پیمانکار رتبه یک تاسیسات

مزایا استفاده از خودروهای پیل سوختی و تاثیر آن ها بر آینده صنعت حمل و نقل
1398-03-13
موارد مهم در خصوص طراحی سیستم‌های توزیع و هوارسان در بیمارستان‌ها و مراکز درمانی
1398-03-19
Show all

آشنایی با تاریخچه و ویژگی های مخابرات فضای آزاد نوری (FSO)

مترجم: محسن برهانی
خرداد ماه 98

 

banner_3-940x460

 

 

۱- مقدمه

مخابرات نوری فضای آزاد یک فناوری مقرون به صرفه با دسترسی به پهنای باند بالا می­باشد که با موفقیت­ های اخیری که از نظر تجاری به دست آورده، همچنان به طور روز افزون توجه محققان را به خود جلب می­ کند. برای این تکنولوژی سه طول موج شناخته شده است که علاوه بر رایگان بودن، نسبت به امواج الکترومغناطیس ایمن هستند. بنابراین به دلیل بالا بودن نرخ داده، هزینه کم و همچنین طیف آزاد و بدون نیاز به مجوز از سازمان­ های تنظیم مقررات، FSO راه حلی جذاب برای مسئله فرسنگ آخر [۱] به نظر می­رسد تا خلائی را که در حال حاضر میان کاربر نهایی و زیر ساخت فیبر نوری وجود دارد پر کند. همچنین ویژگی­های منحصر به فرد FSO آن را برای سایر کاربرد ها هم جذاب کرده است. کاربردهایی از قبیل شبکه­ های شهری[۲]، شبکه­ های محلی و سازمانی[۳] ، استفاده از FSO به عنوان لینک اضطراری به هنگام حوادث طبیعی و غیره از این دست هستند.

۲- تاریخچه مخابرات فضای آزاد نوری

    استفاده از نور برای ارسال اطلاعات از دوران باستان مرسوم بوده است. در ایلیاد[۴]، هومر[۵] از سیگنال­ های نوری برای اعلام پیام محاصره یونانیان اهل تروی در حدود ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح استفاده می­کرد. یونانیان باستان سپر­های خود را جلا می­ دادند تا در جنگ­ها برای علامت دادن به یکدیگر با بازتاب نور خورشید، از سپر­هایشان استفاده کنند همچنین گروهی با روشن کردن چراغ­هایی بزرگ بر قله کوه­ها پیام خود را از شهری به شهر دیگر منتقل می ­کردند، گرچه این سیستم ­ها تنها قادر بودند مقدار بسیار کمی اطلاعات را در زمان طولانی منتقل کنند، اما با این حال سریع ترین روش برای ارسال اطلاعات در فواصل طولانی در آن عصر بوده ­اند.

 استفاده از دود یکی دیگر از روش های بسیار قدیمی مخابره اطلاعات به مسافت­ های به نسبت دور است. به طور عمومی، از دود برای ارسال اخبار و پیام خطر و یا جمع کردن افراد به یک مکان عمومی استفاده می­ شد. یک مورخ یونانی به نام پلوبیوس[۶] حدود ۱۵۰ سال قبل از میلاد مسیح سیستمی پیچیده از الفبای سیگنال­ های دودی طراحی کرد که الفبای یونانی را به نویسه­ های عددی تبدیل می­ کرد. در واقع سیگنال های خبر توسط چند جفت مشعل به راحتی به مقصد منتقل می­ شد. این ایده که به مربع پلوبیوس مشهور است، در رمزنگاری نیز کاربرد وسیعی دارد. این ایده بعد ها در هیراگانا[۷] ژاپن و چندین سال بعد در جنگ جهانی اول توسط آلمانی­ ها مورد استفاده قرار گرفت. بومی­ های آمریکای شمالی نیز از دود برای مخابره کمک می­ گرفتند، هر قبیله ­ای شیوه ای منحصر به فرد برای استفاده از دود داشتند که این کار توسط سوزاندن علف مرطوب که منجر به تولید دود بسیار زیادی می­شد انجام می ­گردید. امروزه نیز از دود برای برخی مراسمات استفاده می­ شود. در واتیکان برای اعلام انتخاب شدن پاپ جدید دود برپا می­ کنند. کاردینال های واجد شرایط به طور مخفیانه به یکی از نامزد­ها رای می دهند تا دو سوم به علاوه یک رای برای یک نامزد جمع شود، دود تیره به مثابه حذف نامزد و دود سفید به مثابه تایید اوست.

در اوایل دهه ۱۷۹۰، کلودشپ[۸] تلگراف نوری را اختراع کرد که با تغییر جهت بازوهای بسیار بزرگ این دستگاه که بر فراز برج­های بلند نصب می­شد، اطلاعات از برجی به برج دیگر منتقل می­ گشت. بنابراین این روش می­توانست اطلاعات بیشتری را نسبت به چراغ­های آتشین در مدت زمان مشابه منتقل­ کند. یکی از اولین دستگاه­ های ارتباطی نوری بی­سیم که از آشکار سازهای الکترونیکی استفاده می­کرد، تلفن نوری بود که توسط الکساندر گراهام بل [۹] و چارلز سامنر تینتر [۱۰] اختراع شد و در تاریخ ۱۴ دسامبر ۱۸۸۰ به ثبت رسید. اختراعی که بعد­ها بل مهمتریت اختراع خود خواند، چرا که او توانسته بود سیگنال صوتی را توسط حامل نوری منتقل کند. این دستگاه صدای اپراتور را توسط مدوله کردن نور منعکس شده از خورشید در یک دیافراگم فویلی، به گیرنده منتقل می­کرد. گیرنده شامل یک کریستال سلنیوم بود که سیگنال­ های نوری را به جریان الکتیرکی تبدیل می­کرد، با این تنظیمات آن ها قادر بودند تا یک سیگنال صوتی را تا فاصله ۲۱۳ متری منتقل کنند.

 پس از آن کارل زایس نیا [۱۱]با جایگزین کردن مدوله کردن نور با کد مورس، تحولی عظیم و شگرف در مخابرات صوتی ایجاد کرد. با اختراع دستگاخ مکالمه نوری توسط وی آلمانی­ ها توانستند بین واحد­های ضد هوایی در جنگ­های جهانی دوم ارتباط برقرار کنند.

اختراع لیزر در دهه ۱۹۶۰ میلادی انقلابی بزرگ در مخابرات فضای آزاد نوری به شمار می­ آید و به ویژه با پیشنهاد فلر [۱۲] و باپست[۱۳] در سال ۱۹۷۹ مبنی بر استفاده از نور در باند مادون قرمز برای مخابرات داخلی ساختمانی، کارهای زیادی در زمینه مشخصه­ های کانال­ های داخلی، طراحی گیرنده­ ها و فرستنده­ های نوری و الکترونیکی و همچنین در زمینه طراحی سامانه ­های مخابراتی انجام شده است. مخابرات فضای آزاد نوری که در اصل ریشه در ارتش و NASA دارد بیش از سه دهه است که در قالب های گوناگون برای فواصل طولانی، مخابراتی پر سرعت را به ارمغان آورده است.

۳- ویژگی ­های مخابرات فضای آزاد نوری

free-space-optics-communication-9-638

 

این فناوری قادر است تا ارسال اطلاعات را با پهنای باندی مشابه مخابرات نوری فیبری که از فرستنده­ ها و گیرنده ­های مشابه بهره می­برد فراهم آورد.

مخابرات فضای آزاد نوری به عنوان راه حلی قابل اطمینان در شرایطی که پهنای باند بالا و لینکی بی سیم لازم است مطرح می­ شود. اما این نوع از مخابرات با چالش­ های عدیده ­ای مواجه است که کیفیت سیگنال در یافتی را تحت تاثیر قرار می­دهد. پدیده هایی از قبیل تضعیف و محو شدگی و نویز­های مخابرات نوری از جمله این چالش ­ها هستند. از آنجایی که احتمال خطا در گیرنده از اهمیت بالایی برخوردار است، می­ بایست در صدد مواجه با این چالش ­ها برآییم، از طرفی از آنجا که بودجه توان از جمله منابع با ارزش در مخابرات است لکن استفاده هوشمندانه از آن امری حیاتی است.

یکی از مهمترین و با ارزش­ترین منابع در مخابرات پهنای باند است. مخابرات نوری با فراهم آوردن پهنای باندی وسیع، افقی روشن در عرصه ارتباطات پدید آورده است. افزایش سرعت انتقال داده ­ها و افزایش تعداد کاربرها و ایجاد بستری گسترده برای کاربردهایی مانند ویدیو کنفرانس و … از جمله دستاوردهای مخابراتی با پهنای باند بالا برای ارسال داده است. از همین رو مخابرات نوری توانسته است توجه بسزایی در مراکز تحقیقاتی و صنایع مخابراتی به خود جلب کند. هم اکنون صنایع بی­شماری از فناوری­ های مبتنی بر نور بهری می­ گیرند که از جمله می­توان به شبکه بین المللی اینترنت اشاره کرد که بستر اینترنت را در سراسر کره زمین فراهم آورده است. دیسک ­های نوری به عنوان فناوری که چندین سال است همگانی شده، از نور برای ارسال داده­ ها استفاده می­کند. در فضای داخل ساختمان نیز فناوری­ های نوری پیشگام عصر جدید ارتباطات بوده­ اند که به عنوان نمونه می توان به سیستم­ های کنترل از راه دور و وسایل الکترونیکی خانگی، شبکه پرسرعت داخلی، لینک[۱۴]­های فیبر تا منزل [۱۵]برای پشتیبانی اینترنت پر سرعت، شبکه­ های ترکیبی که کاربردهای بیسیم را در فضای بسته فراهم می­ آورد و می­ تواند ترکیبی از مخابرات رادیویی به عنوان لینک ارتباطی در خارج ساختمان و مخابرات نوری بیسیم در داخل ساختمان باشد و شبکه­ های تلفن همراه فضای بسته که از فیبر نوری به عنوان لینک پشتیبان استفاده می­کند، اشاره کرد.

مخابرات نوری فیبری علاوه بر مزایای بیشمار، نیاز به کابل کشی، حفر زمین و مجوز شهرداری دارد و هزینه ­های سربار متعاقب آن­ها را تحمیل می­ کند. به علاوه با توجه به برخی از شرایط محیطی امکان کابل کشی برای فیبر نوری وجود ندارد و یا مقرون به صرفه نیست. از جمله می ­توان به لینک­ هایی که فرستنده و گیرنده در دو طرف جاده و یا خیابان­ های مهمی که عملیات کابل­ کشی در آن­ها تقریبا غیر ممکن است، قرار دارند و یا مناطق کوهستانی و جنگلی اشاره کرد. لذا ناگزیر به استفاده از فناوری­ های مخابراتی بیسیم در این شرایط هستیم. مخابرات رادیویی به عنوان راه حلی در اینگونه موارد معایب و کاستی­ های مربوط به خود را دارد. پهنای باند ناکافی، سایز بزرگ آنتن­ ها، نیاز به مجوز از سازمان تنظیم مقررات و مصرف توان بالا در زمره این کاستی ها قرار دارند.

با ظهور مخابرات فضای آزاد نوری، جایگزینی مناسب برای مخابرات رادیویی در شرایطی که نیاز به پهنای باندی بالاست، معرفی شد. در واقع این شاخه از مخابرات تحولی عظیم در صنعت ارتباطات راه دور ایجاد کرد و سبب شد تا خیل عظیمی از صنعتگران رو به این فناوری مدرن و تحسین برانگیز بیاورند و اکنون به فناوری روز و به شدت مورد بحث در مراکز تحقیقاتی مهم جهان بدل شود. بدین گونه مخابرات نوری فضای آزاد با سودمندی­ های فراوان خود نقطه عطفی را در صنعت ارتباطات به منحصه ظهور گذاشت.

برخی از ویژگی­های مهم فناوری FSO که باعث توجه صنعتگران و محققین به این فناوری شده است، به اختصار در ادامه شرح داده شده است.

فضای آزاد نوری

 

۳-۱ پهنای باند مدولاسیون بزرگ

طیف فرکانسی حامل ­های نوری از ۱۰۱۲ تا ۱۰۱۶ هرتز است که پهنای باندی وسیعی را پوشش می­دهد. از آنجایی که مقدار اطلاعات منتقل شده مستقیما به پهنای باند حامل­ ها مربوط می­ شود، FSO ظرفیت انتقال بالایی را در مقایسه با فناوری RF فراهم می ­نماید. این ظرفیت در حدود ۱۰۵ برابر بزرگتر از ظرفیت انتقال در سیستم­ های RF است. این ویژگی­ها، تکنولوژی مخابرات FSO را برای کاربردهای پهن باند مانند سرویس ­های پخش [۱۶] مناسب می­ سازد. همچنین سیستم­ های مخابرات FSO براساس ویژگی مالتی پلکس طول موج می­توانند به ظرفیت انتقال یک ترا بایت یا بیشتر دست یابند.

۳-۲ اندازه کوچک پرتوهای نور

 یک پرتو نور لیزر معمولی واگرایی بین ۰۱/۰ تا ۱/۰ میلی رادیان دارد که توان نور را در ناحیه بسیار باریکی متمرکز می­ نماید. بنابراین سیستم­ های مخابراتی FSO از امنیت بالایی برخوردار هستند.

۳-۳ طیف فرکانسی بدون مجوز[۱۷]

درخواست اختصاص فرکانس یا افزایش باند فرکانسی در سیستم­ های RF بسیار سخت و پرهزینه است و تغییر در آن نیازمند مجوز از سازمان تنظیم مقررات فرکانسی می­ باشد. در حالی که تکنولوژی FSO طیف فرکانسی بدون نیاز به مجوز را با هزینه­ های راه­ اندازی و نصب پایین فراهم می­ نماید.

۳-۴ هزینه­ های پایین توسعه ادوات

 هزینه توسعه لینک های FSO در مقایسه با سیستم ­های RF در یک نرخ انتقال اطلاعات مشابه ارزان­تر است. همچنین تکنولوژی FSO هزینه ­های گزاف مربوط به نشاندن فیبرهای نوری را برای ایجاد یک لینک با پهنای باند قابل قبول ندارد. سیستم­ های FSO به سرعت نصب می­شوند و به راحتی و در مدت زمان کوتاهی از منطقه ­ای به منطقه دیگری انتقال داده می­شوند.

۳-۵ وابستگی به شرایط جوی

 عملکرد لینک مخابراتی FSO توسط پدیده­ های جوی مانند پراش[۱۸]و جذب کاهش می­یابد. همچنین در سیستم­های FSO لزوم یک لینک مستقیم بین فرستنده و گیرنده ضروری است. زیرا پرتوی نور لیزر نمی ­تواند درون ساختمان­ ها و دیگر موانع غیر شفاف انتشار یابد.

۴ مزایا و معایب مخابرات فضای آزاد نوری

از مهمترین مزایای ارتباطات فضای آزاد نوری می­ توان به پهنای باند زیاد آن اشاره کرد. ارتباطات فضای آزاد نوری عموما در مرتبه چند Gbps می باشند، که بسیار بیشتر از سرعت مخابرت بیسیم رادیویی می باشد. برخلاف مخابرات رادیویی ارتباطات فضای آزاد نوری ارتباطات نقطه به نقطه [۱۹] می­ باشند و همین امر موجب امنیت این ارتباطات نسبت به مخابرات رادیویی می­ شود. مزیت دیگر این ارتباطات نسبت به مخابرات بیسیم رادیویی این است که برای برقراری این ارتباطات نیاز به گرفتن مجوز نیست [۲۰] و اصطلاحا به آن Free License می­گویند. یکی دیگر از مهمترین مزایای سیستم­ های فضای آزاد نوری بحث سادگی پیاده سازی آن­ها به خصوص نسبت به فیبر می­ باشد، نصب و راه اندازی این سیستم ­ها به کمتر از چند ساعت نیاز دارد.

مخابرات فضای آزاد نوری با استفاده از نور به عنوان حامل پیام به دلیل فرکانس بسیار بالای آن، قادر است­ به صورت همزمان صدا و تصویر و دیتا را تا سرعت ۱٫۲۵ گیگابایت بر ثانیه منتقل کند. لذا از پهنای باند بسیار بالای این فناوری می­توان به مهمترین مزیت آن به مخابرات رادیویی یاد کرد. علاوه بر این امواج الکترومغناطیسی دیگر نیز نمی­­ توانند به عنوان نویز بر عملکرد این سامانه تاثیر مخرب بگذارند و همچنین با امواج ماکروویو و دیگر سامانه­­ های رادیویی ایجاد تداخل نمی­ کند. استفاده از منابع همدوس در این فناوری سبب ارتباطی جهت­ دار و با دید مستقیم [۲۱] بین فرستنده و گیرنده می­ شود. این ویژگی ارتباطی نقطه به نقطه را فراهم می­آورد، به طوری که امکان هرگونه شنود توسط مزاحمین را سلب می­کند. بنابراین این ارتباط تا حد زیادی امنیت پیام را تضمین می­کند. این ویژگی همچنین این فناوری را از داشتن مجوز رادیویی برای ارسال اطلاعات بی نیاز می­کند و نیاز به پروتکل برای ارسال اطلاعات نیز از بین می­رود. علاوه بر این به دلیل تمرکز امواج فرستده بر گیرنده احتمال خطای پایین­ تری نسبت به سامانه­ های رادیویی فراهم می­ آورد. از دیگر مزایای این سامانه فراهم کردن ارتباطی دو طرفه است، به این معنی که همزمان با در یافت اطلاعات، گیرنده می­تواند اطلاعات خود را به فرستنده ارسال کند.

عدم نیاز به فیبر نوری در این مخابرات سبب گشته تا هزینه­ های جاری ناشی از آن به حداقل برسد. لذا می­توان با هزینه­ ای کم، مخابراتی پهن باند با امنیتی بالا فراهم آورد. علاوه بر این، نصب ادوات مخابرات نوری فضای آزاد، ساده بوده و کمتر از یک روز زمان می­ برد.

با این حال این سامانه با همگی این مزایایی که دارد همانند سایر سامانه­ های ارتباطی از محدودیت­ هایی رنج می­ برد. عواملی همچون ذرات معلق در جو و نوسانات جوی به شدت کیفیت سیگنال ارسالی را تحت ناثیر قرار می­ دهد. همچنین به دلیل دید مستقیم بودن، این ارتباط به شدت به لرزش­ های فرستنده و گیرنده حساس است. مساله امنیت چشم نیز از دسته عواملی است که طول لینک را محدود می­سازد.

 

فضای آزاد نوری

شکل ۱ : دید­مستقیم و نقطه به نقطه بودن FSO

[۱] End User

[۲] Metropolitan Area Network

[۳] Enterprise and Local Area Network

[۴] Iliad

[۵] Homer

[۶] Polybius

[۷] Hiragana

[۸] Claude Chappe

[۹] Alexander Graham Bell

[۱۰] Charles Sumner Tainter

[۱۱] Carl Zeiss Jena

[۱۲] Gfeller

[۱۳] Bapst

[۱۴] Link

[۱۵] Fibr to the Home

[۱۶] Broadcast

[۱۷] Unlicensed Spectrum

[۱۸] Scattering

[۱۹] Point to Point

[۲۰] Free License

[۲۱] Line of Sight

یک دیدگاه