Využití bezdrátové optiky

Lasery se uplatňují v komunikačních sítích nejen pro pevná, kabelová propojení, ale umožňují dokonce zrealizovat optické bezdrátové spoje s vysokou kapacitou, bezpečností i spolehlivostí. Přestože bezdrátová optika nepatří zejména kvůli vyšším nákladům mezi přední komunikační řešení, její výhody se stále uplatní v těch případech, kde pevné propojení o vysoké kapacitě není možné nebo je časově, finančně i administrativně náročné.

Výhody bezdrátové optiky

Největší výhodou bezdrátové optiky v porovnání s jinými technologiemi je bezkonkurenční bezpečnost. Zabezpečení přenosu dat prostřednictvím FSO je nesrovnatelně vyšší zejména ve srovnání s rádiovými komunikačními systémy: paprsek nikam nevyzařuje, takže útočník jej nemůže odposlouchávat, aniž by se dostal až k samotnému vysílači či přijímači. Ty jsou však umístěny na bezpečném místě na střeše, před nebo dokonce za okny budov, takže pro potenciálního útočníka prakticky nedosažitelné.

Optický paprsek je také velice úzký, protože každý kilometr přidává jen 0,5 m rozptyl, takže okolo paprsku lze narazit jen na rozptýlené fotony, které nemohou potenciálním narušitelům nijak posloužit. Existující rozptyl současně chrání zrak: oko nemůže být ani při vysokém výkonu zasaženo celým paprskem, protože zornice oka zachytí jen malou část paprsku. Díky vysoké bezpečnosti je FSO velice oblíbenou technologií ve vojenských aplikacích.

Další výhodou je podporovaná kapacita přenosu a velice nízka latence. Optika bez kabelů nabízí integrovanou podporu jak dat, tak hlasu či videa a díky své kapacitě se řadí mezi ultra-širokopásmové technologie.

Moderní FSO systémy

 S nástupem femtosekundového laseru (USP) na trh 2013, se otevírají nové možnosti pro FSO systémy.Oproti standardnímu laseru je nárust zisku až o 25 dB (při dodržení emisních norem)

• Data je možno přenášet v silné mlze (viditelnost 125m) až na vzdálenost 3km
• Je možno aplikovat výcestavové modulace – zvýšení přenosového pásma až na 400Gbps

 FSO versus rádiové sítě

Ve srovnání s jinými bezdrátovými sítěmi není optická bezdrátová síť závislá na omezeném a regulovaném spektru a kmitočtové licenci jako jsou rádiové sítě. FSO sice není regulovaná, musí ale samozřejmě pracovat v rámci příslušných hygienických předpisů chránící především oči před potenciálně nebezpečným laserovým paprskem (ČSN EN 60825-1). Lasery pro delší vlny (1550 nm) umožňují větší výkon a přitom stále bezpečný provoz vůči lidskému oku. Některé produkty FSO navíc nabízejí automatické snížení výkonu laseru, pokud se někdo dostane do paprsku (APR, Automatic Power Reduction).

Konvenční rádiové sítě jsou založeny na technologii vysílání do éteru (broadcast), kdy všichni uživatelé v rámci buňky sdílejí dostupnou šířku pásma, buňky musí být dostatečně malé a výkon základnových stanic omezený, aby se mohly stejné kmitočty opětovně používat i v sousedních buňkách. Rádiové sítě tedy nejsou zrovna snadno rozšiřitelné a počet jejich uživatelů je omezen. Optické bezdrátové spoje podobné problémy nemají: technologie založená na přímé viditelnosti se vyhýbá nehospodárnému využívání spektra i prostoru, které je vlastní technologiím založeným na vysílání do prostoru.

U FSO nedochází k rušení typickému pro rádiové sítě, takže bezdrátové optické sítě nijak nenarušují nebo neovlivňují jiné komunikační infrastruktury. Nepotřebují ani žádné anténní věže a nemusí u nich být obavy z nežádoucích vlivů základnových stanic na zdraví tolik obávaných v případě mobilních sítí. Navíc ve srovnání s rádiovým přenosem se u FSO jedná o technologii velmi ekologickou, která neznečisťuje životní prostředí dalšími elektromagnetickými vlnami, takže nevytváří žádný elektrosmog.

Naproti tomu paprsky mezi různými dvojicemi přijímačů a vysílačů, které se přímo křižují, neznamenají pro komunikaci žádný problém, protože se nijak neovlivňují. FSO také netrpí jedním z velkých neduhů rádiových systémů: vzájemným rušením signálů, které zapřičiňuje vysokou chybovost.

Rychlost instalace bezdrátových optických spojů je příznivá (doba instalace se pohybuje v řádu hodin), protože nevyžaduje pokládku optických kabelů (a s tím spojená povolení) a počáteční instalaci infrastruktury v plném rozsahu, takže umožňuje snadné změny na straně zákazníka; z pohledu provozovatele sítě tak neznamená nebezpečí zmrazení pořizovacích nákladů. Optickou bezdrátovou službu pak lze poskytovat prakticky na požádání: k zákazníkovi se instaluje optický transceiver, komunikující s místním uzlem, takže každý zákazník má nezávislou komunikační optickou cestu. Celá instalace je otázkou několika hodin.

Bezdrátové optické spoje jsou výhradně dvoubodové, ale z více spojů FSO lze postavit celou síť typu mesh (se smyčkami). Mesh na bázi FSO se ovšem výrazně liší od podobných řešení na bázi Wi-Fi (802.11), používaných např. od zvýšení pokrytí bezdrátovou LAN až po sítě s metropolitním dosahem. Rádiové spoje totiž podporují roaming a mobilitu uživatelů, což FSO neumí, a proto se orientuje na pevné rychlé přípojky. Hlavní výhodou FSO však zůstává nabízená kapacita (od roku 2008 na trhu komerční systémy FSO o 10 Gbps), i když pokrok v kapacitních možnostech Wi-Fi za posledních několik let doznal skokový nárůst: nejnovější norma 802.11n na 5GHz nabízí uživateli kapacitu cca 60Mbps.

Zdroje:

• W. K. Pratt, Laser Communication Systems, J. Wiley & Sons, New York, NY (1969).
• I. I. Kim et al., SPIE Opt. Eng., 37, 3143–3155 (1998).
• NGMN Alliance, „Guidelines for LTE Backhaul Traffic Estimation“ (2011).
• T. H. Carbonneau and D. R. Wisely, „Opportunities and challenges for optical wireless; the competitive advantage of free-space telecommunications links in today’s crowded marketplace,“ Proc. SPIE, 3232, 119–128 (1998)
• I. I. Kim, Lightwave, 26, 19–21 (2009).
• „American National Standard for Safe Use of Lasers (ANSI Z136.1‐1993),“ the Laser Institute of America, Orlando, FL (1993).
• J. M. Hopkins and W. Sibbett, Sci. Amer., 283, 72–79 (2000).
• I. I. Kim et al., „Measurement of scintillation for free-space laser communication at 785 nm and 1550 nm,“ Proc. SPIE, 3850, 49–62 (1999).
• G. P. Berman et al., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 44, 55402–55421 (2011).
• I. I. Kim et al., „Scintillation reduction using multiple transmitters,“ Proc. SPIE, 2990, 102–113 (1997).
• B. Smutny et al., „5.625 Gbit/s optical inter-satellite communication link verified in-orbit,“ Proc. Ka and Broadband Communications Conference, Matera, Italy (2008).
• See http://bit.ly/14Pu7KC.
• P.E. Mogensen et al., „LTE-Advanced: The path towards gigabit/s in wireless mobile communications,“ Wireless VITAE 2009, 147–151, Aalborg, Denmark (May 2009).