I sistemi di comunicazione ottico (FSO) utilizzano travi di luce modulate, in modo che i laser o i diodi emettenti di luce (LED) - per trasmettere i dati attraverso l'atmosfera. Come domanda di alta banda, la connettività wireless aumenta, FSO è emerso come alternativa convincente ai sistemi di radiofrequenza (RF), offrendo uno spettro senza licenza, alta sicurezza e un rapido implementazione.

Comprensione della comunicazione ottica di spazio libero

I sistemi di comunicazione ottica free-space trasmettono i dati propagando un fascio ottico attraverso lo spazio libero, in modo tipico l'atmosfera, ad un ricevitore lontano. L'architettura di base comprende un trasmettitore (laser o LED), un modulatore, ottica collimating, un percorso libero-spaziale e un ricevitore con un fotodetector e un demodulator.

I vantaggi principali di FSO includono:

  • Alta larghezza di banda[[] – lo spettro ottico supporta un'enorme produttività dei dati.
  • Immunità di interferenza elettromagnetica[[] – i raggi ottici non sono influenzati dal rumore RF.
  • Funzionamento privo di senso[[] – non c'è bisogno di licenze di spettro.
  • Sicurezza eterna[[] – i fasci stretti sono difficili da intercettare senza rompere il link.
  • Dispiegazione dei raggi[] – ideale per collegamenti temporanei, recupero disastri e connettività di ultima miglia.

Nonostante questi vantaggi, FSO è suscettibile di effetti atmosferici che degradano il segnale ottico. Il flusso di potenza ricevuto e il bit errore rate (BER) aumenta, limitando infine l'efficace capacità del canale (la velocità massima di dati raggiungibile con BER accettabile).

Condizioni atmosferiche Affettando i canali FSO

L'atmosfera è un mezzo dinamico e inomogeneo composto da molecole di gas, gocce d'acqua, cristalli di ghiaccio, polvere e altri particolati. Questi componenti interagiscono con radiazioni ottiche attraverso l'assorbimento, lo spargimento e la rifrazione. I più significativi difetti atmosferici per l'ESO includono precipitazioni (raina, neve), nebbia e nebbia, turbolenza atmosferica e altri fattori come nuvole, tempeste di polvere e gradienti di temperatura.

Pioggia e neve

Le gocce di pioggia e i fiocchi di neve sono relativamente grandi rispetto alle lunghezze d'onda ottiche (tipicamente 0,5-10 mm vs 0.78–1.55 μm). Pertanto, il meccanismo dominante è Mie scattering, dove la dimensione della goccia è paragonabile alla lunghezza d'onda, portando alla redirezione del fascio ottico. Inoltre, l'assorbimento da molecole d'acqua a specifiche lunghezze d'onda contribuisce alla perdita del segnale.

L'attenuazione causata dalla pioggia è spesso modellata utilizzando il coefficiente di attenuazione specifico γR (dB/km) relativo alla velocità di pioggia R (mm/h). Ad esempio, a 1550 nm, γR ≈ 0.2R^0.6 dB/km. Pioggia pesante (25 mm/h) può produrre attenuazione di 2-8 dB/km, riducendo notevolmente la potenza del segnale ricevuto.

L'impatto sulla capacità del canale è duplice: la ridotta potenza ottica abbassa il rapporto segnale-rumore (SNR), aumentando BER. Per un formato di modulazione fisso e un sistema di codifica, la velocità massima scende come margine di collegamento diminuisce.

Schiuma e Haze

La nebbia è probabilmente la condizione atmosferica più dannosa per l'ESO. La nebbia è costituita da piccole gocce d'acqua (1-10 μm di diametro) sospese in aria, che sono paragonabili in dimensioni a lunghezze d'onda quasi infrarosse. Ciò provoca forti dispersioni di Mie, con coefficienti di attenuazione che raggiungono 50-100 dB/km o più in nebbia densa.

La sezione trasversale di dispersione per gocce di nebbia è grande, e il lobo in avanti-scattering è ampio, il che significa che gran parte della luce è reindirizzato dal campo di vista del ricevitore. Il risultato è una drammatica caduta in potenza ricevuta, spesso causando interruzioni di collegamento. Anche con alta potenza del trasmettitore (ad esempio, 100 mW) e ricevitori sensibili, nebbia può rendere un collegamento FSO inutilizzabile su distanze.

Per combattere la nebbia, gli ingegneri selezionano lunghezze d'onda meno sparse per le gocce di nebbia. Storicamente, 1550 nm è stato preferito oltre 850 nm a causa dell'attenuazione della nebbia inferiore e dei migliori limiti di sicurezza degli occhi. Tuttavia, anche a 1550 nm, l'attenuazione della nebbia è significativa. Alcuni sistemi ibridi combinano FSO con un collegamento a microonde RF come un fallback durante la nebbia, una strategia discussa nella sezione di mitigazione.

Turbulosità atmosferica

La turbolenza atmosferica deriva da variazioni di temperatura e pressione su piccola scala, creando eddie casuali (turbuli) con indici refrattivi diversi. Come un fascio ottico si propaga attraverso queste inomogeneità, sperimenta fluttuazioni di fase e ampiezza, portando a diversi effetti deleteri:

  • Divertimento – il centroide del fascio si muove casualmente.
  • Scintillazione[[] – fluttuazioni di intensità (fading) al ricevitore.
  • Image dance[] – per i sistemi che utilizzano i rivelatori di immagini, il punto si muove.
  • Diffondere il raggio[] – il raggio si allarga oltre i limiti di diffrazione.

La forza della turbolenza è caratterizzata dal parametro della struttura dell'indice di rifrazione C n^2 (unità m−2/3]]). I valori tipici variano da 10−17 (torbolezza debole) a 10−13[scala di base:5] mFFFFFFF

L'effetto della turbolenza sulla capacità del canale è spesso studiato utilizzando statistiche di dissolvenza: la probabilità che la potenza ricevuta scenda sotto una soglia determina la probabilità di estrazione.Per i collegamenti FSO ad alta velocità, sono possibili profonde dissolvenze superiori a 20 dB, costringendo il sistema a operare con un ampio margine di dissolvenza o ad utilizzare tecniche di diversità.

Altri fattori

Oltre i tre fattori principali, diversi altri fattori atmosferici possono influenzare la capacità FSO:

  • Clouds[ – le nuvole spesse causano una grave attenuazione (20–300 dB/km) e sono spesso insuperabili. I collegamenti FSO sono generalmente limitati a condizioni di chiaro-sky o sottile-cloud.
  • Dust and sandstorms[ – nelle regioni aride, le particelle di polvere si disperdono e assorbiscono la luce, con attenuazione paragonabile al foschia (2–20 dB/km).
  • I gradienti di temperatura[[] – vicino al suolo, le inversioni di temperatura creano strati con diversi indici refrattivi, portando alla flessione del fascio (bollatura termica) e turbolenza aggiuntiva.
  • Ammortizzazione atmosferico[ – vapore acqueo, anidride carbonica e ozono assorbire la luce a specifiche lunghezze d'onda (ad esempio, 1,4 μm, 1.9 μm, 2.7 μm).

Ciascuno di questi fattori contribuisce al bilancio generale del collegamento, per mantenere una capacità di canale desiderata, gli ingegneri devono tener conto delle condizioni atmosferiche più gravi, spesso utilizzando modelli statistici basati sui dati climatici locali.

Impatto sulla capacità del canale

La capacità del canale, nel contesto del FSO, si riferisce al tasso di informazione massimo che può essere trasmessa in modo affidabile sul collegamento ottico dato i vincoli del canale atmosferico. Il teorema della capacità del canale di Shannon si applica: C = B log2(1 + SNR), dove B è la larghezza di banda e causando SNR è il rapporto di attenuazione del segnale al ricevitore.

Per un sistema FSO tipico, il SNR è proporzionale al quadrato della potenza ottica ricevuta.L'ottenimento da pioggia, nebbia o neve abbassa direttamente la potenza ricevuta, riducendo SNR. Ad esempio, sotto il tempo chiaro, un collegamento FSO potrebbe raggiungere SNR > 20 dB, ma con 10 dB fog attenuazione, la SNR scende a 10 dB, impedendo la capacità di carica (assumando la banda RR).

Per la modulazione (OOK) di tasti on-off, il BER aumenta esponenzialmente con la diminuzione del SNR. Dobbiamo aggiungere codici di correzione di errore in avanti (FEC) per mantenere BER accettabile, ma la sovraccarica FEC consuma la larghezza di banda, riducendo la velocità di dati effettiva.

La disponibilità del collegamento è un'altra dimensione di capacità: un sistema con disponibilità del 99,9% potrebbe avere una capacità elevata del 99,9% ma zero durante le interruzioni. Per molte applicazioni (ad esempio, backhaul cellulare), i requisiti di disponibilità sono rigorosi (99,999%), che richiedono margini di dissolvenza significativi o architetture ibride.

Per quantificare la capacità in condizioni realistiche, i ricercatori utilizzano modelli come la distribuzione Gamma-Gamma per la dissolvenza indotta dalla turbolenza e la distribuzione Gamma per la turbolenza e gli errori di puntamento.

Così, l'influenza delle condizioni atmosferiche sulla capacità del canale FSO è profonda: trasforma un mezzo ad alta capacità in un canale stocastico che richiede tecniche adattative per avvicinarsi al suo pieno potenziale.

Strategie di mitigazione

Sono state sviluppate diverse strategie di mitigazione per contrastare gli effetti negativi dell'atmosfera sulla capacità del canale FSO, che abbracciano domini hardware, software e architettura di sistema.

Ottica adattiva

I sistemi di ottica adattiva (AO) utilizzano specchi deformabili o modulatori di luce spaziale per correggere le distorsioni di fronte all'onda causate dalla turbolenza. Un sensore di fronte all'onda misura le aberrazioni di fase, e un loop di controllo regola la forma dello specchio per compensare, producendo un raggio limitato vicino alla diffrazione al ricevitore.

Correzione di errore in avanti e codifica adattiva

I codici FEC aggiungono bit ridondanti ai dati trasmessi, consentendo la correzione degli errori al ricevitore. Codici efficienti come i codici di parità a bassa densità (LDPC) possono operare vicino al limite di Shannon, fornendo diversi decibel di guadagno di codifica. Quando combinato con l'adattamento dei tassi di tasso, regolando il formato di modulazione e il tasso di codice in base alle condizioni di canale, il sistema può mantenere una maggiore capacità effettiva attraverso il sistema di adattamento dei tassi di destinazione 16.

Selezione lunghezza d'onda

La finestra di 1550 nm è popolare perché sperimenta lo spargimento inferiore dalla nebbia ed è sicuro agli occhi a livelli di potenza superiori rispetto a 850 nm. Inoltre, la regione di media infrarosso di 10 μm (per esempio, laser a CO2) offre un'attenuazione ancora più bassa della nebbia, ma la tecnologia dei rivelatori a quelle lunghezze d'onda è meno maturo e più costoso.

Sistemi RF/FSO ibridi

Una delle strategie di mitigazione più pratiche è quella di combinare FSO con un collegamento di backup RF a microonde. Il collegamento RF (ad esempio, 60 GHz o E-band) opera simultaneamente con il collegamento FSO ma con capacità inferiore. Quando nebbia o pioggia pesante degrada il collegamento FSO, il traffico è senza soluzione di continuità trasmettitore RF, mantenendo la connettività. Il sistema ibrido può raggiungere alta disponibilità (ad esempio, cinque nove) sfruttando le reti disfruttamento ottico.

Tecniche di diversità

La diversità spaziale utilizza trasmettitori e/o ricevitori multipli (MIMO) per creare percorsi indipendenti di dissolvenza. Se i trasmettitori sono separati da una distanza maggiore della lunghezza di coerenza atmosferica (tipicamente pochi centimetri), i modelli di scintillazione ai ricevitori diventano non correlati. Combinando i segnali (ad esempio, attraverso la combinazione di pari guadagno o la combinazione di selezione) riduce la probabilità di dissolvenza profonda.

Altri metodi di mitigazione includono:

  • Controllo potenza[[] – aumento della potenza del trasmettitore durante le condizioni avverse (limitato dalla sicurezza degli occhi).
  • Tracking e puntamento sistemi[[] – compensando per il raggio vagare utilizzando specchietti sterzanti veloci.
  • Multi-hop relaying[[] – spezzando un lungo legame in diversi segmenti più brevi, ciascuno con meno degrado atmosferico.
  • Previsione basata sull'apprendimento della macchina[[] – utilizzando previsioni meteo e misurazioni atmosferiche in tempo reale per regolare dinamicamente i parametri del sistema.

Le direzioni future

Il campo della comunicazione ottica free-space continua ad avanzare, con diverse tendenze che promettono di migliorare la robustezza contro le condizioni atmosferiche. La distribuzione di chiavi quantistiche (QKD) sui collegamenti FSO richiede un rumore estremamente basso e un'alta affidabilità; la turbolenza atmosferica è una sfida importante, ma gli esperimenti recenti mostrano la fattibilità con le ottiche adattative e i protocolli codificati.

Mentre i dati richiedono un aumento, i sistemi FSO dovranno operare in modo affidabile anche in pioggia e nebbia moderata. Le tecnologie fotoniche emergenti, come le antenne phased-array per lo sterzo ottico del fascio, i sensori fotonici integrati e i rivelatori ad alta larghezza di banda, consentiranno una mitigazione più sofisticata.

In conclusione, le condizioni atmosferiche influenzano profondamente la capacità del canale ottico libero-spazio attraverso lo spargimento, l'assorbimento e la turbolenza. Con la comprensione di questi effetti e l'applicazione di una combinazione di ottica adattativa, codifica, diversità di lunghezza d'onda, architetture ibride e la diversità spaziale, gli ingegneri possono progettare collegamenti FSO che forniscono un alto rendimento con disponibilità affidabile.