Wiodąca sieć mostów w przestrzeni kosmicznej, powietrznej i morskiej

Najnowsza architektura sieci wykorzystuje różnorodne źródła światła, aby pokonywać przeszkody narzucane przez otoczenie.

Naukowcy stworzyli sieć komunikacyjną opierającą się całkowicie na świetle, umożliwiającą płynną komunikację w przestrzeni kosmicznej, powietrzu i pod wodą. Nowy projekt sieci łączy różne typy źródeł światła, aby zapewnić łączność niezależnie od otoczenia.

„W dzisiejszym świecie transmisja danych ma kluczowe znaczenie dla komunikacji, nawigacji, reagowania kryzysowego, badań i działalności komercyjnej” – powiedział lider zespołu badawczego Yongjin Wang z Uniwersytetu Poczty i Telekomunikacji w Nanjing oraz Suzhou Monolithic Lighting Chip Optoelectronics Co., Ltd. W Chinach. „Ta nowa sieć bezprzewodowa umożliwia nieprzerwaną komunikację między środowiskami, ułatwiając dwukierunkowy transfer danych w czasie rzeczywistym między węzłami sieci realizującymi komunikację i wymianę danych w sieciach i pomiędzy nimi”.

W czasopiśmie Optica Publishing Group Ekspres OptycznyNaukowcy opisują sieć komunikacyjną całkowicie opartą na świetle i demonstrują komunikację wideo w czasie rzeczywistym między węzłami sieci. Pokazują również, że może obsługiwać jednocześnie dostęp do urządzeń przewodowych i bezprzewodowych oraz może realizować dwukierunkowy transfer danych pomiędzy węzłami sieci. Obie możliwości są niezbędne do jednoczesnego świadczenia różnych usług różnym użytkownikom.

„W pełni optyczną komunikację można zastosować na przykład w oceanach i jeziorach, gdzie czujniki zbierają dane środowiskowe i komunikują się z bojami powierzchniowymi” – powiedział Wang. „Dane można następnie przesyłać bezprzewodowo po powierzchni wody lub za pośrednictwem dalekobieżnych łączy transmisyjnych między miastami. Sieć może także łączyć się z Internetem za pośrednictwem modemu, dzięki czemu osoby, które mogą znajdować się w odległych miejscach w oceanie, np. na przykład dostęp do sieci szkieletowej w celu wymiany informacji.”

Budowa zintegrowanej sieci

Bezprzewodowe sieci komunikacji świetlnej są często projektowane pod kątem określonych scenariuszy i nie zapewniają interoperacyjności z innymi systemami komunikacyjnymi. Utworzenie połączeń między przestrzenią kosmiczną, powietrzem i morzem wymaga zniechęcającego zadania polegającego na połączeniu wielu technologii w sposób tworzący płynną sieć komunikacyjną. Aby to osiągnąć, badacze wykorzystali cztery widma światła do stworzenia bezprzewodowych łączy komunikacji optycznej dla czterech różnych środowisk lub zastosowań.

Naukowcy przeprowadzili eksperymenty, które wykazały, że całkowicie optyczna sieć komunikacyjna może zapewnić pełnodupleksową komunikację wideo w czasie rzeczywistym oraz sterowaną transmisję czujników, obrazów i plików audio za pośrednictwem dostępu przewodowego i bezprzewodowego. Źródło: Yongjin Wang, Uniwersytet Poczty i Telekomunikacji w Nanjing

Wykorzystali niebieskie światło do komunikacji podwodnej, ponieważ woda morska ma okno o niskim współczynniku absorpcji niebiesko-zielonego światła, dzięki czemu może podróżować pod wodą dalej niż inne długości fal. Mogłoby to pozwolić na wykorzystanie systemu do sterowania bezzałogowymi pojazdami podwodnymi lub nawiązywania komunikacji między urządzeniami podwodnymi a bojami. Białe diody LED służą do przesyłania informacji pomiędzy obiektami takimi jak boje czy statki nad wodą.

Do komunikacji z urządzeniami pokładowymi, takimi jak drony, wykorzystuje się głębokie światło ultrafioletowe. Zapewnia to ślepe połączenie solarne, eliminując zakłócenia pochodzące od światła słonecznego. Wreszcie, do komunikacji punkt-punkt w wolnej przestrzeni zastosowano diody laserowe bliskiej podczerwieni, ponieważ emitują one światło kierunkowe o dużej mocy optycznej. Naukowcy zaprojektowali także sieć w sposób umożliwiający bezprzewodowy lub przewodowy dostęp do Internetu w oparciu o system TCP/IP, dzięki czemu jest ona przydatna w zastosowaniach Internetu rzeczy.

Podłączanie źródeł światła

„Ważne było stworzenie ujednoliconego trybu transmisji światła niebieskiego, białego, głębokich fal UV i diod laserowych, abyśmy mogli je zintegrować za pomocą przełączników Ethernet” – powiedział Wang. „Aby to umożliwić, diody LED i systemy modulacji ograniczają przepustowość sieci, fotodioda lawinowa ogranicza zasięg transmisji, a optyczny filtr pasmowo-przepustowy izoluje pożądane sygnały świetlne od sygnałów z innych widm”.

Naukowcy wykazali, że całkowicie optyczna sieć komunikacyjna może realizować pełnodupleksową komunikację wideo w czasie rzeczywistym oraz przesyłać dane z czujników, obrazy i pliki audio za pośrednictwem dostępu przewodowego i bezprzewodowego. Wideo w trybie pełnego dupleksu oznacza, że ​​wideo może być wysyłane i odbierane jednocześnie, co jest niezbędne w zastosowaniach takich jak wideokonferencje. Kiedy do sieci przesyłano filmy w czasie rzeczywistym w rozdzielczościach 2560 x 1440 i 1920 x 1080 pikseli przy 22 kl./s, pozostały one wyraźne z niewielkim opóźnieniem. Za pomocą narzędzia do analizy pakietów sieciowych zmierzono maksymalny współczynnik utraty pakietów wynoszący 5,80% i opóźnienie transmisji mniejsze niż 74 ms.

Obecnie badacze dążą do zwiększenia przepustowości całej sieci komunikacji świetlnej za pomocą multipleksowania z podziałem długości fali, aby wyeliminować wąskie gardło powodowane przez diody LED. Pomoże to poprawić wydajność i ogólną wydajność sieci. Pracują także nad umożliwieniem stosowania węzłów mobilnych, a nie tylko węzłów stałych, co wymaga rozwiązania problemu wyrównania światła. Jest to szczególnie istotne w przypadku sprzętu podwodnego i dronów.

Odniesienie: „W pełni lekka sieć komunikacyjna na rzecz zintegrowanych połączeń międzyprzestrzennych, powietrznych i morskich” autorstwa Yongjina Wanga, Zheng Shi, Hongbo Zhou, Ziqian Qi, Pingzhan Liu, Ying Liang i Lining Wang, 10 marca 2024 r., Ekspres Optyczny.
doi:10.1364/OE.514930