Optická komunikace ve volném prostoru - Free-space optical communication

Tento článek je o optické komunikaci na dlouhé vzdálenosti. Pro komunikaci krátkého až středního dosahu viz Optická bezdrátová komunikace .

Laserový spoj s 8 paprskovými optikami volného prostoru s rychlostí 1 Gbit/s. Receptor je velká čočka uprostřed, vysílače ty menší. V pravém horním rohu je monokulár pro vyrovnání obou hlav.

Optická komunikace ve volném prostoru ( FSO ) je optická komunikační technologie, která využívá světlo šířící se ve volném prostoru k bezdrátovému přenosu dat pro telekomunikace nebo počítačové sítě . „Volný prostor“ znamená vzduch, vesmír, vakuum nebo něco podobného. To kontrastuje s použitím těles, jako je kabel z optických vláken .

Tato technologie je užitečná tam, kde je fyzické připojení nepraktické z důvodu vysokých nákladů nebo jiných důvodů.

Dějiny

Fotofonní přijímač a náhlavní souprava, jedna polovina optického telekomunikačního systému Bell a Tainter z roku 1880

Optické komunikace v různých formách se používají již tisíce let. Tyto Staří Řekové používali kódovaný abecední systém signalizace s pochodní vytvořených Cleoxenus, Democleitus a Polybius . V moderní době byly vyvinuty semafory a bezdrátové sluneční telegrafy zvané heliografy , využívající ke komunikaci se svými příjemci kódované signály.

V roce 1880 Alexander Graham Bell a jeho asistent Charles Sumner Tainter vytvořili fotofon v Bellově nově založené Voltově laboratoři ve Washingtonu, DC . Bell to považoval za svůj nejdůležitější vynález. Zařízení povolena pro vysílání ze zvuku k paprsku světla . 3. června 1880 provedl Bell první bezdrátový telefonní přenos na světě mezi dvěma budovami, vzdálenými od sebe asi 213 metrů.

Jeho první praktické použití přišlo ve vojenských komunikačních systémech o mnoho desetiletí později, nejprve pro optickou telegrafii. Německé koloniální jednotky používaly během genocidy Hererů a Namaqua od roku 1904 v německé jihozápadní Africe (dnešní Namibie ) heliografní telegrafní vysílače, stejně jako britské, francouzské, americké nebo osmanské signály.

WW I German Blinkgerät

Během zákopové války z první světové války , kdy byl drát komunikace často řez, němečtí signály použity tři typy optických Morse vysílače s názvem Blinkgerät , intermediární typ pro vzdálenosti až do 4 km (2,5 mil) za denního světla a až 8 km ( 5 mil) v noci pomocí červených filtrů pro nezjištěnou komunikaci. Optická telefonní komunikace byla testována na konci války, ale nebyla zavedena na úrovni vojsk. Kromě toho byly pro komunikaci s letouny, balónky a tanky použity různé blinkgeräty s různým úspěchem.

Hlavním technologickým krokem bylo nahrazení Morseovy abecedy modulací optických vln v přenosu řeči. Carl Zeiss, Jena vyvinula Lichtsprechgerät 80/80 (doslovný překlad: optický mluvící přístroj), který německá armáda používala ve svých protiletadlových obranných jednotkách z 2. světové války nebo v bunkrech u Atlantické zdi .

Vynález laserů v 60. letech znamenal revoluci v optice volného prostoru. Vojenské organizace se zvláště zajímaly a podpořily jejich rozvoj. Tato technologie však ztratila dynamiku trhu, když instalace optických vláken pro civilní použití byla na svém vrcholu.

Mnoho jednoduchých a levných dálkových ovladačů pro spotřebitele využívá nízkorychlostní komunikaci pomocí infračerveného (IR) světla. Toto je známé jako spotřebitelské IR technologie.

Využití a technologie

Optické spoje point-to-point volného prostoru lze implementovat pomocí infračerveného laserového světla, i když je možné komunikaci s nízkou rychlostí přenosu dat na krátké vzdálenosti pomocí LED diod . Technologie IrDA ( Infrared Data Association ) je velmi jednoduchá forma optické komunikace ve volném prostoru. Na komunikační straně je technologie FSO považována za součást optických bezdrátových komunikačních aplikací. Pro komunikaci mezi kosmickými loděmi lze použít optiku volného prostoru .

Komerční produkty

  • V roce 2008 společnost MRV Communications představila systém založený na optice volného prostoru (FSO) s datovou rychlostí 10 Gbit/s, který původně tvrdil o vzdálenosti 2 km (1,2 mil) při vysoké dostupnosti. Toto vybavení již není k dispozici; před koncem životnosti byla užitečná vzdálenost výrobku změněna až na 350 m (1150 stop).
  • V roce 2013 se společnost MOSTCOM začala sériově vyrábět nový bezdrátový komunikační systém, který měl také přenosovou rychlost 10 Gb / s, jakož i zlepšeným dosahem až 2,5 km (1.6 mi?), Ale aby se na 99,99% uptime designéři použili hybridní řešení RF, což znamená, že rychlost přenosu dat během atmosférických poruch klesá na extrémně nízké úrovně (obvykle až 10 Mbit/s). V dubnu 2014 společnost s Vědeckotechnickým centrem „Fiord“ předvedla přenosovou rychlost 30 Gbit/s za „laboratorních podmínek“. V roce 2018 začala společnost Mostcom exportovat systém 30 Gbps na světový telekomunikační trh.
  • LightPointe nabízí mnoho podobných hybridních řešení, jaké nabízí MOSTCOM.

Užitečné vzdálenosti

Spolehlivost jednotek FSO byla vždy problémem pro komerční telekomunikace. Studie konzistentně zjišťují příliš mnoho spadlých paketů a chyby signálu na malé vzdálenosti (400 až 500 metrů (1300 až 1600 stop)). Vyplývá to jak z nezávislých studií, například v České republice, tak z formálních interních celostátních studií, jako je studie prováděná pracovníky MRV FSO. Vojenské studie soustavně produkují delší odhady spolehlivosti, přičemž maximální dosah pozemských spojení je 2 až 3 km. Všechny studie souhlasí s tím, že stabilita a kvalita spojení je velmi závislá na atmosférických faktorech, jako je déšť, mlha, prach a teplo. K rozšíření dosahu pro komunikaci FSO lze použít relé.

Prodloužení užitečné vzdálenosti

Oficiální koncept umění DARPA ORCA vytvořil c.  2008

Hlavním důvodem, proč byla pozemská komunikace omezena na nekomerční telekomunikační funkce, je mlha. Mlha důsledně brání laserovým spojům FSO přes 500 metrů (1600 stop) v dosažení celoroční bitové chybovosti 1 na 100 000. Několik entit se neustále pokouší překonat tyto klíčové nevýhody komunikace FSO a vybudovat systém s lepší kvalitou služeb. DARPA sponzorovala více než 130 milionů USD na výzkum směřující k tomuto úsilí s programy ORCA a ORCLE.

Jiné nevládní skupiny provádějí testy k vyhodnocení různých technologií, o nichž někteří tvrdí, že jsou schopné řešit klíčové výzvy při přijímání FSO. V říjnu 2014 nikdo nevytvořil funkční systém, který by se zabýval nejběžnějšími atmosférickými jevy.

Výzkum FSO v letech 1998–2006 v soukromém sektoru činil celkem 407,1 milionu USD, rozdělených primárně mezi čtyři začínající společnosti. Všem čtyřem se nepodařilo dodat produkty, které by splňovaly standardy telekomunikační kvality a vzdálenosti:

  • Terabeam obdržel přibližně 575 milionů dolarů na financování od investorů, jako jsou Softbank, Mobius Venture Capital a Oakhill Venture Partners. AT&T a Lucent tento pokus podpořili. Práce nakonec selhaly a společnost byla koupena v roce 2004 za 52 milionů $ (bez záruk a opcí) společností Falls Church, Va.-založené YDI, s platností od 22. června 2004, a pro novou entitu používala název Terabeam. Dne 4. září 2007, Terabeam (tehdy se sídlem v San Jose, Kalifornie) oznámil, že změní svůj název na Proxim Wireless Corporation a změní svůj burzovní symbol NASDAQ z TRBM na PRXM.
  • Společnost AirFiber získala finanční prostředky ve výši 96,1 milionu dolarů a nikdy nevyřešila problém s počasím. V roce 2003 se vyprodaly na komunikaci MRV a MRV prodávaly své jednotky FSO až do roku 2012, kdy bylo pro sérii Terescope náhle oznámeno ukončení životnosti.
  • Společnost LightPointe Communications obdržela 76 milionů dolarů na počáteční prostředky a nakonec reorganizovala prodej hybridních jednotek FSO-RF, aby překonala výzvy související s počasím.
  • Společnost Maxima Corporation publikovala svou provozní teorii ve vědě a před trvalým vypnutím získala finanční prostředky ve výši 9 milionů dolarů. Po tomto úsilí nenásledoval žádný známý spin-off ani nákup.
  • Společnost Wireless Excellence vyvinula a uvedla na trh řešení CableFree UNITY, která kombinují FSO s milimetrovými vlnami a rádiovými technologiemi za účelem prodloužení vzdálenosti, kapacity a dostupnosti, s cílem učinit z FSO užitečnější a praktičtější technologii.

Jedna soukromá společnost zveřejnila článek 20. listopadu 2014 a tvrdila, že dosáhla komerční spolehlivosti (dostupnost 99,999%) v extrémní mlze. Neexistuje žádný náznak, že tento produkt je v současné době komerčně dostupný.

Mimozemský

Viz také: Laserová komunikace ve vesmíru

K obrovským výhodám laserové komunikace ve vesmíru závodí více vesmírných agentur, aby vyvinuly stabilní vesmírnou komunikační platformu s mnoha významnými ukázkami a úspěchy.

Operační systémy

První gigabitové laserové komunikace bylo dosaženo Evropskou vesmírnou agenturou a nazvané European Data Relay System (EDRS) 28. listopadu 2014. Systém je funkční a používá se denně.

Demonstrace

NASA OPALS oznámila průlom v komunikaci mezi vesmírem a zemí, 9. prosince 2014, nahrání 175 megabajtů za 3,5 sekundy. Jejich systém je také schopen znovu získat sledování poté, co byl signál ztracen kvůli oblačnosti.

V časných ranních hodinách 18. října 2013 se do historie zapsala lunární laserová komunikační demonstrace NASA (LLCD) NASA, která přenášela data z oběžné dráhy Měsíce na Zemi rychlostí 622 megabitů za sekundu (Mbit/s). LLCD byl letecky převezen na palubu satelitu Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), jehož primárním vědeckým posláním bylo prozkoumat jemnou a exotickou atmosféru, která existuje kolem Měsíce.

V lednu 2013 NASA pomocí laserů přenesla obraz Mony Lisy na lunární průzkumný orbiter zhruba 390 000 km (240 000 mi) daleko. Ke kompenzaci atmosférického rušení byl implementován algoritmus kódu pro opravu chyb podobný tomu, který se používá na discích CD .

Záznam obousměrné vzdálenosti pro komunikaci vytvořil laserový výškoměr Merkur na palubě kosmické lodi MESSENGER a byl schopen komunikovat na vzdálenost 24 milionů km (15 milionů mil), když se plavidlo přiblížilo k Zemi na přeletu Květen 2005. Předchozí rekord byl dosažen pomocí jednosměrné detekce laserového světla ze Země pomocí sondy Galileo na 6 milionů km v roce 1992. Citát z laserové komunikace ve vesmírných ukázkách (EDRS)

Komerční použití

Různá satelitní souhvězdí, jako je SpaceX Starlink, mají poskytovat globální širokopásmové pokrytí využívající laserovou komunikaci pro mezisatelitní spojení mezi několika stovkami až tisíci satelity a efektivně tak vytvářet vesmírnou optickou síť .

LED diody

RONJA je bezplatná implementace FSO pomocí LED s vysokou intenzitou .

V roce 2001 společnost Twibright Labs vydala RONJA Metropolis , open source DIY 10 Mbit/s plně duplexní LED FSO přes 1,4 km (0,87 mi).

V roce 2004 bylo v Japonsku založeno konsorcium Visible Light Communication Consortium . To bylo založeno na práci výzkumníků, kteří používali pro komunikaci vnitřní místní sítě (LAN) systém osvětlení prostoru na bázi LED . Tyto systémy představují výhody oproti tradičním systémům založeným na UHF RF díky lepší izolaci mezi systémy, velikosti a ceně přijímačů/vysílačů, zákonům o licencování RF a kombinací osvětlení prostoru a komunikace do stejného systému. V lednu 2009 byla pracovní skupinou pro komunikaci ve viditelném světle vytvořena pracovní skupina Ústavu elektrotechnických a elektronických inženýrů, pracovní skupina pro standardy bezdrátové osobní osobní sítě známé jako IEEE 802.15.7 . Soud byl vyhlášen v roce 2010 v St. Cloud v Minnesotě .

Rádioamatéři dosáhli výrazně delší vzdálenosti pomocí nesourodých zdrojů světla z vysoce intenzivních LED diod. Jeden hlásil 178 mil (278 km) v roce 2007. Fyzická omezení zařízení však využívala omezené šířky pásma přibližně na 4 kHz . Vysoká citlivost vyžadovaná detektorem k pokrytí takových vzdáleností způsobila, že vnitřní kapacita fotodiody používala dominantní faktor v zesilovači s vysokou impedancí, který jej následoval, a přirozeně tak vytvořil nízkoprůchodový filtr s mezní frekvencí na 4 kHz rozsah. Lasery mohou dosáhnout velmi vysokých datových rychlostí, které jsou srovnatelné s vláknovou komunikací.

Předpokládané rychlosti přenosu dat a budoucí nároky na rychlost přenosu dat se liší. Levný bílé LED (GaN, fosfor), které by mohly být použity pro prostorové osvětlení může typicky být modulována do 20 MHz. Datové rychlosti nad 100 Mbit/s lze snadno dosáhnout pomocí efektivních modulačních schémat a společnost Siemens tvrdila, že v roce 2010 dosáhla rychlosti přes 500 Mbit/s. Výzkum publikovaný v roce 2009 použil podobný systém pro řízení provozu automatizovaných vozidel s LED semafory.

V září 2013 demonstroval PureLiFi, start-up v Edinburghu pracující na Li-Fi , také vysokorychlostní připojení point-to-point pomocí jakékoli běžné LED žárovky. V předchozí práci byly k dosažení vysokých přenosových rychlostí použity speciální LED diody s velkou šířkou pásma. Nový systém Li-1st maximalizuje dostupnou optickou šířku pásma pro jakékoli zařízení LED, čímž snižuje náklady a zlepšuje výkonnost nasazení vnitřních systémů FSO.

Technické detaily

Nejlepší scénáře pro použití této technologie jsou obvykle:

  • LAN-to-LAN připojení na kampusech na Fast Ethernet nebo Gigabit Ethernet rychlostí
  • Připojení LAN-to-LAN ve městě , síť metropolitní oblasti
  • Přejít přes veřejnou komunikaci nebo jiné překážky, které odesílatel a příjemce nevlastní
  • Rychlé poskytování služeb širokopásmového přístupu k optickým vláknovým sítím
  • Konvergované připojení hlasových dat
  • Dočasná instalace sítě (pro události nebo jiné účely)
  • Rychlé obnovení vysokorychlostního připojení ( obnova po havárii )
  • Jako alternativa nebo upgrade k existujícím bezdrátovým technologiím
    • Obzvláště výkonný v kombinaci se systémy automatického zaměřování, pro pohon jedoucích aut nebo notebooku při pohybu. nebo použít uzly s automatickým zaměřováním k vytvoření sítě s jinými uzly.
  • Jako bezpečnostní doplněk pro důležitá optická připojení (redundance)
  • Pro komunikaci mezi kosmickými loděmi , včetně prvků satelitního souhvězdí
  • Pro komunikaci mezi a uvnitř čipu

Světelný paprsek může být velmi úzký, což ztěžuje zachycení FSO, což zvyšuje bezpečnost. Pro další zabezpečení je poměrně snadné šifrovat všechna data, která cestují přes připojení FSO. FSO poskytuje výrazně lepší chování vůči elektromagnetickému rušení (EMI) ve srovnání s používáním mikrovln .

Technické výhody

Faktory omezující dosah

U pozemních aplikací jsou hlavními omezujícími faktory:

Tyto faktory způsobují zeslabený signál přijímače a vedou k vyššímu poměru chyb bitů (BER). K překonání těchto problémů našli dodavatelé některá řešení, například vícepaprskové nebo vícecestné architektury, které používají více než jednoho odesílatele a více než jednoho přijímače. Některá nejmodernější zařízení mají také větší rozpětí vyblednutí (extra výkon, vyhrazeno pro déšť, smog, mlhu). Aby se udrželo prostředí bezpečné pro oči, mají dobré systémy FSO omezenou hustotu výkonu laseru a podporují laserové třídy 1 nebo 1M. Atmosférický a mlhový útlum, které jsou svou povahou exponenciální, omezují praktický dosah zařízení FSO na několik kilometrů. Optika volného prostoru založená na vlnové délce 1550 nm má podstatně nižší optické ztráty než optika volného prostoru využívající vlnovou délku 830 nm v hustých mlžných podmínkách. FSO využívající systém s vlnovou délkou 1550 nm jsou schopné přenášet několikanásobně vyšší výkon než systémy s 850 nm a jsou bezpečné pro lidské oko (třída 1M). Některé optiky ve volném prostoru, jako je EC SYSTEM, navíc zajišťují vyšší spolehlivost připojení za špatných povětrnostních podmínek neustálým monitorováním kvality spojení za účelem regulace vysílacího výkonu laserové diody s vestavěnou automatickou kontrolou zisku.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy