Fénytávközlő rendszerek és alkalmazások

Átírás

1 Fénytávközlő rendszerek és alkalmazások 2015 ősz Szabadtéri optikai összeköttetés

2 Bevezetés A szabadtéri optikai átvitelt (FSO- free space optic) jelenleg ígéretes alternatív megoldásnak tartják a sávszélesség igényes alkalmazásokban, különösen a hozzáférési hálózatok utolsó szakaszában FSO alkalmazási példák: Cellás rendszerekben a bázisállomások közötti kapcsolat megvalósítása Épületek közti összeköttetés multicampus egyetemi hálózat Repülőterek, kórházak Nagy sebességű, nagy kapacitású tartalék link, katasztrófa utáni link FSO előnyök: Gyors telepítés (nem szükséges árokásás ) Frekvenciaengedély nélkül használható Hátrányok: Érzékeny a hőmérsékletre (turbulencia), a ködre, stb. => változó csillapítás Történelem i.e. 800: tűz (görögök, rómaiak), i.e.150: füst (indiánok) 1880 photophone (Alexander Graham Bell) 20m 1960-as évek közepe: a NASA hélium-neon lézert használt kommunikációra a földi állomás és műhold, illetve repülőgép között 1980-as évek eleje: légierő (U.S.Air Force) hordozható rendszerként haditengerészet (U.S.Navy) tengeri kommunikációra használta 1980-as évek: műholdas kommunikációs (Németország, Franciaország, Japán) 1990-es évek: megjelenik a magánszektorban

3 Rendszer felépítése Alapvetően pont-pont összeköttetés Rendszer felépítése Full duplex

4 Környezeti problémák Levegőben történő kommunikáció miatt Terjedési csillapítás Épületek mozgása madarak köd, pára Eső, hó Szcintilláció (felszálló forró levegő) elnyelés Ablak csillapítása akadályok Alacsony felhők az épületek mozgásából és a légköri turbulenciákból származó sugár-vándorlás ne okozzon gondot a kommunikációban Az adóoptikából a vevő felé haladó sugár nem a lézermutatóknál megszokott vékony párhuzamos sugár, hanem annál jóval nagyobb átmérőjű és széttartó, amelynek foltmérete meghaladja a vevőoptikáét az időjárási viszonyokból, légköri zavarokból fizikai kitakarásból (pl. átrepülő madár) eredő zavaró tényezők hatása minél kisebb legyen az átvitel minőségére a vevőoptikának a mérete lehetőleg minél nagyobb méretű A jól megválasztott sugárszéttartás kulcsfontosságú tényezője a könnyű üzembehelyezésnek és a hosszútávú üzembiztos működésnek. 1,5-4 mrad sugárszéttartás

5 Csillapítás Légköri csillapítás 850nm 1060nm 1250nm 1550nm Hullámhossz [µm] csillapítás látótávolság Tiszta időjárás db/km km Rayleigh szórás Eső 3 9 db/km 2 4 km Geometriai szórás Hó 7 12 db/km 1 2 km Köd, pára db/km m Mie szórás Erős köd 300 db/km 50 m 500m távolság alatt annyira erőteljesek a lézer megoldások, hogy jellemző alkalmazásoknál még backup rendszereket sem építenek ki hozzá. 500m távolság fölött a légköri tényezők átlagosan (földrajzi elhelyezkedéstől függően) óra / naptári ÉV erejéig, megszakíthatják a lézer link működését. Ahol ez az időtartam zavaróan sok (jellemzően a kora reggeli és esti időszakokra korlátozódik, s abból is az átlag felettien ködös részeire), ott mindenképpen érdemes egy backup rendszer beépíteni (pl. Wi-Fi, mikrohullámú link) amire a rendszer szükség esetén automatikusan átáll

6 Problémák Csak az alábbi problémák merül(het)nek fel - sugár diszperzió - légköri diszperzió - Eső - Hó - Szél - köd(10-100db/km is lehet) - ragyogás, tükröződés - háttérbeli fények, szórt fények - Árnyékolás - Dilattáció - hőmérséklet ingadozás - Légszennyezés - Nap ha pont az egyik adó mögé kerül (K-NY tájolás) - Élőlények (madarak) - Légmozgás - Távolság - szomszédok Előnyök Átlátszó, protokoll független, nagy sávszélesség gyorsan telepíthető, áthelyezhető nem szükséges frekvencia engedély Fény: szabályozás alá eső frekvencia sávokon kívül esik interferencia mentes működés Az adatátvitelhez használt lézer fény érzéketlen a környezet elektromágneseszavarairaésnemokozinterferenciátmáseszközökben, beleértvea vezetéknélküliösszeköttetéseketis. A minimális távolságot és/vagy irányszöget megtartva az FSO link más lézeres összeköttetésekre sincs hatással még akkor sem, ha sugaraik keresztezik egymást. full duplex átvitel alacsony egészségkárosító hatás kiemelkedő adatbiztonság Az alkalmazott lézersugár keskeny és láthatatlan, detektálása a sugáron kívül sem megfigyeléssel sem műszerekkel nem lehetséges. A két végpont között a levegőben a sugár megcsapolása a gyakorlatban nem megoldhatóvagyazonnalészlelhető. A lézerfejmegfelelőelhelyezésévelilletvetakarópanel alkalmazásávala sugárcélhelyszínentúliterjedésemegakadályozható. Még a sugárhoz való hozzáférés esetén is precízen beállított, állványra szerelt lehallgató berendezésre lenne szükség, amely ráadásul csak az egyik irányba folyó adatokat tudná elfogni.

7 Egészségkárosító hatás? Látás védelem (laser eye safety) 10s ideig közelről belenézve nem károsodik a szem A távolság növekedésével ennek hatása logaritmikusan csökken 1550 nm esetében 50X nagyobb lézer jelerővel lehet dolgozni. Mint 850nm-en (17dB) nm: a fénysugár átmegy a szaruhártyán és a szem lencséken és egyenesen a retinában végződik 1400 nm fölötti hullámhosszon a fény jórészt eltűnik a szaruhártyán és a szem lencséken és így nem zavarják a retinát Nagyobb hullámhossz => kisebb fotonenergia Ugyanakkora teljesítmény nagyobb hullámhosszon több fotont jelent => detekció után több elektron (pl. kétszeres hullámhossz, kétszeres elektronszám) Sebesség, szabvány Sebesség - alacsony (1-10 Mbps) - közepes ( Mbps) - nagy (100-2,5 Gbps; WDM 10 Gbps; teszt: 160 Gbps) Kapcsolatok - E1/T3/E4 - Ethernet, FE, GE - STM, SDH - FDDI, ATM - iscsi, FC - G.703/G.723 -

8 Optical Wireless Communication (OWC) VLC (Visible Light Communication) Kommunikáció látható fénnyel adatátvitel látható fénnyel, tipikusan a megvilágításra is használt eszközök segítségével VLC motiváció Közösségi kommunikáció, trendek Széles körben használt (mindenhol, mindig kapcsolatban) Biztonság (nehezen lehallgatható) LED trendek LED technológia (hatékonyság, fényesség) LED ár Környezeti trendek Nincsenek ismert egészségügyi kockázatai Energiahatékony Egyéb (VLC tulajdonságok) láthatóság Nincs interferencia a kommunikációra használt elektromágneses jelekkel Nincs szabályzás erre a frekvenciasávra Multifunkcionális (világítás + kommunikáció)

9 LED tulajdonságai, fejlődése Light Emitting Diode (LED) más fényforrásokkal szemben Kis méret Páratartalomra magas tolerancia Relatív hosszú élettartam Minimális hőtermelés Alacsony teljesítmény igény Relatív gyors válaszidő Ár/ Fényerő arány Ár és minőség változása => LED lámpák elterjedése 0 Izzó Lámpa 2003 LED Halogén Lámpa 2005 LED 2010 LED Fénycső HID (nagy intenzitású kisülőlámpa) 2015 LED Fényerő/ teljesítmény arány Lehetséges alkalmazási területek Terület szerint Kültéri Beltéri Sebesség szerint Kissebesség Helymeghatározás (ID) Elektronikus fizetés Ajtónyitás (kulcs nélküli ajtó) Járművek közti kommunikáció(vvlc) Víz alatti kommunikáció Nagysebesség Li-Fi Funkció szerint Külső megjelenítés Adatszórás Biztonság (RF kapcsolat nem megengedett) Nagysebességű internet

10 Alkalmazási példák Repülőtér & Vasútállomás Érkezési & indulási adatok Helyi információs pontok Világítási infrastruktúra Földi járművek - repülőgép Bevásárló központ Reklám, elektromos kuponok, stb. Cégtábla Reklám, menüs rendszer Lámpa & mobil Pl. közlekedési információk Otthon & iroda & kávéház, stb Internet, otthoni hálózat Repülőgép & kórház RF kommunikáció nem megengedett (EMI) Door Lock Sign Board Chinese English Korean Chinese Korean English Li-Fi Lefelé: VLC Felfelé VLC Infra?

11 Beltéri alkalmazás LED Illumination Infrastructure Mindenhol jelenlévő Fixed-to-Infra Mobile-to-Infra Mobile-to-Fixed Mobile-to-Mobile Biztonság

12 Kültéri alkalmazás Közlekedés vezérlése Kültéri reklámtáblák Vehicle-to-Infra Vehicle-to-Vehicle Reklám bevásárlókocsi LED lámpa elhelyezkedése Plafonon Földön, fagyasztó alsó részén, stb.

13 Kihívások: moduláció sebesség R+G+B LED Fehér fény előállítása Kék LED+Foszfor réteg - Drága - RGB egyensúly beállítása nehéz Világítástechnikában nem kedvelt - Nagyobb sávszélesség (100Mbps) - WDM technológia lehetősége - Olcsó => Világítástechnikában népszerű - Foszforréteg lassú válaszideje korlátozza a sávszélességet (10Mbps) - Moduláció a szín eltolódását okozhatja Sávszélesség javítása Csak kék használata kommunikációra (szűrés) Sávszélesség javul => Teljesítmény kb. 10% => SNR romlás, hossz csökken db Relative response freq MHz White response Blue response normalised Intensity Wavelength nm

14 Kihívások: Zaj (optikai zajok) Napfény DC fotóáramot hoz létre Vevőben AC csatolással blokkolható Sötétzajt okoz Egyéb optikai zajok Fénycső, izzólámpa Elektromos interferencia miatt AC fotóáram komponensek jelennek meg Hatás csökkenthető Optikai szűrés Kivéve: a kívánt jel hullámhosszán Elektromos szűrés

15 Víz alatti kommunikáció látható fény segítségével Olajfúró kutaknál történő alkalmazás (olaj/gázmezők) Kikötők védelme Környezeti paraméterek megfigyelése éghajlat, szennyeződés, katasztrófa előrejelzés Víz alatti felderítések segítése Természeti erőforrások Tengeri jelenségek Mélytengeri régészet Búvárok közti kommunikáció Tudományos adatgyűjtés Víz alatti keresés Tárgyak detektálása Óceán alján képalkotás & térképészet Víz alatti kommunikáció - kihívások Nagyfrekvenciás RF Extrém magas csillapítás a vízben Kisfrekvenciás RF Elfogadható csillapítás Limitált sávszélesség (távolságfüggő) Akusztikus (hang) Az adó jele irányítatlan (körsugárzó) Hang terjedési sebesség alacsony a vízben Magas fogyasztás veszteség: energia terjedés & hangelnyelés Terjedési veszteség => csak távolságtól függ Hangelnyelés => távolság és frekvencia függvényében növekszik => korlátozza a sávszélességet LASER Egyirányú VLC Körsugárzó / kevésbé irányított Vízben fényelnyelés minimuma van

16 Miért VLC? Csillapítási minimum: Kék ( nm)