Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Оптическая беспроводная связь ( OWC ) - это форма оптической связи, в которой для передачи сигнала используется неуправляемый видимый , инфракрасный (ИК) или ультрафиолетовый (УФ) свет. Обычно он используется для связи на малых расстояниях.

Системы OWC, работающие в видимом диапазоне (390–750 нм), обычно называют связью в видимом свете (VLC). В системах VLC используются светоизлучающие диоды (LED), которые могут генерировать импульсы с очень высокой скоростью без заметного воздействия 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 двухточечные системы OWC, также известные как оптические системы свободного пространства (FSO), [2]работают в ближнем ИК диапазоне (750–1600 нм). Эти системы обычно используют лазерные передатчики и предлагают рентабельный канал связи с прозрачным протоколом с высокой скоростью передачи данных, т. Е. 10 Гбит / с на длину волны, и обеспечивают потенциальное решение узкого места в транспортной сети.

Также наблюдается растущий интерес 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 [ править ]

Технологии беспроводной связи быстро распространились и стали востребованными в последние несколько десятилетий 20-го века и в начале 21-го века. Широкое распространение радиочастотных технологий стало ключевым фактором распространения беспроводных устройств и систем. Однако часть электромагнитного спектра, 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 вынуждает компании рассматривать варианты использования других частей электромагнитного спектра, кроме радиочастот.

Оптическая беспроводная связь (OWC) относится к передаче в неуправляемой среде распространения с использованием оптических носителей: видимого , инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения. Передачу сигналов через сигнальные огни , дым , 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 целей 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, в котором используется пара зеркал для направления управляемого луча солнечного света на удаленную станцию. Хотя оригинальный гелиограф был разработан для геодезических съемок, он широко использовался в военных целях в конце 19-го и начале 20-го веков. В 1880 году Александр Грэм Белл изобрел фотофон , первую в мире беспроводную телефонную систему.

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] Современные OWC используют либо лазеры, либо 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 применения лазеров, и многие испытания проводились с использованием различных типов лазеров и схем модуляции. [6] Однако в целом результаты были разочаровывающими из-за большой расходимости лазерных лучей и неспособности справиться с атмосферными эффектами. 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.

Текущий статус [ править ]

Пример возможной сверхдлинной OWC в системе межспутниковой передачи данных European Data Relay Satellite (EDRS)

На протяжении десятилетий интерес к OWC в основном ограничивался секретными военными приложениями [7] и космическими приложениями, включая межспутниковые и дальние космические связи. [8] Проникновение OWC на ​​массовый рынок пока ограничено, за исключением IrDA, который является весьма успешным решением беспроводной передачи данных на короткие расстояния. [ требуется обновление? ]

Приложения [ править ]

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.

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

  1. Ультракороткое расстояние : связь между кристаллами в многоярусных и плотно упакованных многокристальных корпусах. [9]
  2. Короткий диапазон : приложения беспроводной сети тела (WBAN) и беспроводной персональной сети (WPAN) в соответствии со стандартом IEEE 802.15.7, подводная связь. [10] [11]
  3. Средний диапазон : связь внутри помещений в ИК-диапазоне и видимом свете (VLC) для беспроводных локальных сетей (WLAN), а также для связи между транспортными средствами и транспортными средствами с инфраструктурой.
  4. Большая дальность : соединения между зданиями, также называемые оптической связью в свободном пространстве (FSO).
  5. Сверхдальний диапазон : лазерная связь в космосе, особенно для межспутниковых соединений и создания спутниковых группировок .

Последние тенденции [ править ]

  • 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 длины волн в дополнение к видимому свету и добавляет такие опции, как оптическая связь с камерой и LiFi. [12]
  • В приложениях OWC на ​​больших расстояниях была продемонстрирована линия связи между землей и воздушным судном с дальностью от 1 Гбит / с до 60 км на скорости 800 км / ч, « Экстремальные испытания для лазерного коммуникационного терминала ViaLight MLT-20 - оптический нисходящий канал с реактивного самолета на скорости 800 км / ч. км / ч ", DLR и EADS, декабрь 2013 г.
  • На потребительских устройствах и приложениях OWC малого радиуса действия на телефонах; Заряжайте и получайте данные с помощью света на своем смартфоне : TCL Communication / ALCATEL ONETOUCH и Sunpartner Technologies анонсируют первый полностью интегрированный смартфон на солнечной батарее. Март 2014 г.
  • В приложениях OWC сверхдальнего радиуса действия Демонстрация лунной лазерной связи НАСА (LLCD) передавала данные с лунной орбиты на Землю со скоростью 622 мегабит в секунду (Мбит / с), ноябрь 2013 года.
  • Следующее поколение коммуникаций OWC / Visible Light продемонстрировало передачу со скоростью 10 Мбит / с с помощью полимерных светоизлучающих диодов или OLED. [13]
  • В рамках исследовательской деятельности OWC существует европейский исследовательский проект IC1101 OPTICWISE программы COST (Европейское сотрудничество в области науки и технологий), финансируемый Европейским научным фондом, позволяющий 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.
  • Принятие потребительских и промышленных технологий OWC представлено консорциумом Li-Fi , основанным в 2011 году и являющимся некоммерческой организацией, занимающейся внедрением оптических беспроводных технологий. Способствует внедрению продуктов Light Fidelity (Li-Fi).
  • Примером азиатской осведомленности о OWC является консорциум VLCC по связи в видимом свете в Японии, созданный в 2007 году с целью реализации безопасной и повсеместной телекоммуникационной системы с использованием видимого света посредством деятельности по исследованию рынка, продвижению и стандартизации.
  • В США существует несколько инициатив OWC, в том числе «Исследовательский центр интеллектуального освещения», основанный в 2008 году Национальным научным фондом (NSF) и являющийся партнерством Политехнического института Ренсселера (ведущее учреждение), Бостонского университета и Университета Нью-Мексико. . Партнерами по аутрич-работе являются Университет Ховарда , Государственный университет Моргана и Технологический институт Роуза-Халмана . [14]

Ссылки [ править ]

  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: перспектива теории связи". Обзоры и учебные пособия по коммуникациям IEEE . 16 (4): 2231–2258. DOI : 10,1109 / COMST.2014.2329501 . S2CID  3141460 .
  3. ^ AA Huurdeman, Всемирная история телекоммуникаций , Wiley Interscience, 2003.
  4. ↑ GJ Holzmann и B. Pehrson, Ранняя история сетей передачи данных (перспективы), Wiley, 1994.
  5. ↑ М. Грот, « Повторное посещение фотофонов ».
  6. ^ Е. Гудвин, " Обзор операционных систем лазерной связи ", Труды IEEE , т. 58, нет. 10. С. 1746–1752, октябрь 1970 г.
  7. ^ DL Бегли, " Лазерная связь в свободном пространстве: историческая перспектива ", Ежегодное собрание Общества IEEE, лазеров и электрооптики (LEOS) , том. 2, pp. 391–392, ноябрь 2002 г., Глазго, Шотландия.
  8. ^ H. Хеммати Deep Space Optical Communications , Wiley-Interscience, 2006
  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. DOI : 10,1109 / SURV.2011.122111.00069 . S2CID 1771021 . 
  10. ^ Bhowal, A .; Кшетримаюм, РС (2018). «Анализ производительности одностороннего и двустороннего реле для подводной оптической беспроводной связи» . OSA Continuum . 1 (4): 1400–1413. DOI : 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 . DOI : 10,1364 / AO.47.000277 . PMID 18188210 . 
  12. ^ Целевая группа по коммуникациям (TG 7m) (31 мая 2019 г.). «15.7 Техническое обслуживание: оптическая беспроводная связь малого радиуса действия» . IEEE 802.15 WPANTM . Проверено 31 мая 2019 .
  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 . DOI : 10,1364 / OE.22.002830 . PMID 24663574 . 
  14. ^ Исследовательский центр Smart Lighting Engineering

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Даукантас, Патрисия (март 2014 г.). «Беспроводная оптическая связь: новая горячая точка» (PDF) . Новости оптики и фотоники . 25 (3): 34–41. Bibcode : 2014OptPN..25 ... 34D . DOI : 10.1364 / OPN.25.3.000034 .
  • Арнон, Шломи; и др., ред. (2012). Современные оптические системы беспроводной связи . Cambridge Books Online (1-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. DOI : 10.1017 / CBO9780511979187 . ISBN 9780511979187.
  • Ghassemlooy, Z .; Popoola, W .; Раджбхандари, С. (2012). Оптическая беспроводная связь: моделирование систем и каналов с помощью MATLAB (1-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: ISBN CRC Press, Inc. 9781439851883.