Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa

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 rajoittimia), prismoja tai hiloja. Viestintään käytetty valo voi kulkea ilmakehässä maan pinnan tasolla kilometrien välimatkan, huoneen sisällä, lentokoneiden välillä (jopa satoja kilometrejä^lähde?), 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

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

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 loisteputki^lähde?. 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 siitä, kuinka LEDeillä toteutettua valaistusta voi käyttää myös datansiirtoon. Nopeus 100 megabittiä sekunnissa on mahdollinen.^lähde? Siemens kertoi saavuttaneensa nopeuden 500 megabittiä sekunnissa. Menetelmän etuna verrattuna Wi-Fi- 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 tutkimusta^lähde? 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 käytetty 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 nopeudella^lähde?.

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.

Laser

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

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.

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

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.

Käyttö

Yksinkertaisin ja tunnetuin optisen tiedonsiirron muoto vapaassa tilassa on kaukosäädin.

Optiikkaa vapaassa tilassa voi käyttää esimerkiksi laajakaistayhteyden toteuttamiseen, valopuhelimen (esim. Lichtsprechgerät 80) 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.

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

Menetelmän hyvät puolet

5 mW laser, Rayleigh'n sironta hajottaa valoa ilmakehässä. Mitä pienempi aallonpituus, sitä suurempi hajotus.

Sironnutta valoa valonheittimistä.

Lähetyksen ja etenkin vastaanoton suunnattavuus

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 anturi 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.

• Ei Fresnel aluetta
• Ei herkkä radioaalto- tai mikroaaltohäiriöille

Sade ja ilma vaimentaa vähemmän kuin pienimpiä mikroaaltoja

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

Suuntaustarkkuuden tarve

Koska päivänvalo, kuunvalo ja katuvalot aiheuttavat runsaasti ylimääräistä valoa, joka tässä yhteydessä on kohinaa, täytyy vastaanottimen anturi 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 anturin kaukoputkea kääntämättä, esimerkiksi liikuttamalla pelkästään valoherkän osan sisältävää mikrosirua polttotasolla.

Sääriippuvuus

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. 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?

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.

Datansiirtonopeuden vähentäminen eli bittien pidentäminen lisää kantamaa jonkun verran.

Katso myös

• Li-Fi
• Moduloiva takaisinheijastin
• Valaistusdatansiirto
• Kvanttisalaus

Lähteet

• https://www.laud.no/ww2/lispr/index.htm
• https://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4587580.stm
• https://web.archive.org/web/20040406083532/https://www.vlcc.net/
• https://www.siemens.com/innovation/en/news_events/ct_pressreleases/e_research_news/2010/e_22_resnews_1002_1.htm
• https://www.esa.int/esaTE/SEMN6HQJNVE_index_0.html
• https://www.nova-sol.com/capabilities/optical-communications/dual-mode-optical-interrogator-dmoi

Aiheesta muualla

• Lichtsprechgerät 80/80, LiSpr80; WW2 German Audio communication on light beams