Оптическая связь в свободном пространстве ( FSO) - это технология оптической связи, которая использует свет, распространяющийся в свободном пространстве, для беспроводной передачи данных для телекоммуникаций или компьютерных сетей. «Свободное пространство» означает воздух, космическое пространство, вакуум или что-то подобное. Это контрастирует с использованием твердых тел, таких как оптоволоконный кабель.
Технология полезна там, где физические соединения нецелесообразны из-за высокой стоимости или других соображений.
Оптическая связь в различных формах использовалась на протяжении тысячелетий. В древние греки использовали кодированную алфавитную систему сигнализации с факелами, разработанными Cleoxenus, Democleitus и Полибия. В современную эпоху были разработаны семафоры и беспроводные солнечные телеграфы, называемые гелиографами, использующие кодированные сигналы для связи с их получателями.
В 1880 году Александр Грэм Белл и его помощник Чарльз Самнер Тейнтер создали фотофон в недавно созданной лаборатории Вольта Белла в Вашингтоне, округ Колумбия. Белл считал это своим самым важным изобретением. Устройство разрешено для передачи от звука на пучке света. 3 июня 1880 года Белл провел первую в мире беспроводную телефонную передачу между двумя зданиями, расположенными на расстоянии 213 метров друг от друга.
Его первое практическое применение появилось в системах военной связи много десятилетий спустя, сначала в оптической телеграфии. Немецкие колониальные войска использовали передатчики гелиографической телеграфии во время геноцида гереро и намаква, начавшегося в 1904 году, в немецкой Юго-Западной Африке (сегодняшняя Намибия ), как и сигналы Великобритании, Франции, США или Османской империи.
Первая мировая война немецкий BlinkgerätВо время позиционной войны Первой мировой войны, когда проводная связь часто прерывалась, немецкие системы связи использовали три типа оптических передатчиков Морзе, называемых Blinkgerät, промежуточный тип для расстояний до 4 км (2,5 миль) при дневном свете и до 8 км ( 5 миль) в ночное время, используя красные фильтры для незамеченной связи. Оптическая телефонная связь была испытана в конце войны, но не внедрена на уровне войск. Кроме того, с переменным успехом использовались специальные блинкгеры для связи с самолетами, воздушными шарами и танками.
Важным технологическим шагом была замена кода Морзе путем модуляции оптических волн при передаче речи. Компания Carl Zeiss из Йены разработала Lichtsprechgerät 80/80 (дословный перевод: оптическое устройство для разговора), которое немецкая армия использовала в своих подразделениях противовоздушной обороны времен Второй мировой войны или в бункерах у Атлантического вала.
Изобретение лазеров в 1960-х произвело революцию в оптике свободного пространства. Особый интерес проявили военные организации, которые ускорили свое развитие. Однако эта технология потеряла рыночный импульс, когда установка оптоволоконных сетей для гражданского использования была на пике.
Многие простые и недорогие бытовые пульты дистанционного управления используют низкоскоростную связь с использованием инфракрасного (ИК) света. Это известно как потребительские ИК- технологии.
Оптические линии связи точка-точка в свободном пространстве могут быть реализованы с использованием инфракрасного лазерного излучения, хотя связь с низкой скоростью передачи данных на короткие расстояния возможна с использованием светодиодов. Технология Infrared Data Association (IrDA) - это очень простая форма оптической связи в свободном пространстве. Что касается связи, технология FSO рассматривается как часть приложений оптической беспроводной связи. Оптика в свободном космосе может использоваться для связи между космическими кораблями.
Надежность блоков FSO всегда была проблемой для коммерческих телекоммуникаций. Соответственно, исследования обнаруживают слишком много отброшенных пакетов и ошибок сигнала на малых расстояниях (от 400 до 500 метров (от 1300 до 1600 футов)). Это результаты как независимых исследований, например, в Чешской республике, так и официальных внутренних общенациональных исследований, например, проведенных сотрудниками MRV FSO. Военные исследования постоянно дают более длительные оценки надежности, прогнозируя максимальную дальность действия для наземных линий связи порядка 2–3 км (1,2–1,9 мили). Все исследования согласны с тем, что стабильность и качество связи сильно зависят от атмосферных факторов, таких как дождь, туман, пыль и жара. Реле могут использоваться для увеличения дальности связи FSO.
Основная причина, по которой наземная связь была ограничена некоммерческими функциями электросвязи, - это туман. Туман постоянно не позволяет лазерным линиям FSO на расстоянии более 500 метров (1600 футов) достигать круглогодичного коэффициента ошибок по битам 1 на 100000. Некоторые организации постоянно пытаются преодолеть эти ключевые недостатки связи FSO и внедрить систему с лучшим качеством обслуживания. DARPA спонсировало исследования на сумму более 130 миллионов долларов США в рамках программ ORCA и ORCLE.
Другие неправительственные группы проводят тесты для оценки различных технологий, которые, как некоторые утверждают, способны решать ключевые проблемы внедрения FSO. По состоянию на октябрь 2014 года ни одна из компаний не представила работающую систему, которая учитывала бы наиболее распространенные атмосферные явления.
Исследования FSO в 1998–2006 годах в частном секторе составили 407,1 миллиона долларов, распределенных в основном между четырьмя начинающими компаниями. Все четыре не смогли предоставить продукты, которые соответствовали бы стандартам качества связи и расстояний:
Одна частная компания опубликовала 20 ноября 2014 года документ, в котором утверждала, что достигла коммерческой надежности (доступность 99,999%) в условиях сильного тумана. Нет никаких указаний на то, что этот продукт в настоящее время коммерчески доступен.
Огромные преимущества лазерной связи в космосе заставляют несколько космических агентств стремиться разработать стабильную платформу космической связи с множеством значительных демонстраций и достижений.
Первая гигабитная лазерная связь была создана Европейским космическим агентством и получила название Европейская система ретрансляции данных (EDRS) 28 ноября 2014 года. Система находится в рабочем состоянии и используется ежедневно.
OPALS НАСА объявила о прорыве в области связи космос-земля 9 декабря 2014 года, загрузив 175 мегабайт за 3,5 секунды. Их система также может восстановить отслеживание после потери сигнала из-за облачности.
Ранним утром 18 октября 2013 года Демонстрация лунной лазерной связи НАСА (LLCD) вошла в историю, передав данные с лунной орбиты на Землю со скоростью 622 мегабит в секунду (Мбит / с). LLCD был запущен на борту спутника Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), основной научной миссией которого было исследование разреженной и экзотической атмосферы, существующей вокруг Луны.
В январе 2013 года НАСА использовало лазеры для передачи изображения Моны Лизы на лунный разведывательный орбитальный аппарат на расстоянии примерно 390000 км (240 000 миль). Для компенсации атмосферных помех был реализован алгоритм кода исправления ошибок, аналогичный используемому в компакт-дисках.
Рекорд расстояния для двусторонней связи был установлен лазерным высотомером Mercury на борту космического корабля MESSENGER, и он смог установить связь на расстоянии 24 миллиона км (15 миллионов миль), когда аппарат приближался к Земле во время пролета. Май 2005 года. Предыдущий рекорд был установлен при одностороннем обнаружении лазерного света с Земли зондом Galileo на 6 миллионов км (3,7 миллиона миль) в 1992 году. Цитата из Laser Communication in Space Demonstrations (EDRS)
Различные спутниковые группировки, такие как SpaceX Starlink, предназначены для обеспечения глобального широкополосного покрытия с использованием лазерной связи для межспутниковых линий между несколькими сотнями и тысячами спутников, эффективно создавая космическую оптическую ячеистую сеть.
В 2001 году Twibright Labs выпустила RONJA Metropolis, полнодуплексный светодиодный FSO с открытым исходным кодом 10 Мбит / с на расстоянии более 1,4 км (0,87 мили).
В 2004 году в Японии был образован Консорциум связи в видимом свете. Это было основано на работе исследователей, которые использовали систему космического освещения на основе белых светодиодов для внутренней локальной сети (LAN). Эти системы обладают преимуществами по сравнению с традиционными радиочастотными системами УВЧ за счет улучшенной изоляции между системами, размера и стоимости приемников / передатчиков, законов о лицензировании радиочастот, а также за счет объединения космического освещения и связи в одной системе. В январе 2009 года рабочая группа Института инженеров по электротехнике и электронике сформировала рабочую группу по связи в видимом свете для разработки стандартов беспроводных персональных сетей, известных как IEEE 802.15.7. Судебное разбирательство было объявлено в 2010 году в Сент-Клауде, штат Миннесота.
Радиолюбители достигли значительно больших расстояний, используя некогерентные источники света от высокоинтенсивных светодиодов. Один сообщил о 173 милях (278 км) в 2007 году. Однако физические ограничения оборудования использовали ограниченную полосу пропускания примерно до 4 кГц. Высокая чувствительность, необходимая детектору для покрытия таких расстояний, сделала внутреннюю емкость фотодиода доминирующим фактором в усилителе с высоким сопротивлением, который следовал за ним, естественным образом формируя фильтр нижних частот с частотой среза в 4 кГц. диапазон. Лазеры могут достигать очень высоких скоростей передачи данных, сравнимых с оптоволоконной связью.
Прогнозируемые скорости передачи данных и будущие требования к скорости передачи данных различаются. Недорогой белый светодиод (GaN-люминофор), который можно использовать для космического освещения, обычно можно модулировать до 20 МГц. Скорость передачи данных более 100 Мбит / с может быть легко достигнута с использованием эффективных схем модуляции, и компания Siemens заявила, что в 2010 году она достигла более 500 Мбит / с. В исследовании, опубликованном в 2009 году, использовалась аналогичная система для управления движением автоматизированных транспортных средств со светодиодными светофорами.
В сентябре 2013 года pureLiFi, стартап в Эдинбурге, работающий над Li-Fi, также продемонстрировал высокоскоростное соединение точка-точка с использованием любой стандартной светодиодной лампы. В предыдущей работе специализированные светодиоды с высокой пропускной способностью использовались для достижения высоких скоростей передачи данных. Новая система Li-1st максимально увеличивает доступную оптическую полосу пропускания для любого светодиодного устройства, тем самым снижая стоимость и улучшая производительность развертывания систем FSO внутри помещений.
Как правило, наилучшими сценариями использования этой технологии являются:
Луч света может быть очень узким, что затрудняет перехват FSO, повышая безопасность. Сравнительно легко зашифровать любые данные, передаваемые через соединение FSO, для дополнительной безопасности. FSO обеспечивает значительно улучшенные характеристики электромагнитных помех (EMI) по сравнению с использованием микроволн.
Для наземных приложений основными ограничивающими факторами являются:
Эти факторы вызывают ослабление сигнала приемника и приводят к более высокому коэффициенту ошибок по битам (BER). Чтобы преодолеть эти проблемы, поставщики нашли некоторые решения, такие как многолучевые или многолучевые архитектуры, в которых используется более одного отправителя и более одного получателя. Некоторые современные устройства также имеют больший запас замираний (дополнительная мощность, зарезервированная для дождя, смога, тумана). Чтобы обеспечить безопасность для глаз, хорошие системы FSO имеют ограниченную плотность мощности лазера и поддерживают классы лазера 1 или 1M. Затухание в атмосфере и тумане, которые имеют экспоненциальный характер, ограничивают практическую дальность действия устройств FSO несколькими километрами. Однако оптика в свободном пространстве, основанная на длине волны 1550 нм, имеет значительно меньшие оптические потери, чем оптика в свободном пространстве, использующая длину волны 830 нм, в условиях густого тумана. Системы FSO с длиной волны 1550 нм способны передавать в несколько раз большую мощность, чем системы с длиной волны 850 нм, и безопасны для человеческого глаза (класс 1M). Кроме того, некоторая оптика для свободного пространства, такая как EC SYSTEM, обеспечивает более высокую надежность соединения в плохих погодных условиях за счет постоянного контроля качества связи для регулирования мощности передачи лазерного диода с помощью встроенной автоматической регулировки усиления.