TED日本語 - ハラルド・ハース: 電球からのデータ発信


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TED日本語 - ハラルド・ハース: 電球からのデータ発信

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Wireless data from every light bulb


Harald Haas


世界中の電球からデータを発信できたらどうでしょうか?TEDGlobal でハラルド・ハースは、それを実現させる機器の初のデモンストレーションを行います。人間の眼では認知できない速度でLEDライトを点滅させることで、セルラー方式の電波を使うよりも遥かに多いデータを送ることができます。さらに効率性・安全性・有用性でも従来のものより優れています。




Do you know that we have 1.4 million cellular radio masts deployed worldwide? And these are base stations. And we also have more than five billion of these devices here. These are cellular mobile phones. And with these mobile phones, we transmit more than 600 terabytes of data every month. This is a 6 with 14 zeroes -- a very large number. And wireless communications has become a utility like electricity and water. We use it everyday. We use it in our everyday lives now -- in our private lives, in our business lives. And we even have to be asked sometimes, very kindly, to switch off the mobile phone at events like this for good reasons. And it's this importance why I decided to look into the issues that this technology has, because it's so fundamental to our lives.

And one of the issues is capacity. The way we transmit wireless data is by using electromagnetic waves -- in particular, radio waves. And radio waves are limited. They are scarce; they are expensive; and we only have a certain range of it. And it's this limitation that doesn't cope with the demand of wireless data transmissions and the number of bytes and data which are transmitted every month. And we are simply running out of spectrum. There's another problem. That is efficiency. These 1.4 million cellular radio masts, or base stations, consume a lot of energy. And mind you, most of the energy is not used to transmit the radio waves, it is used to cool the base stations. Then the efficiency of such a base station is only at about five percent. And that creates a big problem. Then there's another issue that you're all aware of. You have to switch off your mobile phone during flights. In hospitals, they are security issues. And security is another issue. These radio waves penetrate through walls. They can be intercepted, and somebody can make use of your network if he has bad intentions.

So these are the main four issues. But on the other hand, we have 14 billion of these: light bulbs, light. And light is part of the electromagnetic spectrum. So let's look at this in the context of the entire electromagnetic spectrum, where we have gamma rays. You don't want to get close to gamma rays, it could be dangerous. X-rays, useful when you go to hospitals. Then there's ultraviolet light. it's good for a nice suntan, but otherwise dangerous for the human body. Infrared -- due to eye safety regulations, can be only used with low power. And then we have the radio waves, they have the issues I've just mentioned. And in the middle there, we have this visible light spectrum. It's light, and light has been around for many millions of years. And in fact, it has created us, has created life, has created all the stuff of life. So it's inherently safe to use. And wouldn't it be great to use that for wireless communications?

Not only that, I compared [ it to ] the entire spectrum. I compared the radio waves spectrum -- the size of it -- with the size of the visible light spectrum. And guess what? We have 10,000 times more of that spectrum, which is there for us to use. So not only do we have this huge amount of spectrum, let's compare that with a number I've just mentioned. We have 1.4 million expensively deployed, inefficient radio cellular base stations. And multiply that by 10,000, then you end up at 14 billion. 14 billion is the number of light bulbs installed already. So we have the infrastructure there. Look at the ceiling, you see all these light bulbs. Go to the main floor, you see these light bulbs.

Can we use them for communications? Yes. What do we need to do? The one thing we need to do is we have to replace these inefficient incandescent light bulbs, florescent lights, with this new technology of LED, LED light bulbs. An LED is a semiconductor. It's an electronic device. And it has a very nice acute property. Its intensity can be modulated at very high speeds, and it can be switched off at very high speeds. And this is a fundamental basic property that we exploit with our technology. So let's show how we do that. Let's go to the closest neighbor to the visible light spectrum -- go to remote controls. You all know remote controls have an infrared LED -- basically you switch on the LED, and if it's off, you switch it off. And it creates a simple, low-speed data stream in 10,000 bits per second,20,000 bits per second. Not usable for a YouTube video.

What we have done is we have developed a technology with which we can furthermore replace the remote control of our light bulb. We transmit with our technology, not only a single data stream, we transmit thousands of data streams in parallel, at even higher speeds. And the technology we have developed -- it's called SIM OFDM. And it's spacial modulation -- these are the only technical terms, I'm not going into details -- but this is how we enabled that light source to transmit data.

You will say, "Okay, this is nice -- a slide created in 10 minutes." But not only that. What we've done is we have also developed a demonstrator. And I'm showing for the first time in public this visible light demonstrator. And what we have here is no ordinary desk lamp. We fit in an LED light bulb, worth three U.S. dollars, put in our signal processing technology. And then what we have here is a little hole. And the light goes through that hole. There's a receiver. The receiver will convert these little, subtle changes in the amplitude that we create there into an electrical signal. And that signal is then converted back to a high-speed data stream. In the future we hope that we can integrate this little hole into these smart phones. And not only integrate a photo detector here, but maybe use the camera inside.

So what happens when I switch on that light? As you would expect, it's a light, a desk lamp. Put your book beneath it and you can read. It's illuminating the space. But at the same time, you see this video coming up here. And that's a video, a high-definition video that is transmitted through that light beam. You're critical. You think, "Ha, ha, ha. This is a smart academic doing a little bit of tricks here." But let me do this.


Once again. Still don't believe? It is this light that transmits this high-definition video in a split stream. And if you look at the light, it is illuminating as you would expect. You don't notice with your human eye. You don't notice the subtle changes in the amplitude that we impress onto this light bulb. It's serving the purpose of illumination, but at the same time, we are able to transmit this data. And you see, even light from the ceiling comes down here to the receiver. It can ignore that constant light, because all the receiver's interested in are subtle changes. You also have a critical question now, and you say, "Okay, do I have to have the light on all the time to have this working?" And the answer is yes. But, you can dim down the light to a level that it appears to be off. And you are still able to transmit data -- that's possible.

So I've mentioned to you the four challenges. Capacity: We have 10,000 times more spectrum,10,000 times more LEDs installed already in the infrastructure there. You would agree with me, hopefully, there's no issue of capacity anymore. Efficiency: This is data through illumination -- it's first of all an illumination device. And if you do the energy budget, the data transmission comes for free -- highly energy efficient. I don't mention the high energy efficiency of these LED light bulbs. If the whole world would deploy them, you would save hundreds of power plants. That's aside.

And then I've mentioned the availability. You will agree with me that we have lights in the hospital. You need to see what to do. You have lights in an aircraft. So it's everywhere in a day there is light. Look around. Everywhere. Look at your smart phone. It has a flashlight, an LED flashlight. These are potential sources for high-speed data transmission.

And then there's security. You would agree with me that light doesn't penetrate through walls. So no one, if I have a light here, if I have secure data, no one on the other side of this room through that wall would be able to read that data. And there's only data where there is light. So if I don't want that receiver to receive the data, then what I could do, turn it away. So the data goes in that direction, not there anymore. Now we can in fact see where the data is going to.

So for me, the applications of it, to me, are beyond imagination at the moment. We have had a century of very nice, smart application developers. And you only have to notice, where we have light, there is a potential way to transmit data. But I can give you a few examples. Well you may see the impact already now. This is a remote operated vehicle beneath the ocean. And they use light to illuminate space down there. And this light can be used to transmit wireless data that these things [ use ] to communicate with each other.

Intrinsically safe environments like this petrochemical plant -- you can't use RF, it may generate antenna sparks, but you can use light -- you see plenty of light there. In hospitals, for new medical instruments; in streets for traffic control. Cars have LED-based headlights, LED-based back lights, and cars can communicate with each other and prevent accidents in the way that they exchange information. Traffic lights can communicate to the car and so on. And then you have these millions of street lamps deployed around the world. And every street lamp could be a free access point. We call it, in fact, a Li-Fi, light-fidelity. And then we have these aircraft cabins. There are hundreds of lights in an aircraft cabin, and each of these lights could be a potential transmitter of wireless data. So you could enjoy your most favorite TED video on your long flight back home. Online life. So that is a vision, I think, that is possible.

So, all we would need to do is to fit a small microchip to every potential illumination device. And this would then combine two basic functionalities: illumination and wireless data transmission. And it's this symbiosis that I personally believe could solve the four essential problems that face us in wireless communication these days. And in the future, you would not only have 14 billion light bulbs, you may have 14 billion Li-Fis deployed worldwide -- for a cleaner, a greener, and even a brighter future.

Thank you.


知っていますか 140万本のセルラー方式の電波塔が この世界にあります これは基地局となっています また この世界には このような機器がなんと 50億個以上もあります つまり セルラー方式の携帯電話です 我々は携帯電話で 毎月 600テラバイトものデータを 送信しています 0がなんと14個もある 膨大な数値となっています 今日では 電気や水のように 無線通信も生活必需品と なっています 職場でもプライベートでも 毎日のように使っています さらに時折 このようなイベントでは当たり前のように 携帯電話の電源を切るよう 丁寧にお願いされます 重要度の高さが まさに この技術の抱える問題を 研究しようと思った理由です つまり無線通信は生活に不可欠なのです

その問題の1つが容量です データを送る方法として電磁波 -- 特に電波を使っています 電波には制限があります 量は乏しく 値段は高く 一定の範囲の波長しか使えません この制限のせいで 毎月送られる膨大なバイト数や 莫大なデータを処理できず 無線通信の需要が満たされていないのです スペクトルを使い果すためです 2つ目の問題は 効率の悪さです 基地局である140万本の電波塔は 大量のエネルギーを消費します なんとエネルギーのほとんどは 電波を送るためではなく 塔を冷却するために使われています それらの電波塔の効率性は たったの5%なのです この効率の悪さは大きな問題です 3つ目の問題は皆さんもお気づきでしょう 飛行機で携帯電話を使えない という実用性の問題です 病院では安全面の問題がでてきます 安全性が4つ目の問題です 電波は壁を通過します 妨害されることもありますし 人によってはあなたのネットワークを 利用しようとします

この4つが主な問題です ところが その一方で 世界には140億個もの 電球があります つまり光です 光は電磁スペクトルの一種です では他の電磁スペクトルも 見てみましょう ガンマ線は 危険なので近づかないで下さい X線は医療の現場で役立ちます 次は紫外線です 程良い日焼けにはいいですが 度を超すと危険です 赤外線は 低出力でのみ使用できます 眼の保護規制がありますから 次は電波です もう問題はお分かりですね そして真ん中にあるのが光スペクトルです そう 光です 光は何百万年も存在しています 実のところ 光は我々を創造し 生命を創り そして命における 全てのものを創りました つまり 光は本質的に安全なのです 光を通信手段に使うことは素晴らしいと思いませんか

実は 光を他のスペクトルと比較しました 電波の量と 光スペクトルの量を 比べてみました どうなったでしょうか なんと 電波よりも光スペクトルの方が 1万倍も多く使用することができるのです 量が多いだけではありません 先程述べた数字を使いましょう この世界には 非効率的で 高価なセルラー方式の基地局が 140万本あります それを1万倍にしてみると 140億となります 140億という数字は既にある電球の数です つまりインフラは整っています 天井を見上げると電球がたくさんあります メインフロアでも同じです

これを通信に使えるか -- 使えます 何が必要になるでしょうか まず必要な事は 効率も悪く 高熱を発する 蛍光灯を取り除いて 代わりに 新しい技術である LED電球を設置することです LEDは半導体の電子機器です そして LED電球は反応がとても早いです とても速いスピードで 明るさの調節が可能で 電源を消すことも瞬時に行えます この性質は不可欠です 独自の技術を使って 研究しました ではお見せしましょう まずは身近な物で説明しましょう そう リモコンです リモコンには赤外線LEDが 付いていて それをOn/Offするのです これは単調なデータが 遅いスピード -- 毎秒1万~2万ビット 流れる仕組みですが Youtube には遅すぎます

それについて 我々は ある技術を開発し リモコン内の電球をさらに改良して 取り替えました 我々の技術を使えば 単一のデータ流だけでなく 数千ものデータ流を 同時に送ることができます スピードも増しています 我々は この技術を SIM OFDM と呼んでいます これは空間変調技術ですが 専門用語なので ここでは詳細を割愛します ですが このようにして 光源でのデータ発信が できるようになります

「素敵なスライドショーですね」と 思っているでしょうが それだけではないのです 実を言うと デモ用モデルを作ったのです ここで この技術の初めての デモンストレーションを行います ここにあるのは 普通のデスクスタンドです これに3米ドルくらいの LED電球を装着して 信号処理技術を組み込みました ここには小さな穴があります 光の通り道です これが受信機です この受信機が振幅の微かな変動を 変換して 電子信号に変えます さらに電子信号を変換して 高速のデータ流を生みだします 将来的には この小さい穴の役割を スマートフォンが担うことでしょう 光センサーをつけるだけではなく 内部カメラも利用できそうです

このスイッチをつけると いったい何が起こるか お察しの通り これはデスクスタンドです スイッチをつければ本が読めるでしょう 光は空間を照らします しかし同時に動画が映っていますね これは高画質の映像ですが 光によって発信されています 批評家である皆さんは こう思われているでしょう 「これには何か種があるはずだ」 しかし こうしてみると --


ではもう一度 まだ信じられませんか 正真正銘 この光が 高画質映像を分割して発信しています デスクスタンドを見てみると やはり光っています 人間の眼では認識できません 電圧の振幅の微かな違いを 我々は認識できないのです 本来の目的は照明ですが 同時に データ発信も可能なのです もちろん天井からの光も 受信機を照らしていますが 影響を与えないようにする事ができます その理由は 受信機が 微かな変動だけを察知するからです こんな疑問をおもちでは? 「結局のところ データを発信している間は ずっと光が必要なのか」 答えはYESです ですが 照明をまるで電源がオフの時のようにまで 暗くすることができます そんな状態でもデータ発信はできます

先程 4つの課題を述べました まずは容量 -- 電波より1万倍も多い 光スペクトルがあります その数のLEDが既にあります つまり容量は問題ないです 賛成してくれますよね 次に効率 -- データは光を通ります 元々は照明機器です エネルギー予算を計上してみると データ発信は無料で行えます つまり効率はよくなります LED電球自体の効率性には ここでは触れません 世界全体にLEDを設置すれば 何百もの発電所が必要なくなります この話は置いておきましょう

そして実用性 -- 光はもちろん病院の中にありますよね 見えないといけませんから 光は飛行機の中にもあります つまり どこにでもあるのです そう スマートフォンだってそうですよ LEDライトが付いています これらを使って 高速データ発信が可能なのです

最後に安全性 -- 光は壁を通過しません これには賛成してくれますよね 機密データであろうが 光がここにある場合 壁の向こう側にいる人たちは 誰も読むことができません 光のある所にのみデータが存在するのです つまり この受信機にデータを与えたくない場合 私がやることは ただ光をそらせばいいのです そこにはもう送られません データの行き先が実際に分かります

私にとって この技術の実用化は 発明当時の予想を遥かに超えています この10年で 素晴らしいアプリ開発者が何人も出ています 気づいてみれば 光がある所では データ発信技術の使い道があるのです 少し例をあげてみましょう 事の大きさに既にお気づきかもしれませんが これは海底探査車で 遠隔操作ができます 海底を照らすために光を使っています この光もデータ発信に利用でき 探査車同士での通信も可能となります

安全第一の環境である 石油化学プラントでは 高周波は使えません 火が点くかもしれません しかし見ての通り 光なら使えます 病院では 新しい医療機器に利用できそうです 道路での交通規制にも使えそうですね 車にはLEDライトが前後に付いています 車同士の通信も可能になり 情報交換によって 事故を防ぐことすらできます 信号と車の通信など 他にも色々あります 世界中の道路には 数百万本もの街灯が立っています 街灯で無線通信ができます これを Li-Fi と呼んでいます ライト・フィデリティーです 飛行機の客室には 数百個もの電球があります この電球を使って データを発信することができます あなたのお気に入りのTEDトークを 長旅の間に見られます オンライン生活も不可能ではありません

必要な事は マイクロチップを 照明機器に取り付けるだけです これによって 生活の基盤の2つである 照明と無線通信の 両方の機能が得られます これは共益関係であり 今日の無線通信における 4つの問題に対する解決策だと思います そして将来 140億個の電球が Li-Fi 装置となって 世界中に整備されているでしょう 向かう先は クリーンで 環境に優しく そしてもっと明るい未来です



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