Communications optiques sans fil - Optical wireless communications

Les communications optiques sans fil ( OWC ) sont une forme de communication optique dans laquelle la lumière visible , infrarouge (IR) ou ultraviolette (UV) non guidée est utilisée pour transporter un signal. Il est généralement utilisé dans les communications à courte portée.

Les systèmes OWC fonctionnant dans la bande visible (390-750 nm) sont communément appelés communication par la lumière visible (VLC). Les systèmes VLC tirent parti des diodes électroluminescentes (DEL) qui peuvent être pulsées à des vitesses très élevées sans effet notable sur la sortie d'éclairage et l'œil humain. VLC peut éventuellement être utilisé dans une large gamme d'applications, notamment les réseaux locaux sans fil, les réseaux personnels sans fil et les réseaux de véhicules, entre autres. D'autre part, les systèmes OWC terrestres point à point, également connus sous le nom de systèmes optiques en espace libre (FSO), fonctionnent aux fréquences proches de l'IR (750 à 1600 nm). Ces systèmes utilisent généralement des émetteurs laser et offrent une liaison transparente au protocole rentable avec des débits de données élevés, c'est-à-dire 10 Gbit/s par longueur d'onde, et offrent une solution potentielle pour le goulot d'étranglement du backhaul.

Il y a également eu un intérêt croissant pour la communication ultraviolette (UVC) en raison des récents progrès réalisés dans les sources/détecteurs optiques à semi-conducteurs fonctionnant dans le spectre UV aveugle au soleil (200-280 nm). Dans cette bande UV dite profonde, le rayonnement solaire est négligeable au niveau du sol et cela rend possible la conception de détecteurs de comptage de photons avec des récepteurs à large champ de vision qui augmentent l'énergie reçue avec peu de bruit de fond supplémentaire. De telles conceptions sont particulièrement utiles pour les configurations extérieures sans visibilité directe afin de prendre en charge les UVC à courte portée de faible puissance, comme dans les réseaux de capteurs sans fil et ad hoc.

Histoire

Les technologies de communication sans fil se sont multipliées et sont devenues indispensables très rapidement au cours des dernières décennies du 20e siècle et du début du 21e siècle. Le déploiement à grande échelle des technologies de radiofréquence a été un facteur clé dans l'expansion des dispositifs et systèmes sans fil. Cependant, la portion du spectre électromagnétique utilisée par les systèmes sans fil est limitée en capacité et les licences d'utilisation de certaines parties du spectre sont coûteuses. Avec l'augmentation des communications sans fil gourmandes en données, la demande de spectre RF dépasse l'offre, ce qui pousse les entreprises à envisager des options pour utiliser des parties du spectre électromagnétique autres que les fréquences radio.

La communication optique sans fil (OWC) fait référence à la transmission dans des milieux de propagation non guidés grâce à l'utilisation de supports optiques : rayonnement visible , infrarouge (IR) et ultraviolet (UV). La signalisation par feux de balisage , fumée , drapeaux de navires et télégraphe sémaphore peut être considérée comme les formes historiques de l'OWC. La lumière du soleil a également été utilisée pour la signalisation longue distance depuis des temps très anciens. La première utilisation de la lumière du soleil à des fins de communication est attribuée aux anciens Grecs et Romains qui utilisaient des boucliers polis pour envoyer des signaux en réfléchissant la lumière du soleil pendant les batailles. En 1810, Carl Friedrich Gauss a inventé l'héliographe qui utilise une paire de miroirs pour diriger un faisceau de lumière solaire contrôlé vers une station éloignée. Bien que l'héliographe d'origine ait été conçu pour le levé géodésique, il a été largement utilisé à des fins militaires à la fin du XIXe et au début du XXe siècle. En 1880, Alexander Graham Bell a inventé le photophone , le premier système téléphonique sans fil au monde.

L'intérêt des militaires pour les photophones s'est poursuivi après l'époque de Bell. Par exemple, en 1935, l'armée allemande a développé un photophone où une lampe à filament de tungstène avec un filtre de transmission IR a été utilisée comme source lumineuse. De plus, les laboratoires militaires américains et allemands ont poursuivi le développement de lampes à arc à haute pression pour la communication optique jusqu'aux années 1950. L'OWC moderne utilise soit des lasers, soit des diodes électroluminescentes (LED) comme émetteurs. En 1962, MIT Lincoln Labs a construit une liaison expérimentale OWC à l'aide d'une diode électroluminescente GaAs et a pu transmettre des signaux de télévision sur une distance de 30 miles. Après l'invention du laser, l'OWC a été conçu comme la principale zone de déploiement des lasers et de nombreux essais ont été menés en utilisant différents types de lasers et de schémas de modulation. Cependant, les résultats ont été en général décevants en raison de la grande divergence des faisceaux laser et de l'incapacité de faire face aux effets atmosphériques. Avec le développement des fibres optiques à faible perte dans les années 1970, elles sont devenues le choix évident pour la transmission optique longue distance et ont détourné l'attention des systèmes OWC.

Statut actuel

Exemple de possibilité d'OWC ultra-long sur le système inter-satellites European Data Relay Satellite (EDRS)

Au fil des décennies, l'intérêt pour les OWC s'est principalement limité aux applications militaires secrètes et aux applications spatiales, y compris les liaisons intersatellites et l'espace lointain. La pénétration du marché de masse d'OWC a été jusqu'à présent limitée à l'exception d' IrDA qui est une solution de transmission sans fil à courte portée très réussie.

Applications

Des variantes de l'OWC peuvent être potentiellement utilisées dans une large gamme d'applications de communication allant des interconnexions optiques au sein de circuits intégrés aux liaisons extérieures entre bâtiments et aux communications par satellite.

OWC peut être divisé en cinq catégories en fonction de la portée de transmission :

  1. Portée ultra-courte : communications puce à puce dans des boîtiers multi-puces empilés et étroitement emballés.
  2. Courte portée : applications de réseau corporel sans fil (WBAN) et de réseau personnel sans fil (WPAN) selon la norme IEEE 802.15.7, communications sous-marines.
  3. Moyenne portée : communications intérieures IR et lumière visible (VLC) pour les réseaux locaux sans fil (WLAN) et les communications inter-véhicule et véhicule-à-infrastructure.
  4. Longue portée : connexions inter-bâtiments, également appelées communications optiques en espace libre (FSO).
  5. Ultra longue portée : Communication laser dans l'espace notamment pour les liaisons inter-satellites et l'établissement de constellations de satellites .

Tendances récentes

  • En janvier 2015, l'IEEE 802.15 a formé un groupe de travail pour rédiger une révision de l'IEEE 802.15.7-2011 qui prend en charge les longueurs d'onde infrarouges et proches de l'ultraviolet, en plus de la lumière visible, et ajoute des options telles que Optical Camera Communications et LiFi.
  • Dans les applications OWC à longue portée, une liaison de 1 Gbit/s - 60 km entre le sol et l'avion à une vitesse de 800 km/h a été démontrée, " Extreme Test for the ViaLight Laser Communication Terminal MLT-20 - Optical Downlink from a Jet Aircraft at 800 km/h ", DLR et EADS décembre 2013.
  • Sur les appareils grand public et les applications OWC à courte portée sur les téléphones ; Chargez et recevez des données avec la lumière sur votre smartphone : TCL Communication/ALCATEL ONETOUCH et Sunpartner Technologies annoncent le premier smartphone solaire entièrement intégré. Mars 2014.
  • Sur les applications OWC à très longue portée, la démonstration de communication laser lunaire (LLCD) de la NASA a transmis des données de l'orbite lunaire à la Terre à un taux de 622 mégabits par seconde (Mbps), novembre 2013.
  • La prochaine génération de communications OWC / Visible Light a démontré une transmission de 10 Mbit/s avec des diodes électroluminescentes polymères ou OLED.
  • Sur les activités de recherche OWC, il existe une action de projet de recherche européenne IC1101 OPTICWISE du programme COST (Coopération européenne en science et technologie) financé par la Fondation européenne de la science, permettant la coordination de la recherche financée au niveau national au niveau européen. L'action vise à servir de plate-forme scientifique européenne consolidée de haut niveau pour les activités de recherche interdisciplinaires sur les communications optiques sans fil (OWC). Il a été lancé en novembre 2011 et se poursuivra jusqu'en novembre 2015. Plus de 20 pays représentés.
  • L'adoption des technologies OWC par les consommateurs et l'industrie est représentée par le Consortium Li-Fi , fondé en 2011, est une organisation à but non lucratif, consacrée à l'introduction de la technologie sans fil optique. Favorise l'adoption des produits Light Fidelity (Li-Fi).
  • Un exemple de sensibilisation asiatique à l'OWC est le consortium de communication par lumière visible VLCC au Japon, créé en 2007 afin de réaliser un système de télécommunication sûr et omniprésent utilisant la lumière visible par le biais d'activités d'études de marché, de promotion et de normalisation.
  • Aux États-Unis, il existe plusieurs initiatives OWC, dont le "Smart Lighting Engineering Research Center", fondé en 2008 par la National Science Foundation (NSF) est un partenariat du Rensselaer Polytechnic Institute (institution chef de file), de l'Université de Boston et de l' Université du Nouveau-Mexique. . Les partenaires de sensibilisation sont Howard University , Morgan State University et Rose-Hulman Institute of Technology .

Les références

Lectures complémentaires