La comunicación óptica en el espacio libre ( FSO ) es una tecnología de comunicación óptica que utiliza la luz que se propaga en el espacio libre para transmitir datos de forma inalámbrica para telecomunicaciones o redes informáticas . "Espacio libre" significa aire, espacio exterior, vacío o algo similar. Esto contrasta con el uso de sólidos como el cable de fibra óptica .
La tecnología es útil cuando las conexiones físicas son poco prácticas debido a los altos costos u otras consideraciones.
Las comunicaciones ópticas , en diversas formas, se han utilizado durante miles de años. Los antiguos griegos utilizaban un sistema alfabético codificado de señalización con antorchas desarrollado por Cleoxeno, Demócleto y Polibio . [1] En la era moderna, se desarrollaron semáforos y telégrafos solares inalámbricos llamados heliógrafos , que utilizaban señales codificadas para comunicarse con sus destinatarios.
En 1880, Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter crearon el fotófono en el recién creado Laboratorio Volta de Bell en Washington, DC . Bell lo consideró su invento más importante. El dispositivo permitía la transmisión de sonido en un haz de luz . El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios, separados por unos 213 metros (699 pies). [2] [3]
Su primer uso práctico se produjo en los sistemas de comunicación militar muchas décadas después, primero para la telegrafía óptica. Las tropas coloniales alemanas utilizaron transmisores de telegrafía heliográfica durante las Guerras Herero a partir de 1904, en el África sudoccidental alemana (hoy Namibia ), al igual que las señales británicas, francesas, estadounidenses u otomanas.
Durante la guerra de trincheras de la Primera Guerra Mundial , cuando las comunicaciones por cable se interrumpían con frecuencia, las señales alemanas utilizaban tres tipos de transmisores ópticos Morse llamados Blinkgerät , el tipo intermedio para distancias de hasta 4 km (2,5 mi) durante el día y de hasta 8 km (5,0 mi) durante la noche, utilizando filtros rojos para comunicaciones no detectadas. Las comunicaciones telefónicas ópticas se probaron al final de la guerra, pero no se introdujeron a nivel de tropas. Además, se utilizaron blinkgeräts especiales para la comunicación con aviones, globos y tanques, con éxito variable. [ cita requerida ]
Un gran paso tecnológico fue sustituir el código Morse por ondas ópticas moduladoras en la transmisión del habla. Carl Zeiss, Jena, desarrolló el Lichtsprechgerät 80/80 (traducción literal: dispositivo óptico parlante) que el ejército alemán utilizó en sus unidades de defensa antiaérea durante la Segunda Guerra Mundial o en los búnkeres del Muro Atlántico . [4]
La invención del láser en la década de 1960 revolucionó la óptica de espacio libre. [ cita requerida ] Las organizaciones militares se mostraron particularmente interesadas e impulsaron su desarrollo. En 1973, mientras creaban prototipos de las primeras impresoras láser en PARC , Gary Starkweather y otros crearon un enlace óptico CAN dúplex de 30 Mbit/s utilizando telescopios astronómicos y láseres HeNe para enviar datos entre oficinas; eligieron el método debido en parte a las regulaciones menos estrictas (en ese momento) sobre la comunicación óptica de espacio libre por parte de la FCC . [5] [ fuente no primaria necesaria ] Sin embargo, la óptica de espacio libre basada en láser perdió impulso en el mercado cuando la instalación de redes de fibra óptica para usos civiles estaba en su apogeo. [ cita requerida ]
Muchos controles remotos de consumo sencillos y económicos utilizan comunicaciones de baja velocidad mediante luz infrarroja (IR). Esto se conoce como tecnologías IR de consumo .
Los enlaces ópticos punto a punto en el espacio libre se pueden implementar utilizando luz láser infrarroja, aunque es posible la comunicación de baja velocidad de datos en distancias cortas utilizando LED . La tecnología de asociación de datos infrarrojos (IrDA) es una forma muy simple de comunicaciones ópticas en el espacio libre. En el lado de las comunicaciones, la tecnología FSO se considera como parte de las aplicaciones de comunicaciones inalámbricas ópticas . La óptica en el espacio libre se puede utilizar para comunicaciones entre naves espaciales . [6]
La fiabilidad de las unidades FSO siempre ha sido un problema para las telecomunicaciones comerciales. Los estudios han detectado constantemente demasiados paquetes perdidos y errores de señal en distancias pequeñas (entre 400 y 500 metros [1300 y 1600 pies]). Esto se debe tanto a estudios independientes, como el realizado en la República Checa [7] , como a estudios internos, como el realizado por el personal de MRV FSO [8] .
Los estudios basados en el ámbito militar arrojan sistemáticamente estimaciones más largas de fiabilidad, y se estima que el alcance máximo de los enlaces terrestres es del orden de 2 a 3 km (1,2 a 1,9 mi). [9] Todos los estudios coinciden en que la estabilidad y la calidad del enlace dependen en gran medida de factores atmosféricos como la lluvia, la niebla, el polvo y el calor. Se pueden utilizar relés para ampliar el alcance de las comunicaciones FSO. [10] [11]
TMEX USA operó dos enlaces de ocho millas entre Laredo, Texas y Nuevo Laredo, México, desde 1998 [12] hasta 2002. Los enlaces funcionaban a 155 Mbit/s y transmitían de manera confiable llamadas telefónicas y servicio de Internet. [13] [ dudoso – discutir ] [ cita requerida ]
La principal razón por la que las comunicaciones terrestres se han limitado a funciones de telecomunicaciones no comerciales es la niebla. La niebla a menudo impide que los enlaces láser FSO a más de 500 metros (1.600 pies) alcancen una disponibilidad durante todo el año suficiente para servicios comerciales. Varias entidades están intentando continuamente superar estas desventajas clave para las comunicaciones FSO y poner en funcionamiento un sistema con una mejor calidad de servicio . DARPA ha patrocinado más de 130 millones de dólares en investigación para este esfuerzo, con los programas ORCA y ORCLE. [14] [15] [16]
Otros grupos no gubernamentales están realizando pruebas para evaluar diferentes tecnologías que, según algunos, tienen la capacidad de abordar los principales desafíos de la adopción del FSO. Hasta octubre de 2014 [actualizar], ninguno había puesto en práctica un sistema funcional que abordara los fenómenos atmosféricos más comunes.
La investigación del FSO entre 1998 y 2006 en el sector privado ascendió a 407,1 millones de dólares, repartidos principalmente entre cuatro empresas de nueva creación. Ninguna de ellas logró ofrecer productos que cumplieran con los estándares de calidad y distancia de las telecomunicaciones: [17]
Una empresa privada publicó un artículo el 20 de noviembre de 2014 en el que afirmaba que había logrado una fiabilidad comercial (disponibilidad del 99,999 %) en condiciones de niebla extrema. No hay ninguna indicación de que este producto esté disponible comercialmente en la actualidad. [25]
Las enormes ventajas de la comunicación láser en el espacio han hecho que varias agencias espaciales compitan por desarrollar una plataforma de comunicación espacial estable, con muchas demostraciones y logros importantes.
La primera comunicación basada en láser de un gigabit [ aclaración necesaria ] fue lograda por la Agencia Espacial Europea y denominada Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS) el 28 de noviembre de 2014. El sistema está operativo y se utiliza a diario.
En diciembre de 2023, la Universidad Nacional Australiana (ANU) demostró su estación terrestre óptica cuántica en su observatorio Mount Stromlo . QOGS utiliza óptica adaptativa y láseres como parte de un telescopio, para crear un sistema de comunicaciones bidireccional capaz de respaldar el programa Artemis de la NASA a la Luna . [26]
El altímetro láser Mercury, a bordo de la nave espacial MESSENGER , estableció un récord de distancia en comunicaciones bidireccionales, ya que logró comunicarse a una distancia de 24 millones de kilómetros (15 millones de millas) cuando la nave se acercó a la Tierra en un vuelo de aproximación en mayo de 2005. El récord anterior se había establecido con una detección unidireccional de luz láser desde la Tierra por parte de la sonda Galileo, de 6 millones de kilómetros (3,7 millones de millas) en 1992.
En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para enviar una imagen de la Mona Lisa a la sonda Lunar Reconnaissance Orbiter, que se encontraba a unos 390.000 km (240.000 mi) de distancia. Para compensar la interferencia atmosférica, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al que se utiliza en los CD . [27]
En las primeras horas de la mañana del 18 de octubre de 2013, la Demostración de Comunicación Láser Lunar (LLCD) de la NASA transmitió datos desde la órbita lunar a la Tierra a una velocidad de 622 megabits por segundo (Mbit/s). [28] La LLCD voló a bordo de la nave espacial Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), cuya misión científica principal era investigar la tenue y exótica atmósfera que existe alrededor de la Luna.
Entre abril y julio de 2014, el instrumento OPALS de la NASA cargó con éxito 175 megabytes en 3,5 segundos y descargó entre 200 y 300 MB en 20 s. [29] Su sistema también pudo volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se perdiera debido a la cobertura de nubes.
El 7 de diciembre de 2021, la NASA lanzó la Demostración de Retransmisión de Comunicaciones Láser (LCRD), que tiene como objetivo retransmitir datos entre naves espaciales en órbita geoestacionaria y estaciones terrestres. LCRD es el primer relé óptico de extremo a extremo bidireccional de la NASA. LCRD utiliza dos estaciones terrestres , la Estación Terrestre Óptica (OGS)-1 y -2, en el Observatorio de Table Mountain en California, y Haleakalā , Hawái . [30] Uno de los primeros usuarios operativos de LCRD es el Terminal Amplificador y Módem de Usuario de Órbita Terrestre Baja LCRD Integrado (ILLUMA-T), en la Estación Espacial Internacional. La terminal recibirá datos científicos de alta resolución de experimentos e instrumentos a bordo de la estación espacial y luego transferirá estos datos a LCRD, que luego los transmitirá a una estación terrestre. Una vez que los datos lleguen a la Tierra, se entregarán a los centros de operaciones de la misión y a los científicos de la misión. La carga útil ILLUMA-T se envió a la ISS a fines de 2023 en SpaceX CRS-29 y alcanzó su primera luz el 5 de diciembre de 2023. [31] [32]
El 28 de abril de 2023, la NASA y sus socios lograron un rendimiento de 200 gigabits por segundo (Gbit/s) en un enlace óptico espacio-tierra entre un satélite en órbita y la Tierra. Esto se logró mediante el sistema TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD), montado en el satélite Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) de la NASA. [33]
Varias constelaciones de satélites que tienen como objetivo proporcionar cobertura de banda ancha global, como Starlink de SpaceX , emplean comunicaciones láser para enlaces entre satélites. Esto crea efectivamente una red de malla óptica espacial entre los satélites.
En 2001, Twibright Labs lanzó RONJA Metropolis , un LED FSO dúplex completo de 10 Mbit/s de código abierto DIY sobre 1,4 km (0,87 mi). [34] [35]
En 2004, se formó en Japón un Consorcio de Comunicación por Luz Visible . [36] Este se basó en el trabajo de investigadores que utilizaron un sistema de iluminación espacial basado en LED blancos para comunicaciones de red de área local (LAN) en interiores. Estos sistemas presentan ventajas sobre los sistemas tradicionales basados en RF UHF , desde un mejor aislamiento entre sistemas, el tamaño y el costo de los receptores/transmisores, las leyes de licencias de RF y la combinación de iluminación espacial y comunicación en el mismo sistema. [37] En enero de 2009, el grupo de trabajo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos para estándares de redes de área personal inalámbricas, conocido como IEEE 802.15.7 , formó un grupo de trabajo para la comunicación por luz visible . [38] Se anunció una prueba en 2010, en St. Cloud, Minnesota . [39]
Los radioaficionados han logrado distancias significativamente mayores utilizando fuentes de luz incoherentes de LED de alta intensidad. Uno informó 278 km (173 mi) en 2007. [40] Sin embargo, las limitaciones físicas del equipo utilizado limitaron los anchos de banda a aproximadamente 4 kHz . Las altas sensibilidades requeridas del detector para cubrir tales distancias hicieron que la capacitancia interna del fotodiodo utilizado fuera un factor dominante en el amplificador de alta impedancia que lo seguía, formando así naturalmente un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte en el rango de 4 kHz. Los láseres pueden alcanzar velocidades de datos muy altas que son comparables a las comunicaciones por fibra.
Las velocidades de datos proyectadas y las futuras afirmaciones sobre las velocidades de datos varían. Un LED blanco de bajo costo (fósforo GaN) que podría usarse para iluminación espacial puede modularse normalmente hasta 20 MHz. [41] Se pueden lograr velocidades de datos de más de 100 Mbit/s utilizando esquemas de modulación eficientes y Siemens afirmó haber logrado más de 500 Mbit/s en 2010. [42] Una investigación publicada en 2009 utilizó un sistema similar para el control del tráfico de vehículos automatizados con semáforos LED. [43]
En septiembre de 2013, pureLiFi, la start-up de Edimburgo que trabaja en Li-Fi , también demostró una conectividad punto a punto de alta velocidad utilizando cualquier bombilla LED disponible en el mercado. En trabajos anteriores, se han utilizado LED especializados en alto ancho de banda para lograr altas velocidades de datos. El nuevo sistema, el Li-1st, maximiza el ancho de banda óptico disponible para cualquier dispositivo LED, reduciendo así el coste y mejorando el rendimiento de la implementación de sistemas FSO en interiores. [44]
Normalmente, los mejores escenarios para utilizar esta tecnología son:
El haz de luz puede ser muy estrecho, lo que hace que el FSO sea difícil de interceptar, lo que mejora la seguridad. Es comparativamente fácil cifrar cualquier dato que viaje a través de la conexión FSO para mayor seguridad. El FSO ofrece un comportamiento de interferencia electromagnética (EMI) enormemente mejorado en comparación con el uso de microondas .
Para aplicaciones terrestres, los principales factores limitantes son:
Estos factores provocan una señal del receptor atenuada y conducen a una mayor tasa de error de bit (BER). Para superar estos problemas, los proveedores encontraron algunas soluciones, como arquitecturas multihaz o multitrayecto, que utilizan más de un transmisor y más de un receptor. Algunos dispositivos de última generación también tienen un margen de desvanecimiento más grande (potencia adicional, reservada para lluvia, smog, niebla). Para mantener un entorno seguro para los ojos, los buenos sistemas FSO tienen una densidad de potencia láser limitada y admiten clases de láser 1 o 1M . La atenuación atmosférica y de niebla, que son exponenciales por naturaleza, limitan el alcance práctico de los dispositivos FSO a varios kilómetros. Sin embargo, la óptica de espacio libre basada en una longitud de onda de 1550 nm , tiene una pérdida óptica considerablemente menor que la óptica de espacio libre que utiliza una longitud de onda de 830 nm , en condiciones de niebla densa. Los sistemas FSO que utilizan una longitud de onda de 1550 nm son capaces de transmitir una potencia varias veces mayor que los sistemas con 850 nm y son seguros para el ojo humano (clase 1M). Además, algunas ópticas de espacio libre, como EC SYSTEM, [47] garantizan una mayor confiabilidad de la conexión en condiciones climáticas adversas al monitorear constantemente la calidad del enlace para regular la potencia de transmisión del diodo láser con control automático de ganancia incorporado. [47]
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