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自由空間光通信( FSO ) は、自由空間を伝播する光を使用して、電気通信やコンピュータ ネットワークのデータをワイヤレスで送信する光通信技術です。「自由空間」とは、空気、宇宙空間、真空などを意味します。これは、光ファイバー ケーブルなどの固体を使用することとは対照的です。
この技術は、コストが高いなどの理由で物理的な接続が不可能な場合に役立ちます。
歴史
光通信は、さまざまな形で何千年もの間使用されてきました。古代ギリシャ人は、クレオクセノス、デモクレイトス、ポリュビオスによって開発された松明によるコード化されたアルファベット信号システムを使用していました。[1]現代では、セマフォとヘリオグラフと呼ばれる無線太陽電信機が開発され、コード化された信号を使用して受信者と通信しました。
1880年、アレクサンダー・グラハム・ベルと助手のチャールズ・サムナー・テインターは、ワシントンDCにベルが新設したボルタ研究所でフォトフォンを発明した。ベルはこれを自身の最も重要な発明と考えていた。この装置により、光線に音を乗せて伝送することが可能になった。1880年6月3日、ベルは213メートル（699フィート）離れた2つの建物間で世界初の無線電話伝送を行った。[2] [3]
それが初めて実用化されたのは、数十年後の軍事通信システムで、最初は光電信でした。ドイツ植民地軍は、 1904年に始まったヘレロ戦争中に、ドイツ領南西アフリカ（現在のナミビア）で、イギリス、フランス、アメリカ、オスマン帝国の信号と同様に、ヘリオグラフ電信送信機を使用しました。
第一次世界大戦の塹壕戦では有線通信が頻繁に途絶え、ドイツ軍はBlinkgerätと呼ばれる 3 種類の光モールス信号送信機を使用した。中間型は日中は最大 4 km (2.5 マイル)、夜間は最大 8 km (5.0 マイル) の距離を通信でき、探知されない通信には赤色フィルターを使用した。光電話通信は戦争末期にテストされたが、部隊レベルでは導入されなかった。さらに、特殊な blinkgerät が飛行機、気球、戦車との通信に使用され、成功の度合いはさまざまであった。[要出典]
大きな技術的進歩は、モールス信号の代わりに音声伝送に光波を変調させることだった。カール・ツァイス・イエナは、ドイツ軍が第二次世界大戦の対空防衛部隊や大西洋の壁のバンカーで使用したLichtsprechgerät 80/80（直訳：光学通話装置）を開発した。[4]
1960年代のレーザーの発明は、自由空間光学に革命をもたらした。 [要出典]軍事組織は特に興味を持ち、その開発を後押しした。1973年、PARCで最初のレーザープリンターの試作中に、ゲイリー・スタークウェザーらは、天体望遠鏡とHeNeレーザーを使用して、オフィス間でデータを送信するための30 Mbit/sの双方向CAN光リンクを作成した。彼らがこの方式を選んだのは、当時、FCCによる自由空間光通信に関する規制がそれほど厳しくなかったためでもある。[5] [非一次資料が必要]しかし、民間向けの光ファイバーネットワークの設置がピークに達したとき、レーザーベースの自由空間光学は市場の勢いを失った。[要出典]
多くのシンプルで安価な消費者向けリモコンは、赤外線(IR) 光を使用した低速通信を使用しています。これは消費者向け IRテクノロジとして知られています。
使用法と技術
自由空間のポイントツーポイント光リンクは赤外線レーザー光を使用して実装できますが、短距離での低データレート通信はLEDを使用して可能です。赤外線データ協会（IrDA）技術は、自由空間光通信の非常に単純な形式です。通信側では、FSO技術は光無線通信アプリケーションの一部と見なされています。自由空間光学は宇宙船間の通信に使用できます。[6]
有用な距離
FSO ユニットの信頼性は、商業通信において常に問題となってきました。一貫して、研究では、狭い範囲 (400 ～ 500 メートル (1,300 ～ 1,600 フィート)) でパケットのドロップや信号エラーが多すぎることがわかっています。これは、チェコ共和国などの独立した研究[7]と、MRV FSO スタッフが実施した内部研究[8]の両方から得られています。
軍事ベースの研究では、信頼性について一貫してより長い推定値が出ており、地上リンクの最大範囲は2〜3 km（1.2〜1.9マイル）程度と予測されています。[9]すべての研究は、リンクの安定性と品質が雨、霧、ほこり、熱などの大気要因に大きく依存していることに同意しています。FSO通信の範囲を拡張するためにリレーが使用される場合があります。[10] [11]
TMEX USAは、1998年[12]から2002年まで、テキサス州ラレドとメキシコのヌエボラレドの間に8マイルの回線を2本運営していた。回線は155Mbit/sで動作し、電話やインターネットサービスを確実に提供していた。[13] [疑わしい–議論が必要] [引用が必要]
有効距離の延長
地上通信が非商用通信機能に限定されている主な理由は霧です。霧により、500メートル（1,600フィート）を超えるFSOレーザーリンクが商用サービスに十分な年間可用性を達成できないことがよくあります。いくつかの組織が、FSO通信のこれらの主な欠点を克服し、より高品質のサービスを備えたシステムを導入しようと継続的に取り組んでいます。DARPAは、ORCAおよびORCLEプログラムを通じて、この取り組みに向けて1億3000万ドル以上の研究資金を援助しています。[14] [15] [16]
他の非政府団体は、FSO 導入の主要な課題に対処できると主張するさまざまな技術を評価するためのテストを実施しています。2014 年 10 月現在[アップデート]、最も一般的な大気現象に対処する実用的なシステムを導入している団体はありません。
1998年から2006年にかけて民間部門で行われたFSOの研究は総額4億710万ドルに上り、主に4つの新興企業に分配された。4社とも通信品質と距離の基準を満たす製品を提供できなかった。[17]
- テラビームは、ソフトバンク、モビウス・ベンチャーキャピタル、オークヒル・ベンチャー・パートナーズなどの投資家から約5億7500万ドルの資金を調達した。AT&Tとルーセントもこの試みを支援した。[18] [19]この取り組みは最終的に失敗に終わり、同社は2004年6月22日付けでバージニア州フォールズチャーチに拠点を置くYDIに5200万ドル（ワラントとオプションを除く）で買収され、新会社の名前はテラビームとなった。2007年9月4日、テラビーム（当時はカリフォルニア州サンノゼに本社を置いていた）は社名をプロキシム・ワイヤレス・コーポレーションに変更し、NASDAQの株式シンボルをTRBMからPRXMに変更すると発表した。[20]
- エアファイバーは9,610万ドルの資金を調達したが、天候問題を解決することはできなかった。同社は2003年にMRVコミュニケーションズに売却し、MRVは2012年にテレスコープシリーズの生産終了が突然発表されるまでFSOユニットを売却した。[21]
- ライトポイントコミュニケーションズは7,600万ドルの創業資金を獲得し、最終的には天候による課題を克服するためにハイブリッドFSO-RFユニットを販売するように再編しました。[22]
- マキシマ社はサイエンス誌にその運営理論を発表し[23]、900万ドルの資金を調達した後、永久に閉鎖した。この取り組みに続いてスピンオフや買収が行われたことは知られていない。
- ワイヤレスエクセレンスは、FSOをより有用で実用的な技術にすることを目標に、FSOとミリ波および無線技術を組み合わせて距離、容量、可用性を拡張するCableFree UNITYソリューションを開発し、発売しました。[24]
ある民間企業は2014年11月20日に論文を発表し、極度の霧の中で商業的な信頼性（99.999%の可用性）を達成したと主張した。この製品が現在商業的に利用可能であるという兆候はない。[25]
地球外
宇宙におけるレーザー通信の大きな利点により、複数の宇宙機関が安定した宇宙通信プラットフォームの開発に競い合い、多くの重要な実証と成果を上げています。
運用システム
最初のギガビット レーザー ベースの通信[説明が必要]は、欧州宇宙機関によって 2014 年 11 月 28 日に達成され、欧州データ中継システム(EDRS) と呼ばれています。このシステムは運用されており、日常的に使用されています。
2023年12月、オーストラリア国立大学（ANU）は、ストロムロ山天文台で量子光地上局の実証を行った。QOGSは、望遠鏡の一部として適応光学とレーザーを使用し、 NASAの 月へのアルテミス計画をサポートできる双方向通信システムを構築する。[26]
デモ
メッセンジャー宇宙船に搭載されたマーキュリーレーザー高度計によって、双方向通信距離記録が樹立されました。2005年5月にメッセンジャー宇宙船が地球に接近した際、この機器は2,400万km (1,500万マイル) の距離で通信を行うことができました。以前の記録は、1992年にガリレオ探査機が地球からのレーザー光を片道で検出した600万km (370万マイル) でした。
2013年1月、NASAはレーザーを使用してモナリザの画像を約39万キロ離れた月探査機に送信しました。大気の干渉を補正するために、CDで使用されるものと同様のエラー訂正コードアルゴリズムが実装されました。[27]
2013年10月18日の早朝、NASAの月面レーザー通信実証（LLCD）は、月周回軌道から地球へ毎秒622メガビット（Mbit/s）の速度でデータを送信した。[28] LLCDは月大気・ダスト環境探査機（LADEE）に搭載され、その主な科学ミッションは月周辺の希薄で異質な大気を調査することであった。
2014年4月から7月にかけて、NASAのOPALS装置は3.5秒で175メガバイトのアップロードと20秒で200～300MBのダウンロードに成功した。[29]また、このシステムは雲のために信号が失われた後も追跡を再取得することができた。
2021年12月7日、NASAはレーザー通信リレーデモンストレーション（LCRD）を打ち上げました。これは、静止軌道上の宇宙船と地上局の間でデータを中継することを目的としたものです。LCRDはNASA初の双方向エンドツーエンドの光リレーです。LCRDは、カリフォルニア州のテーブルマウンテン天文台とハワイのハレアカラにある2つの地上局、光地上局（OGS）-1と-2を使用します。[30] LCRDの最初の運用ユーザーの1つは、国際宇宙ステーションの統合LCRD低軌道ユーザーモデムおよび増幅器ターミナル（ILLUMA-T）です。このターミナルは、宇宙ステーションに搭載された実験や機器から高解像度の科学データを受信し、このデータをLCRDに転送し、LCRDはそれを地上局に送信します。データが地球に到着すると、ミッション運用センターとミッション科学者に配信されます。 ILLUMA-Tペイロードは2023年後半にSpaceX CRS-29でISSに送られ、2023年12月5日に初光を達成した。 [31] [32]
2023年4月28日、NASAとそのパートナーは、軌道上の衛星と地球との間の宇宙対地上光リンクで毎秒200ギガビット（Gbit/s）のスループットを達成しました。これは、NASAのパスファインダー技術実証機3 （PTD-3）衛星に搭載されたテラバイト赤外線配信（TBIRD）システムによって達成されました。[33]
商用利用
SpaceX Starlinkなど、世界的なブロードバンド カバレッジを提供することを目的としたさまざまな衛星群では、衛星間リンクにレーザー通信を採用しています。これにより、衛星間に 宇宙ベースの光メッシュ ネットワークが効果的に構築されます。
LED について
2001年、Twibright Labsは、1.4km（0.87マイル）を超えるオープンソースDIY 10Mbit/s全二重LED FSOであるRONJA Metropolisをリリースしました。 [34] [35]
2004年、日本で可視光通信コンソーシアムが結成されました。[36]これは、白色LEDベースの空間照明システムを屋内ローカルエリアネットワーク（LAN）通信に使用した研究者による研究に基づいています。これらのシステムは、システム間の分離の改善、受信機/送信機のサイズとコスト、RFライセンス法、および空間照明と通信を同じシステムに統合することで、従来のUHF RFベースのシステムよりも優れた利点があります。[37] 2009年1月、電気電子技術者協会のIEEE 802.15.7として知られる無線パーソナルエリアネットワーク標準ワーキンググループによって、可視光通信のタスクフォースが結成されました。[38] 2010年にミネソタ州セントクラウドでトライアルが発表されました。[39]
アマチュア無線家は、高輝度LEDからの非干渉性光源を使用して、はるかに長い距離の通信を実現しています。2007年には278 km（173マイル）の距離の通信を達成したという報告もあります。 [40]しかし、使用される機器の物理的な制限により、帯域幅は約4 kHzに制限されていました。このような距離をカバーするために検出器に要求される高い感度により、使用されるフォトダイオードの内部容量が、その後に続く高インピーダンス増幅器の支配的な要素となり、自然に4 kHzの範囲のカットオフ周波数を持つローパスフィルターが形成されました。レーザーは、光ファイバー通信に匹敵する非常に高いデータレートを実現できます。
予測されるデータレートと将来のデータレートの主張はさまざまです。宇宙照明に使用できる低コストの白色LED（GaN蛍光体）は、通常、最大20MHzまで変調できます。 [41]効率的な変調方式を使用すれば、 100Mbit/sを超えるデータレートを実現でき、シーメンスは2010年に500Mbit/s以上を達成したと主張しました。[42] 2009年に発表された研究では、LED信号機を備えた自動運転車の交通制御に同様のシステムが使用されました。[43]
2013年9月、 Li-Fiに取り組むエディンバラの新興企業pureLiFiも、市販のLED電球を使用して高速ポイントツーポイント接続を実証しました。以前の研究では、高データレートを実現するために高帯域幅の専門LEDが使用されていました。新しいシステムであるLi-1stは、あらゆるLEDデバイスで利用可能な光帯域幅を最大化し、屋内FSOシステムの導入コストを削減し、パフォーマンスを向上させます。[44]
エンジニアリングの詳細
通常、このテクノロジを使用するのに最適なシナリオは次のとおりです。
- キャンパス内でファストイーサネットまたはギガビットイーサネットの速度でLAN間接続
- 都市内のLAN間接続、メトロポリタンエリアネットワーク
- 送信者と受信者が所有していない公道やその他の障壁を横断する
- 光ファイバーネットワークへの高帯域幅アクセスの迅速なサービス提供
- 統合音声データ接続
- 一時的なネットワーク設置（イベント等）
- 高速接続を迅速に再確立する（災害復旧）
- 既存のワイヤレス技術の代替またはアップグレードアドオンとして
- 自動照準システムと組み合わせると特に強力で、移動中の車やラップトップに電力を供給したり、自動照準ノードを使用して他のノードとのネットワークを作成したりできます。
- 重要なファイバー接続の安全性向上（冗長性）
- 衛星群の要素を含む宇宙船間の通信用
- チップ間およびチップ内通信用[45]
光線は非常に狭くすることができるため、FSO は傍受されにくくなり、セキュリティが向上します。セキュリティを強化するために、FSO 接続を介して送信されるデータを暗号化することは比較的簡単です。FSO は、マイクロ波を使用する場合と比較して、電磁干渉(EMI) の動作が大幅に改善されています。
技術的な利点
- 導入の容易さ
- デバイスの電源として使用できます[引用が必要]
- 免許不要の長距離通信（無線通信とは対照的）
- 高ビットレート
- 低いビットエラー率
- 電磁干渉に対する耐性
- 全二重動作
- プロトコルの透明性
- 狭いビームでの作業時の安全性の向上[46]
- フレネルゾーンは不要
- オープンソース実装の参照
- RFアンテナに比べてサイズ、重量、消費電力が削減されます
範囲制限要因
地上アプリケーションの場合、主な制限要因は次のとおりです。
これらの要因により、受信信号が減衰し、ビット エラー率(BER) が高くなります。これらの問題を克服するために、ベンダーは、複数の送信機と複数の受信機を使用するマルチビームまたはマルチパス アーキテクチャなどのいくつかのソリューションを見つけました。一部の最新デバイスは、より大きなフェード マージン(雨、スモッグ、霧用に確保された追加電力) も備えています。目に安全な環境を維持するために、優れた FSO システムでは、レーザー出力密度が制限されており、レーザー クラス 1または1M をサポートしています。大気と霧による減衰は指数関数的であるため、FSO デバイスの実用的な範囲は数キロメートルに制限されます。ただし、 1550 nm の波長に基づく自由空間光学系は、濃霧の状態では、 830 nm の波長を使用する自由空間光学系よりも光損失が大幅に少なくなります。波長 1550 nm システムを使用する FSO は、 850 nmのシステムよりも数倍高い電力を送信でき、人間の目に安全です (1M クラス)。さらに、ECシステム[47]などの一部の自由空間光学系は、リンク品質を常に監視し、内蔵の自動ゲイン制御によりレーザーダイオードの送信電力を調整することで、悪天候でも高い接続信頼性を確保します。[47]
参照
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この記事には、パブリック ドメインであるこのソースからのテキストが組み込まれています。
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、自由空間光通信に関連するメディアがあります。
- HAP 向け COST297 のフリー スペース オプティクス
- マイクロ波および光リンクにおけるフレネルゾーンの説明
- YouTubeで Lichtsprechgerät 80 の使用状況を示すビデオ
- 国際宇宙ステーション、レーザーを介してビデオを地球に送信、2014年3月 NASAのISSへのレーザー通信科学実証ミッション用光学ペイロード
- ワイヤレス光リンク バジェット (Python の例付き)。