FSO i VLC - przyszłość technik transmisji
| Gospodarka KomunikacjaFSO (Free Space Optics) i VLC (Visible Light Communication)/Li-fi (Light Fidelity) to techniki transmisji, w których nośnikiem danych jest strumień świetlny. W ostatniej dekadzie zainteresowanie nimi rosło, gdyż brane są pod uwagę jako uzupełnienie łączy radiowych w związku ze spodziewanym kryzysem przepustowości tych drugich. W rezultacie zwiększy się wartość globalnego rynku tytułowych technik komunikacji, według Markets and Markets w latach 2020-2025, w przypadku FSO, z 402 mln dolarów do 2 mld dolarów, a VLC - z 6 do 80 mld dolarów, czyli odpowiednio średnio o 37 i 67% rocznie. Z pewnością zatem warto jest je poznać bliżej.
Tytułowe techniki zaliczane są do kategorii Optical Wireless Communication (OWC), czyli transmisji optycznej, w której nośnikiem informacji jest światło widzialne, podczerwień lub ultrafiolet. Łącza działające w zakresie światła widzialnego są klasyfikowane jako VLC, zaś FSO typowo wykorzystują, oprócz światła widzialnego, również podczerwień oraz ultrafiolet.
Źródłem światła są zwykle diody LED lub diody laserowe. Oba typy urządzeń mają w transmisji OWC zalety i ograniczenia. Zalety LED-ów to: duża sprawność energetyczna, długa żywotność, kompaktowość oraz duża szybkość przełączania. Ograniczeniem jest natomiast niekoherentność światła. W efekcie jego moc optyczna jest stosunkowo niska. Ponadto transmisję może zakłócać światło ze źródeł naturalnych i innych sztucznych.
Światło laserowe jest monochromatyczne. Ma postać wiązki, czyli rozchodzi się w określonym kierunku z ograniczoną rozbieżnością, wiązkę laserową charakteryzuje bowiem duży stopień spójności przestrzennej. Dzięki temu może propagować bez rozpraszania się w kierunkach poprzecznych do kierunku rozchodzenia się i być skupiana w punkcie. Stąd wynika duża ogniskowalność wiązek laserowych. Charakteryzuje je także duża koherencja czasowa.
Oznacza to, że spójność przestrzenna zostaje zachowana nawet w długich odstępach czasu, które odpowiadają dużym odległościom propagacji liczonym w kilometrach albo dużej liczbie cykli oscylacji. W komunikacji optycznej lasery wyróżniają się odpornością na zakłócenia i szybkością transmisji. Z drugiej strony, z powodu ich małej apertury, możliwa jest tylko komunikacja punkt-punkt.
Mocne i słabsze strony techniki FSO
Choć w transmisji FSO jako źródło światła wykorzystuje się też LED-y dużej mocy z kolimatorami wiązki, w tym zastosowaniu preferowane są diody laserowe. Ze względu na rodzaj źródła światła FSO porównuje się do transmisji światłowodowej. Zasadniczo łączy je koncepcja, a różnicą jest medium - zamiast włókien światłowodowych sygnał świetlny rozchodzi się bowiem w wolnej przestrzeni. W związku z tym transmisja FSO stanowi atrakcyjną alternatywę, tam gdzie kabel światłowodowy nie jest dostępny, a wymagana jest duża przepustowość (1 Mb/s do 1,25 Gb/s) i komunikacja pomiędzy punktami w odległościach od kilku nm do kilku tysięcy kilometrów.
Technika FSO ma wiele zalet. Przede wszystkim wykorzystuje nieregulowany zakres częstotliwości fal terahercowych, w związku z czym nie jest wymagane uzyskanie licencji ani nie należy się spodziewać zakłóceń transmisji. Przepustowość łącza można łatwo skalować z praktycznie nieograniczonym zapasem. Ponadto koszt budowy sieci jest nieporównywalnie niższy niż w przypadku budowy lub dzierżawy łączy światłowodowych. Można ją także zorganizować szybciej. Sieć jest też łatwo skalowalna, co ułatwia dodawanie nowych użytkowników. Problemem nie jest także bezpieczeństwo komunikacji - dzięki właściwościom wiązki laserowej transmisję jest bardzo trudno przechwycić.
FSO ma również ograniczenia. Ponieważ zalicza się do kategorii LOS (Line Of Sight), wszelkie przeszkody na trasie pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem blokują transmisję. Przykładem są warunki pogodowe, głównie mgła. Tworzące ją kropelki wody o średnicy rzędu mikrometrów modyfikują właściwości wiązki świetlnej przez jej pochłanianie oraz rozpraszanie. Absorpcja, która jest dla niektórych długości fal silniejsza, powoduje zmniejszenie gęstości mocy wiązki. Skutkiem rozpraszania jest z kolei kierunkowa redystrybucja energii, która może powodować znaczne zmniejszenie natężenia wiązki w miejscu docelowym przy dłuższych dystansach. Problemem poza tym jest też podgrzane powietrze, na przykład nad otworami wentylacyjnymi i nagrzanymi dachami, powodujące fluktuacje amplitudy sygnału.
VLC/Li-Fi
VLC to technika komunikacji bezprzewodowej typu duplex, w której łącze tworzy zespół: źródła sygnału w postaci diody elektroluminescencyjnej, fotodetektora i układów przetwarzania sygnału. Do transmisji wykorzystywane są sygnały świetlne o długości fali od 400 nm do 700 nm. Diody LED je emitujące są przełączane z bardzo dużą częstością, dzięki czemu ludzkie oko odbiera je jako ciągły błysk. Sieci VLC/Li-fi są brane pod uwagę jako uzupełnienie sieci Wi-Fi, jako ich optyczna wersja, o pasmie kilka tysięcy razy szerszym dzięki wykorzystaniu światła widzialnego (400-800 THz), z których można korzystać nawet tam, gdzie nie są dopuszczalne albo występują zaburzenia elektromagnetyczne.
Technika VLC, jak FSO, ma pewne ograniczenia, które muszą zostać rozwiązane, nim się upowszechni. Bez względu bowiem na to, czy łącza VLC są wykorzystywane wewnątrz pomieszczeń, czy na zewnątrz, zakłócenia od światła w otoczeniu docierające do odbiornika są nieuniknione. Problemem jest światło słoneczne i sztuczne powodujące zaszumienie sygnału użytecznego. Poza tym wraz ze wzrostem odległości natężenie światła maleje, co ogranicza VLC do komunikacji bliskiego zasięgu. Jako technika LOS, jest też podatna na blokowanie transmisji przez obiekty, które przetną drogę światła.
Potencjał VLC jest szeroki, w wielu aplikacjach. Przykładami są: inteligentne oświetlenie z możliwością komunikacji i sterowania, komunikacja pojazd-pojazd oraz pojazd-infrastruktura (sygnalizacja świetlna, znaki drogowe, lampy uliczne), alternatywa dla komunikacji radiowej w szpitalach, zwłaszcza na salach operacyjnych i w pobliżu aparatów rezonansu magnetycznego, komunikacja na pokładzie samolotów, komunikacja pod wodą.
Monika Jaworowska
