Николай Дятлов: Лазерная альтернатива

Николай Дятлов Фото из журнала New Scientist

Многие, кому доводилось подключать телефоны к компьютеру в начале двухтысячных годов, помнят, как неудобно было инфракрасное IrDA соединение. Телефон нередко приходилось класть на какую-нибудь подставку, чтобы обеспечить прямой контакт с инфракрасным датчиком компьютера, соединение было крайне медленным. Потом, когда в большинстве телефонов и ноутбуков появился Bluetooth и Wi-Fi, все вздохнули с облегчением и обычные пользователи забыли про инфракрасные порты.

Инженеры, однако, про атмосферные оптические технологии не забывали (атмосферными оптические линиями называются, чтобы не путать с оптико-волоконными сетями, в которых информация также передается световым сигналом, но по кабелю). Журнал New Scientist рассказывает о новой разработке сотрудников Национального Тайбэйского технологического института. Ученые во главе с профессором Хай Хань Лу собрали передатчик, использующий красные и зеленые лазеры из обычных «домашних» лазерных указок, работающих на батарейках и продающихся в любом радиотехническом магазине. Они заменили батарейки на специальный источник питания, который включает и выключает лазер 500 миллионов раз в секунду и направили его на сенсор, расположенный в 10 метрах.

Результат получился впечатляющий: объединив два лазера, они получили скорость передачи данных 1 гигабит в секунду, то есть почти в 10 раз быстрее, чем Wi-Fi стандарта 802.11n, при ошибках сигнала 1 бит на миллиард бит переданной информации, по сравнению с 1 бит на 100 тысяч у того же Wi-Fi. И хотя использование лазеров в атмосферных оптических линиях — не новинка, их стоимость измеряется тысячами и десятками тысяч долларов, в то время как, по утверждениям тайваньских инженеров, использование бытовых лазеров из обычных лазерных указок позволило им снизить стоимость прототипа всего до 600 долларов.

Хотя атмосферные оптические технологии в последние годы практически не доходят до массового потребителя, есть сферы, в которых они могли бы оказаться чрезвычайно полезными. Появление дешевых лазерных передатчиков имеет шанс дать серьезный технологический толчок.

Разумеется, у атмосферных оптических линий всё еще есть недостатки, с некоторыми из которых можно в той или иной степени бороться, а некоторые — неустранимы. В первую очередь, разумеется, это необходимость прямой видимости между передатчиками. Если некое препятствие пересекает оптическую линию, сигнал прерывается. Однако, если препятствие временное (например, птица), то использование протокола TCP/IP позволит передать потерянные данные повторно. На эффективность оптических линий влияют и погодные условия, в первую очередь туман. Дальность действия лазерного луча в тумане почти в два раза меньше, чем в ясную погоду. Прочие атмосферные явления, такие как дождь и снег оказывают меньшее воздействие на лазерный луч. В таких случаях скорость передачи данных понижается с целью уменьшить потери сигнала.

Другая проблема — необходимость очень точно нацеливать передатчики, особенно в случае с высоко концентрированным лазерным лучом. Сжатие или расширение металлов под воздействием температуры, ветер, вибрации могут сбивать «прицел» лазера. Современные системы могут предусматривать автоматическую корректировку направления до того как сигнал будет потерян. Более простой способ — использование «батареи» из нескольких лазеров, передающих один сигнал. Оба варианта, впрочем, дорогостоящи.

Нарушить оптическое соединение может и обычный солнечный свет, если солнце будет находиться непосредственно за лазером. Однако современные приемники способны игнорировать «постоянный» свет и регистрировать только мерцающий, который и передаёт сигнал.

Однако эти недостатки уравновешиваются множеством достоинств. Частота передачи данных для оптических линий свободна и не требует лицензирования, поэтому их можно разворачивать в кратчайшие сроки, и даже там, где радиосвязь запрещена. Они энергоэффективны и намного экономичнее радиопередатчиков при одинаковой скорости передачи данных. Оптические линии сложно незаметно перехватить или взломать из-за их узкой направленности на приемник — поэтому они могут использоваться для передачи секретных данных, например, в военных целях. Они не создают радиочастотных помех — с их помощью можно оборудовать беспроводную связь там, где раньше это было недопустимо из-за опасности нарушения работы приборов, например в самолётах или больницах. Передатчики можно устанавливать в непосредственной близости друг от друга. Они предоставляют высокие скорости передачи данных, полнодуплексный режим и низкий коэффициент помех. Иногда атмосферную оптическую линию проще «проложить», чем кабель, например, в горах или на воде. Наконец, они не являются источниками потенциального опасных излучений. Эти качества делают атмосферные оптические линии привлекательными не только для использования в специфических условиях на промышленных, медицинских или военных объектах, но и для обычного «домашнего» использования.

Чешский проект RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access — недорогой близкодействующий оптический доступ) предлагает бесплатные инструкции по созданию атмосферных оптических передатчиков из доступных компонентов. RONJA позволяет собрать передатчик, действующий на расстоянии до полутора километров со скоростью передачи данных до 10 мегабит в секунду в дуплексном режиме. Все чертежи и инструкции распространяются свободной лицензии GNU и поощряют усовершенствование исходников. Так как это некоммерческий проект, всего в мире установлено около 150 любительских передатчиков RONJA, один из них в России — адаптированный под российские комплектующие.

Самое интересное на данный момент применение атмосферных оптических линий было представлено летом 2011 года немецким учёным профессором Харольдом Хаасом. Он предложил использовать для передачи данных лампы освещения. Разумеется, для этого используются не лампы накаливания, а светодиодные лампы. Лампы-передатчики работают по той же технологии, что и обычные оптические линии, то есть передают информацию с помощью высокочастотного мерцания. Революционность идеи заключается в том, что разработанная профессором технология позволяет использовать лампы одновременно для освещения и для передачи данных. Например, встроенный в ноутбук приемник будет «ловить» свет от люстры, которая освещает комнату, или от настольной лампы. Таким образом, практически любой источник света можно будет превратить в передатчик, при этом, без вреда для человека — частота мерцания передающего информацию светодиода настолько велика, что человеческий глаз не способен его заметить. Больше того, яркость источника можно уменьшить до практически невидимого глазу, и он всё равно будет передавать информацию.

Применение такой технологии безгранично. Если встроить передатчики в фары автомобиля — и передние, и задние — то машины смогут обмениваться информацией друг с другом, получать данные о дорожной обстановке от светофоров. Любой фонарь или лампа смогут стать точкой доступа в интернет. Будущее же её сейчас зависит в первую очередь от стоимости оборудования и от того, смогут ли оптические передатчики стать доступными потребителю и побороть конкуренцию со стороны Wi-Fi.