자유 공간 광통신

Free-space optical communication
이 기사는 장거리 광통신에 관한 것이다.단거리/중거리 통신에 대해서는, 광무선 통신을 참조해 주세요.
정격 1기가비트/초의 8빔 프리 스페이스 광학 레이저 링크.수용체는 가운데에 있는 큰 렌즈이고, 송신기는 작은 렌즈입니다.오른쪽 상단 모서리에는 두 헤드의 정렬을 보조하는 단안경이 있습니다.

자유공간광통신(FSO)은 자유공간에서 전파되는 빛을 이용해 통신 또는 컴퓨터 네트워킹을 위한 데이터를 무선으로 전송하는 광통신 기술입니다."자유 공간"은 공기, 우주 공간, 진공 또는 이와 유사한 것을 의미합니다.이것은, 광섬유 케이블등의 고형물을 사용하는 것과는 대조됩니다.

이 기술은 높은 비용이나 기타 고려 사항으로 인해 물리적 연결이 비현실적인 경우에 유용합니다.

역사

1880년 벨과 텐터의 광통신 시스템의 절반인 광수신기 및 헤드셋

다양한 형태의 광통신은 수천 년 동안 사용되어 왔다.고대 그리스인들은 Cleoxenus, Democleitus, Polybius에 [1]의해 개발된 횃불로 신호를 전달하는 코드화된 알파벳 체계를 사용했다.현대에는 수신자와 통신하기 위해 코드화된 신호를 사용하여 세마포와 태양 전보라고 불리는 무선 태양 전신이 개발되었다.

1880년, 알렉산더 그레이엄 벨과 그의 조수 찰스 섬너 테이너는 워싱턴 DC에 새로 설립된 벨의 볼타 연구소에서 포토폰을 만들었습니다. 벨은 그것을 그의 가장 중요한 발명품으로 여겼습니다.그 장치는 빛의 빔에 소리를 전달하는 것을 허용했다.1880년 6월 3일 벨은 약 213미터(700피트) [2][3]떨어진 두 건물 사이에 세계 최초의 무선 전화 전송을 실시했다.

그것의 첫 번째 실용적 사용은 수십 년 후에 군 통신 시스템에 왔고, 광전신을 위한 첫 번째였다.독일 식민군은 1904년부터 독일 남서아프리카(오늘날의 나미비아)에서 시작된 헤레로와 나마쿠아 대량학살 때 영국, 프랑스, 미국 또는 오스만 신호처럼 회광전신기를 사용했다.

제1차 세계 대전 독일 블링크제트

유선 통신이 자주 끊겼던 제1차 세계대전의 참호전 기간 동안 독일 신호들은 감지되지 않은 통신을 위해 빨간색 필터를 사용하여 낮에는 최대 4km(2.5마일), 밤에는 최대 8km(5마일)의 중간 거리인 블링크제(Blinkgerét)라고 불리는 세 가지 종류의 광학적 모스 송신기를 사용했다.광전화는 전쟁 말기에 테스트되었지만, 부대 차원에서는 도입되지 않았다.또한, 비행기, 풍선, 탱크와의 통신에 특수 깜박임이 사용되었으며 다양한 [citation needed]성공을 거두었습니다.

주요한 기술적 단계는 음성 전송에서 광파를 변조함으로써 모스 부호를 대체하는 것이었다.칼 차이스, 예나는 독일군이 제2차 세계대전 대공방어부대나 [4]대서양 장벽 벙커에서 사용했던 80/80(광학식 번역:광학식 말하기 장치)을 개발했다.

1960년대 레이저의 발명은 자유 공간 광학에 혁명을 일으켰다.군사단체들은 특히 관심을 가지고 그들의 발전에 박차를 가했다.그러나 민간용 광섬유망 설치가 절정에 달했을 때 이 기술은 시장 동력을 잃었다.

간편하고 저렴한 소비자용 리모컨의 대부분은 적외선(IR) 빛을 이용한 저속 통신을 사용합니다.이를 컨슈머 IR 테크놀로지라고 합니다.

사용방법 및 테크놀로지

LED를 사용하여 단거리 저데이터 레이트 통신이 가능하지만 적외선 레이저광을 사용하여 자유 공간 포인트 투 포인트 광학 링크를 구현할 수 있습니다.적외선 데이터 어소시에이션(IrDA) 기술은 매우 단순한 형태의 자유 공간 광통신입니다.통신측에서 FSO 테크놀로지는 광무선통신 어플리케이션의 일부로 간주됩니다.자유 공간 광학은 우주선 [5]간의 통신에 사용될 수 있다.

유효 거리

FSO 유닛의 신뢰성은 항상 상업용 전기통신의 문제가 되어 왔습니다.연구 결과에 따르면 400~500m(1,300~1,600ft)의 작은 범위에서 드롭된 패킷과 신호 오류가 너무 많습니다.이는 체코와 [6]같은 독립 연구뿐만 아니라 MRV FSO [7]직원이 수행하는 것과 같은 공식적인 전국적 내부 연구에서도 나타난다.군사 기반 연구는 지속적으로 더 긴 신뢰도 추정치를 산출하며, 지상 링크의 최대 범위는 약 2-3km(1.2-1.9mi)[8]이다.모든 연구는 링크의 안정성과 품질이 비, 안개, 먼지 및 열과 같은 대기 요인에 크게 의존한다는 데 동의한다.릴레이를 사용하여 [9][10]FSO 통신 범위를 확장할 수 있습니다.

유효 거리 연장

DARPA ORCA 공식 컨셉 아트 2008년 작성

지상파 통신이 비상업적 통신 기능에 국한된 주된 이유는 안개 때문이다.안개 때문에 500m(1,600ft)가 넘는 FSO 레이저 링크는 100,000당 1의 연중 비트 오류율을 달성할 수 없습니다.FSO 통신의 이러한 주요 단점을 극복하고 보다 나은 서비스 품질을 갖춘 시스템을 구축하기 위해 여러 단체가 지속적으로 노력하고 있습니다.DARPA는 ORCA [11][12][13]및 ORCLE 프로그램과 함께 이 노력을 위한 1억3000만달러 이상의 연구를 후원하고 있습니다.

다른 비정부 단체들은 FSO의 주요 채택 과제를 해결할 수 있는 능력이 있다고 주장하는 다양한 기술을 평가하기 위한 테스트를 진행하고 있습니다.2014년 10월 현재, 가장 일반적인 대기 사건을 다루는 작업 시스템을 갖춘 곳은 없다.

1998-2006년 민간 부문에서의 FSO 조사는 총 4억 7,710만 달러로 주로 4개의 신생 기업으로 나누어졌습니다.4사 모두 통신 품질 및 거리 [14]표준을 충족하는 제품을 제공하지 못했습니다.

  • Terabeam은 소프트뱅크, Mobius Venture Capital, Oakhill Venture Partners 등의 투자자로부터 약 5억7500만달러의 자금을 지원받았다.AT&T와 Lucent는 이 [15][16]시도를 지지했다.이 작업은 결국 실패로 돌아갔고, 2004년 버지니아주 폴스 처치에 의해 5,200만달러(영장 및 옵션 제외)에 인수되어 2004년 6월 22일에 효력이 발생하였고, 새로운 사업체에 테라밤이라는 이름을 사용했습니다.2007년 9월 4일, Terabeam(당시 캘리포니아주 새너제이)은 Proxim Wireless Corporation으로 사명을 변경하고, NASDAQ 주식 기호를 TRBM에서 PRXM으로 [17]변경한다고 발표했습니다.
  • 에어파이버는 9610만 달러의 자금을 지원받았지만 기상 문제를 해결하지 못했다.2003년 MRV 커뮤니케이션에 매각되었으며, MRV는 2012년까지 FSO 유닛을 매각하여 Terescope [18]시리즈의 단종이 갑작스럽게 발표되었습니다.
  • LightPoint Communications는 창업 자금으로 7600만 달러를 받았고, 결국 날씨 [19]문제를 극복하기 위해 하이브리드 FSO-RF 유닛을 판매하도록 재편성했습니다.
  • Maxima Corporation은 Science에 [20]운영이론을 발표했고, 영구적으로 문을 닫기 전에 900만 달러의 자금을 지원받았다.이 작업 후에 알려진 분사 또는 구매는 없습니다.
  • Wireless Excellence는 FSO를 밀리미터파 및 무선 테크놀로지와 결합하여 거리, 용량 및 가용성을 확장하는 CableFree UNITY 솔루션을 개발 및 출시하여 FSO를 보다 유용하고 실용적인 [21]테크놀로지로 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.

한 민간 기업은 2014년 11월 20일 극심한 안개 속에서 상업적 신뢰성(99.999% 가용성)을 달성했다고 주장하는 논문을 발표했습니다.이 제품은 현재 [22]시판되고 있는 것은 아닙니다.

외계인

참고 항목: 우주에서의 레이저 통신

우주에서의 레이저 통신의 엄청난 장점은 여러 우주 기관들이 안정적인 우주 통신 플랫폼을 개발하기 위해 경쟁하고 있으며, 많은 중요한 시연과 성과들이 있다.

운영 체제

최초의 기가비트 레이저 기반 통신은 유럽 우주국에 의해 이루어졌으며 2014년 11월 28일 유럽 데이터 릴레이 시스템(EDRS)으로 불렸다.시스템은 정상적으로 동작하고 있으며, 매일 사용되고 있습니다.

데모

NASA의 OPALS는 2014년 12월 9일 3.5초 만에 175메가바이트를 업로드하여 우주 대 지상 통신의 획기적인 발전을 발표했다.또한 구름 덮개로 인해 신호가 손실된 후 추적 기능을 다시 얻을 수 있습니다.

2013년 10월 18일 새벽, NASA의 달 레이저 통신 시연은 달 궤도에서 지구로 622 메가비트/[23]초의 속도로 데이터를 전송하는 역사를 만들었다.LLCD는 달 대기 및 먼지 환경 탐사 위성(LADEE)을 타고 날아왔는데, 달 주변의 희박하고 이국적인 대기를 조사하는 것이 주된 과학 임무였다.

2013년 1월, NASA는 모나리자의 이미지를 약 39만 km (240,000 mi) 떨어진 달 정찰 궤도선에 전송하기 위해 레이저를 사용했다.대기 간섭을 보상하기 위해 CD에서 사용되는 것과 유사한 오류 정정 코드 알고리즘을 [24]구현했습니다.

MESSENGER 우주선에 탑재된 MERCURY 레이저 고도계에 의해 쌍방향 통신 기록이 수립되었으며, 2005년 5월 이 우주선이 근접 비행하면서 2,400만 km(1,500만 마일)의 거리까지 통신이 가능해졌다.이전 기록은 1992년 갈릴레오 탐사선이 600만 km(370만 mi) 떨어진 곳에서 지구로부터 오는 레이저 빛을 단방향으로 감지한 것으로 수립되었다.레이저 통신 우주 시연(EDRS) 인용

상업용

SpaceX Starlink와 같은 다양한 위성 별자리는 수백에서 수천 개의 위성 간 링크에 레이저 통신을 사용하여 공간 기반 광학 메쉬 네트워크를 효과적으로 구축하는 것을 목적으로 합니다.

LED

RONJA는 고휘도 LED를 사용하여 FSO를 무료로 구현합니다.

2001년 Twibright Labs는 1.4km(0.87mi)[25][26] 이상의 오픈 소스 DIY 10 Mbit/s 전이중 LED FSO인 RONJA Metropolis를 출시했습니다.

2004년,[27] 가시광선 통신 컨소시엄이 일본에서 결성되었습니다.이는 실내 로컬 에리어 네트워크(LAN) 통신에 흰색 LED 기반의 우주 조명 시스템을 사용한 연구자들의 연구에 기초했다.이러한 시스템은 시스템 간의 격리 개선, 수신기/송신기의 크기 및 비용, RF 라이센스 법률, 공간 조명 및 통신을 동일한 [28]시스템에 결합함으로써 기존의 UHF RF 기반 시스템에 비해 이점을 제공합니다.2009년 1월 IEEE 802.15.[29]7로 알려진 무선 퍼스널 에리어 네트워크 표준을 위한 전기전자공학연구소의 작업 그룹에 의해 가시광선 통신을 위한 태스크 포스가 구성되었다. 2010년 미국 세인트루이스에서 시험판이 발표되었다. 클라우드, 미네소타.[30]

아마추어 무선 사업자는 고강도 LED의 일관되지 않은 광원을 사용하여 훨씬 더 먼 거리를 달성했습니다.하나는 2007년에 [31]173마일(278km)을 기록했다고 보고했다.그러나 기기의 물리적 제한으로 인해 대역폭이 약 4kHz로 제한되었습니다.검출기가 그러한 거리를 커버하기 위해 필요한 높은 감도 때문에 포토다이오드의 내부 캐패시턴스는 그에 따르는 고임피던스 증폭기의 지배적인 인자를 사용했고, 따라서 자연스럽게 4kHz 범위의 차단 주파수로 로우패스 필터를 형성했다.레이저는 광섬유 통신에 필적하는 매우 높은 데이터 레이트에 도달할 수 있습니다.

예측 데이터 레이트와 향후 데이터 레이트의 주장은 다양합니다.공간 조명에 사용할 수 있는 저비용 백색 LED(GaN-phosphor)는 일반적으로 최대 20MHz까지 [32]변조할 수 있습니다.효율적인 변조 방식을 사용하면 100 Mbit/s 이상의 데이터 전송률을 쉽게 달성할 수 있으며,[33] Siemens는 2010년에 500 Mbit/s 이상을 달성했다고 주장했습니다.2009년에 발표된 연구는 LED 신호등을 [34]갖춘 자동화 차량의 교통 통제에 이와 유사한 시스템을 사용했다.

2013년 9월, Li-Fi에 관한 에든버러 신생기업인 pureLiFi도 시판 LED 전구를 사용하여 고속 포인트 투 포인트 연결을 시연했습니다.이전 연구에서는 고대역폭 스페셜리스트 LED를 사용하여 높은 데이터 레이트를 실현했습니다.새로운 시스템인 Li-1st는 모든 LED 디바이스에서 사용 가능한 광대역폭을 극대화하여 비용을 절감하고 실내 FSO 시스템 [35]배치 성능을 향상시킵니다.

엔지니어링 상세

일반적으로 이 테크놀로지를 사용하는 최선의 시나리오는 다음과 같습니다.

  • 패스트 이더넷 또는 기가비트 이더넷 속도로 캠퍼스 LAN-to-LAN 연결
  • 도시, 대도시권 네트워크에서의 LAN-to-LAN 접속
  • 송신자 및 수신자가 소유하지 않은 공공 도로 또는 기타 장벽을 넘는 것
  • 광섬유 네트워크에 대한 고대역폭 액세스의 신속한 서비스 제공
  • 통합 음성 데이터 연결
  • 임시 네트워크 설치(이벤트 또는 기타 목적)
  • 고속 접속 재확립(디저스터 리커버리)
  • 기존 무선 테크놀로지의 대체 또는 업그레이드 애드온으로서
    • 특히 오토 에이밍 시스템과 조합하여 움직이는 자동차나 노트북에 전력을 공급합니다.또는 자동 리셋노드를 사용하여 다른 노드와의 네트워크를 만듭니다.
  • 중요한 파이버 접속을 위한 안전 애드온(용장성)
  • 위성 별자리 요소를 포함한 우주선 간의 통신용
  • 칩간[36] 및 칩내 통신용

광선이 매우 좁을 수 있기 때문에 FSO를 차단하기 어려워 보안이 향상됩니다.보안 강화를 위해 FSO 연결을 통해 이동하는 모든 데이터를 비교적 쉽게 암호화할 수 있습니다.FSO는 전자파를 사용할 때보다 훨씬 개선된 전자파 간섭(EMI) 동작을 제공합니다.

기술적 이점

범위 제한 요인

지상 애플리케이션의 경우, 주요 제한 요인은 다음과 같다.

이러한 요인에 의해 리시버 신호가 감쇠되어 Bit Error Ratio(BER; 비트오류비)가 높아집니다.이러한 문제를 해결하기 위해 벤더는 멀티빔 또는 멀티패스 아키텍처와 같은 여러 개의 송신기 및 수신기를 사용하는 몇 가지 솔루션을 찾았습니다.일부 최첨단 장치는 페이드 마진이 더 크다(비, 스모그, 안개 등에 대비하여 예비 전력).안전한 환경을 유지하기 위해 양호한 FSO 시스템은 레이저 전력 밀도가 제한되어 있으며 레이저 클래스 1 또는 1M을 지원합니다.본질적으로 기하급수적인 대기 및 안개 감쇠는 FSO 장치의 실제 범위를 수 킬로미터로 제한한다.단, 1550nm 파장에 기초한 자유공간광학에서는 짙은 안개 상태에서 830nm 파장을 사용하는 자유공간광학보다 광학손실이 상당히 낮다.파장 1550nm 시스템을 사용하는 FSO는 850nm 시스템을 사용하는 시스템보다 몇 배 높은 전력을 전송할 수 있으며 사람의 눈에 안전합니다(1M 클래스).또한 EC [38]SYSTEM과 같은 일부 자유공간 광학은 내장된 자동 이득 제어로 [38]레이저 다이오드 전송 전력을 조절하기 위해 링크 품질을 지속적으로 모니터링함으로써 악천후 조건에서 높은 연결 신뢰성을 보장합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

외부 링크

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