واحد خبر mobile.ir : در بخش اول از این سری مطالب به معرفی ارتباط بی‌سیم نوری(OWC) پرداختیم. در آنجا بیان داشتیم که OWC نوعی راهکار ارتباطی برای انتقال اطلاعات است که در آن از اشعه‌های نور قابل مشاهده (VL)، مادون قرمز (IR) و یا فرابنفش (UV) برای انتقال سیگنال‌ها استفاده می‌شود. سپس در بخش دوم، تکنولوژی VLC را معرفی نموده، تاریخچه و کاربردهای مختلف آن را مطرح نمودیم.

حال در آخرین بخش از این مطالب سه‌گانه در زمینه OWC قصد داریم شما را با ارتباطات بی‌سیم نوری فضای آزاد یا FSO و نقش این فناوری در زمینه ارتباطات مابین ماهواره‌ها و زمین، ارتباطات داخلی و حتی ارتباطات مابین ماهواره‌ها با یکدیگر آشنا کنیم.

آشنایی با FSO و تاریخچه آن

FSO مخفف عبارت Free-Space Optical communication بوده و عبارت است از یک تکنولوژی ارتباطی که برای برقراری ارتباطات راه‌دور یا شبکه‌های کامپیوتری، داده‌ها را به صورت بی‌سیم و از طریق انتشار نور در فضای آزاد منتقل می‌نماید. در اینجا مقصود از فضای آزاد می‌تواند هوای داخل جو زمین یا خلع خارج از جو باشد. کاربرد این نوع ارتباط نوری بیشتر در شرایطی‌ست که برقراری یک ارتباط راه دور از طریق اتصالات فیزیکی امکان‌پذیر نبوده یا مقرون به صرفه نباشد.

اساس کار ارتباطات نوری فضای آزاد مبتنی بر کد نمودن سیگنال‌های داده در قالب اشعه‌های لیزر است. ارسال‌کننده‌ سیگنال‌های لیزری که ممکن است مستقر روی زمین یا ماهواره باشد، نور لیزر را به سمت دریافت‌کننده پرتاب می‌نماید که وظیفه جذب سیگنال‌های نوری و ترجمه آن‌ها به سیگنال‌های الکترونیکی را به عهده دارد. برای درک بهتر این فرآیند، می‌توان آن را به ارسال اطلاعات در قالب کد مورس به وسیله یک چراغ قوه تشبیه نمود.

اتصالات نوری فضای آزاد از نظر نوع نور مورد استفاده به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: اتصالات مبتنی بر نور لیزر مادون قرمز و ارتباطات پیاده‌سازی شده با استفاده از LEDها. فناوری‌های ارتباطات نوری فضای آزاد مبتنی بر نور لیزر معمولا برای برقراری ارتباطات فضای آزاد با برد و سرعت انتقال بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالی که اتصالات FSO با نرخ انتقال پایین را می‌توان با بهره‌گیری از LEDها پیاده‌سازی نمود. روش کلی عملکرد سیستم FSO در هر دو راهکار مشابه روش کار سایر انواع ارتباطات بی‌سیم نوری‌ست. بدین ترتیب که برای ارسال اطلاعات، منبع نوری با فرکانسی بالا و غیر قابل تشخیص توسط چشم، قطع و وصل گردیده و حسگر دریافت کننده نور در مقصد، هر لحظه قطع بودن نور را به رقم صفر و وصل بودن آن را به رقم یک تفسیر می‌نماید.

تاریخچه ارتباطات نوری فضای آزاد به هزاران سال پیش برمی‌گردد. به عنوان نمونه یونانی‌های باستان در هنگام جنگ از سپرهای خود برای ارسال علامت‌ها و دستورهای جنگی مختلف با منعکس نمودن نور آفتاب استفاده می‌نمودند. سیستم‌های ارتباط نوری در جنگ‌های جهانی اول و دوم توسط طرفین جنگ به صورت‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گرفت. اما تحول اساسی در این سیستم‌ها با اختراع لیزر در سال 1960 میلادی آغاز گردید. از آن سال به بعد بسیاری از سازمان‌های نظامی و تجاری در سرتاسر دنیا روی توسعه این‌گونه سیستم‌ها سرمایه‌گزاری و تمرکز نمودند. اگرچه پیدایش و به کارگیری فیبرهای نوری در استفاده‌های غیر نظامی همچون برقراری ارتباطات راه دور و شبکه‌های کامپیوتری، موجب شد تا اقبال تجاری به سیستم‌های ارتباط نوری فضای آزاد تا حدودی کاهش یابد.

در سال 2001 میلادی، Twibright Labs یک سیستم LED FSO دو طرفه با سرعت انتقال 10 مگابیت بر ثانیه و برد بیش از 1.4 کیلومتر را با نام Ronja Metropolis ارائه نمود. همچنین طرح و ساختار این سیستم در قالب یک پروژه متن-باز DIY (خودت انجام بده) در اختیار عموم قرار گرفت.

در سال 2008، MRV Communications اقدام به معرفی یک سیستم ارتباط نوری فضای آزاد نمود که بنا به ادعای این شرکت قادر بود تا داده‌ها را با سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه و تا فاصله حداکثر 2 کیلومتری انتقال دهد. اگر چه برد مفید اعلام شده برای این محصول بعدا به 350 متر کاهش یافته و در حال حاضر نیز نمونه‌ای از آن در دسترس نیست.

در سال 2013 میلادی، شرکت MOSTCOM تولید یک سیستم ارتباط نوری بی‌سیم دیگر را با نرخ انتقال 10 گیگابایت بر ثانیه و با برد 2.5 کیلومتر را آغاز نمود. البته بعدها مهندسین و طراحان این شرکت برای کاهش قطعی‌ها و افزایش up-time سیستم به رقم ایده‌آل 99.99 درصد، از یک راهکار ترکیبی با RF (فرکانس‌های رادیویی) استفاده نمودند تا بدین ترتیب در شرایط وقوع اختلالات جوی، سرعت انتقال دادها به حدود 10 مگابایت بر ثانیه کاهش یابد.

مزایای سیستم‌های ارتباطی FSO

استفاده از سیستم‌های ارتباط نوری فضای آزاد مزایای مختلفی را به همراه دارد، که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• سهولت استقرار

• سرعت انتقال بالا

• برد بالا

• عدم محدودیت فرکانسی و در نتیجه عدم نیاز به تهیه مجوزهای مربوطه

• نرخ خطای پایین

• عدم تداخل فرکانسی با انواع امواج الکترومغناطیسی

• امکان ارسال و دریافت همزمان داده‌ها از طریق یک ارتباط (full duplex)

• امکان استفاده به منظور برق‌رسانی و شارژدهی به دستگاه‌ها

• افزایش امنیت ارتباط به موجب استفاده از اشعه‌های باریک‌ (بر خلاف امواج عریض رادیویی)

• شفافیت پروتکل

کاربردهای متصور برای سیستم‌های FSO

دامنه کاربردها و سناریوهای قابل تصور برای بهره‌گیری از این تکنولوژی بسیار گسترده است. برخی از آن‌ها عبارتند از:

• برقراری ارتباط میان دو شبکه محلی، یا به اصطلاح برقراری اتصال LAN-to-LAN، در دانشگاه‌ها، سازمان‌ها و مجتمع‌ها

• برقراری اتصالات LAN-to-LAN درون شهری (MAN)

• کمک به عبور یک خط ارتباطی از روی یک جاده عمومی، یک منطقه که تحت تملک صاحب خط نبوده، و یا هر نوع مانع دیگر که کابل‌کشی را غیرممکن یا بسیار پر هزینه می‌کند

• فراهم آوردن امکان دسترسی سریع و با پهنای باند بالا به شبکه‌های فیبر نوری

• برقراری اتصال داده و صوت همگرا

• نصب و راه‌اندازی سریع شبکه‌های موقتی (به عنوان مثال برای تجمعات، رویدادها و دیگر اهداف)

• برقراری مجدد و سریع ارتباطات پرسرعت (به عنوان مثال در شرایط بروز فجایع طبیعی و دیگر شرایط بحرانی)

• قرارگیری در کنار دیگر تکنولوژی‌های ارتباط بی‌سیم موجود، به منظور بهبود کیفیت ارتباط، در نقش خط پشتیبان و یا راهکاری جانبی

• قرارگیری در کنار اتصالات فیبری مهم، برای افزایش ضریب اطمینان و در نقش راه ارتباطی پشتیبان

• برقراری ارتباط میان دو یا چند ماهواره

• برقراری ارتباط میان ماهواره‌ها و ایستگاه‌های زمینی

• برقراری ارتباطات درون-تراشه‌ای و بین-تراشه‌ای

ارتباطات FSO زمینی

با توجه به طبیعت این فناوری و کاربرد آن در فضای آزاد، یکی از مهم‌ترین مسائل در توسعه و ارتقای این نوع ارتباط نوری، قابلیت اطمینان و پایداری اتصال است. تحقیقات مختلف در این زمینه نشان می‌دهند که کیفیت و پایداری اتصالات FSO در سطح زمین، تا حد بالایی به عوامل جوی همچون برف، باران، مه، گرد و خاک، حرارت و حتی آلودگی هوا وابسته است. با بالا رفتن برد و محدوده ارتباط نوری فضای آزاد، به طور طبیعی احتمال متاثر شدن آن از این عوامل جوی افزایش می‌یابد. با این حال آزمایش‌ها و تحقیقات حکایت از آن دارند که حتی در فواصل کوتاه موارد متعددی از بروز خطا در ارسال سیگنال‌ و از دست رفتن بسته‌های داده قابل مشاهده است.

مهم‌ترین عامل جوی موثر بر کیفیت و پایداری این نوع ارتباط نوری در سطح زمین، مه است. در واقع این عامل جوی تاکنون مانع اصلی بر سر راه تجاری‌سازی سیستم‌های FSO بوده است. مه موجب گردیده است تا دستیابی به نرخ پایداری مطلوب 99.999 درصد، برای اتصالات FSO لیزری با برد بیش از 500 متر امکان‌پذیر نباشد. موسسات و مراکز تحقیقاتی مختلفی تاکنون تلاش نموده‌اند تا با غلبه بر مشکلات ارتباط FSO، سیستمی با کیفیت سرویس بهتر ارائه نمایند. از آن جمله می‌توان به وزارت دفاع امریکا اشاره نمود که تاکنون بیش از 130 میلیون دلار برای تحقیقات در همین راستا هزینه نموده که تا به امروز نتایج مطلوبی در پی نداشته است.

از سال 1998 تا سال 2006 میلادی، بیش از 407 میلیون دلار در بخش خصوصی صرف تحقیقات در این زمینه شده، اما هیچ یک از این تلاش‌ها نتوانست منجر به تجاری‌سازی این تکنولوژی گردد. به عنوان مثال شرکت تحقیقاتی Terabeam توانست تا با پشتیبانی AT&T و Lucent بودجه‌ای در حدود 226 میلیون دلار برای تحقیق در زمینه سیستم‌های FSO زمینی دریافت نماید. این کار تحقیقاتی در نهایت به شکست انجامیده و منجر به سازمان‌دهی مجدد این شرکت در سال 2004 گردید. همچنین شرکت AirFiber با بودجه 96 میلیون دلار کار تحقیقاتی در این زمینه را آغاز نموده، اما هرگز موفق به حل مشکلات مربوط به آب و هوا نگردید. شرکت‌های دیگری از جمله LightPointe ،MRV Communications ،Maxima Corporation و Wireless Excellence در این سال‌ها مشغول تحقیق و توسعه سیستم‌های FSO بوده اما هیچ یک موفق به تحقق استانداردهای مطلوب تجاری در این زمینه نگردیدند.

شرکت Fog Optics با انتشار مقاله‌ای در سال 2014 مدعی شد که سیستم FSO توسعه یافته توسط آن‌ها موفق شده است تا در شرایط مه شدید موفق به کسب استاندارد تجاری پایداری، یعنی 99.999 درصد دسترسی‌پذیری، گردد. این سیستم که با عنوان Fog Laser نام‌گذاری شده است، به ادعای این شرکت نرخ انتقالی بیش از 1 گیگابیت بر ثانیه را با برد 3 تا 5 کیلومتر، در شرایط جوی مختلف ارائه می‌نماید. با این حال تاکنون نشانه‌ای از تجاری‌سازی و ورود این محصول به بازار مشاهده نشده است.

ارتباطات FSO فضایی

عدم وجود عوامل اختلال‌زای جوی و مزایای بسیار زیاد ارتباطات FSO لیزری در فضا موجب گردیده است تا آژانس‌های فضایی در سرتاسر دنیا برای توسعه یک پلتفرم پایدار ارتباط فضایی مبتنی بر این تکنولوژی با یکدیگر به رقابت بپردازند.

در ماه نوامبر سال 2001 میلادی، اولین ارتباط لیزری برای انتقال داده‌ها در فضا با موفقیت آزمایش شد. در این آزمایش، یک لینک انتقال داده نوری بین ماهواره Artemis آژانس فضایی اروپا و ماهواره SPOT 4 آژانس فضایی فرانسه برقرار گردید.

در ژانویه سال 2013، NASA موفق شد تا با استفاده از یک سیستم FSO لیزری تصویری از نقاشی مونا لیزا را به ماهواره Lunar Reconnaissance Orbiter در فاصله 390 هزار کیلومتری زمین ارسال نماید. در این آزمایش، محققین NASA برای خنثی نمودن اثرات و اختلالات ناشی از اتمسفر زمین، الگوریتم اصلاح خطایی مشابه با آنچه برای CD ها استفاده می‌شود را به کار بردند.

چند ماه بعد در تاریخ 18 اکتبر 2013، محققین بخش LLCD ناسا توانستند تا در یک موفقیت تاریخی، داده‌ها را با سرعت 622 مگابیت بر ثانیه از مدار ماه به زمین انتقال دهند. این نرخ دانلود حدود 6 برابر بالا از سریع‌ترین سرعتی‌ست که سیستم‌های رادیویی در شرایطی مشابه توانسته‌اند موفق به ارسال داده‌ها از مدار ماه به سطح زمین شوند. علاوه بر شکسته شدن رکورد سرعت دانلود داده‌ها، آپلود بدون خطای داده‌ها از سطح زمین به مدار ماه با سرعت 20 مگابیت بر ثانیه نیز در این آزمایش به نمایش گذاشته شد. در جریان این آزمایش، داده‌ها فاصله 390 هزار کیلومتری از ایستگاه زمینی NASA --واقع در مجموعه Complex White Sands شهر Las Cruces امریکا-- تا فضاپیمای LADEE در مدار ماه را به کمک اشعه لیزر طی نمودند.

در ماه دسامبر 2014، محققین تیم OPALS ناسا موفق شدند تا در پیشرفتی مهم، به سرعت آپلود 400 مگابیت بر ثانیه در انتقال داده‌ها از زمین به فضا دست یابند. سیستم ارتباطی OPALS همچنین قادر است تا پس از قطع شدن سیگنال به هنگام عبور از ابرها، اتصال لیزری خود را مجددا به صورت خودکار به دست آورد.

آزمایش موفقیت‌آمیز سیستم OPALS توسط NASA

اولین ارتباط لیزری با مقیاس سرعت گیگابیت بر ثانیه، در ماه نوامبر سال 2014 میلادی توسط آژانس فضایی اروپا با موفقیت آزمایش گردید. این سیستم ارتباطی که با نام EDRS شناخته می‌شود، در حال حاضر قادر است تا داده‌ها را با سرعت 1.8 گیگابیت بر ثانیه و تا فاصله 45 هزار کیلومتر انتقال دهد. نمونه عملیاتی اولیه این سیستم که وظیفه برقراری یک ارتباط دائمی و پرسرعت برای ماهواره‌های مستقر در سطوح پایین مدار زمین برای آن در نظر گرفته شده است، در حال تکمیل بوده و انتظار می‌رود که در سال آینده میلادی مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

با این‌که در حال حاضر حداکثر برد مفید ارتباطات FSO در فضای خارج از جو زمین در مقیاس چند صد هزار کیلومتر است، اما با بهره‌گیری از تلسکوپ‌های نوری، این تکنولوژی ارتباطی پتانسیل لازم برای در نوردیدن فواصل چند میلیون کیلومتری بین-سیاره‌ای را داراست.

دستاورد مهم Facebook در زمینه سیستم‌های FSO

در حال حاضر حدود 4 میلیارد نفر از مردم جهان به شبکه جهانی اینترنت دسترسی ندارند، که از این میان حدود 1.6 میلیارد نفر در نقاط دورافتاده و کم جمعیت زمین زندگی می‌کنند. این مساله موجب شده است تا در سال‌های اخیر شرکت‌های بزرگ فعال در زمینه خدمات وب از جمله گوگل و فیسبوک، برای حل این مشکل و جهانی‌سازی واقعی اینترنت با یکدیگر به رقابت بپردازند. استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین و سیستم‌های ارتباط نوری فضای آزاد، راهکارهای فیسبوک برای حل این مشکل هستند. ما در این‌جا قصد داریم با توجه به ارتباط راهکار اول با موضوع این مطلب، به بررسی و معرفی سیستم FSO توسعه یافته توسط محققین فیسبوک بپردازیم.

محققین آزمایشگاه ارتباطات فیسبوک در ماه جولای سال جاری (سال 2016) با انتشار مقاله‌ای در ژورنال OSA، از طراحی یک ردیاب یا دیتکتور نوری جدید برای استفاده در سیستم‌های‌ FSO پرده برداشتند. به گفته Julian Cheng، یکی از مهندسین ارتباطات دانشگاه British Columbia، طراحی این سیستم دریافت‌کننده نور کاملا جدید است، و تیم تحقیقاتی فیسبوک توانسته است با دستگاهی ساده‌تر از دریافت‌کننده‌های نوری سنتی، نرخ انتقال داده‌ای در سطح سیستم‌های سیمی را، با یک سیستم بی‌سیم کسب کند.

پیش از آن‌که به تشریح راهکار و طراحی جدید مهندسین فیسبوک بپردازیم، لازم است شما را با یکی از مسائل فنی و چالش‌های اصلی در طراحی سیستم‌های FSO آشنا کنیم. این مساله که یکی از موانع دشوار و قدیمی بر سر راه طراحی سیستم‌های FSO با قابلیت تجاری‌سازی به شمار می‌رود، عبارت است از رابطه‌ای تقریبا معکوس میان اندازه و سرعت دستگاه دریافت‌کننده نور. به این صورت که روش معمول برای افزایش تعداد سیگنال‌های لیزری قابل دریافت همزمان توسط یک دریافت‌کننده، افزایش اندازه آن دریافت‌کننده است. در حالی که افزایش اندازه دریافت‌کننده، موجب کند شدن آن می‌شود. تاکنون بسیاری از طراحان سیستم‌های FSO با انتخاب دریافت‌کننده‌ای کوچک و استفاده از سیستم‌های پیچیده نشانه‌گیری و ردیابی، سعی در حل این مشکل داشته‌اند. از آنجا که اشعه‌های لیزر بسیار باریک بوده و خطی مستقیم از نقطه A تا نقطه B را طی می‌کنند، دریافت‌کننده‌های کوچک‌تر مجبور خواهند بود تا دائما با جابجایی‌ها و مانورهای مختلف، خود را در مقابل مسیر این اشعه‌ها قرار دهند.

راه حل مهندسین فیسبوک برای این مساله، یک طراحی جدید برای دریافت‌کننده نور است که نیازی به جابجایی و استفاده از سیستم‌های پیچیده نشانه‌گیری و ردیابی نداشته، و در عین حال امکان دستیابی به سرعت انتقال داده بالایی را فراهم می‌آورد. آن‌ها برای این منظور از فلورسنس(تشعشع مهتابی) بهره گرفته‌اند، تا به کمک آن نور را جذب نموده و با انرژی کمتر بازتابش کنند. دستگاه دریافت‌کننده نور طراحی شده توسط فیسبوک، شامل بسته‌ای کروی شکل از فیبرهای خاص فلورسنت است. این بسته --که اندازه‌ای بین توپ گلف و توپ تنیس دارد—قادر است تا نور لیزر آبی را از هر جهتی دریافت نموده و سپس به صورت نوری سبز رنگ بتاباند. از آنجا که این نور سبز از حالت خطی و باریک لیزر آبی خارج شده و به صورت پراکنده یا غیرمتمرکز درآمده است، می‌توان با ایجاد محیطی همچون قیف، آن را به روی یک دریافت‌کننده نور کوچک هدایت و سرازیر نمود.

فرآیند جذب نور لیزر و بازتابش آن به واسطه فلورسنس بر روی دریافت‌کننده نوری کوچک، که دریافت سیگنال‌های لیزری را از جهات مختلف امکان‌پذیر می‌نماید

این فرآیند کاهش انرژی نور توسط فلورسنس با سرعت بالایی انجام گرفته و همچنین این طراحی جدید، دریافت تعداد بالایی از اشعه‌های لیزر را از جهات مختلف و با سرعتی بالا امکان‌پذیر می‌نماید. در نتیجه، این دریافت‌کننده نور انتقال داده‌ها را با سرعتی در مقیاس 2 گیگابیت بر ثانیه امکان‌پذیر می‌نماید. سرعتی که به مراتب از سرعت قابل دستیابی توسط فرکانس‌های رادیویی بالا است. به علاوه این که چنانچه پیش‌تر اشاره شد، این نوع ارتباط نسبت به ارتباطات رادیویی از امنیت بسیار بالاتری برخوردار است. چرا که بر خلاف امواج گسترده رادیویی، اشعه‌های نور لیزر بسیار باریک بوده، و به همین جهت شنود و دسترسی به آن‌ها به مراتب دشوار‌تر است.

Tobias Tiecke، یکی از دانشمندان سیستم‌های ارتباطی در فیسبوک و یکی از نویسندگان مقاله‌ی جدید منتشر شده در همین ارتباط، می‌گوید: "این دریافت‌کننده نوری هنوز در مراحل اولیه قرار دارد." بنا به گفته او، دستگاه آزمایشگاهی تولید شده توسط تیم فیسبوک، به کمک لوازم ساده و معمولی که برای جمع‌آوری نور خورشید استفاده می‌شوند، ساخته شده است. او همچنین می‌افزاید: "کارایی سیستم ما می‌تواند با توسعه و استفاده از مواد طراحی شده برای ارتباطات افزایش یابد."

تکنولوژی FSO با بهره‌گیری از این دستاورد جدید می‌تواند به خوبی در خدمت هدف و برنامه فیسبوک برای فراهم آوردن دسترسی به اینترنت در سرتاسر دنیا از طریق هواپیماهای بدون سرنشین قرار گیرد. بدین ترتیب که هواپیماهای بدون سرنشین فیسبوک می‌توانند با استفاده از ارسال‌کننده‌های لیزری و ردیف‌هایی از این دریافت‌کننده‌های نوری، داده‌ها را با یکدیگر و همچنین با ایستگاه‌های زمینی تبادل نمایند.