La luce renderà il futuro dei dati, il nuovo petrolio, ancora più luminoso. Tra le tecnologie che promettono di rivoluzionare le telecomunicazioni, ne spiccano due: si chiamano Li-Fi e Visible Light Communication (VLC). «La Visible Light Communication mira a utilizzare i LED non solo per illuminare o segnalare qualcosa, ma anche per trasmettere dati in modalità wireless», spiega Jacopo Catani, Responsabile del gruppo di ricerca sperimentale dell’Istituto Nazionale di Ottica (CNR-INO) sulle Comunicazioni Ottiche senza Fili (OWC) e le Comunicazioni a Luce Visibile (VLC).
Il potenziale della luce
Catani e il suo team stanno portando avanti diversi progetti collegati alla Visible Light Communication. Una tecnologia che si integra perfettamente con il Li-Fi, secondo quanto emerso dalla Rome Future Week, organizzata dalla PMI innovativa To Be per offrire una fotografia dello stato dell’arte di questa innovazione. Negli ultimi due anni il mercato della Light Fidelity, la trasmissione dei dati in modalità wireless via luce LED, ha visto un boom. Una crescita esponenziale spinta dal grande lavoro condotto da istituti di ricerca ed università di tutto il mondo.
Questo sforzo ha permesso di esplorare le potenziali applicazioni e i vantaggi di questa tecnologia, rendendola al tempo stesso sempre più affidabile e scalabile. Startup e aziende più grandi, poi, hanno investito in maniera importante per sviluppare le prime soluzioni commerciali, contribuendo all’incremento del mercato, che dal 2021 ha registrato un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 53%. Si stima che entro il 2030 i costi della tecnologia scenderanno sempre più, permettendo al settore di raggiungere un valore di 15 miliardi di dollari, mantenendo una crescita del 51%.
«È importante ricordare che le innovazioni tecnologiche passano sempre da una fase di ricerca iniziale che non è applicativa. Di conseguenza, è necessario creare una sinergia tra ricerca di base e applicata. Così come permettere ai ricercatori che lavorano su scienza e tecnologia di esprimere il loro pieno potenziale. Non è una cosa per niente scontata. Invece di fermarsi, bisogna guardare sempre verso nuove tecnologie».
Come funziona la tecnologia Visible Light Communication (VLC)?
«L’idea è inserire nella luce una modulazione ad alta frequenza, che l’occhio umano non può percepire. Questo è l’aspetto essenziale che permetterà la diffusione nelle applicazioni giornaliere. Allo stesso tempo, la modulazione di intensità ad altissima frequenza può essere decodificata da un ricevitore opportuno. È una tecnologia prettamente ottica, che però mira all’integrazione delle sorgenti di illuminazione esistenti con tecnologie innovative di comunicazione ottica wireless».
Quante sono le possibili applicazioni?
«Molteplici: si va dal caso specifico del Li-Fi, che mira ad abilitare le lampade LED bianche – tipiche delle case e degli ambienti pubblici – alla trasmissione dati, non solo da internet ma anche da sensori. Ma ci sono anche applicazioni nel campo dell’automotive. Si pensi al fatto che ormai la maggior parte dei veicoli elettrici sono dotati di sistemi fari e freni a LED. In questo caso, abbiamo già fatto studi e si può prevedere l’utilizzo delle lampade non solo per illuminare la strada o per segnalare la frenata, ma anche per trasmettere dati a bassa latenza in maniera molto rapida. La possibilità di scambio tra semafori e veicoli, ma anche tra mezzi, è essenziale per realizzare i protocolli di sicurezza avanzata.
L’idea è anche rendere automatico il comando di frenata del veicolo che segue, se la vettura precedente invia il comando di rallentamento. Oppure sarà possibile ricevere dati in tempo reale riguardo la velocità consigliata. Questo è fondamentale per risolvere problemi di viabilità come gli incolonnamenti, che spesso sono causa di incidenti gravissimi. Inoltre, applicando queste tecnologie a una colonna di camion è possibile ridurre la distanza di sicurezza a valori molto più bassi rispetto a quelli previsti attualmente dalla legge, perché la reazione è automatizzata. Il veicolo che segue non deve eseguire una misurazione della distanza o della velocità del precedente, ma è quello davanti che comunica a bassissima latenza la posizione, ed eventualmente la mappa del suo itinerario. In questo modo, è previsto anche un grande risparmio di carburante. La caratteristica principale di questa tecnologia è la trasmissione di dati a latenze bassissime».
Per quanto riguarda invece gli ambienti chiusi, quali applicazioni possiamo prevedere?
«Un aspetto fondamentale riguarda l’indoor localization. In ambienti chiusi, il segnale GPS arriva molto male, quindi i metodi standard per localizzare utenti in un museo, ad esempio, non possono fare leva su questi sistemi. Immaginiamo che ogni lampada emetta dati, a partire dalla posizione della lampada stessa nella struttura. Gli utenti che si muovono nell’ambiente possono avere cognizione di dove si trovano e anche comunicare al gestore dei servizi la loro posizione in maniera automatizzata. Questo permette di creare un flusso di utenti all’interno di una struttura, con vari scopi».
Parliamo dei possibili utilizzi in ambito commerciale delle comunicazioni via luce
«Innanzitutto, il gestore della struttura potrà capire davanti a quale negozio, ad esempio, il cliente si ferma di più. Oppure, in ambito museale, è possibile inviare attraverso la luce che illumina le singole opere anche dati relativi all’opera che sto guardando. Questo dà modo di creare un’esperienza dedicata, tramite servizi che sono di fatto sistemi di realtà aumentata. In questo modo, l’utente può avere informazioni addizionali sul proprio terminale a seconda di ciò che sta guardando. Su questo tema, abbiamo un brevetto su un ricevitore VLC, costruito per discriminare in maniera adattiva i flussi di dati che provengono da punti luce diversi o da oggetti illuminati da diversi punti di vista. Questo apre scenari notevoli nell’ottica delle comunicazioni pervasive e del 6G, nel quale le comunicazioni wireless avranno un ruolo essenziale a fianco di quelle basate su radiofrequenze».
Soffermandoci invece sulla mobilità, quanti investimenti servirebbero per adeguare le infrastrutture stradali e cittadine, penso ai semafori ma anche alla rete Wi-Fi ai sistemi basati sulla trasmissione via luce?
«Il punto chiave è che la tecnologia VLC mira a essere integrata nelle infrastrutture esistenti. Questo vuol dire che possiamo adattare le lampade standard dei semafori, ad esempio, con un sistema che le abilita alla trasmissione dati. Queste poi possono essere connesse a una centralina in modalità wireless, con costi relativamente moderati. In questo settore abbiamo diversi lavori in collaborazione con un’azienda di Prato, con la quale abbiamo sviluppato, nell’ambito del progetto di ricerca e sviluppo Prisma, la prima lampada semaforica al mondo, direttamente da integrare nelle lanterne esistenti. Abbiamo anche un brevetto correlato a questa tecnologia in prossimità degli incroci. Mira alla riduzione degli incidenti da collisioni per impegni occasionali e fortuiti».
Ci sono ostacoli di altro tipo alla diffusione della tecnologia VLC?
«Sicuramente. Come spesso avviene, uno dei più grossi ostacoli è la standardizzazione. Attualmente gli standard prevedono che questa tecnologia debba sottostare ad alcuni paletti dal punto di vista dei protocolli di comunicazione. Di fatto, il rischio è che non si converga verso uno standard unico, ponderato sulla ricerca che già esiste. Questo secondo me è un aspetto da tenere in conto e affrontare quanto prima. La regolamentazione e la certificazione sono altri elementi nei quali mi aspetto diverse problematiche. Tuttavia, a differenza di alcune tecnologie, che hanno bisogno di certificazione di sicurezza, in questo caso usiamo lampade che già esistono, modifichiamo soltanto la modalità con cui viene emessa la luce.
In poche parole, per l’uomo che sta davanti a questi dispositivi, non cambia nulla e non c’è rischio per la salute. La privacy è un aspetto sicuramente importante, ma rispetto a sistemi basati su radio frequenza (come il Wi-Fi) hanno il vantaggio di avere un canale fortemente direzionale. Ad esempio, il semaforo è progettato per emettere luce in una sola direzione. Se mi muovo il segnale si perde, questo fa sì che i VLC abbiano una sicurezza fisica molto elevata. Tornando al Li-Fi, è riconosciuta come una delle tecnologie di scambio dati più sicure, perché dopo aver chiuso porta e finestra la luce non esce dalla stanza. Per questo, posso connettere diversi utenti in una riunione riservata senza il rischio che malintenzionati possano prelevare informazioni».
Quando potremo vederla in commercio?
«Esistono già società, Startup o new companies, che hanno deciso di investire nel settore. Ad esempio Signify, una costola di Philips, ha iniziato a produrre qualche sorgente LED in grado di trasmettere un codice digitale. Ancora non siamo alla comunicazione vera e propria però, c’è molto da sviluppare. Una grossissima opportunità di sviluppo è anche la creazione dell’infrastruttura. Non parliamo soltanto degli end point di questa innovazione, ma anche della gestione del sistema».
Quanto ai dispositivi ibridi per comunicazione VLC e conversione di energia solare?
«È noto che i dispositivi messi in rete ogni anno aumentano esponenzialmente, per questo è essenziale che l’infrastruttura di rete possa supportarli. Da questo punto di vista la possibilità di usare lo spettro ottico, oltre alla radiofrequenza, aiuta molto a superare la cosiddetta congestione dello spettro RF. C’è anche un discorso legato alla sostenibilità energetica. Diventa essenziale che molti di questi dispositivi siano in grado di prendere energia in maniera autonoma. Per questo motivo, la possibilità di utilizzare dispositivi che possano convertire energia elettrica in solare, ma anche di comunicare dati diventa un aspetto chiave e rivoluzionario. Da questo punto di vista, per il progetto del Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza I-PHOQS, stiamo implementando la struttura esistente per lo sviluppo di materiali mirati a questo duplice scopo.
Stiamo lavorando sullo sviluppo di dispositivi ibridi che possano comunicare e raccogliere energia solare. In particolare, è interessante lo sviluppo di prototipi di finestra smart, in grado sia di convertire parte della radiazione solare sia di decodificare segnali ottici che possono essere veicolati attraverso le luci bianche presenti nella stanza. Si possono applicare anche a diverse superfici, parabrezza delle auto, scrivanie, creando dispositivi ibridi che raccolgono tanto la luce solare quanto il segnale VLC. Una possibilità che apre a opportunità enormi, soprattutto in ottica di Internet of Things (IoT)». ©
Articolo tratto dal numero del 1 novembre 2023 de il Bollettino. Abbonati!