Mari Mengenali Teknologi LiFi – Pemindahan Data 100 Kali Lebih Pantas Berbanding WiFi
Aizan Fahri
Julai 2011. Seorang professor dari University of Edinburgh, Harald Haas, mempertontonkan di acara TED Global satu teknologi yang dinamakan Visible Light Communication, juga dikenali sebagai Light Fidelity, LiFi. Beliau memperkenalkan teknologi LiFi sebagai satu alternatif untuk membenarkan transmisi aliran data pada kelajuan tinggi hanya dengan menggunakan lampu LED.
Professor Haas menyatakan bahawa LiFi bukan sahaja mampu membenarkan aliran data pada kelajuan yang tinggi, bahkan ia mampu dibangunkan dengan menggunakan infrastruktur pencahayaan LED yang sedia ada, sekaligus menjadikannya satu teknologi yang mesra penggunaan tenaga.
Pada September 2015, Professor Haas kembali ke pentas TED Global untuk mempertontonkan LiFi buat kali kedua. Ketika pertama kalinya Professor Haas melakukan demonstrasi LiFi pada tahun 2011, beliau memperlihatkan konsep aliran data dengan menggunakan cahaya daripada LED. Pada kali ini, beliau memperkuatkan lagi hujahnya akan potensi LiFi dengan menyatakan bahawa ia boleh dibangunkan dengan 2 infrastruktur yang sudah sedia ada: lampu LED dan juga sel suria.
Sepertinya LiFi ini merupakan satu teknologi yang cerah untuk dibangunkan bagi tujuan pengkomersilan. Amanz pada kali ini ingin membawakan perbincangan yang mendalam akan teknologi ini. Yosh!
Pada tahun 1979 dua penyelidik dari makmal IBM Zurich Research Laboratory di Switzerland, Gfeller dan Bapst, melakukan kajian berkenaan transmisi data tanpa wayar (wireless connection) dengan menggunakan diffuse infrared radiation (difusse IR). Gfeller dan Bapst pada ketika itu menyimpulkan bahawa wireless connection dengan menggunakan teknologi diffuse IR mampu mencapai kelajuan transmisi sehingga 1 Megabits per saat (1 Mb/sec).
17 tahun setelah hasil kajian Gfeller dan Bapst diterbitkan, 2 penyelidik dari Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), Gene Marsh dan Joseph Kahn berjaya merekodkan kelajuan transmisi data 50 kali ganda lebih laju daripada kajian sebelumnya iaitu 50 Mb/sec.
4 tahun selepas itu, satu lagi kajian dalam bidang yang sama berjaya merekodkan kelajuan transmisi data selaju 70 Mb/sec berjaya dicatat oleh Jeffrey Carruther dan Joseph Kahn pada tahun 2000, beserta dengan pelbagai penambah-baikan yang lain.
Ketiga-tiga hasil kajian ini mempunyai skop kajian yang serupa, iaitu:
- Menggunakan cahaya inframerah untuk membenarkan transmisi data tanpa wayar, kerana
- Ia mempunyai kelebihan berbanding gelombang radio untuk komunikasi jarak dekat dan sederhana, dan juga
- Kerana teknologi ini menggunakan gelombang spektrum yang tidak memerlukan perlesenan, tidak seperti WiFi, LTE, dan 3G yang memerlukan kepada pengurusan spektrum.
Artikel ini akan membincangkan akan potensi teknologi terbaru untuk transmisi data yang dikenali sebagai LiFi, iaitu singkatan kepada Light Fidelity. Untuk memahami akan teknologi ini, kita perlu menjawab beberapa soalan untuk memahami konsep dan kelebihan LiFi berbanding teknologi transmisi data yang sedia ada.
Rata-rata ketika ini saiz bagi 1 movie 720p berdurasi 90 minit berlegar di sekitar 800 Megabytes (800 MB). Untuk memuat turun movie tersebut pada kelajuan 1 Megabits per saat (1 Mb/sec), ia mungkin mengambil masa 1 jam 46 minit. Pada kelajuan 50 Mb/sec, 2 minit dan 8 saat diperlukan untuk memuat turun movie yang sama.
Pada akhir tahun lepas para penyelidik berjaya merekodkan kelajuan transmisi data sehingga 224 Gb/sec, peningkatan sebanyak 320,000 kali ganda. Dengan transmisi berkelajuan sedemikian, hanya 0.029 saat diperlukan untuk memuat turun movie yang bersaiz 800 MB, ataupun dalam erti kata lain, 36 movies yang sama dalam masa 1 saat.
Izinkan kami membetulkan satu salah faham yang agak lazim berlaku. 1 byte tidak mempunyai nilai yang sama dengan 1 bit. 1 byte mempunyai nilai sebanyak 8 bits. Jika anda ingin membandingkan kelajuan pakej internet yang diiklankan dengan kelajuan efektif muat turun, contohnya pakej Streamyx 384 Kbps, kelajuan muat turun efektif bagi pakej tersebut ialah 48 kilobytes per saat (48 kB/sec). Dalam erti kata lain, pakej Streamyx tersebut mengambil masa 4 jam 37 minit untuk memuat turun movie yang sama seperti contoh di atas.
Perbezaan notasi hanyalah pada aksara “B”: huruf B menandakan ia dalam unit bytes, manakala huruf b menandakan ia dalam unit bits.
Apakah yang membezakan antara LiFi dengan teknologi transmisi data yang tersedia ketika ini? Untuk menjawab soalan ini, wajar kita mengklasifikasikan dahulu teknologi-teknologi penghantaran data yang boleh didapati ketika ini.
Umumnya teknologi transmisi data boleh dibahagikan kepada dua sub-kelas yang besar, iaitu transmisi setempat (local) dan transmisi jarak jauh (long range). Dalam sub-kelas transmisi setempat, kita mempunyai teknologi Wireless Fidelity (WiFi). Manakala untuk transmisi jarak jauh pula, kita mempunyai teknologi-teknologi seperti GPRS, EDGE, 3G, dan 4G.
Kesemua teknologi transmisi data yang dinyatakan di atas beroperasi dengan memanfaatkan gelombang radio pada spektrum elektromagnetik. Sementara itu teknologi LiFi beroperasi dengan memanfaatkan gelombang cahaya optikal (visible light spectrum).
Teknologi LiFi beroperasi pada julat frekuensi dari 400 TeraHertz hingga 800 TeraHertz (THz). Julat yang dinyatakan tersebut merangkumi frekuensi berhampiran ultraungu (near ultraviolet, NUV) iaitu pada 800 THz, hingga frekuensi inframerah (infrared, IR). Dalam rangkuman frekuensi ini kita mempunyai frekuensi cahaya optikal iaitu:
Apakah antara masalah yang ingin diselesaikan dengan LiFi? Spectrum shortage.
Gelombang radio merupakan aset yang dikawal selia di bawah pengurusan kerajaan bagi mana-mana negara. Bagi membolehkan sesebuah syarikat untuk memancarkan gelombang radio, syarikat berkenaan mesti mendapatkan lesen untuk memancarkan gelombang radio pada frekuensi yang tertentu.
Setelah berjaya mendapatkan hak untuk memancarkan gelombang radio pada jalur yang ditetapkan, barulah ia boleh beroperasi. Namun begitu, jalur frekuensi mempunyai had trafik. Bayangkan jalur frekuensi seperti lebuh raya: hanya beberapa kenderaan sahaja boleh melalui lebuh raya pada satu-satu masa. Pada waktu puncak di mana jalur frekuensi menjadi sesak, maka situasi seperti tiada siaran dan panggilan tidak dapat dihubungkan boleh berlaku.
Dengan konsep yang sama juga, syarikat-syarikat telekomunikasi (ringkas: telco) mampu menawarkan pakej internet yang murah pada bukan waktu puncak seperti pada jam 2 pagi hingga 6 pagi kerana tiada orang yang memenuhi trafik jalur frekuensi mereka.
Masalah ini menjadi satu isu yang rumit kerana:
- Telco terpaksa berurusan dengan kerajaan untuk mendapatkan lesen, maka dengan itu
- Ia akan melambatkan telco untuk membangunkan infrastruktur bagi memanfaatkan jalur frekuensi baru, dan sehubungan dengan itu
- Apabila jumlah pengguna internet mudah-alih meningkat, jalur frekuensi sedia ada akan menjadi semakin sesak sehingga menimbulkan beberapa masalah seperti jaringan terputus-putus atau kegagalan mengakses internet walaupun mempunyai sambungan.
Bagaimanakah LiFi menyelesaikan masalah spectrum shortage ini? Dengan membenarkan transmisi data berlaku pada jalur frekuensi cahaya optikal. Apakah kelebihan yang dapat LiFi manfaatkan dengan menggunakan jalur frekuensi cahaya optikal ini?
- Tiada pengawalan yang ketat dari pihak kerajaan, oleh itu
- Tiada proses yang memenatkan untuk berurusan dengan kerajaan, yang juga bermaksud
- Tidak perlu membelanjakan duit untuk mendapatkan lesen kebenaran untuk beroperasi, yang juga bermaksud
- Kos operasi LiFi adalah lebih rendah berbanding teknologi sedia ada.
Tambahan lagi, saiz keseluruhan spektrum gelombang cahaya optikal jauh lebih luas berbanding dengan saiz keseluruhan spektrum gelombang radio! Ini bermaksud kita mampu menyelesaikan masalah spectrum shortage dengan mengeksploitasi sifat-sifat fizikal (physical properties) gelombang cahaya optikal.
Ketiadaan pengawalan merupakan antara faktor yang menyumbang kepada potensi LiFi ini boleh dikomersialkan secara meluas. Antara faktor lain ialah LiFi boleh dibangunkan dengan menggunakan infrastruktur pencahayaan light-emitting diode (LED) yang tersedia ada. Apa yang diperlukan untuk mengubah lampu LED biasa kepada peranti transmisi LiFi ialah dengan memasang modulator pada lampu LED tersebut.
Satu lagi ciri-ciri yang memperlihatkan potensi LiFi ini ialah kelajuan transmisi data yang ditawarkannya: di dalam persekitaraan makmal, transmisi data mampu mencapai kelajuan sehingga 224 Gigabits/sec dengan LiFi. Jika dibandingkan dengan teknologi transmisi data LTE yang sekarang ni mampu mencapai kelajuan puncak 50 Megabits/sec, manakala WiFi networking standard 802.11ac (networking standard WiFi paling terkini) mampu mencapai kelajuan agregat 6.77 Gigabits/sec.
LiFi beroperasi berdasarkan prinsip binari: 0 dan 1. Apabila lampu LED dihidupkan, ia bermaksud 1 (on), dan apabila lampu LED dimatikan, ia bermaksud 0 (off). Dengan kaedah membuka dan menutup lampu LED akan menghasilkan isyarat binari 1 dan 0 yang boleh diambil dan ditafsir kepada data oleh peranti penerima seperti sel solar. Teknik ini dikenali sebagai modulasi amplitud (amplitude modulation, AM), merujuk kepada aktiviti meninggikan dan merendahkan keamatan isyarat.
Lampu LED berkenaan boleh dihidupkan dan dimatikan pada kelajuan nanosaat (0.000000001 saat), terlampau laju untuk diperhatikan dengan mata kasar seolah-olah lampu LED itu tidak berkelip langsung ketika ia menghantar isyarat.
Kami tidak berjaya mendapat kos sebenar untuk membina satu unit peranti LiFi, namun kami boleh menganggarkan dengan kiraan kasar. Papan lampu LED (36 mentol) boleh didapati pada harga RM 9.50, manakala sel suria boleh didapati pada harga RM 9.90. Harga bagi papan litar bercetak (printed circuit board, PCB) boleh didapati pada harga RM 31.50. Jumlah keseluruhan setakat ini ialah RM 50.90. Ditambah lagi dengan wayar-wayar yang diperlukan, mungkin akan mencapai harga sekitar RM 70.
Cukup murah jika dibandingkan dengan peranti WiFi router berkelajuan tinggi. Untuk penghasilan industri bagi tujuan pengkomersilan, kos kesemua komponen dapat dikurangkan dengan lebih drastik lagi. Pengilangan secara pukal akan mengurangkan keseluruhan kos untuk pasaran, sekaligus menjadikannya lebih rendah daripada yang dijangkakan.
Peranti LiFi pertama yang sedia dikomersialkan ialah pureLiFi Li-1st. Ia memberikan memberikan bukti konsep (proof of concept) yang kukuh akan potensi teknologi LiFi ini, meskipun pada ketika ini reka bentuk peranti Li-1st agak tidak enak dipandang.
[vimeo = https://vimeo.com/90128750]
Kelihatan sepertinya LiFi menjanjikan masa depan transmisi data yang sangat memberangsangkan, namun ia mempunyai satu kelemahannya yang tersendiri. Sebelum kita berbincang mengenai kelemahan LiFi, mari mengenal pasti terlebih dahulu ciri-ciri fizikal spektrum gelombang cahaya optikal dan hubungannya dengan kelajuan transmisi data.
[info]higher frequency = higher bandwidth[/info]
Spektrum gelombang cahaya optikal merupakan gelombang elektromagnetik berfrekuensi tinggi, manakala spektrum gelombang radio merupakan gelombang elektromagnetik berfrekuensi rendah. Berpandukan kepada persamaan (equation) di atas, spektrum berfrekuensi tinggi membenarkan aliran data yang lebih tinggi (higher bandwidth).
[info]higher bandwidth = higher bits per second[/info]
Mengikut hukum fizik, spektrum berfrekuensi rendah mampu bergerak jauh berbanding dengan spektrum berfrekuensi tinggi, kerana secara lazimnya spektrum berfrekuensi tinggi akan diserap oleh objek di sekelilingnya.
Maka dengan itu, kita boleh menyimpulkan bahawa:
[info]higher frequency = higher bandwidth = shorter distance[/info]
Dalam erti kata lain:
[info]LiFi = short distance data transmission[/info]
Sejauh manakah jarak transmisi data LiFi yang telah diuji sehingga kini? 3 meter hingga 5 meter. Ini bermaksud:
- Jarak LiFi LED transmitter dan signal transceiver mestilah dalam lingkungan 5 meter, maka
- Ia memberikan kurang kebebasan ruang untuk menggunakan LiFi, yang juga bermaksud
- Untuk memenuhi ruang yang besar, jumlah peranti LiFi LED transmitter mestilah banyak!
Adakah ini bermaksud LiFi merupakan teknologi yang tidak praktikal?
Mungkin, jika kita melihat dari perspektif transmisi jarak jauh seperti isyarat television. Namun sejak dari awal pembanggunannya lagi LiFi bukannya dibina untuk transmisi data jarak jauh, tetapi untuk jarak dekat dan sederhana. Jika dilihat dari sudut keselamatan, oleh kerana isyarat LiFi tidak boleh menembusi dinding, ia bermaksud segala komunikasi LiFi adalah terlindung daripada ancaman keselamatan luar medannya.
Lagipun untuk membangunkan infrastruktur LiFi ia tidak memerlukan kos yang tinggi, bahkan ia boleh digunakan pada infrastuktur pencahayaan LED yang sedia ada, seperti lampu LED dikawasan pejalan kaki ditepi-tepi jalan, pencahayaan dalam pusat membeli-belah, kedai makan, dan lain-lain lagi. Apa yang diperlukan hanyalah modulator dan juga signal receiver / transceiver yang boleh hadir dalam bentuk sel suria.
Sehingga kini kita hanya berbincang aplikasi LiFi untuk data transmisi satu hala (unidirectional transmission), namun untuk menjadikan teknologi komunikasi itu satu teknologi yang praktikal, transmisi data mestilah berlaku dalam dua hala (duplex transmission) antara peranti LiFi dan juga signal transceiver. Konsep ini sama seperti percintaan: siapa suka kalau cinta tidak terbalas, kan?
Bayangkan ketika ini anda sedang melayari halaman YouTube. Mentol LED akan membenarkan aliran data daripada peranti LiFi kepada signal transceiver. Dalam kes ini, aliran data seperti video akan dihantar daripada mentol LED kepada peranti penerima isyarat yang disambung ke komputer anda. Bagaimanakah isyarat dapat dihantar daripada komputer anda kepada peranti LiFi?
Kekangan ini boleh diatasi dengan menyatukan peranti penerima isyarat dengan penghantar isyarat ringkas seperti lampu LED inframerah. Jika anda menekan butang seperti play dan sebagainya, lampu LED inframerah itu dapat menghantar isyarat berkenaan balik kepada peranti LiFi. Ini membenarkan peranti penerima isyarat untuk menerima isyarat ringkas, namun tidak mampu untuk memuat naik apa-apa fail dengan pantas.
Kekangan terakhir yang mesti diselesaikan bagaimana LiFi mampu bertoleransi dengan gangguan isyarat, sebagai contoh, dengan hadirnya cahaya latar belakang ambien (ambient background light) ataupun lain-lain gangguan seperti kabus?
Ketika Professor Haas melakukan demonstrasi LiFi pada September 2015, beliau membuktikan bahawa halangan seperti kabus (dengan menggunakan kain sapu tangan sebagai contoh) tidak menghalang proses transmisi data. Ketika Professor Haas melakukan demonstrasi tersebut, cahaya latar belakang juga tidak memberikan sebarang masalah.
Ini kerana reka bentuk signal receiver ini tidak peduli sejauh manakah terangnya cahaya daripada LED, tetapi ia hanya berminat dengan signal fluctuation yang terhasil daripada aktiviti modulasi amplitud. Ini juga bermakna LiFi mampu beroperasi dengan isyarat cahaya yang dipantul daripada mana-mana objek.
“Berdasarkan kepada konsep high frequency = shorter distance, adakah ini bermaksud low frequency = longer distance?”
Ya betul!
Teknologi komunikasi selular generasi terdahulu seperti 2G dan GPRS menggunakan gelombang radio berfrekuensi rendah. Manakala teknologi komunikasi selular moden seperti LTE menggunakan gelombang radio berfrekuensi tinggi. Ini merupakan antara faktor kenapa LTE mempunyai liputan kawasan yang lebih kecil berbanding GPRS, selain daripada faktor perkakasan dan juga faktor perlesenan.
Teknologi LiFi ini dilihat mempunyai prospek masa depan yang cerah. Faktor yang menyumbang kepada masa depannya yang cerah antaranya ialah:
- Kos yang rendah, kerana
- LiFi boleh dibangunkan dengan infrastruktur pencahayaan LED yang sudah tersedia ada, dan juga kerana
- LiFi tidak memerlukan perlesenan dan juga pengawalan yang ketat sebagaimana gelombang radio.
Sepertinya juga kekangan-kekangan yang hadir dalam teknologi LiFi ini mampu diselesaikan. Kekangan jarak transmisi LiFi menjadikan ia lebih sesuai untuk digunakan dalam kawasan tertutup. Kekangan unidirectional transmission boleh diatasi dengan menggunakan LED inframerah tambahan, dan kekangan gangguan isyarat tidak menjadi satu masalah yang besar kerana LiFi hanya berminat dengan perubahan amplitud isyarat yang dihantar.
Ingin kami tekankan di sini bahawa teknologi LiFi ini merupakan satu alternatif untuk meningkatkan kelajuan transmisi aliran data, bukannya untuk meningkatkan kelajuan jaringan internet. Ini kerana kelajuan jaringan internet bergantung kepada pakej internet yang anda langgani dan juga yang ditawarkan oleh telco atau internet service provider anda.
Jika dilihat daripada skop yang lebih besar, teknologi LiFi membuka ruang yang baru dalam aplikasi realiti maya (virtual reality, VR). Untuk menghantar isyarat visual daripada komputer kepada peranti VR, data mestilah dihantar pada kelajuan yang sangat tinggi, mungkin memerlukan kepada jaringan optik fiber yang sangat mahal. Namun dengan hadirnya LiFi, bukan sahaja transmisi data dapat dilakukan pada kadar yang sangat tinggi, bahkan ia lebih murah dan tidak memerlukan wayar untuk menghubungkan antara peranti VR kepada komputer.
Kami berpendapat teknologi ini akan mendapat perhatian yang luas. Apakah pendapat anda?
[info]Terima kasih kepada Adib Yahaya, Syafiq Lomotech, dan juga Fadzli Badarul atas input mereka dalam menjayakan artikel ini. Anda boleh membaca nukilan saya, Aizan Fahri sebelum ini seperti Pengenalan Kepada HEVC, Pengenalan Kepada Dalvik, dan Pengenalan Kepada DDoS.[/info]