Las comunicaciones ópticas inalámbricas ( OWC ) son una forma de comunicación óptica en la que se utiliza luz visible , infrarroja (IR) o ultravioleta (UV) no guiada para transportar una señal. Generalmente se utiliza en comunicaciones de corto alcance.
Los sistemas OWC que operan en la banda visible (390-750 nm) se conocen comúnmente como comunicación de luz visible (VLC). Los sistemas VLC aprovechan los diodos emisores de luz (LED) que pueden pulsarse a velocidades muy altas sin un efecto notable en la salida de iluminación y el ojo humano. VLC se puede utilizar posiblemente en una amplia gama de aplicaciones, incluidas redes de área local inalámbricas, redes de área personal inalámbricas y redes de vehículos, entre otras. [1] Por otro lado, los sistemas OWC terrestres punto a punto, también conocidos como sistemas ópticos de espacio libre (FSO), [2]operan en las frecuencias IR cercanas (750–1600 nm). Estos sistemas suelen utilizar transmisores láser y ofrecen un enlace transparente de protocolo rentable con altas velocidades de datos, es decir, 10 Gbit / s por longitud de onda, y proporcionan una posible solución para el cuello de botella del backhaul.
También ha habido un interés creciente en la comunicación ultravioleta (UVC) como resultado del progreso reciente en fuentes / detectores ópticos de estado sólido que operan dentro del espectro UV ciego al sol (200–280 nm). En esta denominada banda ultravioleta profunda, la radiación solar es insignificante a nivel del suelo y esto hace posible el diseño de detectores de conteo de fotones con receptores de amplio campo de visión que aumentan la energía recibida con poco ruido de fondo adicional. Dichos diseños son particularmente útiles para configuraciones al aire libre sin línea de visión para admitir UVC de corto alcance y baja potencia, como en sensores inalámbricos y redes ad-hoc.
Historia
Las tecnologías de comunicaciones inalámbricas proliferaron y se volvieron esenciales muy rápidamente durante las últimas décadas del siglo XX y principios del siglo XXI. El despliegue a gran escala de tecnologías de radiofrecuencia fue un factor clave en la expansión de los dispositivos y sistemas inalámbricos. Sin embargo, la parte del espectro electromagnético que utilizan los sistemas inalámbricos tiene una capacidad limitada y las licencias para utilizar partes del espectro son caras. Con el aumento de las comunicaciones inalámbricas con gran cantidad de datos, la demanda de espectro de RF está superando la oferta, lo que hace que las empresas consideren opciones para utilizar partes del espectro electromagnético distintas de las frecuencias de radio.
La comunicación inalámbrica óptica (OWC) se refiere a la transmisión en medios de propagación no guiados mediante el uso de portadores ópticos: radiación visible , infrarroja (IR) y ultravioleta (UV). La señalización a través de balizas , humo , banderas de barcos y telégrafos de semáforo pueden considerarse las formas históricas de OWC. [3] La luz solar también se ha utilizado para la señalización de larga distancia desde tiempos muy remotos. El primer uso de la luz solar con fines de comunicación se atribuye a los antiguos griegos y romanos que usaban escudos pulidos para enviar señales al reflejar la luz solar durante las batallas. [4] En 1810, Carl Friedrich Gauss inventó el heliógrafo que usa un par de espejos para dirigir un rayo controlado de luz solar a una estación distante. Aunque el heliógrafo original fue diseñado para el estudio geodésico, se usó ampliamente con fines militares durante finales del siglo XIX y principios del XX. En 1880, Alexander Graham Bell inventó el fotófono , el primer sistema telefónico inalámbrico del mundo.
El interés militar en los fotófonos continuó después de la época de Bell. Por ejemplo, en 1935, el ejército alemán desarrolló un fotófono en el que se utilizaba como fuente de luz una lámpara de filamento de tungsteno con un filtro de transmisión de infrarrojos. Además, los laboratorios militares estadounidenses y alemanes continuaron el desarrollo de lámparas de arco de alta presión para comunicaciones ópticas hasta la década de 1950. [5] El OWC moderno utiliza láseres o diodos emisores de luz (LED) como transmisores. En 1962, MIT Lincoln Labs construyó un enlace OWC experimental utilizando un diodo GaAs emisor de luz y pudo transmitir señales de TV a una distancia de 30 millas. Después de la invención del láser, se pensó que OWC sería el área de despliegue principal para los láseres y se realizaron muchas pruebas utilizando diferentes tipos de láseres y esquemas de modulación. [6] Sin embargo, los resultados fueron en general decepcionantes debido a la gran divergencia de los rayos láser y la incapacidad para hacer frente a los efectos atmosféricos. Con el desarrollo de la fibra óptica de baja pérdida en la década de 1970, se convirtieron en la opción obvia para la transmisión óptica de larga distancia y desviaron el enfoque de los sistemas OWC.
Estado actual
A lo largo de las décadas, el interés en OWC se limitó principalmente a las aplicaciones militares encubiertas [7] y las aplicaciones espaciales, incluidos los enlaces entre satélites y el espacio profundo. [8] La penetración en el mercado masivo de OWC ha sido limitada hasta ahora, con la excepción de IrDA, que es una solución de transmisión inalámbrica de corto alcance de gran éxito. [ necesita actualización? ]
Aplicaciones
Las variaciones de OWC pueden emplearse potencialmente en una amplia gama de aplicaciones de comunicación que van desde interconexiones ópticas dentro de circuitos integrados a través de enlaces entre edificios al aire libre hasta comunicaciones por satélite.
OWC se puede dividir en cinco categorías según el rango de transmisión:
- Alcance ultracorto: comunicaciones de chip a chip en paquetes de varios chips apilados y empaquetados. [9]
- Corto alcance : aplicaciones de red de área corporal inalámbrica (WBAN) y red de área personal inalámbrica (WPAN) según el estándar IEEE 802.15.7, comunicaciones subacuáticas. [10] [11]
- Alcance medio : comunicaciones de luz visible e infrarrojos en interiores (VLC) para redes de área local inalámbricas (WLAN) y comunicaciones entre vehículos y entre vehículos e infraestructura.
- Largo alcance : conexiones entre edificios, también llamadas comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO).
- Alcance ultralargo : comunicación láser en el espacio, especialmente para enlaces entre satélites y establecimiento de constelaciones de satélites .
Tendencias recientes
- En enero de 2015, IEEE 802.15 formó un grupo de tareas para escribir una revisión de IEEE 802.15.7-2011 que se adapta a longitudes de onda infrarrojas y casi ultravioleta, además de luz visible, y agrega opciones como comunicaciones de cámara óptica y LiFi. [12]
- En aplicaciones OWC de largo alcance, se ha demostrado un enlace de alcance de 1 Gbit / s - 60 km entre tierra y aeronave a una velocidad de 800 km / h, " Prueba extrema para el terminal de comunicación láser ViaLight MLT-20 - Enlace descendente óptico desde un avión a reacción a 800 km / h ", DLR y EADS, diciembre de 2013.
- En dispositivos de consumo y aplicaciones OWC de corto alcance en teléfonos; Cargue y reciba datos con luz en su teléfono inteligente : TCL Communication / ALCATEL ONETOUCH y Sunpartner Technologies anuncia el primer teléfono inteligente solar totalmente integrado. Marzo del 2014.
- En aplicaciones OWC de alcance ultralargo, la Demostración de comunicación láser lunar (LLCD) de la NASA transmitió datos desde la órbita lunar a la Tierra a una velocidad de 622 megabits por segundo (Mbps), noviembre de 2013.
- La próxima generación de comunicaciones de luz visible / OWC demostró una transmisión de 10 Mbit / s con diodos emisores de luz de polímero u OLED. [13]
- Sobre las actividades de investigación de OWC existe un proyecto de investigación europeo acción IC1101 OPTICWISE del Programa COST (Cooperación Europea en Ciencia y Tecnología) financiado por la Fundación Europea de la Ciencia, que permite la coordinación de la investigación financiada a nivel nacional a nivel europeo. La acción tiene como objetivo servir como una plataforma científica europea consolidada de alto perfil para las actividades de investigación interdisciplinarias de comunicación óptica inalámbrica (OWC). Fue lanzado en noviembre de 2011 y estará en funcionamiento hasta noviembre de 2015. Más de 20 países representados.
- La adopción de tecnologías OWC para el consumidor y la industria está representada por el Consorcio Li-Fi , fundado en 2011 es una organización sin fines de lucro, dedicada a introducir tecnología inalámbrica óptica. Promueve la adopción de productos Light Fidelity (Li-Fi).
- Un ejemplo de la conciencia asiática sobre OWC es el consorcio de comunicaciones de luz visible VLCC en Japón, establecido en 2007 para realizar un sistema de telecomunicaciones seguro y ubicuo utilizando luz visible a través de las actividades de investigación de mercado, promoción y estandarización.
- En los EE. UU. Hay varias iniciativas de OWC, incluido el "Smart Lighting Engineering Research Center", fundado en 2008 por la National Science Foundation (NSF) es una asociación del Instituto Politécnico Rensselaer (institución líder), la Universidad de Boston y la Universidad de Nuevo México. . Los socios de extensión son Howard University , Morgan State University y Rose-Hulman Institute of Technology . [14]
Referencias
- ^ M. Uysal y H. Nouri, "Comunicaciones inalámbricas ópticas: una tecnología emergente", 16ª Conferencia internacional sobre redes ópticas transparentes (ICTON), Graz, Austria, julio de 2014
- ↑ Ali Khalighi, Mohammad; Uysal, Murat (2014). "Encuesta sobre comunicación óptica en el espacio libre: una perspectiva de la teoría de la comunicación". Encuestas y tutoriales de comunicaciones de IEEE . 16 (4): 2231–2258. doi : 10.1109 / COMST.2014.2329501 . S2CID 3141460 .
- ^ AA Huurdeman, La historia mundial de las telecomunicaciones , Wiley Interscience, 2003.
- ^ GJ Holzmann y B. Pehrson, La historia temprana de las redes de datos (perspectivas), Wiley, 1994.
- ^ M. Groth, " Fotófonos revisitados ".
- ^ E. Goodwin, " Una revisión de los sistemas operativos de comunicación por láser ", Actas del IEEE , vol. 58, no. 10, págs. 1746-1752, octubre de 1970.
- ^ DL Begley, " Comunicaciones láser en el espacio libre: una perspectiva histórica ", Reunión anual de la IEEE, Sociedad de láseres y electroóptica (LEOS) , vol. 2, págs. 391–392, noviembre de 2002, Glasgow, Escocia.
- ^ H. Hemmati, Comunicaciones ópticas del espacio profundo , Wiley-Interscience, 2006
- ^ Kachris, Christoforos; Tomkos, Ioannis (octubre de 2012). "Una encuesta sobre interconexiones ópticas para centros de datos". Encuestas y tutoriales de comunicaciones de IEEE . 14 (4): 1021–1036. doi : 10.1109 / SURV.2011.122111.00069 . S2CID 1771021 .
- ^ Bhowal, A .; Kshetrimayum, RS (2018). "Análisis de rendimiento de relé unidireccional y bidireccional para comunicaciones inalámbricas ópticas submarinas" . Continuum OSA . 1 (4): 1400-1413. doi : 10.1364 / OSAC.1.001400 .
- ^ Hanson, F .; Radic, S. (enero de 2008). "Comunicación óptica submarina de gran ancho de banda". Óptica aplicada . 47 (2): 277–83. Código bibliográfico : 2008ApOpt..47..277H . doi : 10.1364 / AO.47.000277 . PMID 18188210 .
- ^ Grupo de Trabajo de Comunicaciones (TG 7m) (31 de mayo de 2019). "15.7 Mantenimiento: inalámbrico óptico de corto alcance" . IEEE 802.15 WPANTM . Consultado el 31 de mayo de 2019 .
- ^ Paul Anthony Haigh; Francesco Bausi; Zabih Ghassemlooy; Ioannis Papakonstantinou; Hoa Le Minh; Charlotte Fléchon; Franco Cacialli (2014). "Comunicaciones de luz visible: enlace de 10 Mb / s en tiempo real con un diodo emisor de luz de polímero de bajo ancho de banda" . Optics Express . 22 (3): 2830–8. Código bibliográfico : 2014OExpr..22.2830H . doi : 10.1364 / OE.22.002830 . PMID 24663574 .
- ^ El Centro de Investigación de Ingeniería de Iluminación Inteligente
Otras lecturas
- Daukantas, Patricia (marzo de 2014). "Comunicaciones ópticas inalámbricas: el nuevo punto de acceso" (PDF) . Noticias de Óptica y Fotónica . 25 (3): 34–41. Código Bibliográfico : 2014OptPN..25 ... 34D . doi : 10.1364 / OPN.25.3.000034 .
- Arnón, Shlomi; et al., eds. (2012). Sistemas de comunicación inalámbricos ópticos avanzados . Cambridge Books Online (1ª ed.). Cambridge: Cambridge University Press. doi : 10.1017 / CBO9780511979187 . ISBN 9780511979187.
- Ghassemlooy, Z .; Popoola, W .; Rajbhandari, S. (2012). Comunicaciones ópticas inalámbricas: modelado de sistemas y canales con MATLAB (1ª ed.). Boca Raton, FL: CRC Press, Inc. ISBN 9781439851883.