Este artículo trata sobre la comunicación óptica a largas distancias. Para comunicaciones de corto a medio alcance, consulte Comunicaciones inalámbricas ópticas .
Comunicación mediante luz enviada a través del espacio libre.
Un enlace láser de óptica de espacio libre de 8 haces, clasificado para 1 Gbit / s. El receptor es la lente grande en el medio, los transmisores los más pequeños. En la esquina superior derecha hay un monocular para ayudar a alinear las dos cabezas.
La comunicación óptica en espacio libre ( FSO ) es una tecnología de comunicación óptica que utiliza la luz que se propaga en el espacio libre para transmitir datos de forma inalámbrica para telecomunicaciones o redes informáticas . "Espacio libre" significa aire, espacio exterior, vacío o algo similar. Esto contrasta con el uso de sólidos como el cable de fibra óptica .
La tecnología es útil cuando las conexiones físicas no son prácticas debido a los altos costos u otras consideraciones.
Un receptor de fotófono y auriculares, la mitad del sistema de telecomunicaciones ópticas de Bell y Tainter de 1880
Las comunicaciones ópticas , en diversas formas, se han utilizado durante miles de años. Los antiguos griegos usaban un sistema alfabético codificado de señalización con antorchas desarrollado por Cleoxenus, Democleitus y Polybius . [1] En la era moderna, se desarrollaron semáforos y telégrafos solares inalámbricos llamados heliógrafos , que usaban señales codificadas para comunicarse con sus destinatarios.
Su primer uso práctico se produjo en los sistemas de comunicaciones militares muchas décadas después, primero para la telegrafía óptica. Las tropas coloniales alemanas utilizaron transmisores de telegrafía heliógrafo durante el genocidio Herero y Namaqua a partir de 1904, en el África sudoccidental alemana (actual Namibia ), al igual que las señales británicas, francesas, estadounidenses u otomanas.
WW I Alemán Blinkgerät
Durante la guerra de trincheras de la Primera Guerra Mundial, cuando a menudo se cortaban las comunicaciones por cable, las señales alemanas utilizaban tres tipos de transmisores ópticos Morse llamados Blinkgerät , el tipo intermedio para distancias de hasta 4 km (2,5 millas) a la luz del día y de hasta 8 km ( 5 millas) por la noche, utilizando filtros rojos para comunicaciones no detectadas. Las comunicaciones telefónicas ópticas se probaron al final de la guerra, pero no se introdujeron a nivel de tropas. Además, se utilizaron blinkgeräts especiales para la comunicación con aviones, globos y tanques, con éxito variable. [ cita requerida ]
Un paso tecnológico importante fue reemplazar el código Morse modulando las ondas ópticas en la transmisión de voz. Carl Zeiss, Jena desarrolló el Lichtsprechgerät 80/80 (traducción literal: dispositivo de habla óptica) que el ejército alemán utilizó en sus unidades de defensa antiaérea de la Segunda Guerra Mundial, o en búnkeres en el Muro del Atlántico . [4]
La invención de los láseres en la década de 1960 revolucionó la óptica del espacio libre. Las organizaciones militares se mostraron especialmente interesadas e impulsaron su desarrollo. Sin embargo, la tecnología perdió impulso en el mercado cuando la instalación de redes de fibra óptica para usos civiles estaba en su apogeo.
Muchos controles remotos de consumo sencillos y económicos utilizan comunicación de baja velocidad mediante luz infrarroja (IR). Esto se conoce como tecnologías IR de consumo .
Uso y tecnologías
Los enlaces ópticos punto a punto de espacio libre se pueden implementar utilizando luz láser infrarroja, aunque es posible la comunicación de baja velocidad de datos en distancias cortas utilizando LED . La tecnología de Asociación de datos infrarrojos (IrDA) es una forma muy simple de comunicaciones ópticas en el espacio libre. En el lado de las comunicaciones, la tecnología FSO se considera parte de las aplicaciones de comunicaciones ópticas inalámbricas . La óptica de espacio libre se puede utilizar para las comunicaciones entre naves espaciales . [5]
Productos comerciales
En 2008, MRV Communications introdujo un sistema basado en óptica de espacio libre (FSO) con una velocidad de datos de 10 Gbit / s que inicialmente reclamaba una distancia de 2 km (1,2 millas) con alta disponibilidad. [6] Este equipo ya no está disponible; antes del final de su vida útil, la distancia útil del producto se redujo a 350 m (1150 pies). [7]
En 2013, la empresa MOSTCOM comenzó a producir en serie un nuevo sistema de comunicación inalámbrica [8] que también tenía una velocidad de datos de 10 Gbit / s, así como un rango mejorado de hasta 2,5 km (1,6 millas), pero para llegar a 99,99 Porcentaje de tiempo de actividad que los diseñadores utilizaron una solución híbrida de RF, lo que significa que la velocidad de datos cae a niveles extremadamente bajos durante las perturbaciones atmosféricas (normalmente hasta 10 Mbit / s). En abril de 2014, la empresa con el Centro Científico y Tecnológico "Fiord" demostró la velocidad de transmisión de 30 Gbit / s en "condiciones de laboratorio". En 2018 Mostcom comenzó a exportar sistemas de 30 Gbps en el mercado mundial de telecomunicaciones.
LightPointe ofrece muchas soluciones híbridas similares a la oferta de MOSTCOM. [9]
Distancias útiles
La fiabilidad de las unidades FSO siempre ha sido un problema para las telecomunicaciones comerciales. De manera constante, los estudios encuentran demasiados paquetes descartados y errores de señal en rangos pequeños (400 a 500 metros (1300 a 1600 pies)). Esto es tanto de estudios independientes, como en la República Checa, [10] como de estudios formales internos a nivel nacional, como uno realizado por el personal de MRV FSO. [11] Los estudios de base militar producen consistentemente estimaciones más largas para la confiabilidad, proyectando que el alcance máximo para enlaces terrestres es del orden de 2 a 3 km (1.2 a 1.9 mi). [12] Todos los estudios coinciden en que la estabilidad y la calidad del enlace dependen en gran medida de factores atmosféricos como la lluvia, la niebla, el polvo y el calor. Pueden emplearse relés para ampliar el alcance de las comunicaciones FSO.[13] [14]
Ampliando la distancia útil
Arte conceptual oficial de DARPA ORCA creado c. 2008
La principal razón por la que las comunicaciones terrestres se han limitado a funciones de telecomunicaciones no comerciales es la niebla. La niebla evita constantemente que los enlaces láser FSO de más de 500 metros (1.600 pies) alcancen una tasa de error de bits durante todo el año de 1 por 100.000. Varias entidades están continuamente intentando superar estas desventajas clave de las comunicaciones del FSO y desplegar un sistema con una mejor calidad de servicio. DARPA ha patrocinado más de US $ 130 millones en investigación para este esfuerzo, con los programas ORCA y ORCLE. [15] [16] [17]
Otros grupos no gubernamentales están realizando pruebas para evaluar diferentes tecnologías que, según algunos, tienen la capacidad de abordar los desafíos clave de adopción de FSO. Hasta octubre de 2014 [actualizar], ninguno ha implementado un sistema de trabajo que aborde los eventos atmosféricos más comunes.
La investigación del FOE entre 1998 y 2006 en el sector privado ascendió a $ 407,1 millones, divididos principalmente entre cuatro empresas de nueva creación. Los cuatro no entregaron productos que cumplieran las normas de calidad y distancia de las telecomunicaciones: [18]
Terabeam recibió aproximadamente $ 575 millones en fondos de inversores como Softbank, Mobius Venture Capital y Oakhill Venture Partners. AT&T y Lucent respaldaron este intento. [19] [20] El trabajo finalmente fracasó, y la compañía fue comprada en 2004 por $ 52 millones (excluyendo garantías y opciones) por YDI con sede en Falls Church, Virginia, a partir del 22 de junio de 2004, y utilizó el nombre de Terabeam para la nueva entidad. El 4 de septiembre de 2007, Terabeam (entonces con sede en San José, California) anunció que cambiaría su nombre a Proxim Wireless Corporation y cambiaría su símbolo de acciones NASDAQ de TRBM a PRXM. [21]
AirFiber recibió $ 96.1 millones en fondos y nunca resolvió el problema del clima. Se vendieron a las comunicaciones MRV en 2003, y MRV vendió sus unidades FSO hasta 2012, cuando se anunció abruptamente el final de la vida útil de la serie Terescope. [7]
LightPointe Communications recibió $ 76 millones en fondos de puesta en marcha y, finalmente, se reorganizó para vender unidades híbridas FSO-RF para superar los desafíos climáticos. [22]
Maxima Corporation publicó su teoría operativa en Science , [23] y recibió $ 9 millones en fondos antes de cerrar permanentemente. Ninguna escisión o compra conocida siguió a este esfuerzo.
Wireless Excellence desarrolló y lanzó las soluciones CableFree UNITY que combinan FSO con tecnologías de ondas milimétricas y radio para extender la distancia, la capacidad y la disponibilidad, con el objetivo de hacer de FSO una tecnología más útil y práctica. [24]
Una empresa privada publicó un artículo el 20 de noviembre de 2014, afirmando que había logrado una fiabilidad comercial (99,999% de disponibilidad) en condiciones de niebla extrema. No hay indicios de que este producto esté actualmente disponible comercialmente. [25]
Extraterrestre
Ver también: comunicación láser en el espacio
Las enormes ventajas de la comunicación láser en el espacio hacen que múltiples agencias espaciales se apresuren a desarrollar una plataforma de comunicación espacial estable, con muchas demostraciones y logros importantes.
Sistemas operativos
La primera comunicación basada en láser gigabit fue lograda por la Agencia Espacial Europea y denominada Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS) el 28 de noviembre de 2014. El sistema está operativo y se utiliza a diario.
Demostraciones
OPALS de la NASA anunció un gran avance en la comunicación espacio-tierra el 9 de diciembre de 2014, cargando 175 megabytes en 3,5 segundos. Su sistema también puede volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se perdió debido a la nubosidad.
En las primeras horas de la mañana del 18 de octubre de 2013, la demostración de comunicación láser lunar (LLCD) de la NASA hizo historia al transmitir datos desde la órbita lunar a la Tierra a una velocidad de 622 megabits por segundo (Mbit / s). [26] LLCD voló a bordo del satélite Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), cuya principal misión científica era investigar la tenue y exótica atmósfera que existe alrededor de la luna.
En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para transmitir una imagen de la Mona Lisa al Lunar Reconnaissance Orbiter a aproximadamente 390.000 km (240.000 millas) de distancia. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al utilizado en los CD . [27]
El instrumento altímetro láser Mercury a bordo de la nave espacial MESSENGER estableció un récord de distancia bidireccional para la comunicación , y pudo comunicarse a una distancia de 24 millones de km (15 millones de millas), mientras la nave se acercaba a la Tierra en un sobrevuelo en Mayo de 2005. El récord anterior se había establecido con una detección unidireccional de luz láser de la Tierra, por la sonda Galileo, de 6 millones de km (3,7 millones de millas) en 1992. Cita de Comunicación láser en demostraciones espaciales (EDRS)
Uso comercial
Varias constelaciones de satélites , como SpaceX Starlink, están destinadas a proporcionar una cobertura de banda ancha global, emplean la comunicación láser para enlaces entre satélites entre varios cientos y miles de satélites, creando efectivamente una red de malla óptica basada en el espacio .
LED
RONJA es una implementación gratuita de FSO que utiliza LED de alta intensidad .
En 2001, Twibright Labs lanzó Ronja Metropolis , un FSO LED full duplex de 10 Mbit / s de código abierto de más de 1,4 km (0,87 mi). [28] [29]
En 2004, se formó un Consorcio de Comunicación de Luz Visible en Japón . [30] Esto se basó en el trabajo de investigadores que utilizaron un sistema de iluminación espacial basado en LED blanco para las comunicaciones de la red de área local (LAN) en interiores . Estos sistemas presentan ventajas sobre los sistemas tradicionales basados en RF UHF debido a un mejor aislamiento entre los sistemas, el tamaño y el costo de los receptores / transmisores, las leyes de licencias de RF y la combinación de la iluminación espacial y la comunicación en el mismo sistema. [31]En enero de 2009, el grupo de trabajo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos formó un grupo de trabajo para la comunicación con luz visible para los estándares de redes de área personal inalámbricas conocido como IEEE 802.15.7 . [32] Se anunció un juicio en 2010, en St. Cloud, Minnesota . [33]
Los radioaficionados han logrado distancias significativamente mayores utilizando fuentes de luz incoherentes de LED de alta intensidad. Uno informó 173 millas (278 km) en 2007. [34] Sin embargo, las limitaciones físicas del equipo usaban anchos de banda limitados a aproximadamente 4 kHz . Las altas sensibilidades requeridas del detector para cubrir tales distancias hicieron que la capacitancia interna del fotodiodo usara un factor dominante en el amplificador de alta impedancia que lo seguía, formando así naturalmente un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte en los 4 kHz. distancia. El uso de láseres puede alcanzar velocidades de datos muy altas que son comparables a las comunicaciones por fibra.
Las tasas de datos proyectadas y las reclamaciones de tasas de datos futuras varían. Un LED blanco de bajo costo (fósforo de GaN) que podría usarse para iluminación espacial generalmente se puede modular hasta 20 MHz. [35] Se pueden alcanzar fácilmente velocidades de datos de más de 100 Mbit / s utilizando esquemas de modulación eficientes y Siemens afirmó haber alcanzado más de 500 Mbit / s en 2010. [36] La investigación publicada en 2009, utilizó un sistema similar para el control del tráfico de vehículos con semáforos LED. [37]
En septiembre de 2013, pureLiFi, la start-up de Edimburgo que trabaja en Li-Fi , también demostró conectividad punto a punto de alta velocidad utilizando cualquier bombilla LED estándar. En trabajos anteriores, se han utilizado LED especiales de gran ancho de banda para lograr altas velocidades de datos. El nuevo sistema, el Li-1st , maximiza el ancho de banda óptico disponible para cualquier dispositivo LED, reduciendo así el costo y mejorando el rendimiento de la implementación de sistemas FSO de interior. [38]
Detalles de ingeniería
Normalmente, los mejores escenarios de uso para esta tecnología son:
LAN-a-LAN conexiones en los campus de Fast Ethernet o Gigabit Ethernet velocidades
Conexiones de LAN a LAN en una ciudad , una red de área metropolitana
Para cruzar una vía pública u otras barreras que el remitente y el receptor no son de su propiedad.
Entrega rápida de servicios de acceso de gran ancho de banda a redes de fibra óptica
Conexión convergente de voz y datos
Instalación de red temporal (para eventos u otros fines)
Restablezca la conexión de alta velocidad rápidamente ( recuperación ante desastres )
Como alternativa o complemento de actualización a las tecnologías inalámbricas existentes
Especialmente potente en combinación con sistemas de puntería automática, para alimentar automóviles en movimiento o una computadora portátil mientras se mueve. o utilizar nodos de autoaprendizaje para crear una red con otros nodos.
Como complemento de seguridad para conexiones de fibra importantes (redundancia)
Para comunicaciones entre naves espaciales , incluidos elementos de una constelación de satélites
Para comunicación entre chips y dentro de chips [39]
El haz de luz puede ser muy estrecho, lo que hace que FSO sea difícil de interceptar, lo que mejora la seguridad. Es comparativamente fácil encriptar cualquier dato que viaje a través de la conexión FSO para mayor seguridad. FSO proporciona un comportamiento de interferencia electromagnética (EMI) muy mejorado en comparación con el uso de microondas .
Ventajas tecnicas
Facilidad de implementación
Se puede usar para alimentar dispositivos [ cita requerida ]
Funcionamiento de largo alcance sin licencia (a diferencia de la comunicación por radio)
Altas tasas de bits
Bajo las tasas de error de bit
Inmunidad a interferencias electromagnéticas.
Operación full duplex
Transparencia del protocolo
Mayor seguridad al trabajar con haces estrechos [40]
No se necesita zona de Fresnel
Implementación de código abierto de referencia
Factores limitantes de rango
Para aplicaciones terrestres, los principales factores limitantes son:
Niebla (atenuación de 10 a ~ 100 dB / km)
Dispersión del haz
Absorción atmosférica
Lluvia
Nieve
Centelleo terrestre
Interferencia de fuentes de luz de fondo (incluido el sol)
Sombreado
Señalando la estabilidad en el viento
Contaminación / smog
Estos factores provocan una señal del receptor atenuada y conducen a una mayor tasa de errores de bits (BER). Para superar estos problemas, los proveedores encontraron algunas soluciones, como arquitecturas multihaz o multi-ruta, que utilizan más de un remitente y más de un receptor. Algunos dispositivos de última generación también tienen un mayor margen de desvanecimiento (potencia adicional, reservada para lluvia, smog, niebla). Para mantener un entorno seguro para los ojos, los buenos sistemas FSO tienen una densidad de potencia láser limitada y admiten clases de láser 1 o 1M. La atenuación atmosférica y de la niebla, que son de naturaleza exponencial, limitan el alcance práctico de los dispositivos FSO a varios kilómetros. Sin embargo, la óptica de espacio libre, basada en una longitud de onda de 1550 nm , tiene una pérdida óptica considerablemente menor que la óptica de espacio libre, utilizandoLongitud de onda de 830 nm , en condiciones de niebla densa. Los FSO que utilizan un sistema de longitud de onda de 1550 nm son capaces de transmitir una potencia varias veces mayor que los sistemas con 850 nm y son seguros para el ojo humano (clase 1M). Además, algunas ópticas de espacio libre, como EC SYSTEM, [41] aseguran una mayor confiabilidad de la conexión en condiciones climáticas adversas al monitorear constantemente la calidad del enlace para regular la potencia de transmisión del diodo láser con control de ganancia automático incorporado. [41]
Ver también
Filtro de línea atómica # Seguimiento y comunicación láser
Frecuencia extremadamente alta
KORUZA
Seguridad láser
Mie dispersando
Catadióptrico modulante
Interferómetro de rendija N
Ventana optica
Ventana de radio
la dispersión de Rayleigh
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enlaces externos
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la óptica del espacio libre .
Óptica de espacio libre en COST297 para HAP
Explicación de las zonas de Fresnel en microondas y enlaces ópticos
video que muestra Lichtsprechgerät 80 en uso en YouTube
La Estación Espacial Internacional transmitirá video a través de láser de regreso a la Tierra , marzo de 2014 Carga útil óptica de la NASA para la misión de demostración científica Lasercomm a la ISS
Presupuesto de enlace óptico inalámbrico (con ejemplos de Python).
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