Laser langattomassa tiedonsiirrossa

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Langattomassa tiedonsiirrossa laseria voidaan käyttää optisessa tiedonsiirrossa tilanteissa, joissa yhteysvälin päätepisteiden välillä on suora näköyhteys. Lyhyen kantaman(1-10 km) ja ainakin toistaiseksi kalliidenlähde? laitteiden vuoksi käyttökohteet ovat rajalliset ja siksi tätä tekniikkaa käytetään lähinnä erikoissovelluksissa.

Englanninkielisessä terminologiassa optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa tunnetaan nimillä Free Space Optics (FSO), Free Space Photonics (FSP) ja Optical Wireless. FSO merkitsee optista tiedonsiirtotekniikkaa, jolla päästään laajakaistanopeuksiin. Se on laserilla, LED-valolla tai muulla valonlähteellä toimiva tekniikka, jossa ei käytetä valokuitua vaan tiedonsiirto tapahtuu "langattomasti" ilmateitse.

Laitteisto[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tiedonsiirtoon käytetään FSO-lähetinyksikköjä, jotka koostuvat dataa laserilla lähettävästä teleskoopista ja vastaanottavasta linssistä, eli ne toimivat full-duplex–muodossa. FSO-laitteet kuuluvat OSI-mallin fyysiseen kerrokseen ja toimivat kaikilla protokollilla, joilla perinteinen kuitukaapelikin toimii.

FSO-lähettimessä voi olla yksi iso vastaanotinlinssi ja useita lähettimiä, joilla turvataan tiedonsiirto hetkellisistä katkoksista riippumatta.

Lähetinyksikön ulkonäkö vaihtelee valmistajasta mukaan. Usein kyseessä on pysty- tai vaakatasossa olevaan tukivarteen kiinnitettävä laite, jonka paino vaihtelee yksikön lähetystehosta riippuen (5−25 kg). Monen valmistajan FSO-yksikölle on usein ominaista turvakameraa muistuttava ulkonäkö.

Verkkojen yhdistäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Linkkien oltava näköyhteydessä toisiinsa
  • Kohdistaminen tarkkaa, sillä laserin kiila on kapea
  • Tiedonsiirrossa käytetään perinteisesti TCP/IP protokollaa
  • Yksittäinen lähetin ei voi osallistua monen eri linkin toimintaan
  • Lähettimen voi asentaa esimerkiksi ikkunan taakse
  • Lähettimet toimivat infrapunataajuudella, eikä erillistä lupaa käyttöön tarvita

Nopeus ja kantama[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Laserlähettimien nopeudet ovat pienimmillään 10 Mbps ja suurimmillaan jopa 2,5 Gbps. Tulevaisuudessa nopeudet voivat nousta jopa arvoon 10 Gbit/s, kun käytetään hyväksi Wavelength Division Multiplexing –tekniikkaa. Laitteiden lähetystehot ovat 10–650 mW. FSO:ssa käytettävä laser toimii infrapunataajuudella yleensä 800 nm:n tai 1550 nm:n aallonpituuksilla. Näistä 1550 nm:llä toimiva laser tarjoaa paremman kantaman ja siirtonopeuden.

Lähettimien kantama vaihtelee 700 metristä yli 5 000 metriin. Kantamaan vaikuttavat sääolosuhteet. Sääolosuhteiden vaikutukset on esitetty alla olevassa taulukossa. Taulukossa on käytetty esimerkkinä 2,5 Gbps:n laserlähetintä, jonka maksimi kantama on 1,3 km.

Heikko usva/heikko sade Sumu/rankkasade Tiheä sumu/monsuunisade
Signaali -3 dB -10 dB -30 dB
Kantama 1,3 km 800 m 400 m

Käyttöturvallisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

FSO:ssa käytetty laser on näkymätöntä ja vaaratonta ihmissilmälle, kunhan laserin lähetystehoja rajoitetaan IEC:n määrittelemien "IEC Class 1M" -turvaluokitusten mukaan.

Vanhoista lyhyehköistä (800 nm:n) aallonpituuksista pidempiin (1550 nm:n) aallonpituuksiin siirtymisen jälkeen myös käyttöturvallisuus on parantunut huomattavasti. Pidemmillä aallonpituuksilla säteet eivät enää vahingoita verkkokalvoa. Samalla pidemmät aallonpituudet tarjoavat mahdollisuuden suurempien lähetystehojen käyttöön. Tämä mahdollistaa yhä suuremmat tiedonsiirtonopeudet ja pidemmän lasersäteen kantaman. Myös ympäristön aiheuttamien häiriöiden vaikutukset pienenevät.

Ongelmat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Koska tiedonsiirrossa käytetään ilmatilaa, tuottaa se omat ongelmatekijänsä. Kuten muissakin langattomissa tekniikossa, ovat sääilmiöt suurin ongelmatekijä. Sumu on FSO:n pahin vihollinen, koska käytetty laser ei pysty läpäisemään sitä, vaan vaimenee ja heijastuu. Vesi- ja lumisade eivät kuitenkaan tuota samoja ongelmia. Myös suora auringonvalo lähettävään yksikköön saattaa häiritä signaalia. Tämän lisäksi kuuma nouseva ilma saattaa vääristää signaalia, eikä FSO-laitetta suositella sijoitettavaksi esimerkiksi tuuletuskanavien päälle. Sääilmiöitä vastaan voidaan toimia kasvattamalla lähetystehoja hetkellisesti huonon sään sattuessa. Myös muut fyysiset esteet, kuten puut ja rakennukset, tulee ottaa huomioon FSO-linkkiä rakennettaessa. Koska laitteiden välisen suoran näköyhteyden tulee olla jatkuvaa, tähän seikkaan on kiinnitettävä riittävästi huomiota. Esimerkiksi kaikenlainen seisminen toiminta tai tuulen aiheuttama korkean rakennuksen huojunta saattaa katkaista suoran linkin. Tällaisia tilanteita varten on olemassa erilaisia ratkaisuja, kuten laitteisiin asennettava Beam Tracking -komponentti, joka pitää aktiivisesti huolen yhteyden suuntauksesta.

Käyttökohteet ja kilpailevat teknologiat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

FSO:n lisenssivapaus, tehokkuus, helppokäyttöisyys ja alhaiset asennuskustannukset ovat arvostettuja ominaisuuksia markkinoilla. Koska FSO-lähetin-vastaanottimet pystyvät toimimaan ikkunoiden läpi, niitä voidaan asentaa myös rakennuksien sisäpuolille säästämään kattotilaa, jolloin ne myös yksinkertaistavat kaapelointia sekä toimivat hyvin optimaalisessa ympäristössä. Ainoa tärkeä vaatimus on FSO-yksiköiden näköyhteys. FSO on vahvasti otettava vaihtoehto kaupunkialueilla, joilla valokaapelin vetäminen ei olisi taloudellisesti järkevää, tai edes mahdollista. FSO-linkin voi saada kahden rakennuksen välille runsaalla kymmenellä tuhannella eurolla, kun taas valokaapelin vetäminen voi maksaa useita satojatuhansia euroja, jos mukaan lasketaan esimerkiksi kadun avaaminen ja kaapelointi.

Free Space Optics voi olla vaihtoehto myös viimeisen mailin tekniikoillekin, koska sen avulla uudet asiakkaat pääsevät nopeisiin kaupunkiverkkoihin. FSO:n tarjoajat voivat lisäksi vedota vähäiseen FSO:n asentamisen riskiin, koska laserlinkki on mahdollista asentaa myöhemminkin.

FSO-tekniikkaa voidaan käyttää myös nopean yhteyden luomiseksi kriisialueille, joille johtavat kaapelit ovat mahdollisesti poikki tai joita ei ole edes olemassa.

FSO-tekniikka sopii täydentämään mikroaaltolinkkejä mesh-verkoissa. Mesh-verkko parantaa verkon luotettavuutta vaihtelevissa sääoloissa. Lisäksi mikroaaltojen ja lasersäteen sääriippuvuudet kompensoivat toisiaan osittain: mikroaaltolinkki on parempi sumussa, kun taas lasersäde saattaa toimia sateessa paremmin.

Laserlinkkejä käytetään yhdistämään lähiverkkoja toisiinsa. Esimerkkejä:

  • viimeisenä linkkinä runkoverkon ja lähiverkon välillä
  • yhdistämään talot toisiinsa
  • yhdistämään yrityksen eri toimipisteet toisiinsa.

Tilanteessa, jossa kaapeleiden vetäminen on kallista ja hankalaa. Esimerkkejä:

  • suurkaupungeissa, joissa kustannukset nousevat korkeiksi.

Tarvitaan nopea ja häiriötön yhteys. Esimerkkejä:

  • Teleoperaattorit ja tv-yhtiöt.

Kaapeliyhteyksien pettäessä yhteys saadaan muodostettua muutamassa tunnissa.

Verrataan FSO:ta muutamaan muuhun vaihtoehtoiseen tekniikkaan:

  • Valokuitu
    • Kapasiteetti sekä virheiden sieto ovat erinomaiset
    • Asentaminen kallista ja aikaavievää
    • Jälkikäteen muunneltavuus heikkoa
  • Radiolinkki
    • Toimii pidemmillä matkoilla kuin FSO
    • Korkeat lisenssimaksut
    • Nopeuskatto 622 megabittiä sekunnissa
  • DSL, kaapelimodeemi, T1, E1
    • Tällä hetkellä hyväksyttävä

Tulevaisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

FSO:n tulevaisuus näyttää valoisalta. Modulointitekniikoiden kehittyminen ja aallonpituuksien pidentäminen tuovat FSO:n nopeuden uudelle tasolle. Laboratorio-olosuhteissa on siirretty dataa jopa 160 gigabittiä sekunnissa. Myös uudet käyttökohteet, kuten vedenalainen FSO, avaavat FSO-tekniikalle uusia mahdollisuuksia ja markkinoita.