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A. Comunicación FSO - Una visión general

En los últimos años, un gran crecimiento y avance se ha observado en las tecnologías de la información y comunicación. Con el aumento en el uso de internet de alta velocidad, videoconferencias, streaming en vivo, etc., los requisitos de ancho de banda y capacidad están aumentando drásticamente. Este creciente aumento en la demanda de datos y servicios multimedia ha dado lugar a la congestión en forma gradual del espectro de frecuencia y surge la necesidad de pasar la portadora de RF a una portadora óptica. A diferencia de portadora RF donde el uso del espectro está restringido, la portadora óptica no requiere ninguna concesión de licencias de espectro y, por lo tanto, es un atractivo prospecto para aplicaciones de alto ancho de banda y capacidad. Comunicación óptica inalámbrica o Wireless Optical Communication (WOC) es la tecnología que utiliza portadora óptica para transferir información de una punto a otro a través de un canal sin guía que puede ser una atmósfera o espacio libre. WOC se considera como una próxima frontera para la conexión de banda ancha de alta velocidad, ya que ofrece ancho de banda extremadamente alto, facilidad de despliegue, sin licencia para asignación de espectro, menor consumo de energía (-1/2 de RF), la reducción de tamaño (-1/10 del diámetro de la antena RF) y mejora de la seguridad del canal. Se puede clasificar en dos grandes categorías a saber, comunicaciones ópticas de interior y al aire libre sin hilos. WOC en interiores utiliza IR o luz visible para la comunicación dentro de un edificio en el que la posibilidad de establecer una conexión por cable físico es engorroso. WOC en interiores se puede clasificar en cuatro sistemas genéricos, línea de visión dirigidas (LOS), no dirigido, difunde y seguimiento. WOC al aire libre también se denomina Comunicación óptica en el espacio libre (FSO).Los sistemas de comunicación FSO se clasifican además en terrestre y los enlaces ópticos en el espacio, que incluyen edificio a edificio, tierra-satélite, satélite-tierra, satélite-satélite, satélite-plataformas aéreas (vehículos aéreos no tripulados (UVAs) o globos),etc. La figura 1 ilustra la clasificación de los sistemas WOC.

La comunicación FSO proporciona comunicación LOS debido a su estrecha anchura de haz de transmisión y trabaja en visible y el espectro de IR. El principio básico de la transmisión FSO es similar a la comunicación de fibra óptica, excepto que a diferencia de la transmisión por fibra, en este caso los datos modulados se transmiten a través de un canal no guiado en lugar de fibra óptica guiada. El trabajo inicial sobre la comunicación FSO comenzó casi 50 años atrás para aplicaciones de defensa y espacio, donde los militares estadounidenses la utilizaban para enviar la señal telegráfica de un punto a otro utilizando dispositivos de luz solar accionado. En el año 1876,

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Alexander Graham Bell demostró su primer sistema de telefonía inalámbrica mediante la conversión de las ondas sonoras en señales eléctricas y telefónicas, transmitió la señal de voz unos cuantos pies que usaban la luz solar como portadora. El dispositivo se llama "foto-teléfono", ya que fue el primer sistema de telefonía inalámbrica más grande del mundo. A partir de entonces, con el descubrimiento del primer láser de trabajo en Hughes Research Laboratories, Malibu, California en 1960, un gran avance se observó en la tecnología FSO. Se llevaron a cabo gran número de experimentos en laboratorios militares y aeroespaciales que demostraron enlaces tierra-satélite, satélite-tierra, tierra-tierra y por satélite a satélite. Ha dado lugar a diversas experimentaciones de éxito como (i) sistema de pruebas de vuelo en el aire (AFTS) -un vínculo entre la aeronave y la estación terrestre en New Mexico, (ii) sistema de enlace transversal láser (LCS) - full duplex enlace espacio-espacio para sistema geosíncrona, (iii) la demostración Lasercom tierra / orbitador (GOLD) - primer enlace de comunicaciones tierra-espacio de dos vías, (iv) la comunicación óptica demostrador (TOC) - prototipo de laboratorio para demostrar la transferencia de datos de alta velocidad del satélite-tierra , (v) estratosférico experimento carga útil óptica STROPEX (Capanina Proyecto) - enlace descendente óptico de alta velocidad de bits de la estación aérea a transportables estación terrestre óptica [20], (vi) Marte demostración comunicaciones láser (MLCD) - proporciona hasta 10 Mbps de transferencia de datos entre Tierra y Marte, y (vii) láser aerotransportado enlace óptico (LOLA) - primera demostración de un enlace óptico de doble vía entre la alta altitud aviones y satélites GEO (ARTEMIS). Otra misión de la NASA es la demostración de relé de comunicaciones por láser (LCRD) que se lanzará en 2017 que demostrará servicios de transmisión ópticos para cerca de la tierra y las misiones de comunicación el espacio profundo.

En los últimos años, la expansión masiva de la tecnología FSO ha observado debido al gran avance en componentes optoelectrónicos y un gran crecimiento en el mercado que ofrecen los dispositivos ópticos inalámbricos. Sistema de comunicación FSO parece ser una de las tecnología prometedora para abordar el problema de los requisitos de ancho de banda enorme y "cuello de botella última milla". Comercialmente equipos FOE disponibles ofrecen velocidades de datos mucho más altas que van desde 10 Mbps a 10 Gbps. Enlace FSO se ha demostrado en laboratorio hasta 80 Gbps con BER promedio de 10-6 sin corrección de errores hacia delante (FEC) de codificación. Muchas empresas ópticas como LightPointe en San Diego, fSONA en Canadá, CableFree Wireless Excellence in UK, AirFiber en California etc., proporcionan amplia gama de routers inalámbricos ópticos, puentes inalámbricos ópticos, puentes inalámbricos híbridos, interruptores, etc., que pueda soportar conectividad empresarial , acceso de última milla, enlace HDTV emisión con una fiabilidad casi el 100% en condiciones meteorológicas adversas.

B. Ventajas de Comunicación FSO sobre Comunicación RF

Sistema de comunicación FSO ofrece varias ventajas sobre el sistema de RF. La principal diferencia entre FSO y comunicación RF surge de la gran diferencia en la longitud de onda. Para el sistema FSO, en condiciones meteorológicas claras (Visibilidad> 10 millas), la ventana de transmisión atmosférica está en el intervalo de longitud de onda del infrarrojo cercano entre 700 nm a 1600 nm. La ventana de transmisión para el sistema de RF se encuentra entre 30 mm a 3 m. Por lo tanto, la longitud de onda de RF es de mil veces más grande que la longitud de onda óptica. Esta alta proporción de longitud de onda conduce a algunas diferencias interesantes entre los dos sistemas como se indica a continuación:

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(I) enorme ancho de banda de modulación: Es un hecho bien conocido que aumentan en frecuencia portadora aumenta la capacidad de transportar información de un sistema de comunicación. En los sistemas de comunicación de RF y microondas, el ancho de banda admisible puede ser de hasta 20% de la frecuencia portadora. En la comunicación óptica, incluso si se toma el ancho de banda a ser 1% de la frecuencia portadora (≈ 1016 Hz), el ancho de banda permisible será 100 THz. Esto hace que el ancho de banda utilizable a una frecuencia óptica en el orden de THz que es casi 105 veces la de una portadora de RF típica.

(II) Divergencia de haz estrecho: La divergencia del haz es proporcional a λ/DR, donde λ es la longitud de onda portadora y DR el diámetro de apertura. Por lo tanto, la dispersión del haz ofrecido por la portadora óptica es más estrecha que la de la portadora de RF. Esto conduce a aumento de la intensidad de señal en el receptor para una potencia de transmisión dada. Fig. La figura 2 muestra la comparación de divergencia del haz de señales ópticas y RF cuando se envían desde Marte a la Tierra.

(III) Menos necesidad de potencia y masa: Para un nivel de potencia del transmisor dado, la intensidad óptica es más en el receptor debido a su divergencia de haz estrecho. Por lo tanto, una longitud de onda menor de portadora óptica permite al diseñador FSO para llegar a un sistema que tiene la antena más pequeña que el sistema de RF para conseguir la misma ganancia (como ganancia de la antena escalas inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda de funcionamiento). El tamaño típico para el sistema óptico es 0,3 m vs 1,5 m para la antena de la nave espacial.Tabla I da el poder y la comparación de masas entre los sistemas de comunicación óptica y de RF utilizando 10 W y 50 W para los sistemas de banda ópticos y Ka, respectivamente, a 2,5 Gbps.

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(IV) Alta directividad: Dado que la longitud de onda óptica es muy pequeña, una muy alta directividad se obtiene con antena pequeña de tamaño. La directividad de la antena está estrechamente relacionada con su ganancia. La ventaja de portadora óptica sobre portadora de RF se puede ver a partir de la relación de directividad de la antena como se indica a continuación.

(V) Espectro sin licencia: En el sistema de RF, la interferencia de portadora adyacente es el principal problema debido a la congestión del espectro. Esto requiere la necesidad de licencias de espectro por las autoridades reguladoras. Pero por otro lado, el sistema óptico está libre de licencias espectro hasta ahora. Esto reduce la configuración inicial de costos y tiempo de desarrollo.

(VI) Alta seguridad: comunicación FSO no puede ser detectado por los analizadores de espectro o metros de RF como rayo láser FSO es altamente direccional con divergencia del haz muy estrecho. Por tanto, cualquier tipo de interceptación es muy difícil. A diferencia de la señal de RF, la señal FSO no puede penetrar paredes que por lo tanto puede prevenir el espionaje.

Además de las ventajas anteriores, la comunicación FSO ofrece beneficios secundarios como: (i) fácilmente ampliable y reduce el tamaño de los segmentos de red, (ii) de peso ligero y compacto, (iii) la capacidad de despliegue fácil y rápido, y (iv) se puede utilizar donde no se pueden utilizar cables de fibra óptica. Sin embargo, a pesar de las muchas ventajas, el sistema de comunicación FSO tiene sus propios inconvenientes más de sistema de RF. La principal desventaja es el requisito de adquisición ajustado, el seguimiento y apuntando sistema (ATP) debido a la divergencia de haz estrecho. Además, la comunicación FSO depende de las condiciones atmosféricas impredecibles que pueden degradar el rendimiento del sistema. Otro factor limitante, es la posición del sol en relación con el transmisor y el receptor láser. En una alineación particular, radiaciones solares fondo pueden aumentar y que dará lugar a un rendimiento deficiente del sistema. Esto, sin duda, representa un gran desafío para los diseñadores de sistemas FSO.


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