stringtranslate.com

Оптическая беспроводная связь

Оптическая беспроводная связь ( OWC ) — это форма оптической связи , в которой для передачи сигнала используется неуправляемый видимый , инфракрасный (ИК) или ультрафиолетовый (УФ) свет. Обычно используется в ближней связи.

Системы OWC, работающие в видимом диапазоне (390–750 нм), обычно называются связью с помощью видимого света (VLC). Системы VLC используют преимущества светодиодов (LED), которые могут пульсировать на очень высоких скоростях без заметного влияния на выход освещения и человеческий глаз. VLC, возможно, может использоваться в широком спектре приложений, включая беспроводные локальные сети , беспроводные персональные сети и автомобильные сети , среди прочих. [1] С другой стороны, наземные системы OWC «точка-точка», также известные как системы свободного пространства (FSO), [2] работают на частотах ближнего ИК-диапазона (750–1600 нм). Эти системы обычно используют лазерные передатчики и предлагают экономически эффективную прозрачную для протокола связь с высокими скоростями передачи данных , т. е. 10  Гбит/с на длину волны, и обеспечивают потенциальное решение для узкого места в транзитной сети .

Также наблюдается растущий интерес к ультрафиолетовой связи (UVC) в результате недавнего прогресса в области твердотельных оптических источников/детекторов, работающих в слепом для солнца УФ-спектре (200–280 нм). В этом так называемом глубоком УФ-диапазоне солнечное излучение незначительно на уровне земли, и это делает возможным проектирование детекторов подсчета фотонов с приемниками с широким полем зрения, которые увеличивают полученную энергию с небольшим дополнительным фоновым шумом. Такие конструкции особенно полезны для наружных конфигураций вне прямой видимости для поддержки маломощного УФ-излучения ближнего действия, например, в беспроводных датчиках и сетях ad hoc.

История

Технологии беспроводной связи быстро распространились и стали необходимыми в течение последних нескольких десятилетий 20-го века и начала 21-го века. Широкомасштабное внедрение радиочастотных технологий стало ключевым фактором в расширении беспроводных устройств и систем. Однако часть электромагнитного спектра, используемая беспроводными системами, ограничена по емкости, а лицензии на использование частей спектра дороги. С ростом объемов беспроводной связи с большим объемом данных спрос на радиочастотный спектр превышает предложение, заставляя компании рассматривать варианты использования частей электромагнитного спектра, отличных от радиочастот.

Оптическая беспроводная связь (OWC) относится к передаче в неуправляемых средах распространения с использованием оптических носителей: видимого , инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения. Сигнализация с помощью маячных огней , дыма , судовых флагов и семафорного телеграфа может считаться историческими формами OWC. [3] Солнечный свет также использовался для передачи сигналов на большие расстояния с самых ранних времен. Самое раннее использование солнечного света в целях связи приписывается древним грекам и римлянам, которые использовали полированные щиты для отправки сигналов путем отражения солнечного света во время сражений. [4] В 1810 году Карл Фридрих Гаусс изобрел гелиограф, который использует пару зеркал для направления контролируемого луча солнечного света на удаленную станцию. Хотя оригинальный гелиограф был разработан для геодезической съемки, он широко использовался в военных целях в конце 19-го и начале 20-го века. В 1880 году Александр Грэхем Белл изобрел фотофон — первую в мире беспроводную телефонную систему.

Военные интересовались фотофонами и после времен Белла. Например, в 1935 году немецкая армия разработала фотофон, в котором в качестве источника света использовалась вольфрамовая нить накаливания с ИК-фильтром. Кроме того, американские и немецкие военные лаборатории продолжали разработку дуговых ламп высокого давления для оптической связи до 1950-х годов. [5] Современные OWC используют в качестве передатчиков либо лазеры , либо светодиоды (LED). В 1962 году лаборатории Массачусетского технологического института в Линкольне построили экспериментальную линию OWC с использованием светоизлучающего диода GaAs и смогли передавать телевизионные сигналы на расстояние до 30 миль. После изобретения лазера OWC рассматривался как основная область развертывания лазеров, и было проведено множество испытаний с использованием различных типов лазеров и схем модуляции. [6] Однако результаты в целом оказались разочаровывающими из-за большого расхождения лазерных лучей и неспособности справляться с атмосферными эффектами. С развитием волоконной оптики с низкими потерями в 1970-х годах они стали очевидным выбором для оптической передачи на большие расстояния и сместили акцент с систем OWC.

Текущий статус

Иллюстрация демонстрационной системы лазерной связи (LCRD), передающей данные с ILLUMA-T на Международной космической станции на наземную станцию ​​на Земле.

На протяжении десятилетий интерес к OWC в основном ограничивался скрытыми военными приложениями [7] и космическими приложениями, включая межспутниковые и дальние космические линии связи. [8] Массовое проникновение OWC на ​​рынок до сих пор было ограничено за исключением IrDA , который является весьма успешным решением для беспроводной передачи на короткие расстояния. [ нужно обновление? ]

Приложения

Различные варианты OWC могут потенциально использоваться в самых разных областях связи: от оптических соединений в интегральных схемах до наружных междоменных соединений и спутниковой связи.

OWC можно разделить на пять категорий в зависимости от дальности передачи:

  1. Сверхкороткий диапазон : связь между чипами в многокристальных корпусах, сложенных и плотно упакованных. [9]
  2. Короткий диапазон : беспроводная нательная сеть (WBAN) и беспроводная персональная сеть (WPAN) в соответствии со стандартом IEEE 802.15.7, подводная связь. [10] [11]
  3. Средний радиус действия : внутренняя инфракрасная и видимая световая связь (VLC) для беспроводных локальных сетей (WLAN), а также связь между транспортными средствами и инфраструктурой.
  4. Дальние расстояния : соединения между зданиями, также называемые оптической связью в свободном пространстве (FSO).
  5. Сверхдальняя связь : лазерная связь в космосе, особенно для межспутниковых линий связи и создания спутниковых созвездий .

Последние тенденции

Ссылки

  1. ^ М. Уйсал и Х. Нури, «Оптическая беспроводная связь – новая технология», 16-я Международная конференция по прозрачным оптическим сетям (ICTON), Грац, Австрия, июль 2014 г.
  2. ^ Али Халиги, Мохаммад; Уйсал, Мурат (2014). «Обзор оптической связи в свободном пространстве: перспектива теории связи». Обзоры и руководства по коммуникациям IEEE . 16 (4): 2231–2258. doi : 10.1109/COMST.2014.2329501 . S2CID  3141460.
  3. ^ AA Huurdeman, Всемирная история телекоммуникаций , Wiley Interscience, 2003.
  4. ^ Г. Дж. Хольцманн и Б. Персон, Ранняя история сетей передачи данных (перспективы), Wiley, 1994.
  5. ^ М. Грот, «Возвращаясь к фотофонам».
  6. ^ Э. Гудвин, «Обзор действующих лазерных систем связи», Труды IEEE , т. 58, № 10, стр. 1746–1752, октябрь 1970 г.
  7. ^ DL Begley, «Свободно-космическая лазерная связь: историческая перспектива», Ежегодное собрание IEEE, Общества лазеров и электрооптики (LEOS) , т. 2, стр. 391–392, ноябрь 2002 г., Глазго, Шотландия.
  8. ^ Х. Хеммати, Оптическая связь в дальнем космосе , Wiley-Interscience, 2006
  9. ^ Kachris, Christoforos; Tomkos, Ioannis (октябрь 2012 г.). «Обзор оптических соединений для центров обработки данных». IEEE Communications Surveys & Tutorials . 14 (4): 1021–1036. doi :10.1109/SURV.2011.122111.00069. S2CID  1771021.
  10. ^ Бховал, А.; Кшетримаюм, Р.С. (2018). «Анализ производительности одностороннего и двустороннего ретранслятора для подводной оптической беспроводной связи». OSA Continuum . 1 (4): 1400–1413. doi : 10.1364/OSAC.1.001400 .
  11. ^ Hanson, F.; Radic, S. (январь 2008). «Высокоскоростная подводная оптическая связь». Applied Optics . 47 (2): 277–83. Bibcode : 2008ApOpt..47..277H. doi : 10.1364/AO.47.000277. PMID  18188210.
  12. ^ Communications Task Group (TG 7m) (31 мая 2019 г.). "15.7 Техническое обслуживание: оптическая беспроводная связь ближнего действия". IEEE 802.15 WPANTM . Получено 31 мая 2019 г.{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Пол Энтони Хейг; Франческо Бауси; Забих Гассемлой; Иоаннис Папаконстантину; Хоа Ле Минь; Шарлотта Флешон; Франко Качиалли (2014). «Связь в видимом свете: связь в реальном времени со скоростью 10 Мбит/с с полимерным светоизлучающим диодом с низкой пропускной способностью». Optics Express . 22 (3): 2830–8. Bibcode : 2014OExpr..22.2830H. doi : 10.1364/OE.22.002830 . PMID  24663574.
  14. ^ Научно-исследовательский центр интеллектуального освещения

Дальнейшее чтение