Comunicación óptica en el espacio libre
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.
Historia
Las comunicaciones ópticas, en diversas formas, se han utilizado durante miles de años. Los antiguos griegos utilizaron un sistema alfabético codificado de señalización con antorchas desarrollado por Cleoxenus, Democleitus y Polybius. En la era moderna, se desarrollaron semáforos y telégrafos solares inalámbricos llamados heliógrafos, utilizando señales codificadas para comunicarse con sus destinatarios.
En 1880, Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter crearon el fotófono en el recién creado Laboratorio Volta de Bell en Washington, DC. Bell lo consideró su invento más importante. El dispositivo permitía la transmisión de sonido en un haz de luz. El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios, a unos 213 metros (700 pies) de distancia.
Su primer uso práctico se produjo en los sistemas de comunicación militar muchas décadas después, primero para la telegrafía óptica. Las tropas coloniales alemanas utilizaron transmisores de telegrafía heliográfica durante el genocidio de Herero y Namaqua a partir de 1904, en el África sudoccidental alemana (la actual Namibia), al igual que las señales británicas, francesas, estadounidenses u otomanas.
Durante la guerra de trincheras de la Primera Guerra Mundial, cuando a menudo se cortaban las comunicaciones por cable, las señales alemanas usaban tres tipos de transmisores Morse ópticos llamados Blinkgerät, el tipo intermedio para distancias de hasta 4 km (2,5 millas) de día y de hasta 8 km (5 millas) de 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 intermitentes especiales para la comunicación con aviones, globos y tanques, con un éxito variable.
Un gran paso tecnológico fue reemplazar el código Morse mediante la modulación de ondas ópticas en la transmisión del habla. Carl Zeiss, Jena desarrolló el Lichtsprechgerät 80/80 (traducción literal: habla óptica dispositivo) que el ejército alemán usó en sus unidades de defensa antiaérea de la Segunda Guerra Mundial, o en búnkeres en el Muro Atlántico.
La invención de los láseres en la década de 1960 revolucionó la óptica del espacio libre. Las organizaciones militares se mostraron particularmente interesadas e impulsaron su desarrollo. Sin embargo, la tecnología perdió impulso en el mercado cuando la instalación de redes de fibra óptica para uso civil 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 en espacio libre se pueden implementar mediante luz láser infrarroja, aunque es posible la comunicación a baja velocidad de datos en distancias cortas mediante 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 como parte de las aplicaciones de comunicaciones inalámbricas ópticas. La óptica de espacio libre se puede utilizar para las comunicaciones entre naves espaciales.
Distancias útiles
La confiabilidad de las unidades FSO siempre ha sido un problema para las telecomunicaciones comerciales. De manera constante, los estudios encuentran demasiados paquetes perdidos y errores de señal en rangos pequeños (400 a 500 metros (1300 a 1600 pies)). Esto proviene tanto de estudios independientes, como en la República Checa, como de estudios formales internos a nivel nacional, como uno realizado por el personal de MRV FSO. Los estudios con base militar producen constantemente estimaciones más largas de confiabilidad, proyectando que el rango máximo para los enlaces terrestres es del orden de 2 a 3 km (1,2 a 1,9 mi). 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. Se pueden emplear relés para ampliar el alcance de las comunicaciones FSO.
Ampliación de la distancia útil
La razón principal 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 a más de 500 metros (1600 pies) alcancen una tasa de error de bit de 1 por 100 000 durante todo el año. Varias entidades intentan continuamente superar estas desventajas clave de las comunicaciones 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.
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. A partir de octubre de 2014, ninguno ha presentado un sistema de trabajo que aborde los eventos atmosféricos más comunes.
La investigación de FSO entre 1998 y 2006 en el sector privado totalizó $407,1 millones, divididos principalmente entre cuatro empresas emergentes. Los cuatro no pudieron entregar productos que cumplieran con los estándares de distancia y calidad de las telecomunicaciones:
- Terabeam recibió aproximadamente 575 millones de dólares en financiación de inversores como Softbank, Mobius Venture Capital y Oakhill Venture Partners. ATT y Lucent apoyaron este intento. El trabajo en última instancia falló, y la empresa fue comprada en 2004 por $52 millones (excluyendo órdenes y opciones) por Falls Church, Va.-based YDI, a partir del 22 de junio de 2004, y utilizó el nombre 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 stock NASDAQ de TRBM a PRXM.
- AirFiber recibió $96.1 millones en financiación, y nunca resolvió el problema del tiempo. Vendieron a comunicaciones MRV en 2003, y MRV vendió sus unidades FSO hasta 2012 cuando el fin de vida fue anunciado abruptamente para la serie Terescope.
- LightPointe Communications recibió $76 millones en fondos de puesta en marcha, y finalmente reorganizó para vender unidades híbridas FSO-RF para superar los desafíos basados en el clima.
- La Corporación Maxima publicó su teoría operativa en Ciencia, y recibió 9 millones de dólares en financiación antes de cerrarse permanentemente. Ningún spin-off conocido o compra siguió este esfuerzo.
- Wireless Excellence desarrolló y lanzó soluciones de la UNIDAD sin cables que combinan FSO con tecnologías de onda milímetro y radio para ampliar la distancia, la capacidad y la disponibilidad, con el objetivo de hacer de FSO una tecnología más útil y práctica.
Una empresa privada publicó un artículo el 20 de noviembre de 2014, afirmando que habían logrado una confiabilidad comercial (99,999 % de disponibilidad) en condiciones de niebla extrema. No hay indicios de que este producto esté actualmente disponible comercialmente.
Extraterrestre
Las enormes ventajas de la comunicación láser en el espacio hacen que varias agencias espaciales se apresuren a desarrollar una plataforma de comunicación espacial estable, con muchas demostraciones y logros significativos.
Sistemas operativos
La Agencia Espacial Europea logró la primera comunicación basada en láser gigabit y se denominó Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS) el 28 de noviembre de 2014. El sistema está operativo y se utiliza a diario.
Manifestaciones
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 se perdió la señal debido a la cobertura de nubes.
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). El LLCD voló a bordo del satélite Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), cuya misión científica principal era investigar la tenue y exótica atmósfera que existe alrededor de la luna.
En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para enviar una imagen de la Mona Lisa al Lunar Reconnaissance Orbiter, a unos 390 000 km (240 000 mi) de distancia. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al que se usa en los CD.
El instrumento altímetro láser Mercury a bordo de la nave espacial MESSENGER estableció un récord de distancia bidireccional para la comunicación, y fue capaz de comunicarse a través de una distancia de 24 millones de km (15 millones de millas), como la nave se acercó a la Tierra en un sobrevuelo en mayo de 2005. El récord anterior se había establecido con una detección unidireccional de luz láser desde la Tierra, por parte de la sonda Galileo, de 6 millones de km (3,7 millones de millas) en 1992. Cita de comunicaciones láser en demostraciones espaciales (EDRS)
Uso comercial
Varias constelaciones de satélites, como SpaceX Starlink, están destinadas a proporcionar cobertura de banda ancha global empleando comunicación láser para enlaces entre satélites entre varios cientos o miles de satélites creando de manera efectiva una red de malla óptica basada en el espacio.
LED
En 2001, Twibright Labs lanzó RONJA Metropolis, un LED FSO dúplex completo de 10 Mbit/s DIY de código abierto de más de 1,4 km (0,87 mi).
En 2004, se formó un Consorcio de Comunicación de Luz Visible en Japón. Esto se basó en el trabajo de investigadores que utilizaron un sistema de iluminación espacial basado en LED blanco para comunicaciones de red de área local (LAN) en interiores. Estos sistemas presentan ventajas sobre los sistemas tradicionales basados en RF UHF debido al aislamiento mejorado entre sistemas, el tamaño y el costo de los receptores/transmisores, las leyes de licencias de RF y la combinación de iluminación espacial y comunicación en el mismo sistema. En enero de 2009, el grupo de trabajo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos formó un grupo de trabajo para la comunicación de luz visible para los estándares de red de área personal inalámbrica conocidos como IEEE 802.15.7. Se anunció un juicio en 2010, en St. Cloud, Minnesota.
Los radioaficionados han logrado distancias significativamente más largas utilizando fuentes de luz incoherentes de LED de alta intensidad. Uno informó 173 millas (278 km) en 2007. 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 fuera 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. rango. Los láseres pueden alcanzar tasas de datos muy altas que son comparables a las comunicaciones de fibra.
Las tarifas de datos proyectadas y las tarifas de datos futuras varían. Un LED blanco de bajo costo (GaN-fósforo) que podría usarse para la iluminación de espacios normalmente puede modularse hasta 20 MHz. Se pueden lograr fácilmente velocidades de datos de más de 100 Mbit/s utilizando esquemas de modulación eficientes y Siemens afirmó haber logrado más de 500 Mbit/s en 2010. La investigación publicada en 2009 usó un sistema similar para el control de tráfico de vehículos automatizados con semáforos LED.
En septiembre de 2013, pureLiFi, la empresa emergente de Edimburgo que trabaja en Li-Fi, también demostró la conectividad punto a punto de alta velocidad con cualquier bombilla de luz LED disponible en el mercado. En trabajos anteriores, se han utilizado LED especializados de alto 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, lo que reduce el costo y mejora el rendimiento de la implementación de sistemas FSO para interiores.
Detalles de ingeniería
Por lo general, los mejores escenarios para usar esta tecnología son:
- Conexión LAN-a-LAN en campus a velocidades Ethernet rápidas o Gigabit Ethernet
- Conexión LAN-LAN en una ciudad, una red de área metropolitana
- Cruzar un camino público u otras barreras que el remitente y el receptor no poseen
- Entrega rápida de servicio de acceso de alta ancho de banda a redes de fibra óptica
- Converged voice-data connection
- Instalación temporal de red (para eventos u otros fines)
- Reestablezca la conexión de alta velocidad rápidamente (recuperación de desastres)
- Como alternativa o mejora adicional a las tecnologías inalámbricas existentes
- Especialmente poderoso en combinación con sistemas de auto apuntado, para potenciar los coches móviles o un portátil mientras se mueve. o para utilizar nodos auto-aiming para crear una red con otros nodos.
- Como complemento de seguridad para importantes conexiones de fibra (redundancia)
- Para comunicaciones entre naves espaciales, incluidos elementos de una constelación satelital
- Para la comunicación interchip e intrachip
El haz de luz puede ser muy estrecho, lo que dificulta la interceptación de FSO, lo que mejora la seguridad. Es comparativamente fácil cifrar 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 técnicas
- Facilidad de despliegue
- Se puede utilizar para dispositivos de alimentación
- Funcionamiento sin licencia de largo alcance (en contraste con la comunicación por radio)
- Tasas altas de bits
- Tasas de error de bits bajos
- Inmunidad a la interferencia electromagnética
- Funcionamiento completo dúplex
- Transparencia del Protocolo
- Aumento de la seguridad al trabajar con vigas estrechas
- No es necesaria la zona de fresnel
- Aplicación de la fuente abierta
Factores limitantes del rango
Para aplicaciones terrestres, los principales factores limitantes son:
- Fog (10 a ~100 dB/km atenuación)
- Dispersión de vapor
- Absorción atmosférica
- Rain
- Nieve
- Scintillación terrestre
- Interferencia de fuentes de luz de fondo (incluyendo el sol)
- Sombras
- Tener estabilidad en el viento
- Pollution, such as smog
Estos factores provocan una señal de receptor atenuada y conducen a una tasa de error de bits (BER) más alta. Para superar estos problemas, los proveedores encontraron algunas soluciones, como arquitecturas de múltiples haces o múltiples rutas, que utilizan más de un emisor y más de un receptor. Algunos dispositivos de última generación también tienen un mayor margen de desvanecimiento (potencia adicional, reservada para la lluvia, el smog y la niebla). Para mantener un entorno seguro para los ojos, los buenos sistemas FSO tienen una densidad de potencia de láser limitada y admiten las clases de láser 1 o 1M. La atenuación atmosférica y de niebla, que es de naturaleza exponencial, limita 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 que utiliza una longitud 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, garantizan 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.
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