Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa

Wikipedia
Ohjattu sivulta Vapaatilaoptinen datansiirto
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa (engl. free space optics eli FSO eli optical wireless) (jossain myös vapaatilaoptinen datansiirto tai optinen langaton viestintä) tarkoittaa keinoja viestittää ja siirtää informaatiota avoimessa tilassa näkyvän valon, infrapunavalon tai ultraviolettivalon avulla käyttäen hyväksi valoherkkiä ja valoon vaikuttavia elektronisia ja sähkömekaanisia komponentteja kuten moduloitavia valonlähteitä, valon sulkimia tai valon suuntaajia. Lisäksi valon käsittelyyn voidaan käyttää optisia komponentteja kuten linssejä, peilejä, optisia suodattimia (värisuotimia eli aallonpituuden rajoittajia), prismoja tai hiloja. Viestintään käytetty valo voi kulkea ilmakehässä maan pinnan tasolla kilometrien välimatkan, huoneen sisällä, lentokoneiden välillä (jopa satoja kilometrejälähde?), lentokoneen ja maan välillä, satelliittien välillä, satelliitin ja maa-aseman välillä, lentokoneen ja satelliitin välillä tai kirkkaassa vedessä sukeltajien välillä.

Termissä optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa "vapaa tila" tarkoittaa vastakohtaa valokaapelia hyödyntävälle datansiirtomenetelmälle, jossa valo on suljetussa tilassa kaapelin sisällä.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

1800-luvun lopulla Alexander Graham Bell kokeili tiedonsiirtoa valon avulla. Hän käytti kahta laitetta, joiden välissä puhesignaali kulki valonsäteen sisällä jopa satoja metrejä. Bell antoi laitteellensa nimen "photophone" ja piti sitä itse merkittävimpänä keksintönään, koska tiedonsiirto oli langatonta.

Yhdysvaltojen armeija aloitti FSO-tekniikan kehittämisen 1960-luvulla ja otti FSO-linkkejä käyttöönsä jo 1960-luvulla. FSO-laitteiden pioneerina pidetään saksalaista Dr. Erhard Kubea, joka laati 1960-luvun lopussa FSO-tekniikasta tiedettävästi ensimmäisen White Paperin. FSO:ta kehittivät tämän jälkeen lähinnä eri maiden armeijat sekä NASA. 1960-luvun puolessavälissä NASA aloitti FSO-kokeilun Goddardin avaruuskeskuksen ja Gemini 7 -avaruuskapselin välillä. Vaikka kokeilut epäonnistuivat aluksi, NASA onnistui myöhemmin samalla vuosikymmenellä ottamaan yhteyden helium-neonlaserilla maassa olevasta asemasta satelliittiin.

Kaupalliset markkinat aukesivat käytännössä 1980-luvun lopussa. Valokuitukaapelien yleistyessä FSO jäi kuitenkin taka-alalle, mutta on jälleen alkanut nostaa suosiotaan yhä kehittyneempien laitteiden ilmestyessä markkinoille.

Tekniikoita[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valo voi olla syntyessään itsessään katkonaista tavalla, joka moduloi bittejä. Valon etenemistiellä voi myös olla suljin, joka päästää enemmän tai vähemmän valoa läpi tai valittuun suuntaan sen mukaan, onko viestitettävänä oleva bitti ykkönen vai nolla.

Itsessään moduloidusti katkonaisen valon lähteenä voi olla laser, LED tai erityinen loisteputkilähde?. Esimerkiksi RONJA -standardi perustuu LEDien käyttöön.

Mekaanisella tai optoelektronisella sulkimella katkottavan valon lähteenä voi olla myös Aurinko tai Kuu kun käytössä on heliografi, tai vastaanottajalta tuleva lasersäde, joka on suunnattu lähettäjän takaisinheijastusprismoihin – jollainen on myös heijastin.

On paljon tutkimusta siitälähde?, kuinka LEDeillä toteutettua valaistusta voi käyttää myös datansiirtoon. Nopeus 100 megabittiä sekunnissa on mahdollinen.lähde? Siemens kertoi saavuttaneensa nopeuden 500 megabittiä sekunnissa.[1] Menetelmän etuna verrattuna wifi- ja muihin wlan-tiedonsiirtomenetelmiin ainakin se, että kuuluvuusalue rajoituu huoneen sisään eikä häiritse naapuria. Joissain loisteputkivaloissa on spektrissä isoja aukkoja, joita hyväksi käyttäen LEDeillä voidaan siirtää tietoa vähäkohinaisesti.lähde? On tutkimustalähde? myös siitä miten samanlaista järjestelmää voi käyttää automatisoitujen ajoneuvojen liikenteenohjaukseen LED-liikennevalojen avulla.

Valaistusta varten tehdyt LEDit pyritään valmistamaan koko näkyvän valon spektrin kattavaksi ja näkyvän valon alueelle rajoittuviksi, mutta tiedonsiirtoon käytettävän valon pitäisi olla mahdollisimman kapeakaistaista, jopa monokromaattista ja mielellään vielä polarisoitunuttakin, jotta kohina voitaisiin suodattaa pois mahdollisimman hyvin. Laserin on hyvänä puolena kapean säteen lisäksi, että sen säteilemä valo on monokromaattista, joten hyvin erikoisella ja kalliilla valosuodattimella lähes kaikki kohina saadaan pysäytettyä ennen valovastaanotinta. Laserin huono puoli LEDiin verrattuna on huonompi hyötysuhde. LEDin valo leviää laajemmalle eli sen keilan kulmaläpimitta on suurempi kuin laservalon, mutta se voidaan kollimoida sitä kapeammaksi keilaksi mitä isompi linssi tai parabolinen peiliantenni on käytössä ja mitä parempilaatuinen se on.

Laserlinkin tekniikka muistuttaa laseretäisyysmittaria ja LIDARia. Joitakin alun perin tai pääasiassa laseretäisyysmittareiksi tarkoitettuja laitteita onkin käytettylähde? myös optiseen viestintään vapaassa tilassa.lähde?

Yleensä tarvitaan suora vapaa linja lähettäjän ja vastaanottajan välille, mutta tietyin edellytyksin valonsäteen voi suunnata myös vuoreen, pilveen tai satelliitin tai ilma-aluksen takaisinheijastuspintaan, johon vastaanottajalla on suora näköyhteys sopivasta kulmasta. Ilmakehä sirottaa aina valoa ja sitä enemmän mitä pienempi aallonpituus, joten pimeällä myös sitä ilmiötä voi hyödyntää tietoliikennemaston korvikkeena maastoesteiden yli viestimisessä, tosin pienellä nopeudellalähde?.

8 säteinen optinen laser-linkki vapaassa tilassa, joka pystyy nopeuteen 1 gigabitti sekunnissa noin kahden kilometrin etäisyydeltä. Vastaanottimen linssi on iso kiekko keskellä ja lähettimet ovat pieniä kiekkoja. Yläoikealla on monokulaari helpottamassa suuntausta.
Yksi korkean kirkkauden LED halvalla suurennuslasin linssillä luo kirkkaan kapean RONJA-säteen, joka voi lähettää DVD-tasoista (10 megabittiä per sekunti) videota naapurustossa. Muutaman askeleen päässä sivussa kapea säde muuttuu näkymättömäksi.

Käyttö[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Yksinkertaisin ja tunnetuin optisen tiedonsiirron muoto vapaassa tilassa on kaukosäädin.

Optiikkaa vapaassa tilassa voi käyttää esimerkiksi laajakaistayhteyden toteuttamiseen, valopuhelimen (esim. Lichtsprechgerät 80) [2] toteuttamiseen tai yksisuuntaiseen yhdeltä lähettimeltä monelle vastaanottimelle tarkoitettuun viestintään.

Käyttökelpoisuus satojen metrien tai kilometrien päähän ulottuvassa datansiirrossa riippuu paikan meteorologiasta ja ilmansaasteista ja toisaalta tekniikan käyttäjän luotettavuusvaatimuksista. Suomessa ilmansaasteet ovat harvoin paljain silmin näkyviä, mutta monessa suurkaupungissa ne ovat selvästi havaittavissa. Lisäksi aavikkomaissa on joskus aavikon pölyä ilmassa tai jopa hiekkamyrsky. Joskus pakkasella vesistöjen virtapaikkojen ylle muodostuu sumua, joka estää valon suoran kulun. Talvella Suomessa pilvet roikkuvat usein matalalla, jolloin tarpeeksi korkeiden tietoliikennemastojen yläosat ovat pilvessä ja vain mastojen keskiosiin laitetut optiset laitteet toimivat vapaassa tilassa vaakatasossa.

Luotettavuusvaatimus voi olla pienempi käytettäessä optista tiedonsiirtomenetelmää vapaassa tilassa muiden menetelmien rinnalla lisäämään niiden siirtonopeutta tai jos se on varmentamassa niitä esimerkiksi kaapelin katkeamisen varalta. Tässä käytetään linkkien kokoamisprotokollia. Jos viestiyhteys on alun perin suunniteltu pelkästään optisen datansiirron varaan, ohjelmistoa on voitu sopeuttaa pelkän optiikan käyttöön vaihtelevissa näkyvyysoloissa, muun muassa timeoutien pidentämisellä ja offline-selain toiminnoilla.

Menetelmän hyvät puolet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähetyksen ja etenkin vastaanoton suunnattavuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mikroaaltolinkkeihin verrattuna samankokoinen optinen antenni pystyy lähettämään paljon kapeampaa keilaa, tai keilan saaminen tiettyyn kulmaläpimittaan vaatii pienemmän linssin tai parabolisen peilin kuin yhtä kapeaan säteeseen pystyvän mikroaaltolinkin parabolinen pinta on halkaisijaltaan. Vastaavasti ja vielä voimakkaammin, tietyn kokoisen linssin tai parabolisen peilin yhteydessä oleva sensori pystyy vastaanottamaan vielä pienemmältä kulmaläpimitalta ja etenkin kulma-alalta. Näin signaali-kohinasuhde paranee, kun valovastaanottimeen osuu vähemmän lähetintä ympäröivää päivänvaloa ja mikä olennaisinta monta eri lähetin-vastaanotinparia pystyy toimimaan toisiaan häiritsemättä pienillä kulmaetäisyyksillä.

Sade ja ilma vaimentaa vähemmän kuin pienimpiä mikroaaltoja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sade ja pelkkä ilma aiheuttaa tarpeeksi suuritaajuisille eli pieniaallonpituuksisille mikroaalloille tehon puoliintumisen lyhyemmällä matkalla kuin valolle.lähde? Hyvällä säällä jopa suunnilleen maan tasalla voi viestiä optisesti vapaassa tilassa 50 kilometrin päähän.

Huonot puolet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Suuntaustarkkuuden tarve[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Koska päivänvalo, kuunvalo ja katuvalot aiheuttavat runsaasti ylimääräistä valoa, joka tässä yhteydessä on kohinaa, täytyy vastaanottimen sensori fokusoida tarkasti lähettimen valoon. Siksi optinen datansiirto vapaassa tilassa ei langattomuudesta huolimatta ole kovin mobiilia. Onneksi suuntaus voi tapahtua automaattisesti ja pienet suunnan korjaukset onnistuvat myös sensorin kaukoputkea kääntämättä, esimerkikisi liikuttamalla pelkästään valoherkän osan sisältävää mikrosirua polttotasolla.

Sääriippuvuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sateella kantama jää 1,3–5 kilometriin, räntä- tai lumisateella hiutaleiden koosta ja määrästä riippuen 500–3000 metriin ja tiheässä sumussa 200–400 metriin.lähde?

Sumussa kantama riippuu enemmän lähettimen tehosta ja siitä, onko yö vai päivä. Sumu on yleensä yöllä jolloin kantama on pidempi.

Sumussa optinen tiedonsiirto on huonompi kuin mikroaallot.lähde?

Datansiirtonopeuden vähentäminen eli bittien pidentäminen lisää kantamaa jonkun verran.

Seuraavassa taulukossa on käytetty esimerkkinä yhdenlaista 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
5 mW laser, Rayleigh'n sironta hajottaa valoa ilmakehässä. Mitä pienempi aallonpituus, sitä suurempi hajotus.
Sironnutta valoa valonheittimistä.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. 500 Megabits/Second with White LED Light 18.1.2010. Siemens AG. Viitattu 23.9.2012.
  2. Lichtsprechgerät puhelin

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]