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PRESENTATION GENERALE DU LIGHT-FIDELITY
Introduction
La société moderne qui présente une évolution permanente de la nouvelle technologie s’intéresse particulièrement à la technologie de communication sans fil. Et ces dernières années la demande de transfert de données dans les réseaux sans fil a augmenté massivement.
Le Wi-Fi ou Wireless Fidelity, qui utilise les ondes radio, est actuellement la meilleure solution à cette augmentation de la demande. Cependant, les limitations de cette technologie commencent à peser. Associée à cette situation, la prédominance des diodes électroluminescentes ou en anglais LED (Light Emitting Diode) sur le marché a remis à jour la communication sans fil utilisant la lumière visible.
Cette communication utilisant la lumière visible communément appelée Li-Fi ou Light Fidelity présente ainsi un grand potentiel dans la communication sans fil actuel et futur.
Ainsi dans cette partie nous allons voir la présentation générale de cette technologie en commençant par une historique, son principe et son architecture pour ensuite entamer avec les avantages et inconvénients en regardant quelques applications et en terminant par une comparaison entre le Li-Fi et le Wi-Fi.
Définition
Le Li-Fi ou Light Fidelity est une technologie de communication sans fil basée sur l’utilisation de la lumière visible.
Il se présente comme un nouveau moyen de communication sans fil, utilisant le spectre de la lumière visible, c’est-à-dire des ondes comprises entre 380 nm (bleu) et 780nm (rouge), soit des fréquences entre 385 et 790 THz, pour transmettre des données.
Le terme Li-Fi – par analogie au Wi-Fi (Wireless Fidelity) qui tire tout deux leur essence du mot Hi-Fi (High Fidelity) – a été proposé par Harald Haas, professeur de communication mobile de l’Université d’ Edimbourg, lors de la conférence TED (Technology, Entertainment and Design) en 2011.
Historique
La communication par la lumière visible a été utilisée par l’être humain 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, comme nous l’avons vu dans le premier chapitre, ainsi que de la diffuser sur différents canaux.
Ainsi, dans cette partie, nous allons voir l’évolution de la communication utilisant la lumière visible depuis les phares jusqu’au Li-Fi tel que nous le connaissons actuellement. [18]
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’œil 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 XIXe 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.
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’amplifier 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.
Les figures 2.03 et 2.04 illustrent respectivement le dispositif d’émission et le dispositif de réception d’un photophone.
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 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). 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.
Le Li-Fi actuel
Le développement du Li-Fi est fortement corrélé au développement des diodes électroluminescentes ou LED puisqu’elles sont les seules sources de lumière (avec les lasers) à avoir des capacités de commutations très rapides (jusqu’à un milliard de fois par seconde) et une durée de vie adéquate.
Naturellement, c’est au Japon, pays de la LED, que les premières expériences de communications Li-Fi avec des luminaires LED se feront connaître en 2005, les précurseurs dans ce domaine étant les chercheurs de l’université de Kieo à Tokyo.
Depuis 2010, avec la forte croissance des ventes de LED et leur apparition dans les bâtiments, de nombreux acteurs académiques et industriels se sont lancés dans l’étude et le développement de solutions Li-Fi.
En France, l’université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines mène depuis 2007 des travaux de recherche dans ce domaine, notamment autour d’applications de communication entre véhicules en utilisant leurs phares à LED.
En Écosse, Harald Haas fonde la société PureLiFi au sein de l’université d’Édimbourg pour développer sa technologie.
En Août 2011 lors d’une conférence TED, Harald Haas 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.
La première application du Li-Fi est sa version monodirectionnelle bas débit. Elle permet la géolocalisation des personnes à l’intérieur des bâtiments grâce à une signature lumineuse unique à chaque luminaire captée sur un dispositif mobile dédié.
Bien que le professeur 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).
Figure 2.05 : Harald Haas
Principe
Le fonctionnement du Li-Fi repose sur deux axes majeurs : utiliser les technologies déjà présentes et utiliser les avantages de la lumière visible. [6]
Utilisation des 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’œil 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’œil 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 œil 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
Utilisation 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 10000 fois plus grand que le spectre électromagnétique des ondes radios. De plus cette technologie présente d’importants avantages en termes 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.
Architecture
Comme tout système de télécommunication, l’architecture du système Li-Fi comprend la partie émettrice, la partie réceptrice et un canal de transmission. [7]
Emetteur
Description
L’émetteur est l’ensemble des appareils servant à transmettre les données. Ces données sont de diverses natures comme la plupart des autres types de réseau. L’émetteur Li-Fi sera étudié plus en détail dans le chapitre suivant mais ici nous allons parler des diodes électroluminescentes ou les LED (Light Emitting Diode) qui fait la particularité d’un émetteur Li-Fi. En effet, c’est par ce luminaire que les données seront transmises d’où l’importance de cet élément dans le réseau.
Les diodes électroluminescentes
Synthèse
• Fonction
Lorsqu’elle est passante, la diode électroluminescente convertit une intensité de courant en une lumière d’une longueur d’onde (couleur) précise (rouge, vert, jaune, bleu,…).
Lorsqu’elle est bloquée la diode est éteinte.
• Symbole et convention de notation
Figure 2.07 : Symbole de la LED
• Brochage
Cathode K : la patte la plus courte, coté plat, électrode dont la surface est la plus grande
Anode A : la patte la plus longue
• Caractéristiques électriques
Le tableau 2.01 résume les caractéristiques électriques de la LED :
Tableau 2.01: Caractéristiques électriques de la LED
• Calcul de la résistance de polarisation
Soit la figure 2.07 suivante représentant le montage.
Figure 2.08 : Montage
La résistance R de polarisation est déterminée par les formules suivantes :
LED et Li-Fi
Le Li-Fi n’aurait pas pu se développer, ni même voir le jour si les lampes à LED n’avaient pas été inventées. Certes, cela fait maintenant plus d’un siècle que H.J. Round a mis au point son fonctionnement mais ce n’est que dans les années 90 que les travaux de deux japonais Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia ont permis de rendre cette invention fonctionnelle et donc de la commercialiser.
Aujourd’hui les ventes ne cessent de croître et ses applications sont diverses : éclairage ou encore tous types d’écrans (smartphones, télévisions, ordinateur…). Elles remplacent petit à petit les autres lampes, qu’elles soient à incandescence, halogènes ou encore fluorescentes. Depuis une dizaine d’années, leurs performances ne cessent d’être améliorées et les différents petits défauts qu’elles pouvaient présenter il y a quelques années sont en passe d’être résolus. C’est par exemple le cas de l’indice de rendu des couleurs qui n’était que de 80% et qui frôle désormais les 100%.
Avantages des LED par rapport aux autres luminaires
Le tableau 2.01 récapitule les avantages des LED et les raisons pour lesquelles elles sont mieux adaptées au Li-Fi.
Tableau 2.02: Tableau comparatif des différentes ampoules existantes
Récepteur
Description
Le récepteur Li-Fi extrait les données provenant du faisceau lumineux. Le récepteur Li-Fi a comme particularité son composant principal qui est le photodétecteur. Il existe plusieurs types de photodétecteur comme nous l’avons vu dans la partie optoélectronique cependant la photodiode demeure la plus utilisée.
La photodiode
• Description
Une photodiode est une diode produisant comme résultat de l’absorption de photons un photovoltage ou des transporteurs libres qui supportent la conduction d’un photocourant.
Les photodiodes sont utilisées pour la détection de mesure d’intensité lumineuse, dans une large gamme de longueurs d’ondes. Elles conviennent aussi bien pour un signal lumineux que modulé (communication optique).
• Principe
Lorsqu’un photon d’énergie est absorbé par le cristal, il excite un électron de la bande de valence vers la bande de conduction, créant une paire électron-trou.
• Modes d’opération
Lorsque la tension aux bornes de la diode est mesurée au travers d’une résistance importante, on parle de mode photovoltaïque. La tension mesurée varie logarithmiquement avec l’intensité lumineuse.
Si la résistance est très faible, un photocourant la traverse c’est le mode photoampérique. Finalement, la façon la plus commune d’utiliser les photodiodes est le mode photoconductif. On applique alors une tension inverse à la diode tout en mesurant le courant résultant au travers d’une résistance de charge. Cette tension inverse augmente l’étendue de la zone de déplétion, tout en accélérant d’avantage les porteurs. Ce mode possède donc le temps de réponse le plus court.
• Temps de réponse
Le temps de réponse est habituellement défini comme le temps nécessaire pour atteindre 90% du courant final dans la photodiode. Ce temps dépend de trois facteurs :
✓ ttransit : temps de parcours des porteurs dans la zone de charge de l’espace
✓ tdiffusion : temps de parcours des porteurs dans les régions neutres
✓ la constante de temps tT : constante du schéma équivalent (de résistance RS + RC et de capacité Cj + Cy )
Canal de transmission
Les deux composants vus précédemment, c’est-à-dire l’émetteur et le récepteur, est interconnecté par l’intermédiaire d’un espace libre qui est le canal de communication optique. Comme la lumière visible est une onde électromagnétique, son intensité diminue en fonction du trajet ce qui provoque l’affaiblissement du signal reçu. De plus, le canal de transmission peut contenir plusieurs sources de bruits optiques. Parmi ces derniers, la plus importante est le rayon solaire. La variation des lumières artificielles autour du système rend également le canal de transmission imprédicable. A l’extérieur, cette situation est d’autant plus flagrante à cause du temps (la pluie, la neige, la grêle,…). A cause de cette situation, le Li-Fi est plus adapté à l’intérieur qu’à l’extérieur.
Avantages et Inconvénients
Comme toute chose et comme tout système de communication, le Li-Fi présente des avantages et des inconvénients. La connaissance de ces atouts et limitations nous permet de mieux connaître la situation adéquate pour l’utilisation ou la conception d’un système Li-Fi. [8]
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA LUMIERE
1.1 Introduction
1.2 Historique
1.3 Quelques définitions
1.3.1 La Lumière
1.3.2 Couleur
1.3.3 La Photométrie
1.3.4 La Radiométrie
1.4 Sources lumineuses
1.4.1 Mesure (unités utilisées)
1.4.2 Source naturelle
1.4.3 Source artificielle
1.5 Théories fondamentales sur la lumière
1.5.1 L’optique géométrique
1.5.2 L’électromagnétisme
1.5.3 La mécanique quantique
1.6 Propriétés de la lumière
1.7 L’optoélectronique
1.7.1 Définition
1.7.2 Applications
1.7.3 Composants
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 PRESENTATION GENERALE DU LIGHT-FIDELITY
2.1 Introduction
2.2 Définition
2.3 Historique
2.3.1 Communication Basique
2.3.2 Communication en morse avec des lampes
2.3.3 Le photophone
2.3.4 Communication informatique avec ondes lumineuses
2.3.5 Le Li-Fi actuel
2.4 Principe
2.4.1 Utilisation des technologies présentes
2.4.2 Utilisation de la lumière visible
2.5 Architecture
2.5.2 Emetteur
2.5.3 Récepteur
2.5.4 Canal de transmission
2.6 Avantages et Inconvénients
2.6.1 Avantages
2.6.2 Inconvénients
2.7 Applications et intégrations futures
2.7.1 La géolocalisation
2.7.2 Les lieux sensibles
2.7.3 La 5G
2.7.4 La communication aquatique
2.7.5 L’automobile
2.7.6 L’information ciblée dans les loisirs et le commerce
2.7.7 La ville connectée
2.8 Comparaison entre Li-Fi et Wi-Fi
2.9 Conclusion
CHAPITRE 3 LA TRANSMISSION DES DONNEES DANS LE LI-FI
3.1 Introduction
3.2 Généralité sur la transmission de données Li-Fi
3.2.1 Définition
3.2.2 Chaine de transmission optique
3.2.3 Principe de fonctionnement
3.3 Standardisation
3.3.1 Protocole de communication
3.3.2 Modèle OSI
3.3.3 Norme
3.4 Spécification
3.4.1 Description Générale
3.4.2 Topologie
3.4.3 Architecture
3.5 Aspects techniques
3.5.1 Techniques de Codage
3.5.2 Techniques de Modulation
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 REALISATION D’UN PROTOTYPE DE COMUNICATION LI-FI
4.1 Introduction
4.2 Description
4.3 Norme RS-232
4.3.1 Description
4.3.2 Applications
4.3.3 Processus de transmission des données entre les deux Arduino
4.4 Mise en oeuvre
4.4.1 Lors de l’émission
4.4.2 Lors de la réception
4.5 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE 1 : Généralités sur l’Arduino
A1.1 Description
A1.2 Présentation de la carte
A1.3 Présentation de l’IDE
BIBLIOGRAPHIE
RENSEIGNEMENTS
RESUME
ABSTRACT
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