Uso de luz visible, IR o UV para transmitir una señal.
Las comunicaciones ópticas inalámbricas ( OWC ) son una forma de comunicación óptica en la que se utiliza luz visible , infrarroja (IR) o ultravioleta (UV) no guiada para transportar una señal. Generalmente se utiliza en comunicaciones de corto alcance.
Los sistemas OWC que operan en la banda visible (390–750 nm) se denominan comúnmente comunicación por luz visible (VLC). Los sistemas VLC aprovechan los diodos emisores de luz (LED) que pueden emitir impulsos a velocidades muy altas sin un efecto perceptible en la salida de iluminación ni en el ojo humano. VLC posiblemente se pueda utilizar en una amplia gama de aplicaciones, incluidas redes de área local inalámbricas , redes de área personal inalámbricas y redes vehiculares , entre otras. [1] Por otro lado, los sistemas OWC terrestres punto a punto, también conocidos como sistemas ópticos de espacio libre (FSO), [2] operan en frecuencias IR cercanas (750-1600 nm). Estos sistemas suelen utilizar transmisores láser y ofrecen un enlace transparente de protocolo rentable con altas velocidades de datos , es decir, 10 Gbit/s por longitud de onda, y proporcionan una solución potencial para el cuello de botella del backhaul .
También ha habido un interés creciente en la comunicación ultravioleta (UVC) como resultado del reciente progreso en fuentes/detectores ópticos de estado sólido que operan dentro del espectro UV ciego al sol (200–280 nm). En esta llamada banda UV profunda, la radiación solar es insignificante a nivel del suelo y esto hace posible el diseño de detectores de conteo de fotones con receptores de amplio campo de visión que aumentan la energía recibida con poco ruido de fondo adicional. Dichos diseños son particularmente útiles para configuraciones exteriores sin línea de visión para admitir UVC de corto alcance y baja potencia, como en sensores inalámbricos y redes ad-hoc.
Historia
Las tecnologías de comunicaciones inalámbricas proliferaron y se volvieron esenciales muy rápidamente durante las últimas décadas del siglo XX y principios del XXI. El despliegue a gran escala de tecnologías de radiofrecuencia fue un factor clave en la expansión de los dispositivos y sistemas inalámbricos. Sin embargo, la porción del espectro electromagnético utilizada por los sistemas inalámbricos tiene una capacidad limitada y las licencias para utilizar partes del espectro son costosas. Con el aumento de las comunicaciones inalámbricas con gran cantidad de datos, la demanda de espectro de RF está superando la oferta, lo que hace que las empresas consideren opciones para utilizar partes del espectro electromagnético distintas a las radiofrecuencias.
La comunicación óptica inalámbrica (OWC) se refiere a la transmisión en medios de propagación no guiados mediante el uso de portadores ópticos: radiación visible , infrarroja (IR) y ultravioleta (UV). La señalización mediante balizas , humo , banderas de barcos y telégrafos de semáforo puede considerarse las formas históricas de OWC. [3] La luz del sol también se ha utilizado para la señalización a larga distancia desde tiempos muy remotos. El primer uso de la luz solar con fines de comunicación se atribuye a los antiguos griegos y romanos, que utilizaban escudos pulidos para enviar señales reflejando la luz del sol durante las batallas. [4] En 1810, Carl Friedrich Gauss inventó el heliógrafo que utiliza un par de espejos para dirigir un haz controlado de luz solar a una estación distante. Aunque el heliógrafo original fue diseñado para estudios geodésicos, se utilizó ampliamente con fines militares a finales del siglo XIX y principios del XX. En 1880, Alexander Graham Bell inventó el fotófono , el primer sistema telefónico inalámbrico del mundo.
El interés militar por los fotófonos continuó después de la época de Bell. Por ejemplo, en 1935, el ejército alemán desarrolló un fotófono en el que se utilizaba como fuente de luz una lámpara de filamento de tungsteno con un filtro transmisor de infrarrojos. Además, los laboratorios militares estadounidenses y alemanes continuaron el desarrollo de lámparas de arco de alta presión para comunicaciones ópticas hasta la década de 1950. [5] La OWC moderna utiliza láseres o diodos emisores de luz (LED) como transmisores. En 1962, los Laboratorios Lincoln del MIT construyeron un enlace OWC experimental utilizando un diodo GaAs emisor de luz y pudo transmitir señales de televisión a una distancia de 30 millas. Después de la invención del láser, se concibió que OWC sería la principal área de implementación de láseres y se realizaron muchas pruebas utilizando diferentes tipos de láseres y esquemas de modulación. [6] Sin embargo, los resultados fueron en general decepcionantes debido a la gran divergencia de los rayos láser y la incapacidad de hacer frente a los efectos atmosféricos. Con el desarrollo de la fibra óptica de baja pérdida en la década de 1970, se convirtió en la opción obvia para la transmisión óptica de larga distancia y desvió el enfoque de los sistemas OWC.
Estado actual
Ilustración de la demostración de retransmisión de comunicaciones láser (LCRD) que transmite datos desde ILLUMA-T en la Estación Espacial Internacional a una estación terrestre en la Tierra.
A lo largo de las décadas, el interés en la OWC se limitó principalmente a aplicaciones militares encubiertas [7] y aplicaciones espaciales, incluidos enlaces entre satélites y en el espacio profundo. [8] La penetración masiva de OWC en el mercado ha sido hasta ahora limitada, con la excepción de IrDA, que es una solución de transmisión inalámbrica de corto alcance de gran éxito. [ ¿necesita actualización? ]
Aplicaciones
Se pueden emplear variaciones de OWC en una amplia gama de aplicaciones de comunicación que van desde interconexiones ópticas dentro de circuitos integrados hasta enlaces entre edificios al aire libre y comunicaciones por satélite.
OWC se puede dividir en cinco categorías según el rango de transmisión:
Alcance ultracorto : comunicaciones de chip a chip en paquetes de múltiples chips apilados y muy juntos. [9]
Alcance medio : comunicaciones por infrarrojos y luz visible (VLC) en interiores para redes de área local inalámbricas (WLAN) y comunicaciones entre vehículos y entre vehículos e infraestructuras.
En enero de 2015, IEEE 802.15 formó un grupo de trabajo para escribir una revisión de IEEE 802.15.7-2011 que se adapta a longitudes de onda infrarrojas y ultravioleta cercana, además de la luz visible, y agrega opciones como comunicaciones de cámara óptica y LiFi. [12]
En aplicaciones OWC de largo alcance, se ha demostrado un enlace de alcance de 1 Gbit/s - 60 km entre tierra y avión a una velocidad de 800 km/h, "Prueba extrema para el terminal de comunicación láser ViaLight MLT-20: enlace descendente óptico desde un avión a reacción a 800 km/h", DLR y EADS, diciembre de 2013.
En dispositivos de consumo y aplicaciones OWC de corto alcance en teléfonos; Cargue y reciba datos con luz en su teléfono inteligente: TCL Communication/ALCATEL ONETOUCH y Sunpartner Technologies anuncian el primer teléfono inteligente solar totalmente integrado. Marzo del 2014.
En aplicaciones OWC de alcance ultralargo, 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 (Mbps), noviembre de 2013.
La próxima generación de comunicaciones de luz visible/OWC demostró una transmisión de 10 Mbit/s con diodos emisores de luz de polímero u OLED. [13]
En las actividades de investigación de OWC existe un proyecto de investigación europeo de acción IC1101 OPTICWISE del Programa COST (Cooperación Europea en Ciencia y Tecnología) financiado por la Fundación Europea para la Ciencia, que permite coordinar a nivel europeo la investigación financiada a nivel nacional. La Acción tiene como objetivo servir como una plataforma científica europea consolidada de alto perfil para actividades de investigación interdisciplinarias en comunicación óptica inalámbrica (OWC). Se lanzó en noviembre de 2011 y se extenderá hasta noviembre de 2015. Más de 20 países representados.
La adopción de tecnologías OWC por parte del consumidor y la industria está representada por el Consorcio Li-Fi, fundado en 2011, es una organización sin fines de lucro dedicada a introducir la tecnología inalámbrica óptica. Promueve la adopción de productos Light Fidelity (Li-Fi).
Un ejemplo de la conciencia asiática sobre OWC es el consorcio de comunicación de luz visible VLCC en Japón, establecido en 2007 con el fin de crear un sistema de telecomunicaciones seguro y ubicuo que utilice luz visible a través de actividades de investigación de mercado, promoción y estandarización.
En julio de 2023, el IEEE lanzó 802.11bb , creando un estándar para redes ópticas con línea de visión en la banda de 800 a 1000 nm.
Referencias
^ M. Uysal y H. Nouri, "Comunicaciones ópticas inalámbricas: una tecnología emergente", 16ª Conferencia internacional sobre redes ópticas transparentes (ICTON), Graz, Austria, julio de 2014
^ Ali Khalighi, Mahoma; Uysal, Murat (2014). "Encuesta sobre comunicación óptica en el espacio libre: una perspectiva de la teoría de la comunicación". Encuestas y tutoriales de comunicaciones IEEE . 16 (4): 2231–2258. doi : 10.1109/COMST.2014.2329501 . S2CID 3141460.
^ AA Huurdeman, La historia mundial de las telecomunicaciones , Wiley Interscience, 2003.
^ GJ Holzmann y B. Pehrson, La historia temprana de las redes de datos (perspectivas), Wiley, 1994.
^ M. Groth, "Revisión de los fotófonos".
^ E. Goodwin, "Una revisión de los sistemas operativos de comunicación por láser", Actas del IEEE , vol. 58, núm. 10, págs. 1746-1752, octubre de 1970.
^ DL Begley, "Comunicaciones láser en el espacio libre: una perspectiva histórica", Reunión anual de la IEEE, Sociedad de Láseres y Electroóptica (LEOS) , vol. 2, págs. 391–392, noviembre de 2002, Glasgow, Escocia.
^ H. Hemmati, Comunicaciones ópticas en el espacio profundo , Wiley-Interscience, 2006
^ Kachris, Christoforos; Tomkos, Ioannis (octubre de 2012). "Una encuesta sobre interconexiones ópticas para centros de datos". Encuestas y tutoriales de comunicaciones IEEE . 14 (4): 1021-1036. doi :10.1109/SURV.2011.122111.00069. S2CID 1771021.
^ Bhowal, A.; Kshetrimayum, RS (2018). "Análisis de rendimiento de relés unidireccionales y bidireccionales para comunicaciones inalámbricas ópticas submarinas". Continuo OSA . 1 (4): 1400-1413. doi : 10.1364/OSAC.1.001400 .
^ Hanson, F.; Radic, S. (enero de 2008). "Comunicación óptica submarina de alto ancho de banda". Óptica Aplicada . 47 (2): 277–83. Código Bib : 2008ApOpt..47..277H. doi :10.1364/AO.47.000277. PMID 18188210.
^ Grupo de trabajo de comunicaciones (TG 7m) (31 de mayo de 2019). "15.7 Mantenimiento: inalámbrico óptico de corto alcance". IEEE 802.15 WPAN™ . Consultado el 31 de mayo de 2019 .{{cite web}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
^ Paul Anthony Haigh; Francisco Bausi; Zabih Ghasemlooy; Ioannis Papakonstantinou; Hoa Le Minh; Charlotte Flechon; Franco Cacialli (2014). "Comunicaciones de luz visible: enlace en tiempo real de 10 Mb/s con un diodo emisor de luz de polímero de bajo ancho de banda". Óptica Express . 22 (3): 2830–8. Código Bib : 2014OExpr..22.2830H. doi : 10.1364/OE.22.002830 . PMID 24663574.
^ El Centro de Investigación de Ingeniería de Iluminación Inteligente
Otras lecturas
Daukantas, Patricia (marzo de 2014). "Comunicaciones ópticas inalámbricas: el nuevo punto de acceso" (PDF) . Noticias de Óptica y Fotónica . 25 (3): 34–41. Código Bib : 2014OptPN..25...34D. doi :10.1364/OPN.25.3.000034.
Arnón, Shlomi; et al., eds. (2012). Sistemas avanzados de comunicación óptica inalámbrica (1ª ed.). Cambridge: Prensa de la Universidad de Cambridge. doi :10.1017/CBO9780511979187. ISBN 9780511979187.
Ghasemlooy, Z.; Popoola, W.; Rajbhandari, S. (2012). Comunicaciones ópticas inalámbricas: modelado de sistemas y canales con MATLAB (1ª ed.). Boca Ratón, FL: CRC Press, Inc. ISBN 9781439851883.