Оптическая беспроводная связь

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

Системы OWC, работающие в видимом диапазоне (390–750 нм), обычно называют связью в видимом свете (VLC). В системах VLC используются светодиоды (LED), которые могут генерировать импульсы с очень высокой скоростью без заметного влияния на светоотдачу и человеческий глаз. VLC может использоваться в широком спектре приложений, включая, среди прочего, беспроводные локальные сети , беспроводные персональные сети и автомобильные сети . ^[1] С другой стороны, наземные двухточечные системы OWC, также известные как оптические системы свободного пространства (FSO), ^[2] работают на частотах ближнего ИК-диапазона (750–1600 нм). Эти системы обычно используют лазерные передатчики и предлагают экономичную, прозрачную для протоколов связь с высокими скоростями передачи данных , т. е. 10 Гбит/с на длину волны, и обеспечивают потенциальное решение узкого места в транспортной сети .

Также растет интерес к ультрафиолетовой связи (УФС) в результате недавнего прогресса в области твердотельных оптических источников/детекторов, работающих в солнечно-слепом УФ-спектре (200–280 нм). В этом так называемом глубоком УФ-диапазоне солнечное излучение на уровне земли незначительно, и это делает возможным создание детекторов счета фотонов с приемниками с широким полем зрения, которые увеличивают принимаемую энергию с небольшим дополнительным фоновым шумом. Такие конструкции особенно полезны для наружных конфигураций вне прямой видимости для поддержки маломощного UVC ближнего действия, например, в беспроводных датчиках и одноранговых сетях.

История

Технологии беспроводной связи получили широкое распространение и очень быстро стали необходимыми в течение последних нескольких десятилетий 20-го и начала 21-го века. Широкомасштабное внедрение радиочастотных технологий стало ключевым фактором в распространении беспроводных устройств и систем. Однако часть электромагнитного спектра, используемая беспроводными системами, ограничена по емкости, а лицензии на использование частей спектра стоят дорого. С развитием беспроводной связи с большим объемом данных спрос на радиочастотный спектр превышает предложение, что заставляет компании рассматривать варианты использования частей электромагнитного спектра, отличных от радиочастот.

Оптическая беспроводная связь (OWC) относится к передаче в неуправляемых средах распространения с использованием оптических носителей: видимого , инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) излучения. Сигнализацию посредством маяков , дыма , корабельных флагов и семафорного телеграфа можно считать историческими формами ВНК. ^[3] Солнечный свет также использовался для передачи сигналов на большие расстояния с очень давних времен. Самое раннее использование солнечного света для целей связи приписывают древним грекам и римлянам, которые использовали полированные щиты для передачи сигналов, отражая солнечный свет во время сражений. ^[4] В 1810 году Карл Фридрих Гаусс изобрел гелиограф, который использует пару зеркал для направления контролируемого луча солнечного света на далекую станцию. Хотя оригинальный гелиограф был разработан для геодезических исследований, в конце 19 — начале 20 века он широко использовался в военных целях. В 1880 году Александр Грэм Белл изобрел фотофон — первую в мире беспроводную телефонную систему.

Военный интерес к фотофонам продолжался и после Белла. Например, в 1935 году немецкая армия разработала фотофон, в котором в качестве источника света использовалась вольфрамовая лампа накаливания с ИК-фильтром. Также американские и немецкие военные лаборатории продолжали разработку дуговых ламп высокого давления для оптической связи до 1950-х годов. ^[5] Современный OWC использует в качестве передатчиков либо лазеры , либо светодиоды (светодиоды). В 1962 году лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института построила экспериментальную линию связи OWC с использованием светодиода GaAs и смогла передавать телевизионные сигналы на расстояние 30 миль. После изобретения лазера предполагалось, что OWC станет основной областью применения лазеров, и было проведено множество испытаний с использованием различных типов лазеров и схем модуляции. ^[6] Однако результаты в целом оказались неутешительными из-за большой расходимости лазерных лучей и неспособности справиться с атмосферными воздействиями. С развитием оптоволокна 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

На протяжении десятилетий интерес к OWC в основном ограничивался секретным военным применением. ^[7] и космические применения, включая межспутниковую связь и связь в дальнем космосе. ^[8] Проникновение OWC на массовый рынок до сих пор было ограничено, за исключением IrDA , который является весьма успешным решением беспроводной передачи данных на короткие расстояния. ^{[ нужно обновить? ]}

Приложения

Варианты OWC потенциально могут использоваться в самых разных коммуникационных приложениях, начиная от оптических межсоединений внутри интегральных схем и заканчивая наружными линиями связи между зданиями и заканчивая спутниковой связью.

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

Сверхкороткая дальность : связь между чипами в сложенных и плотно упакованных многочиповых корпусах. ^[9]
Короткая дальность : беспроводной нательной сети (WBAN) и беспроводной персональной сети (WPAN) в соответствии со стандартом IEEE 802.15.7, подводная связь. приложения ^[10]^[11]
Средний радиус действия : связь внутри помещений ИК- и видимым светом (VLC) для беспроводных локальных сетей (WLAN), а также связь между транспортными средствами и между транспортными средствами и инфраструктурой.
Большой радиус действия : соединения между зданиями, также называемые оптической связью в свободном пространстве (FSO).
Сверхдальняя дальность : Лазерная связь в космосе, особенно для межспутниковой связи и создания спутниковых группировок .

Последние тенденции

В январе 2015 года IEEE 802.15 сформировал рабочую группу для написания версии IEEE 802.15.7-2011, которая учитывает инфракрасные и ближние ультрафиолетовые длины волн в дополнение к видимому свету и добавляет такие опции, как связь с оптической камерой и LiFi. ^[12]
В приложениях OWC на большие расстояния была продемонстрирована связь между землей и воздушным судном со скоростью 1 Гбит/с - 60 км на скорости 800 км/ч . км/ч », DLR и EADS, декабрь 2013 г.
На потребительских устройствах и приложениях OWC ближнего радиуса действия на телефонах; Заряжайте и получайте данные с помощью света на своем смартфоне : TCL Communication/ALCATEL ONETOUCH и Sunpartner Technologies объявляют о выпуске первого полностью интегрированного смартфона с солнечной батареей. Март 2014.
В рамках приложений OWC сверхдальнего радиуса действия демонстрационная программа лунной лазерной связи НАСА (LLCD) передала данные с лунной орбиты на Землю со скоростью 622 мегабита в секунду (Мбит/с), ноябрь 2013 года.
Следующее поколение OWC/Visible Light Communications продемонстрировало передачу со скоростью 10 Мбит/с с использованием полимерных светоизлучающих диодов или OLED. ^[13]
В области исследовательской деятельности OWC действует европейский исследовательский проект IC1101 OPTICWISE программы COST (Европейское сотрудничество в области науки и технологий), финансируемый Европейским научным фондом, что позволяет координировать исследования, финансируемые из национальных источников, на европейском уровне. Цель акции – стать высококлассной консолидированной европейской научной платформой для междисциплинарной исследовательской деятельности 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 Консорциумом Li-Fi , основанным в 2011 году и представляющим собой некоммерческую организацию, занимающуюся внедрением оптических беспроводных технологий. Способствует внедрению продуктов Light Fidelity (Li-Fi).
Примером осведомленности азиатов о OWC является консорциум связи видимого света VLCC в Японии, созданный в 2007 году с целью создания безопасной, 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 году Национальным научным фондом (NSF) и являющийся партнерством Политехнического института Ренсселера (ведущее учреждение), Бостонского университета и Университета Нью-Мексико. . Партнерами по информационно-пропагандистской деятельности являются Университет Говарда , Государственный университет Моргана и Технологический институт Роуз-Халмана . ^[14]
В июле 2023 года IEEE выпустил 802.11bb , создав стандарт для оптических сетей прямой видимости в диапазоне 800–1000 нм.

Ссылки

^ М. Уйсал и Х. Нури, «Оптическая беспроводная связь – новая технология», 16-я Международная конференция по прозрачным оптическим сетям (ICTON), Грац, Австрия, июль 2014 г.
^ Али Халиги, Мохаммед; Уйсал, Мурат (2014). «Обзор оптической связи в свободном пространстве: взгляд на теорию связи» . Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 16 (4): 2231–2258. дои : 10.1109/COMST.2014.2329501 . S2CID 3141460 .
^ А. А. Хуурдеман, Всемирная история телекоммуникаций , Wiley Interscience, 2003.
^ Г. Дж. Хольцманн и Б. Персон, Ранняя история сетей передачи данных (перспективы), Wiley, 1994.
^ М. Грот, « Возвращение к фотофонам ».
^ Э. Гудвин, « Обзор операционных систем лазерной связи », Труды IEEE , том. 58, нет. 10, стр. 1746–1752, октябрь 1970 г.
^ DL Бегли, « Лазерная связь в свободном пространстве: историческая перспектива », Ежегодное собрание IEEE, Общества лазеров и электрооптики (LEOS) , том. 2, стр. 391–392, ноябрь 2002 г., Глазго, Шотландия.
^ Х. Хеммати, Оптическая связь в дальнем космосе , Wiley-Interscience, 2006 г.
^ Качрис, Христофорос; Томкос, Иоаннис (октябрь 2012 г.). «Обзор оптических межсоединений для центров обработки данных». Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 14 (4): 1021–1036. дои : 10.1109/SURV.2011.122111.00069 . S2CID 1771021 .
^ Бховал, А.; Кшетримаюм, РС (2018). «Анализ характеристик одностороннего и двустороннего реле для подводной оптической беспроводной связи» . ОСА Континуум . 1 (4): 1400–1413. дои : 10.1364/OSAC.1.001400 .
^ Хэнсон, Ф.; Радич, С. (январь 2008 г.). «Высокополосная подводная оптическая связь». Прикладная оптика . 47 (2): 277–83. Бибкод : 2008ApOpt..47..277H . дои : 10.1364/AO.47.000277 . ПМИД 18188210 .
^ Целевая группа по коммуникациям (TG 7m) (31 мая 2019 г.). «15.7 Техническое обслуживание: оптическая беспроводная связь ближнего действия» . IEEE 802.15 WPANTM . Проверено 31 мая 2019 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ Пол Энтони Хэй; Франческо Баузи; Забих Гассемлой; Иоаннис Папаконстантину; Хоа Ле Минь; Шарлотта Флешон; Франко Качиалли (2014). «Видимая световая связь: канал связи в реальном времени со скоростью 10 Мбит/с с низкопропускным полимерным светодиодом» . Оптика Экспресс . 22 (3): 2830–8. Бибкод : 2014OExpr..22.2830H . дои : 10.1364/OE.22.002830 . ПМИД 24663574 .
^ Исследовательский центр интеллектуального освещения.

Дальнейшее чтение

Даукантас, Патрисия (март 2014 г.). «Оптическая беспроводная связь: новая горячая точка» (PDF) . Новости оптики и фотоники . 25 (3): 34–41. Бибкод : 2014OptPN..25...34D . дои : 10.1364/ОПН.25.3.000034 .
Арнон, Шломи; и др., ред. (2012). Передовые оптические системы беспроводной связи (1-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/CBO9780511979187 . ISBN 9780511979187 .
Гассемлой, З.; Попула, В.; Раджбхандари, С. (2012). Оптическая беспроводная связь: моделирование системы и каналов с помощью MATLAB (1-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, Inc. ISBN 9781439851883 .

[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: взгляд на теорию связи» . Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 16 (4): 2231–2258. дои : 10.1109/COMST.2014.2329501 . S2CID 3141460 .

[3] А. А. Хуурдеман, Всемирная история телекоммуникаций , Wiley Interscience, 2003.

[4] Г. Дж. Хольцманн и Б. Персон, Ранняя история сетей передачи данных (перспективы), Wiley, 1994.

[5] М. Грот, « Возвращение к фотофонам ».

[6] Э. Гудвин, « Обзор операционных систем лазерной связи », Труды IEEE , том. 58, нет. 10, стр. 1746–1752, октябрь 1970 г.

[7] DL Бегли, « Лазерная связь в свободном пространстве: историческая перспектива », Ежегодное собрание IEEE, Общества лазеров и электрооптики (LEOS) , том. 2, стр. 391–392, ноябрь 2002 г., Глазго, Шотландия.

[8] Х. Хеммати, Оптическая связь в дальнем космосе , Wiley-Interscience, 2006 г.

[9] Качрис, Христофорос; Томкос, Иоаннис (октябрь 2012 г.). «Обзор оптических межсоединений для центров обработки данных». Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 14 (4): 1021–1036. дои : 10.1109/SURV.2011.122111.00069 . S2CID 1771021 .

[kshetrimayum-10] Бховал, А.; Кшетримаюм, РС (2018). «Анализ характеристик одностороннего и двустороннего реле для подводной оптической беспроводной связи» . ОСА Континуум . 1 (4): 1400–1413. дои : 10.1364/OSAC.1.001400 .

[11] Хэнсон, Ф.; Радич, С. (январь 2008 г.). «Высокополосная подводная оптическая связь». Прикладная оптика . 47 (2): 277–83. Бибкод : 2008ApOpt..47..277H . дои : 10.1364/AO.47.000277 . ПМИД 18188210 .

[12] Целевая группа по коммуникациям (TG 7m) (31 мая 2019 г.). «15.7 Техническое обслуживание: оптическая беспроводная связь ближнего действия» . IEEE 802.15 WPANTM . Проверено 31 мая 2019 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[13] Пол Энтони Хэй; Франческо Баузи; Забих Гассемлой; Иоаннис Папаконстантину; Хоа Ле Минь; Шарлотта Флешон; Франко Качиалли (2014). «Видимая световая связь: канал связи в реальном времени со скоростью 10 Мбит/с с низкопропускным полимерным светодиодом» . Оптика Экспресс . 22 (3): 2830–8. Бибкод : 2014OExpr..22.2830H . дои : 10.1364/OE.22.002830 . ПМИД 24663574 .

[14] Исследовательский центр интеллектуального освещения.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

v т и Оптическая связь
Basic	Smoke signal Beacon Hydraulic telegraph Ships' flags Optical telegraph Heliograph Signal lamp Photophone
Advanced	Fiber-optics Optical fiber Cable Connectors Optical wireless Free-space Visible light Li-Fi In space Consumer IR Optical Transport Network
Technologies	OC Rates Intensity modulation Modulating retro-reflector
Category Portal

v т и Телекоммуникации
History	Beacon Broadcasting Cable protection system Cable TV Communications satellite Computer network Data compression audio DCT image video Digital media Internet video online video platform social media streaming Drums Edholm's law Electrical telegraph Fax Heliographs Hydraulic telegraph Information Age Information revolution Internet Mass media Mobile phone Smartphone Optical telecommunication Optical telegraphy Pager Photophone Prepaid mobile phone Radio Radiotelephone Satellite communications Semaphore Phryctoria Semiconductor device MOSFET transistor Smoke signals Telecommunications history Telautograph Telegraphy Teleprinter (teletype) Telephone The Telephone Cases Television digital streaming Undersea telegraph line Videotelephony Whistled language Wireless revolution
Pioneers	Nasir Ahmed Edwin Howard Armstrong Mohamed M. Atalla John Logie Baird Paul Baran John Bardeen Alexander Graham Bell Emile Berliner Tim Berners-Lee Francis Blake (telephone) Jagadish Chandra Bose Charles Bourseul Walter Houser Brattain Vint Cerf Claude Chappe Yogen Dalal Daniel Davis Jr. Donald Davies Amos Dolbear Thomas Edison Lee de Forest Philo Farnsworth Reginald Fessenden Elisha Gray Oliver Heaviside Robert Hooke Erna Schneider Hoover Harold Hopkins Gardiner Greene Hubbard Internet pioneers Bob Kahn Dawon Kahng Charles K. Kao Narinder Singh Kapany Hedy Lamarr Innocenzo Manzetti Guglielmo Marconi Robert Metcalfe Antonio Meucci Samuel Morse Jun-ichi Nishizawa Charles Grafton Page Radia Perlman Alexander Stepanovich Popov Tivadar Puskás Johann Philipp Reis Claude Shannon Almon Brown Strowger Henry Sutton Charles Sumner Tainter Nikola Tesla Camille Tissot Alfred Vail Thomas A. Watson Charles Wheatstone Vladimir K. Zworykin
Transmission media	Coaxial cable Fiber-optic communication optical fiber Free-space optical communication Molecular communication Radio waves wireless Transmission line telecommunication circuit
Network topology and switching	Bandwidth Links Nodes terminal Network switching circuit packet Telephone exchange
Multiplexing	Space-division Frequency-division Time-division Polarization-division Orbital angular-momentum Code-division
Concepts	Communication protocol Computer network Data transmission Store and forward Telecommunications equipment
Types of network	Cellular network Ethernet ISDN LAN Mobile NGN Public Switched Telephone Radio Television Telex UUCP WAN Wireless network
Notable networks	ARPANET BITNET CYCLADES FidoNet Internet Internet2 JANET NPL network Toasternet Usenet
Locations	Africa Americas North South Antarctica Asia Europe Oceania (Global telecommunications regulation bodies)
Telecommunication portal Category Outline Commons