Fénytávközlő rendszerek és alkalmazások 2015 ősz
Szabadtéri optikai összeköttetés
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
Rendszer felépítése
• Alapvetően pont-pont összeköttetés
Rendszer felépítése
Full duplex
Környezeti problémák Levegőben történő kommunikáció miatt Terjedési csillapítás
Eső, hó
madarak köd, pára
Épületek mozgása 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
Csillapítás Légköri csillapítás
• • • •
850nm 1060nm 1250nm 1550nm
Hullámhossz [µm]
Tiszta időjárás Eső
csillapítás
látótávolság
0.2 ÷ 1 dB/km
10 ÷ 25 km
Rayleigh szórás
3 ÷ 9 dB/km
2 ÷ 4 km
Geometriai szórás
7 ÷ 12 dB/km
1 ÷ 2 km
Köd, pára
30 ÷ 80 dB/km
200 ÷ 500 m
Erős köd
≈ 300 dB/km
≈ 50 m
Hó
Mie szórás
• 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) 10-25 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
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 elektromágneses zavaraira és nem okoz interferenciát más eszközökben, beleértve a vezetéknélküli összeköttetéseket is. ▫ 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 megoldható vagy azonnal észlelhető. ▫ A lézerfej megfelelő elhelyezésével illetve takaró panel alkalmazásával a sugár célhelyszínen túli terjedése megakadályozható. ▫ 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.
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)
▫ 400…1400 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 (10-100 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 -…
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)
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 és minőség változása => LED lámpák elterjedése 2003 LED
Ár/ Fényerő arány
100
2005 LED
10
2010 LED 1
Halogén Lámpa Izzó Lámpa 0
Fénycső HID (nagy intenzitású kisülőlámpa) 50 Fényerő/ teljesítmény arány
2015 LED
100
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
150
Alkalmazási példák
Li-Fi • Lefelé: VLC • Felfelé ▫ VLC ▫ Infra ▫?
Door Lock
Ko re
e es in i sh Chngl E
an
Sign Board
e es in Ch an re Ko
h Englis
• 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)
Beltéri alkalmazás LED Illumination Infrastructure
Mindenhol jelenlévő Fixed-to-Infra
Mobile-to-Fixed
Mobile-to-Infra
Mobile-to-Mobile Biztonság
Kültéri alkalmazás Kültéri reklámtáblák Közlekedés vezérlése
Vehicle-to-Infra
Vehicle-to-Vehicle
Reklám bevásárlókocsi • LED lámpa elhelyezkedése ▫ Plafonon ▫ Földön, fagyasztó alsó részén, stb.
Kihívások: moduláció sebesség Fehér fény előállítása R+G+B LED
⇒ -
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 0 e s n o p s e r e t i h W e s n o p s e r e u l B
5 )
B d
)
0 5
6 . 0 5 . 0 4 . 0 3 . 0 2 . 0 1 . 0 0 0 8
0 5 7
0 0 7
0 5 6
0 0 6 m n
0t h 5g 5n e l e v 0a 0W 5
0 5 4
0 0 4
0 5 03
)
z H M
q e r f
7 . 0 (
)
0 4
0 3
0 2
0 1
0 5 2 -
(
8 . 0 (
0 2 -
9 . 0
y t i s n e t n I
5 1 -
1
d e s i l a m r o n
(
e s n o p s e r e v i t a l e R
0 1 -
Csak kék használata kommunikációra (szűrés) • Sávszélesség javul => • Teljesítmény kb. 10% • => SNR romlás, hossz csökken
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
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 • VLC
Egyirányú Körsugárzó / kevésbé irányított Vízben fényelnyelés minimuma van
Miért VLC? Csillapítási minimum: Kék (400-450nm)
