Оптическая беспроводная связь - Optical wireless communications

Оптическая беспроводная связь (OWC) является формой оптическая связь в котором неуправляемый видимый, инфракрасный (IR), или ультрафиолетовый (УФ) свет используется для передачи сигнала.

Системы OWC, работающие в видимом диапазоне (390–750 нм), обычно называют связь в видимом свете (VLC). В системах VLC используются светоизлучающие диоды (LED), которые могут излучать импульсы с очень высокой скоростью без заметного влияния на светоотдачу и человеческий глаз. VLC может использоваться в широком спектре приложений, включая беспроводные локальные сети, беспроводные персональные сети и автомобильные сети среди прочего.[1] С другой стороны, наземные системы OWC точка-точка, также известные как свободное пространство оптическое (FSO) системы,[2] работают в ближнем ИК диапазоне (750–1600 нм). Эти системы обычно используют лазерные передатчики и предлагают рентабельную прозрачную для протокола линию связи с высокими скоростями передачи данных, то есть 10 Гбит / с на длину волны, и предоставляют потенциальное решение для узких мест в транспортной сети. Также наблюдается рост интереса к ультрафиолетовой связи (УФС) в результате недавнего прогресса в области твердотельных оптических источников / детекторов, работающих в слепом от солнечного света УФ-спектре (200–280 нм). В этом так называемом глубоком УФ-диапазоне солнечное излучение незначительно на уровне земли, и это делает возможным создание детекторов счета фотонов с приемниками с широким полем обзора, которые увеличивают принимаемую энергию с небольшим дополнительным фоновым шумом. Такие конструкции особенно полезны для наружных конфигураций вне зоны прямой видимости для поддержки маломощного УФ-излучения малого радиуса действия, например, в беспроводных датчиках и одноранговых сетях.

История

Беспроводная связь технологии быстро распространились и стали важными в течение последних нескольких десятилетий 20-го века и начала 21-го века. Широкомасштабное внедрение радиочастота технологии были ключевым фактором в распространении беспроводных устройств и систем. Однако часть электромагнитный спектр используемая беспроводными системами ограничена по емкости, а лицензии на использование части спектра дороги. С ростом объемов беспроводной связи с большими объемами данных спрос на радиочастотный спектр превышает предложение, что заставляет компании рассматривать варианты использования других частей электромагнитного спектра, кроме радиочастот.

Оптическая беспроводная связь (OWC) относится к передаче в среде неуправляемого распространения с использованием оптических несущих: видимый, инфракрасный (IR), и ультрафиолетовый (УФ) излучение. Сигнализация через маяк горит, курить, корабельные флаги и семафорный телеграф можно считать историческими формами OWC.[3] Солнечный свет также использовался для передачи сигналов на большие расстояния с очень ранних времен. Самое раннее использование солнечного света для связи приписывается древним грекам и римлянам, которые использовали полированные щиты для отправки сигналов, отражая солнечный свет во время сражений.[4] В 1810 г. Карл Фридрих Гаусс изобрел гелиограф, который использует пару зеркал для направления управляемого луча солнечного света на удаленную станцию. Хотя оригинальный гелиограф был разработан для геодезических изысканий, он широко использовался в военных целях в конце 19 - начале 20 века. В 1880 г. Александр Грэхем Белл изобрел фотофон, первая в мире беспроводная телефонная система.

Военный интерес к фотофонам продолжился и после времен Белла. Например, в 1935 году немецкая армия разработала фотофон, в котором в качестве источника света использовалась вольфрамовая лампа накаливания с передающим ИК-фильтром. Кроме того, американские и немецкие военные лаборатории продолжали разработку дуговых ламп высокого давления для оптической связи до 1950-х годов.[5] Современный OWC использует либо лазеры или же светодиоды (Светодиоды) в качестве передатчиков. В 1962 году MIT Lincoln Labs построила экспериментальную линию связи OWC с использованием светоизлучающего GaAs диода и смогла передавать телевизионные сигналы на расстояние 30 миль. После изобретения лазера предполагалось, что OWC станет основной областью развертывания лазеров, и многие испытания проводились с использованием различных типов лазеров и схем модуляции.[6] Однако в целом результаты были неутешительными из-за большой расходимости лазерных лучей и неспособности справиться с атмосферными воздействиями. 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.

Текущее состояние

Пример возможного сверхдлинного OWC в системе межспутниковой передачи данных European Data Relay Satellite (EDRS)

На протяжении десятилетий интерес к OWC в основном ограничивался скрытыми военными приложениями.[7] и космические приложения, включая межспутниковую связь и связь в дальнем космосе.[8] Проникновение OWC на ​​массовый рынок пока ограничено, за исключением ИК-порт который является очень успешным решением беспроводной передачи на короткие расстояния.[нужно обновление? ]

Приложения

Варианты OWC могут быть потенциально использованы в разнообразных коммуникационных приложениях, начиная от оптических межсоединений в интегральных схемах через внешние линии связи между зданиями и заканчивая спутниковой связью.

Идея OWC для связи между зданиями на большом расстоянии для Istanbul Skyline

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

  1. Ультракороткий диапазон: межкристальная связь в многоуровневых и плотно упакованных многокристальных корпусах.[9]
  2. На короткие расстояния: беспроводная телесеть (WBAN) и беспроводная личная сеть (WPAN) приложения по стандарту IEEE 802.15.7, подводная связь [10][11].
  3. Средний диапазон: внутренний ИК и связь в видимом свете (VLC) для беспроводные локальные сети (WLAN) и связь между автомобилями и транспортными средствами с инфраструктурой.
  4. Большой диапазон: соединения между домами, также называемые оптическая связь в свободном пространстве (ФСО).
  5. Сверхдальний диапазон: Лазерная связь в космосе особенно для межспутниковой связи и установления спутниковые группировки.

Последние тенденции

  • В январе 2015 года IEEE 802.15 сформировал рабочую группу для написания пересмотренной версии IEEE 802.15.7-2011, которая учитывает инфракрасные и ближние ультрафиолетовые волны в дополнение к видимому свету и добавляет такие опции, как оптическая связь с камерой и LiFi.[12]
  • В приложениях OWC на ​​большие расстояния была продемонстрирована связь между землей и самолетом на расстоянии 1 Гбит / с - 60 км на скорости 800 км / ч »,Экстремальный тест для лазерного коммуникационного терминала ViaLight MLT-20 - оптический нисходящий канал с реактивного самолета на скорости 800 км / ч ", DLR и EADS, декабрь 2013 г.
  • На потребительских устройствах и приложениях OWC ближнего действия на телефонах; Заряжайте и получайте данные с помощью света на вашем смартфоне: TCL Communication / ALCATEL ONETOUCH и Sunpartner Technologies анонсируют первый полностью интегрированный смартфон на солнечной батарее. Март 2014 г.
  • В приложениях OWC сверхдальнего действия Демонстрация лунной лазерной связи НАСА (LLCD) передал данные с лунной орбиты на Землю со скоростью 622 мегабит в секунду (Мбит / с), ноябрь 2013 г.
  • Следующее поколение коммуникаций OWC / Visible Light продемонстрировало передачу со скоростью 10 Мбит / с с помощью полимерных светоизлучающих диодов или OLED.[13]
  • На исследовательскую деятельность OWC входит действие европейского исследовательского проекта IC1101. OPTICWISE программы COST (Европейское сотрудничество в области науки и технологий), финансируемой Европейским научным фондом, что позволяет координировать исследования, финансируемые из национальных источников, на европейском уровне. Проект призван служить авторитетной консолидированной европейской научной платформой для междисциплинарных исследований в области оптической беспроводной связи (OWC). Он был запущен в ноябре 2011 года и продлится до ноября 2015 года. Представлено более 20 стран.
  • Внедрение потребительских и промышленных технологий OWC представлено Консорциум Li-Fi, основанная в 2011 году, является некоммерческой организацией, занимающейся внедрением оптических беспроводных технологий. Способствует принятию Легкая верность (Li-Fi) продукты.
  • Примером азиатского понимания OWC является VLCC Консорциум связи в видимом свете в Японии, созданный в 2007 году с целью реализации безопасной и повсеместной системы электросвязи с использованием видимого света посредством исследований рынка, продвижения и стандартизации.
  • В США существует несколько инициатив OWC, в том числе «Исследовательский центр интеллектуального освещения», основанный в 2008 г. Национальный фонд науки (NSF) является партнерством Политехнический институт Ренсселера (ведущее учреждение), Бостонский университет и Университет Нью-Мексико. Партнеры по аутрич-работе Университет Говарда, Государственный университет Моргана, и Технологический институт Роуза-Халмана.[14]

Рекомендации

  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, Мохаммед; Уйсал, Мурат (2014). "Обзор оптической связи в свободном пространстве: перспективы теории связи". Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE. 16 (4): 2231–2258. Дои:10.1109 / COMST.2014.2329501.
  3. ^ А. А. Хурдеман, Всемирная история телекоммуникаций, Wiley Interscience, 2003.
  4. ^ Г. Дж. Хольцманн и Б. Персон, Ранняя история сетей передачи данных (Перспективы), Wiley, 1994.
  5. ^ М. Грот "Фотофоны снова ".
  6. ^ Э. Гудвин "Обзор действующих систем лазерной связи," Труды IEEE, т. 58, нет. 10. С. 1746–1752, октябрь 1970 г.
  7. ^ Д. Л. Бегли "Лазерная связь в свободном космосе: историческая перспектива," Ежегодное собрание Общества IEEE, лазеров и электрооптики (LEOS), т. 2, pp. 391–392, ноябрь 2002 г., Глазго, Шотландия.
  8. ^ Х. Хеммати, Оптическая связь в дальнем космосе, Wiley-Interscience, 2006 г.
  9. ^ Кахрис, Христофорос; Томкос, Иоаннис (октябрь 2012 г.). «Обзор оптических межсоединений для центров обработки данных». Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE. 14 (4): 1021–1036. Дои:10.1109 / SURV.2011.122111.00069.
  10. ^ Bhowal, A .; Кшетримаюм, Р. (2018). «Анализ производительности одностороннего и двустороннего реле для подводной оптической беспроводной связи». OSA Continuum. 1 (4): 1400–1413. Дои:10.1364 / OSAC.1.001400.
  11. ^ Hanson, F .; Радич, С. (январь 2008 г.). «Подводная оптическая связь с высокой пропускной способностью». Прикладная оптика. 47 (2): 277–83. Bibcode:2008ApOpt..47..277H. Дои:10.1364 / AO.47.000277. PMID  18188210.
  12. ^ Целевая группа по коммуникациям (TG 7м) (31 мая 2019 г.). «15.7 Техническое обслуживание: оптическая беспроводная связь малого радиуса действия». IEEE 802.15 WPANTM. Получено 2019-05-31.
  13. ^ Пол Энтони Хей; Франческо Бауси; Забих Гассемлуй; Иоаннис Папаконстантину; Хоа Ле Минь; Шарлотта Флешон; Франко Качалли (2014). «Связь в видимом свете: связь со скоростью 10 Мбит / с в реальном времени с помощью полимерного светодиода с низкой пропускной способностью». Оптика Экспресс. 22 (3): 2830–8. Bibcode:2014OExpr..22.2830H. Дои:10.1364 / OE.22.002830. PMID  24663574.
  14. ^ Исследовательский центр интеллектуального освещения

дальнейшее чтение