Νέα τεχνολογία ασύρματης μετάδοσης δεδομένων με υπέρυθρο φως

Σύνοψη

• Νέο σύστημα οπτικής ασύρματης επικοινωνίας (OWC) αξιοποιεί το υπέρυθρο φως για τη μετάδοση δεδομένων, λειτουργώντας παράλληλα με τα παραδοσιακά ραδιοκύματα.
• Η τεχνολογία βασίζεται σε ένα μικροσκοπικό chip (μικρότερο από 1 χιλιοστό) με διάταξη 5×5 VCSEL laser υπερύθρων.
• Προσφέρει εξαιρετικά υψηλό εύρος ζώνης (bandwidth) χωρίς καμία παρεμβολή στα υπάρχοντα δίκτυα Wi-Fi, 5G ή Bluetooth.
• Η ανεξάρτητη λειτουργία 25 laser επιτρέπει τη μεταφορά πολλαπλών ανεξάρτητων ροών δεδομένων ταυτόχρονα.
• Η κατασκευή βασίζεται σε τυπικές μεθόδους της βιομηχανίας ημιαγωγών, γεγονός που επιτρέπει μαζική παραγωγή με χαμηλό κόστος και εύκολη ενσωμάτωση σε smartphones.
• Απαιτεί δραστικά μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, καθιστώντας τις δικτυακές υποδομές πιο φιλικές προς το περιβάλλον.

Η διαρκώς αυξανόμενη ζήτηση για μεγαλύτερο εύρος ζώνης (bandwidth) και απολύτως σταθερές συνδέσεις στους εσωτερικούς χώρους οδηγεί την τεχνολογική έρευνα πέρα από τους περιορισμούς του παραδοσιακού φάσματος των ραδιοσυχνοτήτων (RF). 

Νέα δεδομένα που δημοσιεύθηκαν από την SPIE, τη διεθνή κοινότητα για την οπτική και τη φωτονική, επιβεβαιώνουν την ανάπτυξη ενός πρωτοποριακού συστήματος οπτικής ασύρματης επικοινωνίας (Optical Wireless Communication – OWC). Το σύστημα αυτό αξιοποιεί ένα μικροσκοπικό chip με διάταξη λέιζερ εκπομπής επιφανείας κατακόρυφης κοιλότητας (VCSEL), μεταδίδοντας δεδομένα μέσω υπέρυθρου φωτός. Το αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων, με μηδενικές παρεμβολές και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας συγκριτικά με τα σημερινά πρότυπα ασύρματης δικτύωσης.

Η αρχιτεκτονική του συστήματος: 5×5 VCSEL Array

Στον πυρήνα της νέας τεχνολογίας βρίσκεται ένα ειδικά κατασκευασμένο chip διάστασης μικρότερης του ενός χιλιοστού. Το chip φιλοξενεί μια διάταξη 25 μικροσκοπικών λέιζερ, διαταγμένων σε έναν πίνακα 5×5. Η τεχνολογία VCSEL χρησιμοποιείται ήδη ευρέως σε εξοπλισμό κέντρων δεδομένων και αισθητήρες ακριβείας, χάρη στην ικανότητα των συγκεκριμένων λέιζερ να λειτουργούν με υψηλή ενεργειακή αποδοτικότητα και να διαμορφώνονται σε πολύ υψηλές ταχύτητες.

Η καινοτομία της συγκεκριμένης έρευνας έγκειται στο γεγονός ότι κάθε ένα από τα 25 λέιζερ της διάταξης μπορεί να μεταδίδει τη δική του, ξεχωριστή ροή δεδομένων. Θέτοντας πολλαπλά λέιζερ σε παράλληλη λειτουργία, οι ερευνητές κατάφεραν να αυξήσουν τη συνολική χωρητικότητα δεδομένων σε επίπεδα που καμία μεμονωμένη πηγή φωτός δεν θα μπορούσε να προσεγγίσει. Το σύνολο των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων πλαισιώνεται από εξειδικευμένα οπτικά στοιχεία που αναλαμβάνουν τη διαμόρφωση της δέσμης φωτός, κατευθύνοντάς την με ακρίβεια προς τη συσκευή του χρήστη. Οι αρχικές εργαστηριακές δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι τα λέιζερ λειτουργούν με απόλυτη συνέπεια, παρέχοντας σταθερή ισχύ εξόδου.

Η λύση στο πρόβλημα του συμφωρημένου φάσματος

Τα παραδοσιακά δίκτυα Wi-Fi βασίζονται στην εκπομπή ραδιοκυμάτων στις ζώνες των 2.4GHz, 5GHz και 6GHz. Στα μεγάλα αστικά κέντρα η πυκνότητα των διαμερισμάτων και των γραφείων οδηγεί σε έντονη συμφόρηση αυτών των συχνοτήτων. Εκατοντάδες δίκτυα προσπαθούν να λειτουργήσουν ταυτόχρονα, προκαλώντας αλληλεπικαλύψεις που ρίχνουν την ταχύτητα και αυξάνουν την καθυστέρηση.

Η οπτική ασύρματη επικοινωνία παρακάμπτει εντελώς αυτό το πρόβλημα. Χρησιμοποιώντας το φως αντί για τα ραδιοκύματα, προσφέρει τεράστιο διαθέσιμο εύρος ζώνης χωρίς να προκαλεί την παραμικρή παρεμβολή στα υπάρχοντα ασύρματα δίκτυα. Επιπλέον, επειδή το φως δεν διαπερνά τους τοίχους, η τεχνολογία διασφαλίζει ότι το δίκτυο ενός χώρου δεν παρεμβάλλεται ούτε επηρεάζει το δίκτυο του διπλανού. Αυτός ο φυσικός περιορισμός, πέρα από τη μείωση του «θορύβου», λειτουργεί ως ένα επιπλέον ισχυρό επίπεδο ασφαλείας, καθώς η υποκλοπή των δεδομένων από εξωτερικό χώρο καθίσταται πρακτικά αδύνατη χωρίς φυσική οπτική επαφή με τον πομπό.

Βιομηχανική κλίμακα και «πράσινη» δικτύωση

Μια από τις σημαντικότερες προκλήσεις για την υιοθέτηση νέων τεχνολογιών υλισμικού είναι το κόστος παραγωγής. Η κατασκευή της διάταξης VCSEL πραγματοποιείται με τις τυπικές, ήδη καθιερωμένες τεχνικές κατασκευής της βιομηχανίας ημιαγωγών. Το τελικό chip είναι έτοιμο να τοποθετηθεί απευθείας σε μια προσαρμοσμένη πλακέτα κυκλώματος, πράγμα που σημαίνει ότι δεν απαιτείται η δημιουργία νέων εργοστασιακών γραμμών. Τα εργοστάσια ημιαγωγών μπορούν να εντάξουν τα νέα chip στις υπάρχουσες διαδικασίες μαζικής παραγωγής, μειώνοντας το τελικό κόστος για τον καταναλωτή.

Ο χαρακτηρισμός της τεχνολογίας ως ενεργειακά φιλικής προς το περιβάλλον προκύπτει από καθαρά τεχνικά δεδομένα. Η κατανάλωση ρεύματος για τη διατήρηση ισχυρών σημάτων ραδιοσυχνοτήτων σε μεγάλους επαγγελματικούς χώρους απαιτεί σημαντική ενέργεια. Η τεχνολογία VCSEL χαρακτηρίζεται από εξαιρετικά χαμηλές απαιτήσεις ισχύος. Η υποβοήθηση των παραδοσιακών access points από οπτικούς πομπούς σε μεγάλες εγκαταστάσεις (όπως εμπορικά κέντρα, νοσοκομεία ή εταιρικά κτίρια στην Ελλάδα) μπορεί να μειώσει αισθητά το συνολικό ενεργειακό αποτύπωμα των υποδομών.

Πρακτικές εφαρμογές και μειονεκτήματα στην καθημερινή χρήση

Λόγω του εξαιρετικά μικρού μεγέθους του, το νέο chip μπορεί να ενσωματωθεί εύκολα σε συμπαγή ασύρματα σημεία πρόσβασης που θα τοποθετούνται στην οροφή ενός δωματίου, αλλά και μέσα σε φορητές συσκευές, όπως smartphones, tablets και συστήματα Augmented/Virtual Reality (AR/VR). Στην περίπτωση του AR/VR, η ανάγκη για ασύρματη μετάδοση δεδομένων με ελάχιστο latency και πολύ υψηλό bandwidth κάνει την οπτική μετάδοση την ιδανική λύση, καθώς η συσκευή βρίσκεται συνήθως στον ίδιο χώρο με τον server.

Ωστόσο, η χρήση του φωτός ως μέσο μετάδοσης συνοδεύεται από συγκεκριμένους φυσικούς περιορισμούς. Το σύστημα απαιτεί οπτική επαφή μεταξύ του πομπού και του δέκτη, ή καθαρές αντανακλάσεις του φωτός στους τοίχους του δωματίου. Στην καθημερινή χρήση ενός smartphone, η απόδοση του δικτύου θα διακοπεί εάν ο χρήστης τοποθετήσει το χέρι του πάνω στον αισθητήρα, εάν βάλει τη συσκευή στην τσέπη του, ή εάν συσσωρευτούν δακτυλικά αποτυπώματα και ρύποι πάνω στον φακό υποδοχής. Η επιτυχία της τεχνολογίας θα εξαρτηθεί από τον τρόπο που το λογισμικό θα διαχειρίζεται αυτές τις διακοπές, περνώντας απρόσκοπτα τη σύνδεση πίσω στο παραδοσιακό Wi-Fi 7 όποτε κρύβεται η δέσμη φωτός.

Με τη ματιά του Techgear

Η συγκεκριμένη υλοποίηση OWC με διάταξη 5×5 VCSEL δεν αποτελεί πειραματική προσέγγιση, αλλά μια ώριμη τεχνολογική λύση. Για την ελληνική αγορά, όπου τα αστικά κέντρα αντιμετωπίζουν καθημερινά προβλήματα ταχύτητας λόγω παρεμβολών στις μπάντες του Wi-Fi, τα οπτικά ασύρματα δίκτυα έρχονται να λύσουν ένα καθαρά πρακτικό πρόβλημα υπερφόρτωσης δικτύων.

Δεν περιμένουμε η οπτική επικοινωνία να αντικαταστήσει πλήρως το Wi-Fi, καθώς η ελευθερία κινήσεων εκτός οπτικής επαφής (μέσα από τοίχους) παραμένει το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα των ραδιοκυμάτων. Αναμένουμε, όμως, ότι θα δούμε σύντομα υβριδικά routers που θα εκπέμπουν τόσο ραδιοσυχνότητες όσο και υπέρυθρο φως. Ο χρήστης θα κάνει απλή περιήγηση μέσω Wi-Fi στο μπαλκόνι, αλλά όταν κάθεται στο σαλόνι για να κατεβάσει ένα μεγάλο αρχείο δεδομένων ή να κάνει streaming περιεχομένου πολύ υψηλής ανάλυσης, η συσκευή θα «κλειδώνει» αυτόματα στο οπτικό δίκτυο του δωματίου, προσφέροντας απόλυτη σταθερότητα. 

Το μέλλον της ασύρματης δικτύωσης απαιτεί πολλαπλά στρώματα τεχνολογιών και η αξιοποίηση του φωτός δείχνει να είναι το επόμενο λογικό, δομικό βήμα για τη βιομηχανία.