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Comunicación óptica en espacio libre

Enlace láser de óptica espacial libre de ocho haces, con una velocidad nominal de 1 Gbit/s. El receptor es la lente grande en el centro, y los transmisores, las más pequeñas. ...

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Enlace láser de óptica espacial libre de ocho haces, con una velocidad nominal de 1  Gbit/s. El receptor es la lente grande en el centro, y los transmisores, las más pequeñas. En la esquina superior derecha hay un monocular para facilitar la alineación de los dos cabezales.

La 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 a largas distancias, ya sea para telecomunicaciones o redes informáticas . El término "espacio libre" se refiere al aire, el espacio exterior, el vacío o algo similar. Esto contrasta con el uso de sólidos, como el cable de fibra óptica . Esta tecnología resulta útil cuando las conexiones físicas son inviables debido a su elevado coste u otras consideraciones.

Historia

Un receptor de fotófono y unos auriculares, la mitad del sistema de telecomunicaciones ópticas de Bell y Tainter de 1880.

Las comunicaciones ópticas , en diversas formas, se han utilizado durante miles de años. Los antiguos griegos empleaban un sistema de señalización alfabético codificado con antorchas, desarrollado por Cleoxeno, Democleito y Polibio . [ 1 ] En la era moderna, se desarrollaron semáforos y telégrafos solares inalámbricos llamados heliógrafos , que utilizaban señales codificadas para comunicarse con sus receptores.

En 1880, Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter crearon el fotófono en el recién inaugurado Laboratorio Volta de Bell en Washington, D.C. Bell lo consideró su invento más importante. El dispositivo permitía la transmisión de sonido mediante un haz de luz . El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios separados por unos 213 metros (699 pies) . [ 2 ] [ 3 ]

Su primer uso práctico se produjo décadas después en sistemas de comunicación militar, inicialmente para la telegrafía óptica. Las tropas coloniales alemanas utilizaron transmisores de telegrafía heliográfica durante las Guerras Herero , que comenzaron en 1904 en el África Sudoccidental Alemana (actual Namibia ), al igual que las señales británicas, francesas, estadounidenses u otomanas.

Blinkgerät alemán de la Primera Guerra Mundial

Durante la guerra de trincheras de la Primera Guerra Mundial, cuando las comunicaciones por cable se interrumpían con frecuencia, las señales alemanas utilizaban tres tipos de transmisores ópticos Morse llamados Blinkgerät . El tipo intermedio tenía un alcance de hasta 4 km (2,5 millas) durante el día y de hasta 8 km (5,0 millas) por la noche, utilizando filtros rojos para evitar ser detectado. Las comunicaciones telefónicas ópticas se probaron al final de la guerra, pero no se implementaron a nivel de las tropas. Además, se utilizaron Blinkgerät especiales para la comunicación con aviones, globos y tanques, con resultados variables.    

Un importante avance tecnológico fue la sustitución del código Morse mediante la modulación de ondas ópticas en la transmisión del habla. Carl Zeiss, de Jena, desarrolló el Lichtsprechgerät 80/80  (traducción literal: dispositivo óptico de comunicación) que el ejército alemán utilizó en sus unidades de defensa antiaérea durante la Segunda Guerra Mundial , o en los búnkeres del Muro Atlántico . [ 4 ]

La invención de los láseres en la década de 1960 revolucionó la óptica de espacio libre. Las organizaciones militares mostraron un interés particular e impulsaron su desarrollo. En 1973, mientras desarrollaban prototipos de las primeras impresoras láser en PARC , Gary Starkweather y otros crearon un enlace óptico CAN dúplex de 30 Mbit/s utilizando telescopios astronómicos y láseres HeNe para enviar datos entre oficinas; eligieron este método debido, en parte, a las regulaciones menos estrictas (en ese momento) sobre la comunicación óptica de espacio libre por parte de la FCC . [ 5 ] Sin embargo, la óptica de espacio libre basada en láser perdió impulso en el mercado cuando la instalación de redes de fibra óptica para usos civiles estaba en su apogeo.

Muchos mandos a distancia sencillos y económicos para el consumidor utilizan comunicación de baja velocidad mediante luz infrarroja (IR). Esto se conoce como tecnología IR de consumo .

Uso y tecnologías

Los enlaces ópticos punto a punto en espacio libre pueden implementarse mediante luz láser infrarroja, aunque también es posible la comunicación a baja velocidad de datos a corta distancia utilizando LED . La tecnología de Asociación de Datos Infrarrojos (IrDA) es una forma muy sencilla de comunicaciones ópticas en espacio libre. En el ámbito de las comunicaciones, la tecnología FSO se considera parte de las aplicaciones de comunicaciones ópticas inalámbricas . La óptica en espacio libre puede utilizarse para la comunicación entre naves espaciales . [ 6 ]

Distancias útiles

La fiabilidad de las unidades FSO siempre ha sido un problema para las telecomunicaciones comerciales. Los estudios detectan sistemáticamente una cantidad excesiva de paquetes perdidos y errores de señal en distancias cortas (de 400 a 500 metros (1300 a 1600 pies) ). Esto se desprende tanto de estudios independientes, como el realizado en la República Checa, [ 7 ] como de estudios internos, como el llevado a cabo por el personal de MRV FSO. [ 8 ] 

Los estudios militares producen sistemáticamente estimaciones más largas para la fiabilidad, proyectando que el alcance máximo para los enlaces terrestres es del orden de 2 a 3 km (1,2 a 1,9 millas) . [ 9 ] 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 repetidores para extender el alcance de las comunicaciones FSO. [ 10 ] [ 11 ]  

TMEX USA operó dos enlaces de ocho millas entre Laredo, Texas y Nuevo Laredo, México desde 1998 [ 12 ] hasta 2002. Los enlaces operaban a 155  Mbit/s y transportaban llamadas telefónicas y servicio de internet de manera confiable. [ 13 ]

Ampliar la distancia útil

Arte conceptual oficial de DARPA ORCA creado alrededor de 2008 .

La principal razón por la que las comunicaciones terrestres se han limitado a funciones de telecomunicaciones no comerciales es la niebla. La niebla a menudo impide que los enlaces láser FSO de más de 500 metros (1600 pies) alcancen una disponibilidad durante todo el año suficiente para servicios comerciales. Varias entidades están intentando continuamente superar estas desventajas clave de las comunicaciones FSO e implementar un sistema con una mejor calidad de servicio . DARPA ha patrocinado más de 130 millones de dólares estadounidenses en investigación para este fin, con los programas ORCA y ORCLE. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 

Otros grupos no gubernamentales están llevando a cabo pruebas para evaluar diferentes tecnologías que, según algunos, tienen la capacidad de abordar los principales desafíos de la adopción de FSO. A partir de octubre de 2014Ninguno ha implementado un sistema funcional que aborde los fenómenos atmosféricos más comunes.

La investigación sobre FSO en el sector privado entre 1998 y 2006 ascendió a 407,1 millones de dólares, repartidos principalmente entre cuatro empresas emergentes. Ninguna de ellas logró ofrecer productos que cumplieran con los estándares de calidad y distancia de las telecomunicaciones: [ 17 ]

  • Terabeam recibió aproximadamente 575 millones de dólares en financiación de inversores como Softbank, Mobius Venture Capital y Oakhill Venture Partners. AT&T y Lucent respaldaron este intento. [ 18 ] [ 19 ] El trabajo finalmente fracasó, y la empresa fue comprada en 2004 por 52 millones de dólares (excluyendo warrants y opciones) por YDI, con sede en Falls Church, Virginia, con efecto 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 bursátil en el NASDAQ de TRBM a PRXM. [ 20 ]
  • AirFiber recibió 96,1 millones de dólares en financiación, pero nunca resolvió el problema meteorológico. Vendieron la empresa a MRV Communications en 2003, y MRV vendió sus unidades FSO hasta 2012, cuando se anunció abruptamente el fin de la vida útil de la serie Terescope. [ 21 ]
  • LightPointe Communications recibió 76 millones de dólares en fondos iniciales y, finalmente, se reorganizó para vender unidades híbridas FSO-RF para superar los desafíos relacionados con el clima. [ 22 ]
  • La corporación Maxima publicó su teoría de funcionamiento en Science [ 23 ] y recibió 9 millones de dólares en financiación antes de cerrar definitivamente. No se tiene constancia de ninguna escisión o adquisición posterior a este esfuerzo.
  • Wireless Excellence desarrolló y lanzó soluciones CableFree UNITY que combinan FSO con tecnologías de ondas milimétricas y radio para extender la distancia, la capacidad y la disponibilidad, con el objetivo de hacer de FSO una tecnología más útil y práctica. [ 24 ]

Una empresa privada publicó un documento el 20 de noviembre de 2014, afirmando haber alcanzado una fiabilidad comercial (99,999 % de disponibilidad) en condiciones de niebla extrema. No hay indicios de que este producto esté disponible comercialmente en la actualidad. [ 25 ]

Extraterrestre

Las enormes ventajas de la comunicación láser en el espacio han llevado a varias agencias espaciales a competir por desarrollar una plataforma de comunicación espacial estable, con numerosas demostraciones y logros significativos.

Mynaric construyó una terminal para comunicaciones ópticas por satélite.

Sistemas operativos

La primera comunicación láser de gigabit fue lograda por la Agencia Espacial Europea y se denominó Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS, por sus siglas en inglés) el 28 de noviembre de 2014. El sistema está operativo y se utiliza a diario.

En diciembre de 2023, la Universidad Nacional Australiana (ANU) presentó su Estación Terrestre Óptica Cuántica (QOGS) en el Observatorio del Monte Stromlo . La QOGS utiliza óptica adaptativa y láseres integrados en un telescopio para crear un sistema de comunicaciones bidireccional capaz de dar soporte al programa Artemis de la NASA para misiones a la Luna . [ 26 ]

Manifestaciones

El altímetro láser Mercury, a bordo de la sonda MESSENGER , estableció un récord de comunicación bidireccional . Logró comunicarse a una distancia de 24 millones de kilómetros (15 millones de millas) durante un sobrevuelo de la Tierra en mayo de 2005. El récord anterior, establecido en 1992 por la sonda Galileo, consistía en la detección unidireccional de luz láser procedente de la Tierra a una distancia de 6 millones de kilómetros (3,7 millones de millas) .        

En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para enviar una imagen de la Mona Lisa al Orbitador de Reconocimiento Lunar, situado a unos 390 000 km (240 000 millas) de distancia. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de corrección de errores similar al utilizado en los CD . [ 27 ]  

En las primeras horas de la mañana del 18 de octubre de 2013, la Demostración de Comunicación Láser Lunar (LLCD) de la NASA transmitió datos desde la órbita lunar a la Tierra a una velocidad de 622 megabits por segundo (Mbit/s). [ 28 ] La LLCD voló a bordo de la nave espacial Explorador de la Atmósfera y el Entorno de Polvo Lunar (LADEE), cuya misión científica principal era investigar la tenue y exótica atmósfera que existe alrededor de la Luna.

Entre abril y julio de 2014, el instrumento OPALS de la NASA cargó con éxito 175 megabytes en 3,5 segundos y descargó entre 200 y 300  MB en 20  s. [ 29 ] Su sistema también pudo volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se perdiera debido a la cobertura de nubes.

El 7 de diciembre de 2021, la NASA lanzó la Demostración de Retransmisión de Comunicaciones Láser (LCRD), cuyo objetivo es retransmitir datos entre naves espaciales en órbita geosíncrona y estaciones terrestres. LCRD es la primera retransmisión óptica bidireccional de extremo a extremo de la NASA. LCRD utiliza dos estaciones terrestres , la Estación Óptica Terrestre (OGS)-1 y -2, en el Observatorio de Table Mountain en California y Haleakalā , Hawái . [ 30 ] Uno de los primeros usuarios operativos de LCRD es el Módem y Amplificador Integrado de Usuario en Órbita Terrestre Baja de LCRD (ILLUMA-T), en la Estación Espacial Internacional. El terminal recibirá datos científicos de alta resolución de experimentos e instrumentos a bordo de la estación espacial y luego transferirá estos datos a LCRD, que a su vez los transmitirá a una estación terrestre. Una vez que los datos lleguen a la Tierra, se entregarán a los centros de operaciones de la misión y a los científicos de la misión. La carga útil ILLUMA-T fue enviada a la ISS a finales de 2023 en la SpaceX CRS-29 y alcanzó su primera luz el 5 de diciembre de 2023. [ 31 ] [ 32 ]

El 28 de abril de 2023, la NASA y sus socios lograron un rendimiento de 200 gigabits por segundo (Gbit/s) en un enlace óptico espacio-tierra entre un satélite en órbita y la Tierra. Esto se logró mediante el sistema TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), instalado en el satélite Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) de la NASA . [ 33 ]

Uso comercial

Diversas constelaciones de satélites destinadas a proporcionar cobertura global de banda ancha, como Starlink de SpaceX , utilizan comunicación láser para los enlaces entre satélites. Esto crea, en la práctica, una red óptica espacial entre los satélites.

LEDs

RONJA es una implementación gratuita de FSO que utiliza LED de alta intensidad .

En 2001, Twibright Labs lanzó RONJA Metropolis  , un sistema FSO LED dúplex completo de código abierto y de fácil montaje de 10 Mbit/s que puede abarcar 1,4 km (0,87 mi) . [ 34 ] [ 35 ]  

En 2004, se formó en Japón un consorcio de comunicación por luz visible . [ 36 ] Este se basó en el trabajo de investigadores que utilizaron un sistema de iluminación espacial basado en LED blancos para comunicaciones de red de área local (LAN) en interiores. Estos sistemas presentan ventajas sobre los sistemas tradicionales basados ​​en RF UHF debido a un mejor aislamiento 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. [ 37 ] En enero de 2009, el grupo de trabajo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) para estándares de redes de área personal inalámbricas, conocido como IEEE 802.15.7 , formó un grupo de trabajo para la comunicación por luz visible . [ 38 ] En 2010 se anunció una prueba en St. Cloud, Minnesota . [ 39 ]

Los radioaficionados han logrado distancias significativamente mayores utilizando fuentes de luz incoherentes de LED de alta intensidad. Uno informó de 278 km (173 mi) en 2007. [ 40 ] Sin embargo, las limitaciones físicas del equipo utilizado limitaron los anchos de banda a unos 4 kHz . La alta sensibilidad requerida del detector para cubrir tales distancias hizo que la capacitancia interna del fotodiodo utilizado 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 el rango de 4 kHz. Los láseres pueden alcanzar velocidades de datos muy altas que son comparables a las comunicaciones por fibra.   

Las tasas de datos proyectadas y las afirmaciones sobre tasas de datos futuras varían. Un LED blanco de bajo costo (fósforo de GaN) que podría usarse para iluminación espacial puede modularse típicamente hasta 20  MHz. [ 41 ] Se pueden lograr tasas de datos de más de 100 Mbit/s usando esquemas de modulación eficientes y Siemens afirmó haber logrado más de 500  Mbit/s en 2010. [ 42 ] Una investigación publicada en 2009 usó un sistema similar para el control de tráfico de vehículos automatizados con semáforos LED. [ 43 ]

En septiembre de 2013, pureLiFi, la empresa emergente de Edimburgo que trabaja en Li-Fi , también demostró conectividad punto a punto de alta velocidad utilizando cualquier bombilla LED comercial. En trabajos anteriores, se habían 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, reduciendo así el coste y mejorando el rendimiento de la implementación de sistemas FSO en interiores. [ 44 ]

Detalles de ingeniería

Por lo general, los mejores escenarios para utilizar esta tecnología son:

  • Conexiones LAN a LAN en campus a velocidades Fast Ethernet o Gigabit Ethernet.
  • Conexiones LAN a LAN en una ciudad , una red de área metropolitana
  • Cruzar una vía pública u otras barreras que no pertenecen al remitente ni al receptor.
  • Entrega rápida de servicios de acceso de alto ancho de banda a redes de fibra óptica .
  • Conexión convergente de voz y datos
  • Instalación temporal de red (para eventos u otros fines)
  • Restablecer rápidamente la conexión de alta velocidad ( recuperación ante desastres )
  • Como alternativa o complemento a las tecnologías inalámbricas existentes
    • Especialmente eficaz en combinación con sistemas de puntería automática en vehículos en movimiento.
  • Como medida de seguridad adicional para conexiones de fibra importantes (redundancia).
  • Para comunicaciones entre naves espaciales , incluidos elementos de una constelación de satélites.
  • Para la comunicación entre y dentro del chip [ 45 ]

El haz de luz puede ser muy estrecho, lo que dificulta la interceptación de FSO y mejora la seguridad. El cifrado protege los datos que viajan por el enlace. FSO ofrece un comportamiento de interferencia electromagnética (EMI) mucho mejor que el uso de microondas .

Ventajas técnicas

Factores que limitan el alcance

Para aplicaciones terrestres, los principales factores limitantes son:

Estos factores provocan una atenuación de la señal del receptor y conducen a una mayor tasa de error de bits (BER). Para superar estos problemas, los fabricantes han encontrado algunas soluciones, como arquitecturas multihaz o multitrayectoria, que utilizan más de un emisor y más de un receptor. Algunos dispositivos de última generación también tienen un margen de atenuación mayor (potencia adicional, reservada para lluvia, smog, niebla). Para mantener un entorno seguro para la vista, los buenos sistemas FSO tienen una densidad de potencia láser limitada y admiten clases láser 1 o 1M . La atenuación atmosférica y de la 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 sistemas FSO que utilizan una longitud de onda de 1550  nm son capaces de transmitir varias veces más potencia que los sistemas con 850  nm y son seguros para el ojo humano (clase 1M). Además, algunas ópticas de espacio libre, como EC SYSTEM, [ 47 ] aseguran una mayor fiabilidad 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 automático de ganancia incorporado. [ 47 ]

Véase también

Referencias

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  46. ↑ Khalighi, MA; Uysal, M. (2014). "Revisión sobre comunicación óptica en espacio libre: una perspectiva desde la teoría de la comunicación" . IEEE Communications Surveys & Tutorials . 16 (4): 2231– 2258. doi : 10.1109/COMST.2014.2329501 . S2CID 3141460 . 
  47. 1 2 praguebest.cz, PragueBest sro "Óptica de espacio libre (FSO) con capacidad de 10 Gigabits Full Duplex – EC System" . ecsystem.cz . Consultado el 14 de marzo de 2018 . 

Lecturas adicionales

  • Christos Kontogeorgakis (mayo de 1997). Ondas de frecuencia milimétrica a visible a través de aerosoles: modelado de partículas, reflectividad y atenuación (tesis). Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia. hdl : 10919/37049 .Tesis de maestría
  • Heinz Willebrand y Baksheesh Ghuman (diciembre de 2001). Óptica de espacio libre: Habilitando la conectividad óptica en las redes actuales . SAMS. Archivado del original el 22 de junio de 2012.
  • Moll, Florian (diciembre de 2013). "Sistema láser de espacio libre para comunicaciones cuánticas seguras aire-tierra". Sala de prensa de SPIE . doi : 10.1117/2.1201311.005189 .
  • David G. Aviv (2006). Comunicaciones láser en el espacio . ARTECH HOUSE. ISBN 978-1-59693-028-5.
  • Óptica de espacio libre en COST297 para HAPs
  • Explicación de las zonas de Fresnel en enlaces de microondas y ópticos
  • vídeo que muestra el Lichtsprechgerät 80 en uso en YouTube
  • La Estación Espacial Internacional transmitirá vídeo a la Tierra mediante láser. Archivado el 4 de febrero de 2023 en Wayback Machine , marzo de 2014. Misión de demostración científica de la NASA para la carga útil óptica Lasercomm a la ISS.
  • Presupuesto de enlace óptico inalámbrico (con ejemplos en Python)