LiFi（ライファイ）とは？LEDの光でデータを送る次世代通信技術の仕組みとWi-Fiとの違い

お宅の中を見渡してみてください。ほぼすべての電子機器・電気製品に共通して備わっているものは何でしょうか？そう、「インターネット接続」です。では、モバイルネットワークやWi-Fiルーターと同じように、あのLED照明でも通信ができるとしたらどうでしょう？信じられないかもしれませんが、これは実在する驚くべき技術なのです。

この技術は、「光無線通信（Optical Wireless Communication）」というカテゴリーに属する新しい通信方式です。光無線通信とは、光ファイバーなどのケーブルを使わずに光で通信を行う方式すべてを指します。

可視光通信（VLC）とは

LEDライトを使ったデータ転送・通信は「可視光通信（Visible Light Communication：VLC）」と呼ばれます。VLCでは、照明光源を非常に高い速度で点滅させることでデータを送信します。この点滅は人間の目には感知できませんが、受光素子（フォトディテクター）には検知できます。

VLC ＝ 照明 ＋ 通信

VLCに類似した用語として、以下の2つが挙げられます。

1. 自由空間光通信（FSO：Free Space Optical Communication） ― VLCと似た方式ですが、可視光に限定されません。紫外線や赤外線もFSOの範疇に含まれます。また、FSOは照明としての機能を必要としないため、建物間の通信リンクなど、絞り込んだ狭いビームの光を使う用途に適しています。
2. Li-Fi ― Wi-Fiが使われるような場面での高速VLCを指す用語です。Li-Fi通信はWi-Fi通信とよく似ていますが、Li-Fiが可視光を伝送媒体とするのに対し、Wi-Fiは電波（無線周波数）を使用する点が異なります。

LiFiの定義

LiFiは「Light Fidelity（ライト フィデリティ）」の略称です。発光ダイオード（LED）を利用してデータ伝送を行う、無線型の光ネットワーク技術であり、可視光通信（VLC）システムの一種です。

LiFiは、家庭やオフィスで使われている省エネ型のLED電球と同じものを活用するよう設計されています。これらのLED電球は単に照明として機能するだけでなく、データ転送にも対応し、理論上は最大224ギガビット毎秒という超高速通信を実現します。

イメージをつかむために、懐中電灯でモールス信号を送る場面を思い浮かべてください。手動で点滅させれば、それは光によるデータ送信ですが、頻繁に点滅するため実用的な照明源とは言えません。ところが、コンピュータで制御して極めて高速に点滅させると、人間の目には一定の光として見えます。こうして「照明」と「通信」を同時に実現できる――これこそがVLCの本質です。

LiFiの動作原理

このシステムの仕組みは非常にシンプルです。LEDライトを特定のパターンでオン・オフすることでデータを定義し、その高速な点滅は人間の目には知覚できません。

基本的なLi-Fi／VLCシステムには、次の2つの必須要素があります。

1. 光信号を受信できるフォトダイオードを搭載した少なくとも1台のデバイス
2. 信号処理ユニットを備えた光源

通常の電球に一定の電流を流すと、一定量の光子が放出され、それが可視光として観察されます。電流をゆっくり変化させれば、光の出力強度も緩やかに明暗します。一方、LED電球は半導体デバイスであるため、電流（ひいては光出力）を極めて高速で変調できます。この変調は受光デバイスによって検知され、再び電気信号へと変換されます。

あらゆる通信技術において、情報は「1」と「0」からなるバイナリデータ列に変換されます。このデータ列は、光のオン・オフ信号として符号化できます。「1」は光のON信号、「0」はOFF信号として表現され、受信側では光の明滅が1と0として解釈されるのです。

Wi-FiとLiFiの違い

Li-FiとWi-Fiはどちらも電磁波でデータを送信するという点で共通しています。ただし、Wi-Fiは電波を使うためデータレートが比較的遅いのに対し、Li-Fiは可視光を使用するため、はるかに高速なデータ転送が可能です。また、近隣アクセスポイントからの信号干渉はWi-Fi伝送における大きな課題ですが、Li-Fiシステムにはそのような弱点がありません。

電波通信には無線回路・アンテナ・複雑な受信機が必要ですが、Li-Fiははるかにシンプルで、テレビのリモコンなど低コストな赤外線通信デバイスと同様の直接変調方式を採用しています。

さらに、Li-FiはIrDA規格のデバイスと互換性があり、干渉の問題もないため、航空機内や海洋探査など、さまざまな環境での利用が期待できます。一方のWi-Fiは802.11規格のデバイスにのみ対応し、主にインターネット閲覧やホットスポット構築に使われています。

Wi-FiにはないLi-Fi技術の主な利点は以下の通りです。

1. 人が密集したエリアや塩水の中でも伝送可能
2. 信号が壁を透過しないため、データがより安全に保護される
3. 可視光は電波よりはるかに高密度なため、大量のデータ転送が可能
4. Li-Fiシステムの最高記録速度は10ギガビット毎秒

LiFiのメリット

1. 効率性 ― この技術は可視光スペクトルを利用します。オフィスや家庭にはすでにLED電球があるため、一つの設備で照明と通信の二役を担え、コスト面・エネルギー面の両方で効率的です。
2. 可用性 ― 最大の強みは、光とLED電球のある場所ならどこでも利用できることです。家庭、飛行機、オフィス、店舗、ショッピングモールなど、あらゆる場所で高速データ伝送が実現できます。
3. セキュリティ ― 可視光信号は不透明な物体を透過できないため、Li-Fiへのアクセスはその部屋の中だけに限定されます。これはLi-Fi技術最大のセキュリティ上の利点です。

LiFiの課題

完璧な技術は存在せず、どの技術にも限界があります。Li-Fiも例外ではありません。セキュリティや速度の面で多くの利点を持ちながら、以下のような課題を抱えています。

1. 見通し線（Line Of Sight） ― 信号が壁を抜けないことはセキュリティ上の利点である反面、生活空間の物体で信号が反射・遮られるため、カバレッジ距離に制約が生じます。
2. マルチパス歪み ― 送受信機から宛先までの経路ごとに距離が異なるため、信号の到達に時間差が生じます。これがシンボル間干渉（ISI）の問題を引き起こします。
3. 単方向通信 ― VLCは一方向の伝送で最良の性能を発揮します。波長分割・時間分割・異なるコードの使用などでアップリンクとダウンリンクを分離する手法もありますが、コストが高くなるため、現状ではダウンリンク向けの実装が最適と考えられています。
4. 常時点灯の必要性 ― VLCシステムが機能するには、照明が常についている必要があります。商業施設や産業エリアでは人のいる間は照明が点いていますが、一般家庭では照明は照明目的のみで使われ、一日の大半は消えているのが実情です。
5. 送信源の現状 ― 現在製造されているLEDライトはあくまで照明目的のものであり、通信用途は計画の優先事項に入っていません。ただし実用面では、低コストのLEDデバイスでも十分優れた結果が得られています。

Li-Fiは素晴らしい技術であり、まだ発展途上の段階にあります。現段階で将来の成長を正確に予測することは困難ですが、Li-FiとWi-Fiを組み合わせることで、両者の長所を兼ね備えたインターネット環境が実現するのは間違いないでしょう。