Conception et implémentation d’un système Li-Fi

Le Li-Fi

Introduction

La communication était depuis longtemps un des soucis majeurs de l’homme. On peut classer les techniques de communications en deux grandes familles : les techniques filaires et les techniques sans fils. Le Li-Fi (abréviation des termes anglais Light Fidelity), à l’instar du Wi-Fi (wireless fidelity) appartient aux deuxièmes familles. Le Wi-Fi utilise des ondes hertziennes, Tandis que le Li-Fi utilise la lumière.
La technologie ainsi que les techniques du Li-Fi sont actuellement en phase de développement, mais à grande vitesse. Cette technologie qui est lancée ce siècle, présente une innovation qui peut faciliter la vie humaine. Elle doit être adaptée aux applications et aux besoins de la vie quotidienne. La technique du Li-Fi permet d’atteindre des vitesses de transmission qui dépassent de loin celles du Wi-Fi. Ce qui a orienté les travaux actuels vers l’exploitation du Li-Fi dans l’internet bidirectionnelle en très haut débit(>Gb/s).

Histoire du Li-Fi

La communication par la lumière visible est utilisée par l’Homme depuis plusieurs millénaires. Depuis les débuts de la recherche scientifique, les avancées de la science ont permis d’émettre de la lumière grâce à différents moyens, ainsi que de la diffuser dans différents canaux.

Communication basique

Les hommes ont vite compris que la communication via la lumière visible est très utile et pratique. La lumière voyageant vite et loin, c’est un bon moyen pour propager une information. Lors des premières communications avec la lumière, seul l’oeil humain permettait d’interpréter le message envoyé.
On trouve ainsi des dispositifs comme les phares, pour communiquer la présence de la côte aux capitaines de navires.
L’héliographe a été utilisé au XIX et au XXe siècle. Ce dispositif permettait grâce à un miroir de renvoyer la lumière du soleil dans une direction pour communiquer en code Morse. [5]

Communication en morse avec des lampes

Depuis la fin du XIXe siècle jusqu’à aujourd’hui, les navires militaires utilisent des projecteurs (appelés lampes Aldis ou lampes à signaux) pour communiquer. Le signal lumineux est utilisé pour communiquer du code Morse entre différents navires. Utilisé à l’origine comme seul moyen de communication entre bateaux, ce dispositif est aujourd’hui utilisé pour communiquer sans onde radio, évitant ainsi d’être capté par l’adversaire.
Ce genre de communication est aussi utilisé dans l’aviation pour communiquer entre la tour de contrôle d’un aéroport et un avion, lors de pannes radio.

Le photophone

Inventé par Alexander Graham Bell, le photophone permettait de transmettre le son de la voix par communication lumineuse sans fil.
Grâce à un miroir, la lumière du soleil est redirigée d’un point à un autre. Ce miroir est déformable. Les ondes sonores de la voix sont envoyées sur ce miroir, qui est alors déformé. La lumière du soleil renvoyée par le miroir est donc modulée.
Une parabole est utilisée en réception. Elle est couplée à un dispositif permettant de convertir l’information lumineuse en électricité puis d’ampLi-Fier le signal. Le signal sert ensuite à émettre le son vers l’utilisateur.
Bien que le photophone soit resté au stade de prototype fonctionnel, cette invention est la première utilisation complexe de la communication sans fil par lumière visible.

Communication informatique avec ondes lumineuses

Depuis les années 80, le moyen de communication longue distance principal dans l’informatique est la fibre optique. L’information est communiquée sous forme d’ondes lumineuses (pas forcément visibles) modulées dans un canal filaire : une fibre en verre.
Ce moyen de communication offre des débits très élevés et une atténuation faible sur la distance. Cette avancée technologique a été rendue possible grâce à l’invention des LED et des LASER. En effet, ces technologies permettent d’envoyer un signal lumineux à haute fréquence (grâce au court temps de commutation), et de concentrer la puissance lumineuse en une petite surface, afin d’envoyer toute la puissance dans la fibre. Le principe technologique est donc proche de celui du Li-Fi, seul le canal de transmission est différent : une fibre en verre ou l’air ambiant. On transmet toujours des bits (0 ou 1) en modulant la puissance de la source lumineuse. [5]

Présentation de la technologie au public par Harald Haas

En Août 2011 lors d’une conférence TED, Harald Haas, professeur à l’université d’Edimbourg présenta ses recherches sur le Li-Fi, mettant en avant les avantages de la technologie.
Il oriente ses recherches vers différents aspects d’un bon moyen de communication : la capacité à transmettre beaucoup d’informations, le rendement énergétique, la disponibilité et la sécurité des transmissions.
Lors de la conférence, il parle des débits qu’il a réussi à mettre en place avec le Li- Fi et il promet une augmentation rapide de ces débits pour prouver la capacité de la technologie. Il insiste ensuite sur le fait que l’ampoule à LED permet le rendement et la disponibilité. Il présente aussi des applications où la sécurité est un avantage du Li-Fi : milieu hospitalier, aviation etc.
Cette conférence a été largement relayée par les médias scientifiques et technologiques, révélant au public l’existence de telles technologies.
Bien qu’Harald Haas ait présenté la technologie, de nombreuses entreprises et chercheurs travaillaient déjà sur la communication par lumière visible, sans pour autant communiquer publiquement. Le nom “Li-Fi” connu par le public est plus rarement utilisé dans l’industrie, où on parle plus de VLC (Visible Light Communication).

Fonctionnement du Li-Fi

Principe

Le fonctionnement du Li-Fi repose sur deux axes majeurs : utiliser les technologies déjà présentes et utiliser les avantages de la lumière visible.
Technologies présentes
Tout d’abord, le Li-Fi repose sur la lumière déjà existante partout autour de nous, la lumière telle que nous l’utilisons tous chez nous pour pouvoir nous éclairer. Le but de cette technologie Li-Fi est de modifier cette utilisation afin de transmettre également des informations de façon numérique à très haut débit. Les informations communicantes étant très rapides, l’oeil humain ne peut pas remarquer les fluctuations de la lumière, ce qui permet une utilisation invisible pour l’utilisateur. En effet, dans notre cas, la variation de la lumière visible est totalement transparente pour l’oeil humain dans le sens où la lumière varie très faiblement et les vitesses de transmissions de données sont de l’ordre du MHz. Alors que la persistance rétinienne de notre oeil est de seulement de l’ordre de la dizaine d’images par seconde. Pour ces importantes vitesses de communication, le Li-Fi utilise des LED, pour leur très grande capacité de commutation, leur robustesse et leur faible consommation. De plus, leur très grande durée de vie est un avantage indéniable. En effet, la durée de vie des LED est très largement supérieure à celle des traditionnelles lampes à incandescence. Ces dernières étant vouées à disparaître dans les prochaines années. [5]
Avantages de la lumière visible
La technologie VLC, pour visible light communication en anglais, regroupe toutes les technologies utilisant la lumière visible pour communiquer. Ainsi, le Li-Fi est une technologie VLC. Dans notre cas, l’utilisation de la lumière visible est très importante. En effet, le spectre du visible est aujourd’hui quasiment inutilisé en termes de communication, contrairement au spectre électromagnétique des ondes radios.
De nombreux systèmes utilisent déjà de très larges bandes passantes que ce soit pour la radio, la télévision, la téléphonie mobile… Le spectre du visible est également près de 10 000 fois plus grand que le spectre électromagnétique des ondes radios. De plus cette technologie présente d’importants avantages en terme de sécurité. En effet, la lumière ne traversant pas les murs, les informations envoyées sont donc très sécurisées. Elles sont donc inaccessibles pour une personne à l’extérieur de la pièce où est utilisé le système de communication Li-Fi. Enfin la technologie utilisée pour travailler avec des longueurs d’ondes du domaine visible est la technologie CMOS, une technologie déjà très largement maîtrisée aujourd’hui.

Fonctionnement

Le Li-Fi (ou Light Fidelity) est une technologie de communication sans fil basée sur l’utilisation de la lumière visible comprise entre la radiation (400 nm de longueur d’onde, soit 700 THz) (perçue bleue) et la radiation (700 nm, soit 460 THz) (perçue rouge). Alors que le Wi-Fi utilise une partie radio du spectre électromagnétique hors du spectre visible, le Li-Fi utilise la partie visible (optique) du spectre électromagnétique. Le principe du Li-Fi repose sur le codage et l’envoi de données via la modulation d’amplitude des sources de lumière (scintillation imperceptible à l’oeil), selon un protocole bien défini et standardisé.
Le Li-Fi se différencie de la communication par laser, par fibre optique et de l’IrDa par ses couches protocolaires. Les couches protocolaires du Li-Fi sont adaptées à des communications sans fil jusqu’à une dizaine de mètres, soit légèrement plus que Bluetooth basse puissance, et moins que Bluetooth haute puissance ou Wi-Fi.
Un système Li-Fi est composé de deux blocs principaux : un bloc d’émission et un bloc de réception entre lesquels s’intercale le canal optique. Le cheminement des données à transmettre est alors le suivant :
Les données numériques à transmettre sont d’abord encodées pour rendre la transmission plus robuste aux dégradations causées par le canal optique.
Ces données codées, alors sous forme de signal électrique sont converties en signal lumineux grâce à un circuit électronique pilotant une ou plusieurs LED. Plus précisément, ce circuit électronique permet de faire varier l’intensité lumineuse des LED en fonction des données à transmettre. La modulation utilisée est donc une modulation d’intensité, dont l’exemple le plus simple est la modulation On-Off Keying (OOK) où des 0 et des 1 logiques sont transmis selon le codage Manchester.
La lumière émise se propage ensuite dans l’environnement et subit des déformations dues par exemple aux obstacles, aux conditions météorologiques… Cet environnement et les déformations associées sont regroupés sous le terme de canal optique.
Le signal lumineux déformé est enfin reçu par un photorécepteur (photodiode, caméra…) qui le convertit en courant électrique. Le signal électrique résultant est traité puis démodulé et décodé pour récupérer les données transmises.
Dans la pratique, les modules d’émission et de réception peuvent être équipés de dispositifs optiques (lentilles, miroirs, filtres…) permettant d’améliorer la qualité de la transmission de données.

Standardisation

L’organisme IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Standards Association) régissant les standards (par exemple le 802.11 pour le Wi-Fi) développe le standard IEEE 802.15.7 pour les communications optiques sans fil. Différentes entreprises se réfèrent à ce standard pour leurs développements. Ce standard définit la couche PHY et la couche MAC à adopter afin de développer des solutions compatibles à l’échelle mondiale. Le standard est capable de délivrer des débits suffisants pour transmettre de l’audio, de la vidéo et des services multimédia. Il tient également compte de la mobilité de la transmission optique, de sa compatibilité avec les éclairages artificiels présents dans l’infrastructure, des déficiences qui peuvent être causées par les interférences générées par l’éclairage ambiant. La couche MAC permet de réaliser la liaison avec les couches hautes plus communes comme celles utilisés dans les protocoles TCP/IP. Enfin, le standard se conforme à la réglementation en vigueur sur la sécurité oculaire des usagers.
Le standard définit trois couches PHY selon les débits envisagés. La couche PHY I a été établie pour des applications en extérieur. PHY I opère de 11,67 kb/s à 266,6 kb/s. La couche PHY II permet d’atteindre des débits de 1,25 Mb/s à 96 Mb/s. La couche PHY III est appropriée lorsqu’on utilise plusieurs sources émettrices suivant une méthode de modulation particulière appelée Color-Shift Keying (CSK). PHY III opère de 12 Mb/s à 96 Mb/s.
Les formats de modulation préconisés pour PHY I et PHY II sont les codages on-off keying (OOK) et variable pulse-position modulation (VPPM). Le codage Manchester utilisé pour les couches PHY I et PHY II englobe l’horloge dans les données transmises en représentant un 0 logique par un symbole OOK de « 01 » et un 1 logique par un symbole OOK de « 10 » avec une composante continue. Ce point est important car la composante continue permet d’éviter l’extinction de la lumière lors d’une suite prolongée de 0 logiques.

Table des matières

Résumé 
Abstract 
ملخص 
Acronymes 
Table des matières 
Introduction générale 
I. CHAPITRE I: Le Wi-Fi
I.1. Introduction
I.2. Présentation de la norme Wi-Fi (802.11)
I.3. Capacité
I.3.1 Quelle vitesse chez soi et en laboratoire ?
I.3.2 Efficience
I.4. Intégrations actuelles et leurs problèmes
I.4.1 Intégration privée/publique
I.5. La sécurité
I.5.1 Filtrer les adresses Mac
I.5.2 Cacher le SSID (Service Set IDentifier)
I.5.3 Sécuriser avec une clé WEP (Wired Equivalency Privacy)
I.5.4 Sécuriser avec une clé WPA/WPA2
I.6. Conclusion
II. CHAPITRE II: Le Li-Fi
II.1. Introduction
II.2. Histoire du Li-Fi
II.2.1 Communication basique
II.2.2 Communication en morse avec des lampes
II.2.3 Le photophone
II.2.4 Communication informatique avec ondes lumineuses
II.2.5 Présentation de la technologie au public par Harald Haas
II.3. Fonctionnement du Li-Fi
II.3.1 Principe
II.3.2 Fonctionnement
II.3.3 Standardisation
II.4. Capacités et données techniques
II.4.1 Performances
II.4.2 Améliorations
II.4.3 Les LED : enjeu majeur
II.5. Sécurité & Li-Fi
II.5.1 Sécurité humaine
II.5.2 Sécurité réseau
II.6. Intégrations futures ou possibles du Li-Fi
II.6.1 La 5G
II.6.2 La géolocalisation
II.6.3 Les lieux sensibles
II.6.4 L’automobile
II.6.5 La communication aquatique
II.6.6 L’information ciblée dans les loisirs et le commerce
II.6.7 La ville connectée
II.7. Les acteurs
II.7.1 Les entreprises
II.7.2 Solutions de ‘’PureLi-Fi’’
II.7.3 Les universités
II.8. Conclusion
III. CHAPITRE III: Le microcontrôleur
III.1. Introduction
III.2. Définition de microcontrôleur
III.3. Les composants internes d’un micro contrôleur
III.4. Langage de programmation d’un microcontrôleur
III.5. Domaines d’applications des microcontrôleurs
III.6. L’Arduino
III.6.1 L’historique de l’Arduino
III.6.2 La composition d’une carte Arduino Uno
III.6.3 Matériel arduino
III.6.4 Logiciel Arduino
III.6.5 L’interface de logiciel
III.6.6 Les avantages de l’arduino
III.7. Conclusion
IV. CHAPITRE IV
Réalisation du system Li-fi
IV.1. Introduction
IV.2. Transmission d’un signal analogique par la lumière visible(VLC)
IV.2.1 Le but des expériences
IV.2.3 La premiére experience
IV.2.3 Déscription de l’experience:
IV.2.4 La deuxième experience
IV.2.5 Déscription de l’experience
IV.3. Transmission d’un signal numérique par la lumiére visible
IV.3.1 Le but de l’experience
IV.3.2 Principe de fonctionnement
IV.3.3 Modulation OOK:( La modulation par tout ou rien)
Le shema du montage
IV.3.4 Principe de fonctionnement
IV.4. Conclusion
Conclusion générale 
Bibliographies et Webographie

Mots clés: Li-Fi, Wi-Fi, LED,VLC, ARDUINO, Débit de données, Interférences.

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