La comunicación óptica en 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 de computadoras . "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 no son 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 Cleoxenus, Democleitus y Polybius . [1] En la era moderna, se desarrollaron semáforos y telégrafos solares inalámbricos llamados heliógrafos , que utilizan 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 a través de un haz de luz . El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios, a unos 213 metros (699 pies) de distancia. [2] [3]
Su primer uso práctico se produjo en los sistemas de comunicaciones militares muchas décadas después, primero para la telegrafía óptica. Las tropas coloniales alemanas utilizaron transmisores de telegrafía heliográficos durante las Guerras Herero que comenzaron en 1904, en el África sudoccidental alemana (la actual 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 a menudo se cortaban, las señales alemanas utilizaban tres tipos de transmisores ópticos Morse llamados Blinkgerät , el tipo intermedio para distancias de hasta 4 km (2,5 millas) a la luz del día y de hasta 8 km ( 5,0 millas) por 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 flashgeräts especiales para la comunicación con aviones, globos y tanques, con distinto éxito. [ cita necesaria ]
Un paso tecnológico importante fue reemplazar el código Morse mediante la modulación de ondas ópticas en la transmisión de voz. Carl Zeiss, Jena desarrolló el Lichtsprechgerät 80/80 (traducción literal: dispositivo óptico parlante) que el ejército alemán utilizó en sus unidades de defensa antiaérea de la Segunda Guerra Mundial, o en búnkeres en el Muro del Atlántico . [4]
La invención del láser en la década de 1960 revolucionó la óptica del espacio libre. Las organizaciones militares se interesaron especialmente e impulsaron su desarrollo. Sin embargo, la tecnología perdió impulso en el mercado cuando la instalación de redes de fibra óptica para usos civiles estaba en su apogeo.
Muchos controles remotos de consumo simples y económicos utilizan comunicación 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 la comunicación de baja velocidad de datos en distancias cortas es posible utilizando LED . La tecnología de la Asociación de Datos Infrarrojos (IrDA) es una forma muy simple de comunicaciones ópticas en el espacio libre. Desde el punto de vista de las comunicaciones, la tecnología FSO se considera parte de las aplicaciones de comunicaciones ópticas inalámbricas . La óptica de espacio libre se puede utilizar para las comunicaciones entre naves espaciales . [5]
La confiabilidad de las unidades FSO siempre ha sido un problema para las telecomunicaciones comerciales. Consistentemente, los estudios encuentran demasiados paquetes perdidos y errores de señal en rangos pequeños (400 a 500 metros (1300 a 1600 pies)). Esto proviene tanto de estudios independientes, como los de la República Checa, [6] como de estudios internos, como uno realizado por el personal de MRV FSO. [7]
Los estudios militares producen consistentemente estimaciones más largas de confiabilidad, proyectando que el alcance máximo para enlaces terrestres es del orden de 2 a 3 km (1,2 a 1,9 millas). [8] 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 emplear relés para ampliar el alcance de las comunicaciones FSO. [9] [10]
TMEX USA ejecutó dos enlaces de ocho millas entre Laredo, Texas y Nuevo Laredo, México de 1998 [11] a 2002. Los enlaces operaron a 155 Mbit/s y transportaron llamadas telefónicas y servicio de Internet de manera confiable. [12] [ dudoso - discutir ] [ cita necesaria ]
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 de más de 500 metros (1600 pies) alcancen una disponibilidad suficiente durante todo el año para los servicios comerciales. Varias entidades intentan continuamente superar estas desventajas clave de las comunicaciones FSO y crear un sistema con una mejor calidad de servicio . DARPA ha patrocinado más de 130 millones de dólares en investigaciones para este esfuerzo, con los programas ORCA y ORCLE. [13] [14] [15]
Otros grupos no gubernamentales están realizando pruebas para evaluar diferentes tecnologías que, según algunos, tienen la capacidad de abordar desafíos clave de adopción de FSO. Hasta octubre de 2014 [actualizar], ninguno ha implementado un sistema de trabajo que aborde los eventos atmosféricos más comunes.
La investigación del FSO entre 1998 y 2006 en el sector privado ascendió a 407,1 millones de dólares, divididos principalmente entre cuatro empresas de nueva creación. Los cuatro no lograron entregar productos que cumplieran con los estándares de distancia y calidad de las telecomunicaciones: [16]
Una empresa privada publicó un artículo el 20 de noviembre de 2014, afirmando que habían logrado confiabilidad comercial (disponibilidad del 99,999%) en condiciones de niebla extrema. No hay indicios de que este producto esté actualmente disponible comercialmente. [24]
Las enormes ventajas de la comunicación láser en el espacio tienen a múltiples agencias espaciales compitiendo para desarrollar una plataforma de comunicación espacial estable, con muchas demostraciones y logros importantes.
La primera comunicación basada en láser gigabit [ se necesita aclaración ] fue lograda por la Agencia Espacial Europea y se denominó 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 de Australia (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 soportar el programa Artemis de la NASA hacia la Luna . [25]
El instrumento altímetro láser Mercury a bordo de la nave espacial MESSENGER estableció un récord de distancia de comunicación bidireccional . Pudo comunicarse a una distancia de 24 millones de kilómetros (15 millones de millas), cuando la nave se acercó a la Tierra en un sobrevuelo en mayo de 2005. El récord anterior se había establecido con una detección unidireccional de luz láser desde la Tierra. por la sonda Galileo, de 6 millones de kilómetros (3,7 millones de millas) en 1992.
En enero de 2013, la NASA utilizó láseres para transmitir una imagen de la Mona Lisa al Lunar Reconnaissance Orbiter, a aproximadamente 390.000 km (240.000 millas) de distancia. Para compensar las interferencias atmosféricas, se implementó un algoritmo de código de corrección de errores similar al utilizado en los CD . [26]
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). [27] 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. [28] Su sistema también pudo volver a adquirir el seguimiento después de que la señal se perdió debido a la cobertura de nubes.
El 7 de diciembre de 2021, la NASA lanzó la Demostración de retransmisión de comunicaciones láser (LCRD), cuyo objetivo es transmitir datos entre naves espaciales en órbita geosincrónica y estaciones terrestres. LCRD es el primer relé óptico bidireccional de extremo a extremo 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 , Hawaii . [29] 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 finales de 2023 en SpaceX CRS-29 y alcanzó su primera luz el 5 de diciembre de 2023. [30] [31]
El 28 de abril de 2023, la NASA y sus socios lograron un rendimiento de 200 gigabits por segundo (Gbps) 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. [32]
Varias constelaciones de satélites destinadas a proporcionar cobertura de banda ancha global, como SpaceX Starlink , emplean comunicación 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 FSO LED full duplex de 10 Mbit/s de código abierto sobre 1,4 km (0,87 millas). [33] [34]
En 2004, se formó en Japón un Consorcio de Comunicación de Luz Visible . [35] Esto se basó en el trabajo de investigadores que utilizaron un sistema de iluminación espacial basado en LED blancos para comunicaciones de redes de área local (LAN) interiores. Estos sistemas presentan ventajas sobre los sistemas tradicionales basados en UHF RF, como el aislamiento mejorado 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. [36] En enero de 2009, el grupo de trabajo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos formó un grupo de trabajo para la comunicación con luz visible para los estándares de redes de área personal inalámbricas conocidos como IEEE 802.15.7 . [37] En 2010 se anunció un juicio en St. Cloud, Minnesota . [38]
Los radioaficionados han alcanzado distancias significativamente mayores utilizando fuentes de luz incoherentes procedentes de LED de alta intensidad. Uno informó 278 km (173 millas) en 2007. [39] Sin embargo, las limitaciones físicas del equipo utilizaron anchos de banda limitados a aproximadamente 4 kHz . Las altas sensibilidades requeridas del detector para cubrir tales distancias hicieron que la capacitancia interna del fotodiodo utilizara 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 los 4 kHz. rango. Los láseres pueden alcanzar velocidades de datos muy altas, comparables a las comunicaciones por fibra.
Las tarifas de datos proyectadas y las reclamaciones futuras de tarifas de datos varían. Un LED blanco de bajo costo (GaN-fósforo) que podría usarse para iluminación espacial normalmente puede modularse hasta 20 MHz. [40] Se pueden lograr velocidades de datos de más de 100 Mbit/s utilizando esquemas de modulación eficientes y Siemens afirmó haber alcanzado más de 500 Mbit/s en 2010. [41] Una investigación publicada en 2009 utilizó un sistema similar para el control del tráfico de vehículos automatizados. con semáforos LED. [42]
En septiembre de 2013, pureLiFi, la nueva empresa de Edimburgo que trabaja en Li-Fi , también demostró conectividad punto a punto de alta velocidad utilizando cualquier bombilla LED disponible en el mercado. En trabajos anteriores, se utilizaron LED especializados de gran 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 costo y mejorando el rendimiento de la implementación de sistemas FSO en interiores. [43]
Normalmente, los mejores escenarios para utilizar esta tecnología son:
El haz de luz puede ser muy estrecho, lo que dificulta la interceptación del FSO, lo que mejora la seguridad. Es comparativamente fácil cifrar cualquier dato que viaje a través de la conexión FSO para mayor seguridad. FSO proporciona un comportamiento de interferencia electromagnética (EMI) muy 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 errores de bits (BER). Para superar estos problemas, los proveedores encontraron algunas soluciones, como arquitecturas de múltiples haces o múltiples rutas, que utilizan más de un remitente y más de un receptor. Algunos dispositivos de última generación también tienen un margen de desvanecimiento mayor (potencia adicional, reservada para la lluvia, el smog y la 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 la niebla, que son de naturaleza exponencial, 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 FSO que utilizan un sistema de 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, [46] 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. [46]
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