions de photons uniques.
Considérations finales :
La technologie VLC émergente semble constituer une alternative pertinente pour l’intégration aux technologies de transmission radiofréquences et à celles câblées en cuivre (CPL sur lignes électriques, Gigabit Ethernet), ainsi qu’à la fibre optique. Toutefois, des mécanismes de protection appropriés doivent être intégrés afin de gérer les risques liés à la cybersécurité et à la protection de la vie privée, en fonction du type d’applications déployées. Les lampes à incandescence, fluorescentes et halogènes ne peuvent être modulées à des vitesses aussi élevées que les LED.
Cet article s’inscrit dans le cadre des activités menées au sein du réseau thématique LEFIS.
Auteur:
Prof. Dr. Javier Areitio Bertolín – E.Mail :
Professeur à la Faculté d'ingénierie.
Directeur du groupe de recherche sur les réseaux et les systèmes. Université de Deusto
Bibliographie
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