Ero sivun ”Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa” versioiden välillä
| [arvioimaton versio] | [katsottu versio] |
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
p Typo fixing, typos fixed: alunp → alun p (2), saman kokoinen → samankokoinen using AWB |
yhdistetty Laser langattomassa tiedonsiirrossa |
||
Rivi 1:
'''Optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa''' (engl.
Termissä optinen tiedonsiirto vapaassa tilassa "vapaa tila" tarkoittaa vastakohtaa valokaapelia hyödyntävälle datansiirtomenetelmälle, jossa valo on suljetussa tilassa kaapelin sisällä.
== Historia ==
1800-luvun lopulla Alexander Graham Bell kokeili tiedonsiirtoa valon avulla. Hän käytti kahta laitetta, joiden välissä puhesignaali kulki valonsäteen sisällä jopa satoja metrejä. Bell antoi laitteellensa nimen "photophone" ja piti sitä itse merkittävimpänä keksintönään, koska tiedonsiirto oli langatonta.
[[Yhdysvallat|Yhdysvaltojen]] armeija aloitti FSO-tekniikan kehittämisen
Kaupalliset markkinat aukesivat käytännössä
== Tekniikoita ==
Valo voi olla syntyessään itsessään katkonaista tavalla, joka moduloi bittejä. Valon etenemistiellä voi myös olla suljin, joka päästää enemmän tai vähemmän valoa läpi tai valittuun suuntaan sen mukaan, onko viestitettävänä oleva bitti ykkönen vai nolla.
Itsessään moduloidusti katkonaisen valon lähteenä voi olla [[laser]], [[LED]] tai erityinen [[loisteputki]]{{Lähde}}. Esimerkiksi [[Reasonable optical near joint access|RONJA]]
Mekaanisella tai optoelektronisella sulkimella katkottavan valon lähteenä voi olla myös Aurinko tai Kuu kun käytössä on [[heliografi]], tai vastaanottajalta tuleva lasersäde, joka on suunnattu lähettäjän [[takaisinheijastin|takaisinheijastusprismoihin]] – jollainen on myös [[heijastin]].
Rivi 26 ⟶ 25:
Yleensä tarvitaan suora vapaa linja lähettäjän ja vastaanottajan välille, mutta tietyin edellytyksin valonsäteen voi suunnata myös vuoreen, pilveen tai satelliitin tai ilma-aluksen takaisinheijastuspintaan, johon vastaanottajalla on suora näköyhteys sopivasta kulmasta. Ilmakehä sirottaa aina valoa ja sitä enemmän mitä pienempi aallonpituus, joten pimeällä myös sitä ilmiötä voi hyödyntää tietoliikennemaston korvikkeena maastoesteiden yli viestimisessä, tosin pienellä nopeudella{{Lähde}}.
[[
[[Tiedosto:Ronja beam Prostejov.jpg|thumb|right|250px|Yksi korkean kirkkauden LED halvalla suurennuslasin linssillä luo kirkkaan kapean [[Reasonable optical near joint access|RONJA]]-säteen, joka voi lähettää DVD-tasoista (10 megabittiä per sekunti) videota naapurustossa. Muutaman askeleen päässä sivussa kapea säde muuttuu näkymättömäksi.]]
=== Laser ===
Langattomassa tiedonsiirrossa [[laser]]ia voidaan käyttää optisessa tiedonsiirrossa tilanteissa, joissa yhteysvälin päätepisteiden välillä on suora näköyhteys. Lyhyen kantaman (1-10 km) ja ainakin toistaiseksi kalliiden{{Lähde}} laitteiden vuoksi käyttökohteet ovat rajalliset ja siksi tätä tekniikkaa käytetään lähinnä erikoissovelluksissa.
Tiedonsiirtoon käytetään FSO-lähetinyksikköjä, jotka koostuvat dataa laserilla lähettävästä teleskoopista ja vastaanottavasta linssistä, eli ne toimivat [[full-duplex]]–muodossa. FSO-laitteet kuuluvat [[OSI|OSI-]]mallin fyysiseen kerrokseen ja toimivat kaikilla protokollilla, joilla perinteinen kuitukaapelikin toimii. FSO-lähettimessä voi olla yksi iso vastaanotinlinssi ja useita lähettimiä, joilla turvataan tiedonsiirto hetkellisistä katkoksista riippumatta. Lähetinyksikön ulkonäkö vaihtelee valmistajasta mukaan. Usein kyseessä on pysty- tai vaakatasossa olevaan tukivarteen kiinnitettävä laite, jonka paino vaihtelee yksikön lähetystehosta riippuen (5–25 kg). Monen valmistajan FSO-yksikölle on usein ominaista turvakameraa muistuttava ulkonäkö.
Laserlähettimien nopeudet ovat pienimmillään 10 Mbps ja suurimmillaan jopa 2,5 Gbps. Tulevaisuudessa nopeudet voivat nousta jopa arvoon 10 Gbit/s, kun käytetään hyväksi [[Kanavanvaraus#valokuitu|Wavelength Division Multiplexing]] –tekniikkaa. Laitteiden lähetystehot ovat 10–650 [[watti|mW]]. FSO:ssa käytettävä laser toimii [[infrapuna]]taajuudella yleensä 800 nm:n tai 1550 nm:n aallonpituuksilla. Näistä 1550 nm:llä toimiva laser tarjoaa paremman kantaman ja siirtonopeuden. Lähettimien kantama vaihtelee 700 metristä yli 5 000 metriin. Kantamaan vaikuttavat sääolosuhteet. Sääolosuhteiden vaikutukset on esitetty alla olevassa taulukossa. Taulukossa on käytetty esimerkkinä 2,5 Gbps:n laserlähetintä, jonka maksimi kantama on 1,3 km.
{| {{prettytable}}
|
|Heikko usva/heikko sade
|Sumu/rankkasade
|Tiheä sumu/monsuunisade
|-
|Signaali
| -3 dB
| -10 dB
| -30 dB
|-
|Kantama
| 1,3 km
| 800 m
| 400 m
|}
FSO:ssa käytetty laser on näkymätöntä ja vaaratonta ihmissilmälle, kunhan laserin lähetystehoja rajoitetaan [[IEC|IEC:n]] määrittelemien "IEC Class 1M" -turvaluokitusten mukaan. Vanhoista lyhyehköistä (800 nm:n) aallonpituuksista pidempiin (1550 nm:n) aallonpituuksiin siirtymisen jälkeen myös käyttöturvallisuus on parantunut huomattavasti. Pidemmillä aallonpituuksilla säteet eivät enää vahingoita verkkokalvoa. Samalla pidemmät aallonpituudet tarjoavat mahdollisuuden suurempien lähetystehojen käyttöön. Tämä mahdollistaa yhä suuremmat tiedonsiirtonopeudet ja pidemmän lasersäteen kantaman. Myös ympäristön aiheuttamien häiriöiden vaikutukset pienenevät.
== Käyttö ==
Yksinkertaisin ja tunnetuin optisen tiedonsiirron muoto vapaassa tilassa on [[kaukosäädin]].
Rivi 39 ⟶ 63:
Luotettavuusvaatimus voi olla pienempi käytettäessä optista tiedonsiirtomenetelmää vapaassa tilassa muiden menetelmien rinnalla lisäämään niiden siirtonopeutta tai jos se on varmentamassa niitä esimerkiksi kaapelin katkeamisen varalta. Tässä käytetään [[Linkkien kokoaminen|linkkien kokoamisprotokollia]]. Jos viestiyhteys on alun perin suunniteltu pelkästään optisen datansiirron varaan, ohjelmistoa on voitu sopeuttaa pelkän optiikan käyttöön vaihtelevissa näkyvyysoloissa, muun muassa [[timeout]]ien pidentämisellä ja [[offline-selain]] toiminnoilla.
FSO:n lisenssivapaus, tehokkuus, helppokäyttöisyys ja alhaiset asennuskustannukset ovat arvostettuja ominaisuuksia markkinoilla. Koska FSO-lähetin-vastaanottimet pystyvät toimimaan ikkunoiden läpi, niitä voidaan asentaa myös rakennuksien sisäpuolille säästämään kattotilaa, jolloin ne myös yksinkertaistavat kaapelointia sekä toimivat hyvin optimaalisessa ympäristössä. Ainoa tärkeä vaatimus on FSO-yksiköiden näköyhteys. FSO on vahvasti otettava vaihtoehto kaupunkialueilla, joilla valokaapelin vetäminen ei olisi taloudellisesti järkevää, tai edes mahdollista. FSO-linkin voi saada kahden rakennuksen välille runsaalla kymmenellä tuhannella eurolla, kun taas valokaapelin vetäminen voi maksaa useita satojatuhansia euroja, jos mukaan lasketaan esimerkiksi kadun avaaminen ja kaapelointi.
Free Space Optics voi olla vaihtoehto myös viimeisen mailin tekniikoillekin, koska sen avulla uudet asiakkaat pääsevät nopeisiin kaupunkiverkkoihin. FSO:n tarjoajat voivat lisäksi vedota vähäiseen FSO:n asentamisen riskiin, koska laserlinkki on mahdollista asentaa myöhemminkin. FSO-tekniikkaa voidaan käyttää myös nopean yhteyden luomiseksi kriisialueille, joille johtavat kaapelit ovat mahdollisesti poikki tai joita ei ole edes olemassa.
FSO-tekniikka sopii täydentämään [[mikroaaltolinkki|mikroaaltolinkkejä]] mesh-verkoissa. Mesh-verkko parantaa verkon luotettavuutta vaihtelevissa sääoloissa. Lisäksi mikroaaltojen ja lasersäteen sääriippuvuudet kompensoivat toisiaan osittain: mikroaaltolinkki on parempi sumussa, kun taas lasersäde saattaa toimia sateessa paremmin.
Laserlinkkejä käytetään yhdistämään lähiverkkoja toisiinsa. Esimerkkejä:
* viimeisenä linkkinä runkoverkon ja lähiverkon välillä
* yhdistämään talot toisiinsa
* yhdistämään yrityksen eri toimipisteet toisiinsa.
Tilanteessa, jossa kaapeleiden vetäminen on kallista ja hankalaa. Esimerkkejä:
* suurkaupungeissa, joissa kustannukset nousevat korkeiksi.
Tarvitaan nopea ja häiriötön yhteys. Esimerkkejä:
* Teleoperaattorit ja tv-yhtiöt.
Kaapeliyhteyksien pettäessä yhteys saadaan muodostettua muutamassa tunnissa.
Verrataan FSO:ta muutamaan muuhun vaihtoehtoiseen tekniikkaan:
*Valokuitu
**Kapasiteetti sekä virheiden sieto ovat erinomaiset
**Asentaminen kallista ja aikaavievää
**Jälkikäteen muunneltavuus heikkoa
*Radiolinkki
**Toimii pidemmillä matkoilla kuin FSO
**Korkeat lisenssimaksut
**Nopeuskatto 622 megabittiä sekunnissa
*DSL, kaapelimodeemi, T1, E1
**Tällä hetkellä hyväksyttävä
== Menetelmän hyvät puolet ==
[[Tiedosto:Green-lased palm tree (crop).jpg|thumb|250px|5 mW laser, [[Sironta#Elastinen_Sironta|Rayleigh'n sironta]] hajottaa valoa ilmakehässä. Mitä pienempi aallonpituus, sitä suurempi hajotus.]]
[[Tiedosto:911 Tribute (perspective fixed).jpg|thumb|250px|upright|Sironnutta valoa valonheittimistä.]]
=== Lähetyksen ja etenkin vastaanoton suunnattavuus ===
[[Mikroaaltolinkki|Mikroaaltolinkkeihin]] verrattuna samankokoinen optinen antenni pystyy lähettämään paljon kapeampaa keilaa, tai keilan saaminen tiettyyn kulmaläpimittaan vaatii pienemmän linssin tai parabolisen peilin kuin yhtä kapeaan säteeseen pystyvän mikroaaltolinkin parabolinen pinta on halkaisijaltaan. Vastaavasti ja vielä voimakkaammin, tietyn kokoisen linssin tai parabolisen peilin yhteydessä oleva sensori pystyy vastaanottamaan vielä pienemmältä kulmaläpimitalta ja etenkin kulma-alalta. Näin [[signaali-kohinasuhde]] paranee, kun valovastaanottimeen osuu vähemmän lähetintä ympäröivää päivänvaloa ja mikä olennaisinta monta eri lähetin-vastaanotinparia pystyy toimimaan toisiaan häiritsemättä pienillä kulmaetäisyyksillä.
*Ei [[Fresnel alue]]tta
*Ei herkkä radioaalto- tai mikroaaltohäiriöille
=== Sade ja ilma vaimentaa vähemmän kuin pienimpiä mikroaaltoja ===
Sade ja pelkkä ilma aiheuttaa tarpeeksi suuritaajuisille eli pieniaallonpituuksisille mikroaalloille tehon puoliintumisen lyhyemmällä matkalla kuin valolle.{{Lähde}} Hyvällä säällä jopa suunnilleen maan tasalla voi viestiä optisesti vapaassa tilassa 50 kilometrin päähän.
== Huonot puolet ==
=== Suuntaustarkkuuden tarve ===
Koska päivänvalo, kuunvalo ja katuvalot aiheuttavat runsaasti ylimääräistä valoa, joka tässä yhteydessä on kohinaa, täytyy vastaanottimen sensori fokusoida tarkasti lähettimen valoon. Siksi optinen datansiirto vapaassa tilassa ei langattomuudesta huolimatta ole kovin mobiilia. Onneksi suuntaus voi tapahtua automaattisesti ja pienet suunnan korjaukset onnistuvat myös sensorin kaukoputkea kääntämättä, esimerkikisi liikuttamalla pelkästään valoherkän osan sisältävää mikrosirua [[polttotaso]]lla.
=== Sääriippuvuus ===
Koska tiedonsiirrossa käytetään ilmatilaa, tuottaa se omat ongelmatekijänsä. Kuten muissakin langattomissa tekniikossa, ovat sääilmiöt suurin ongelmatekijä. [[Sumu]] on FSO:n pahin vihollinen, koska käytetty laser ei pysty läpäisemään sitä, vaan vaimenee ja heijastuu. [[Vesi|Vesi-]] ja [[lumi]]sade eivät kuitenkaan tuota samoja ongelmia. Sateella kantama jää 1,3–5 kilometriin, räntä- tai lumisateella hiutaleiden koosta ja määrästä riippuen 500–3000 metriin ja tiheässä sumussa 200–400 metriin.{{Lähde}} Sumussa kantama riippuu enemmän lähettimen tehosta ja siitä, onko yö vai päivä. Sumu on yleensä yöllä jolloin kantama on pidempi. Sumussa optinen tiedonsiirto on huonompi kuin mikroaallot.{{Lähde}}
Myös suora auringonvalo lähettävään yksikköön saattaa häiritä signaalia. Tämän lisäksi kuuma nouseva ilma saattaa vääristää signaalia, eikä FSO-laitetta suositella sijoitettavaksi esimerkiksi tuuletuskanavien päälle. Sääilmiöitä vastaan voidaan toimia kasvattamalla lähetystehoja hetkellisesti huonon sään sattuessa. Myös muut fyysiset esteet, kuten [[puu]]t ja rakennukset, tulee ottaa huomioon FSO-linkkiä rakennettaessa. Koska laitteiden välisen suoran näköyhteyden tulee olla jatkuvaa, tähän seikkaan on kiinnitettävä riittävästi huomiota. Esimerkiksi kaikenlainen seisminen toiminta tai tuulen aiheuttama korkean rakennuksen huojunta saattaa katkaista suoran linkin. Tällaisia tilanteita varten on olemassa erilaisia ratkaisuja, kuten laitteisiin asennettava [[Beam Tracking]] -komponentti, joka pitää aktiivisesti huolen yhteyden suuntauksesta.
Datansiirtonopeuden vähentäminen eli bittien pidentäminen lisää kantamaa jonkun verran.
== Katso myös ==
* [[Moduloiva takaisinheijastin]]
* [[Valaistusdatansiirto]]
| |||