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 материалов, таких как оптоволоконный кабель .
Эта технология полезна там, где физические соединения непрактичны из-за высоких затрат или других соображений.
Оптическая связь в различных формах использовалась на протяжении тысячелетий. Древние греки использовали кодированную алфавитную систему сигнализации факелами, разработанную Клеоксеном, Демоклетом и Полибием . [1] В современную эпоху были разработаны семафоры и беспроводные солнечные телеграфы , называемые гелиографами , которые используют закодированные сигналы для связи со своими получателями.
В 1880 году Александр Грэм Белл и его помощник Чарльз Самнер Тейнтер создали фотофон в недавно созданной Беллом лаборатории Вольта в Вашингтоне, округ Колумбия . Белл считал это своим самым важным изобретением. Устройство позволяло передавать звук по лучу света . 3 июня 1880 года Белл провел первую в мире беспроводную телефонную связь между двумя зданиями, находящимися на расстоянии около 213 метров (699 футов) друг от друга. [2] [3]
Его первое практическое применение появилось в военных системах связи много десятилетий спустя, сначала в оптической телеграфии. Немецкие колониальные войска использовали гелиографические телеграфные передатчики во время войн гереро , начавшихся в 1904 году, в немецкой Юго-Западной Африке (сегодняшняя Намибия ), а также сигналы Великобритании, Франции, США или Османской империи.
Во время позиционной войны Первой мировой войны, когда проводная связь часто прерывалась, немецкие сигналы использовали три типа оптических передатчиков Морзе, называемых Blinkgerät , промежуточного типа для расстояний до 4 км (2,5 мили) при дневном свете и до 8 км ( 5,0 миль) ночью, 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 блингераты для связи с самолетами, аэростатами и танками. [ нужна цитата ]
Важным технологическим шагом стала замена азбуки Морзе модуляцией оптических волн при передаче речи. Компания Carl Zeiss, Йена, разработала Lichtsprechgerät 80/80 (дословный перевод: оптическое переговорное устройство), которое немецкая армия использовала в своих подразделениях противовоздушной обороны времен Второй мировой войны или в бункерах у Атлантического вала . [4]
Изобретение лазеров в 1960-х годах произвело революцию в оптике свободного пространства. Военные организации проявили особый интерес и стимулировали свое развитие. Однако технология потеряла рыночный импульс, когда установка оптоволоконных сетей для гражданского использования достигла своего пика.
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 света, хотя связь с низкой скоростью передачи данных на короткие расстояния возможна с использованием светодиодов . Технология инфракрасной ассоциации данных (IrDA) — это очень простая форма оптической связи в свободном пространстве. Что касается связи, технология FSO рассматривается как часть приложений оптической беспроводной связи . Оптика свободного пространства может использоваться для связи между космическими кораблями . [5]
Надежность устройств FSO всегда была проблемой для коммерческих телекоммуникаций. Исследования неизменно обнаруживают слишком много потерянных пакетов и ошибок сигнала на небольших расстояниях (от 400 до 500 метров (от 1300 до 1600 футов)). Это данные как независимых исследований, например, в Чешской Республике [6] , так и внутренних исследований, например, проведенных сотрудниками MRV FSO. [7]
Военные исследования постоянно дают более длинные оценки надежности: максимальная дальность наземных линий связи составляет порядка 2–3 км (от 1,2 до 1,9 миль). [8] Все исследования подтверждают, что стабильность и качество связи во многом зависят от атмосферных факторов, таких как дождь, туман, пыль и жара. Реле могут использоваться для расширения дальности связи FSO. [9] [10]
С 1998 по 2002 год компания TMEX USA управляла двумя восьмимильными линиями связи между Ларедо, штат Техас, и Нуэво-Ларедо, Мексика. Линии работали со скоростью 155 Мбит/с и надежно обеспечивали телефонные звонки и интернет-услуги. [12] [ сомнительно – обсудить ] [ нужна ссылка ]
Основной причиной, по которой наземная связь была ограничена некоммерческими телекоммуникационными функциями, является туман. Туман часто не позволяет лазерным линиям FSO на расстоянии более 500 метров (1600 футов) обеспечить круглогодичную доступность, достаточную для коммерческих услуг. Несколько организаций постоянно пытаются преодолеть эти ключевые недостатки связи FSO и создать систему с более высоким качеством обслуживания . DARPA спонсировало исследования на сумму более 130 миллионов долларов США в рамках программ ORCA и ORCLE. [13] [14] [15]
Другие неправительственные группы проводят испытания для оценки различных технологий, которые, как утверждают некоторые, способны решить ключевые проблемы внедрения FSO. По состоянию на октябрь 2014 года [обновлять]ни одна из них не разработала работающую систему, учитывающую наиболее распространенные атмосферные явления.
Исследования FSO в частном секторе с 1998 по 2006 год составили 407,1 миллиона долларов, которые были разделены в основном между четырьмя начинающими компаниями. Все четверо не смогли предоставить продукты, которые соответствовали бы стандартам качества телекоммуникаций и расстояния: [16]
Одна частная компания опубликовала 20 ноября 2014 года документ, в котором заявила, что им удалось добиться коммерческой надежности (доступность 99,999%) в условиях сильного тумана. Нет никаких указаний на то, что этот продукт в настоящее время коммерчески доступен. [24]
Огромные преимущества лазерной связи в космосе заставляют множество космических агентств стремиться разработать стабильную платформу космической связи со многими значительными демонстрациями и достижениями.
Первая гигабитная лазерная связь [ нужны разъяснения ] была создана Европейским космическим агентством и названа Европейской системой ретрансляции данных (EDRS) 28 ноября 2014 года. Система работает и используется ежедневно.
В декабре 2023 года Австралийский национальный университет (ANU) продемонстрировал свою квантово-оптическую наземную станцию в своей обсерватории Маунт-Стромло . QOGS использует адаптивную оптику и лазеры в составе телескопа для создания двунаправленной системы связи, способной поддерживать программу НАСА « Артемида» на Луне . [25]
Рекорд двусторонней связи установлен лазерным высотомером «Меркурий» на борту космического корабля «Мессенджер» . Он был способен общаться на расстоянии 24 миллионов км (15 миллионов миль), когда корабль приближался к Земле во время пролета в мае 2005 года. Предыдущий рекорд был установлен при одностороннем обнаружении лазерного света с Земли. зондом Галилео - 6 миллионов км (3,7 миллиона миль) в 1992 году.
В январе 2013 года НАСА использовало лазеры, чтобы передать изображение Моны Лизы на лунный разведывательный орбитальный аппарат, находящийся на расстоянии примерно 390 000 км (240 000 миль). Для компенсации атмосферных помех был реализован алгоритм кода коррекции ошибок, аналогичный тому, который используется в компакт-дисках . [26]
Рано утром 18 октября 2013 года демонстрационная программа лунной лазерной связи НАСА (LLCD) передала данные с лунной орбиты на Землю со скоростью 622 мегабита в секунду (Мбит/с). [27] LLCD был доставлен на борт космического корабля «Исследователь лунной атмосферы и пылевой среды» (LADEE), основной научной миссией которого было исследование разреженной и экзотической атмосферы, существующей вокруг Луны.
В период с апреля по июль 2014 года прибор НАСА OPALS успешно загрузил 175 мегабайт за 3,5 секунды и загрузил 200–300 МБ за 20 секунд. [28] Их система также смогла повторно обнаружить отслеживание после потери сигнала из-за облачности.
7 декабря 2021 года НАСА запустило демонстрационный проект лазерной ретрансляции связи (LCRD), целью которого является передача данных между космическими аппаратами на геосинхронной орбите и наземными станциями. LCRD — первое двустороннее сквозное оптическое реле НАСА. LCRD использует две наземные станции , Optical Ground Station (OGS)-1 и -2, в обсерватории Столовой горы в Калифорнии и Халеакале на Гавайях . [29] Одним из первых операционных пользователей LCRD является интегрированный низкоорбитальный пользовательский модем и терминал усилителя LCRD (ILLUMA-T) на Международной космической станции. Терминал будет получать научные данные высокого разрешения от экспериментов и приборов на борту космической станции, а затем передавать эти данные в LCRD, который затем передаст их на наземную станцию. После того, как данные поступят на Землю, они будут доставлены в операционные центры миссии и ученым миссии. Полезная нагрузка ILLUMA-T была отправлена на МКС в конце 2023 года на корабле SpaceX CRS-29 и достигла первого света 5 декабря 2023 года .
28 апреля 2023 года НАСА и его партнеры достигли пропускной способности 200 гигабит в секунду (Гбит/с) по оптической линии космос-земля между спутником на орбите и Землей. Это было достигнуто с помощью системы TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), установленной на спутнике НАСА Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3). [32]
Различные спутниковые группировки , предназначенные для обеспечения глобального широкополосного покрытия, такие как SpaceX Starlink , используют лазерную связь для межспутниковых связей. Это эффективно создает космическую оптическую ячеистую сеть между спутниками.
В 2001 году Twibright Labs выпустила RONJA Metropolis , полнодуплексный светодиодный FSO с открытым исходным кодом, сделанный своими руками, со скоростью 10 Мбит / с, на расстоянии более 1,4 км (0,87 мили). [33] [34]
В 2004 году в Японии был создан Консорциум по коммуникациям видимого света . [35] Это было основано на работе исследователей, которые использовали систему космического освещения на основе белых светодиодов для внутренней связи по локальной сети (LAN). Эти системы имеют преимущества перед традиционными системами на базе УВЧ РЧ 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. [36] 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 . [37] Судебный процесс был объявлен в 2010 году в Сент-Клауде, штат Миннесота . [38]
Радиолюбители достигли значительно больших расстояний, используя некогерентные источники света из светодиодов высокой интенсивности. Один сообщил о 278 км (173 миль) в 2007 году. [39] Однако физические ограничения оборудования ограничивали полосу пропускания примерно до 4 кГц . Высокая чувствительность, требуемая от детектора для покрытия таких расстояний, привела к тому, что внутренняя емкость фотодиода использовалась доминирующим фактором в следующем за ним высокоомном усилителе, таким образом естественным образом образуя фильтр нижних частот с частотой среза в диапазоне 4 кГц. диапазон. Лазеры могут достигать очень высоких скоростей передачи данных, сравнимых с оптоволоконной связью.
Прогнозируемые скорости передачи данных и будущие заявленные скорости передачи данных различаются. Недорогой белый светодиод (GaN-люминофор) , который можно использовать для освещения помещений, обычно можно модулировать до 20 МГц. [40] Скорость передачи данных более 100 Мбит/с может быть достигнута с использованием эффективных схем модуляции , и компания Siemens заявила, что в 2010 году достигла скорости более 500 Мбит/с. [41] В исследовании, опубликованном в 2009 году, аналогичная система использовалась для управления движением автоматизированных транспортных средств. со светодиодными светофорами. [42]
В сентябре 2013 года pureLiFi, эдинбургский стартап, работающий над Li-Fi , также продемонстрировал высокоскоростное соединение «точка-точка» с использованием любой стандартной светодиодной лампочки. В предыдущей работе для достижения высоких скоростей передачи данных использовались специальные светодиоды с высокой пропускной способностью. 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. [43]
Как правило, лучшими сценариями использования этой технологии являются:
Световой луч может быть очень узким, что затрудняет перехват FSO, что повышает безопасность. Сравнительно легко зашифровать любые данные, передаваемые по соединению FSO, для дополнительной безопасности. FSO обеспечивает значительно улучшенное поведение при электромагнитных помехах (EMI) по сравнению с использованием микроволн .
Для наземных применений 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 многопутевые архитектуры, в которых используется более одного отправителя и более одного получателя. Некоторые современные устройства также имеют больший запас затухания (дополнительная мощность, предназначенная для дождя, смога, тумана). Чтобы обеспечить безопасность для глаз, хорошие системы FSO имеют ограниченную плотность мощности лазера и поддерживают классы лазеров 1 или 1M . Затухание в атмосфере и тумане, имеющее экспоненциальный характер, ограничивает практическую дальность действия устройств FSO несколькими километрами. Однако оптика свободного пространства, основанная на длине волны 1550 нм , имеет значительно меньшие оптические потери, чем оптика свободного пространства, использующая длину волны 830 нм , в условиях густого тумана. FSO, использующие систему 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 1М). Кроме того, некоторые оптические системы для свободного пространства, такие как EC SYSTEM, [46] обеспечивают более высокую надежность соединения в плохих погодных условиях за счет постоянного мониторинга качества связи для регулирования мощности передачи лазерного диода со встроенной автоматической регулировкой усиления. [46]