Comunicaciones inalámbricas ópticas

Las comunicaciones inalámbricas ópticas ( OWC ) son una forma de comunicación óptica en la que se utiliza luz visible , infrarroja (IR) o ultravioleta (UV) no guiada para transmitir una señal. Se utiliza generalmente en comunicaciones de corto alcance.

Los sistemas OWC que operan en la banda visible (390–750 nm) se conocen comúnmente como comunicación de luz visible (VLC). Los sistemas VLC aprovechan los diodos emisores de luz (LED) que pueden pulsarse a velocidades muy altas sin un efecto notable en la salida de iluminación y el ojo humano. VLC se puede utilizar posiblemente en una amplia gama de aplicaciones, incluidas las redes de área local inalámbricas, redes de área personal inalámbricas y redes vehiculares , entre otras. ^[1] Por otro lado, los sistemas OWC punto a punto terrestres, también conocidos como sistemas ópticos de espacio libre (FSO), ^[2] operan en las frecuencias del infrarrojo cercano (750–1600 nm). Estos sistemas suelen utilizar transmisores láser y ofrecen un enlace transparente al protocolo rentable con altas velocidades de datos , es decir, 10  Gbit/s por longitud de onda, y proporcionan una solución potencial para el cuello de botella del backhaul .

También ha habido un creciente interés en la comunicación ultravioleta (UVC) como resultado de los recientes avances en fuentes/detectores ópticos de estado sólido que operan dentro del espectro UV ciego a la luz solar (200-280 nm). En esta denominada banda UV profunda, la radiación solar es insignificante a nivel del suelo y esto hace posible el diseño de detectores de conteo de fotones con receptores de amplio campo de visión que aumentan la energía recibida con poco ruido de fondo adicional. Estos diseños son particularmente útiles para configuraciones exteriores sin línea de visión para soportar UVC de corto alcance y baja potencia, como en sensores inalámbricos y redes ad-hoc.

Las tecnologías de comunicaciones inalámbricas proliferaron y se volvieron esenciales muy rápidamente durante las últimas décadas del siglo XX y principios del siglo XXI. La implementación a gran escala de tecnologías de radiofrecuencia fue un factor clave en la expansión de los dispositivos y sistemas inalámbricos. Sin embargo, la porción del espectro electromagnético que utilizan los sistemas inalámbricos tiene una capacidad limitada y las licencias para utilizar partes del espectro son caras. Con el aumento de las comunicaciones inalámbricas con gran cantidad de datos, la demanda de espectro de RF está superando la oferta, lo que hace que las empresas consideren opciones para utilizar partes del espectro electromagnético distintas de las frecuencias de radio.

La comunicación inalámbrica óptica (OWC) se refiere a la transmisión en medios de propagación no guiados mediante el uso de portadores ópticos: radiación visible , infrarroja (IR) y ultravioleta (UV). La señalización a través de fuegos de baliza , humo , banderas de barcos y telégrafo de semáforos pueden considerarse las formas históricas de OWC. ^[3] La luz del sol también se ha utilizado para la señalización de larga distancia desde tiempos muy remotos. El primer uso de la luz solar con fines de comunicación se atribuye a los antiguos griegos y romanos que usaban escudos pulidos para enviar señales reflejando la luz solar durante las batallas. ^[4] En 1810, Carl Friedrich Gauss inventó el heliógrafo que utiliza un par de espejos para dirigir un haz controlado de luz solar a una estación distante. Aunque el heliógrafo original fue diseñado para el estudio geodésico, se utilizó ampliamente con fines militares durante finales del siglo XIX y principios del XX. En 1880, Alexander Graham Bell inventó el fotófono , el primer sistema telefónico inalámbrico del mundo.

El interés militar en los fotófonos continuó después de la época de Bell. Por ejemplo, en 1935, el ejército alemán desarrolló un fotófono en el que se utilizaba como fuente de luz una lámpara de filamento de tungsteno con un filtro transmisor de infrarrojos. Además, los laboratorios militares estadounidenses y alemanes continuaron el desarrollo de lámparas de arco de alta presión para la comunicación óptica hasta la década de 1950. ^[5] El OWC moderno utiliza láseres o diodos emisores de luz (LED) como transmisores. En 1962, MIT Lincoln Labs construyó un enlace OWC experimental utilizando un diodo GaAs emisor de luz y pudo transmitir señales de televisión a una distancia de 30 millas. Después de la invención del láser, se concibió que el OWC fuera el área de implementación principal para los láseres y se realizaron muchos ensayos utilizando diferentes tipos de láseres y esquemas de modulación. ^[6] Sin embargo, los resultados fueron en general decepcionantes debido a la gran divergencia de los rayos láser y la incapacidad de hacer frente a los efectos atmosféricos. Con el desarrollo de la fibra óptica de baja pérdida en la década de 1970, se convirtieron en la opción obvia para la transmisión óptica de larga distancia y desviaron la atención de los sistemas OWC.

A lo largo de las décadas, el interés en OWC se limitó principalmente a aplicaciones militares encubiertas ^[7] y aplicaciones espaciales, incluidos enlaces entre satélites y en el espacio profundo ^[8] . La penetración de OWC en el mercado masivo ha sido limitada hasta ahora con la excepción de IrDA , que es una solución de transmisión inalámbrica de corto alcance muy exitosa. ^{[ ¿Necesita actualización? ]}

Las variaciones de OWC se pueden emplear potencialmente en una amplia gama de aplicaciones de comunicación que van desde interconexiones ópticas dentro de circuitos integrados hasta enlaces entre edificios al aire libre y comunicaciones por satélite.

OWC se puede dividir en cinco categorías según el rango de transmisión:

1. Alcance ultracorto : comunicaciones de chip a chip en paquetes multichip apilados y compactados. ^[9]
2. Corto alcance : aplicaciones de redes de área corporal inalámbricas (WBAN) y redes de área personal inalámbricas (WPAN) según el estándar IEEE 802.15.7, comunicaciones submarinas. ^{[10] [11]}
3. Alcance medio : comunicaciones de luz visible e infrarroja (VLC) en interiores para redes de área local inalámbricas (WLAN) y comunicaciones entre vehículos y de vehículo a infraestructura.
4. Largo alcance : conexiones entre edificios, también llamadas comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO).
5. Alcance ultralargo : comunicaciones láser en el espacio, especialmente para enlaces entre satélites y establecimiento de constelaciones de satélites .

• En enero de 2015, IEEE 802.15 formó un grupo de trabajo para escribir una revisión de IEEE 802.15.7-2011 que admita longitudes de onda infrarrojas y ultravioleta cercanas, además de luz visible, y agregue opciones como comunicaciones por cámara óptica y LiFi. ^[12]
• En aplicaciones OWC de largo alcance se ha demostrado un enlace de alcance de 1 Gbit/s - 60 km entre tierra y aeronave a una velocidad de 800 km/h, "Prueba extrema para el terminal de comunicación láser ViaLight MLT-20 - Enlace descendente óptico desde una aeronave a reacción a 800 km/h", DLR y EADS, diciembre de 2013.
• Sobre dispositivos de consumo y aplicaciones OWC de corto alcance en teléfonos; Cargue y reciba datos con luz en su teléfono inteligente: TCL Communication/ALCATEL ONETOUCH y Sunpartner Technologies anuncian el primer teléfono inteligente solar totalmente integrado. Marzo de 2014.
• En aplicaciones OWC de alcance ultra largo, la Demostración de Comunicación Láser Lunar (LLCD) de la NASA transmitió datos desde la órbita lunar a la Tierra a una velocidad de 622 Megabits por segundo (Mbps), en noviembre de 2013.
• La próxima generación de comunicaciones por luz visible (OWC) demostró una transmisión de 10 Mbit/s con diodos emisores de luz de polímero u OLED. ^[13]
• En el marco de las actividades de investigación de la OWC, existe una acción de proyecto de investigación europea IC1101 OPTICWISE del Programa COST (Cooperación Europea en Ciencia y Tecnología) financiada por la Fundación Europea de la Ciencia, que permite la coordinación de la investigación financiada a nivel nacional a nivel europeo. La acción tiene como objetivo servir como plataforma científica europea consolidada de alto perfil para actividades de investigación interdisciplinarias en el ámbito de las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC). Se puso en marcha en noviembre de 2011 y se prolongará hasta noviembre de 2015. Están representados más de 20 países.
• La adopción de tecnologías OWC por parte de consumidores e industrias está representada por el Consorcio Li-Fi, fundado en 2011, una organización sin fines de lucro dedicada a introducir la tecnología inalámbrica óptica. Promueve la adopción de productos Light Fidelity (Li-Fi).
• Un ejemplo de la conciencia asiática sobre la OWC es el consorcio de comunicación de luz visible VLCC en Japón, establecido en 2007 con el fin de realizar un sistema de telecomunicaciones seguro y ubicuo que utilice luz visible a través de actividades de investigación de mercado, promoción y estandarización.
• En los EE. UU. existen varias iniciativas de OWC, incluido el "Smart Lighting Engineering Research Center", fundado en 2008 por la National Science Foundation (NSF), una asociación del Instituto Politécnico Rensselaer (institución líder), la Universidad de Boston y la Universidad de Nuevo México . Los socios de divulgación son la Universidad Howard , la Universidad Estatal Morgan y el Instituto de Tecnología Rose-Hulman . ^[14]
• En julio de 2023, el IEEE lanzó 802.11bb , creando un estándar para redes ópticas de línea de visión en la banda de 800 a 1000 nm.

• Daukantas, Patricia (marzo de 2014). "Comunicaciones inalámbricas ópticas: el nuevo punto caliente" (PDF) . Noticias de óptica y fotónica . 25 (3): 34–41. Bibcode :2014OptPN..25...34D. doi :10.1364/OPN.25.3.000034.
• Arnon, Shlomi; et al., eds. (2012). Sistemas avanzados de comunicación inalámbrica óptica (1.ª ed.). Cambridge: Cambridge University Press. doi :10.1017/CBO9780511979187. ISBN 9780511979187.
• Ghassemlooy, Z.; Popoola, W.; Rajbhandari, S. (2012). Comunicaciones inalámbricas ópticas: modelado de sistemas y canales con MATLAB (1.ª ed.). Boca Raton, FL: CRC Press, Inc. ISBN 9781439851883.