Vivemos na era da informação em que a Internet é um direito humano básico. Não foi fácil chegar ao nível de desenvolvimento atual, mas conseguimos, e agora as tecnologias nos permitem viver naquele futuro, que até há pouco era revelado apenas nas páginas dos livros. É claro que as tecnologias não apareceram de repente, algumas delas têm raízes em um passado distante.
Uma dessas tecnologias é a comunicação óptica. Tem sido usado desde a antiguidade. Mas agora temos rodovias subaquáticas, sistemas de laser de satélite e muito mais. Vamos dar uma olhada em como a comunicação óptica evoluiu ao longo do tempo.
Semáforos e heliografias
O fato de que a velocidade da luz é muito maior do que a velocidade do som, as pessoas entenderam há muito tempo. E eles começaram a aplicar esse conhecimento na prática. Estamos falando de sinais de luz que eram usados ativamente, por exemplo, na Grécia Antiga. Claro, eles adivinharam usar a luz e outras civilizações, mas entre os gregos, tudo isso era especialmente bem desenvolvido.
Telégrafo gráfico - reconstrução de um museu em Thessaloniki, Grécia
Os gregos construíram um sistema conhecido como Frictoria. Estas são torres no topo das montanhas. Os guardas das torres acenderam fogueiras em cadeia, que eram bem visíveis a uma distância de até 50 km. Assim, a mensagem enviada foi para o ponto desejado muito rapidamente. Algumas fontes chegam a dizer que foi assim que a mensagem sobre a captura de Tróia se espalhou pela Grécia.
Foram os gregos que criaram um código especial para sinais luminosos. As torres tinham dois grupos de 5 tochas cada. Cada um deles representa um elemento do quadrado de Políbio . Consequentemente, a mudança da localização dos elementos nesta matriz tornou possível codificar e transmitir uma variedade de mensagens. Outra opção é o telégrafo hidráulico, que foi usado durante a Primeira Guerra Púnica para enviar mensagens entre a Sicília e Cartago.
Aqui está o que a Wikipedia diz sobre este telégrafo: “Diferentes códigos predefinidos foram aplicados às hastes em diferentes pontos de altura. Para enviar uma mensagem, o operador de envio usará uma lanterna para sinalizar o operador de recebimento; uma vez sincronizados, eles abrirão simultaneamente os bocais no fundo de seus recipientes. A água será drenada até que o nível de água atinja o valor desejado, após o que o remetente abaixa a tocha e os operadores simultaneamente fecham as torneiras. Assim, a duração da visibilidade da tocha do remetente pode ser correlacionada com códigos e mensagens predefinidas específicas. "
Os semáforos foram usados muito mais tarde. No século 18 foi criadooutro tipo de telégrafo óptico, cuja rede se espalhou mais tarde por toda a França. Foi a rede de comunicações militares.
Um elemento separado do sistema é uma torre com postes móveis. Foi desenvolvido um “alfabeto” onde cada letra tinha uma posição específica para os pólos. A primeira linha de telégrafo óptico foi construída entre Paris e Lille. A posição dos postes foi alterada em 196 posições diferentes - de forma que foi possível representar não apenas letras, mas também palavras individuais. Cada estação era atendida por dois funcionários. Um observava a torre vizinha e seus postes, o segundo copiava a posição dos postes do vizinho e assim ao longo da cadeia. O problema com este sistema era que funcionava apenas durante o dia e apenas em condições meteorológicas relativamente boas. Nuvens, chuva, escuridão - tudo isso impediu o trabalho dos semáforos.
Mas durante o dia e com bom tempo, o sistema funcionou perfeitamente. A taxa de transferência de dados é de cerca de 2-3 caracteres por minuto entre estações vizinhas. De Paris a Lille, um personagem chega em cerca de dois minutos, ou seja, 230 km. Para aquela época, era apenas um sonho.
Os sistemas baseados em um ou outro sinal foram amplamente utilizados nos séculos 19 e 20, especialmente em tempos de guerra. Desde a invenção do código Morse, as coisas foram simplificadas muitas vezes.
Invenção de Bell
Existem muitos projetos DIY onde o sinal de áudio é transmitido usando um laser. Não é tão difícil construir tal sistema. Mas todos esses projetos são baseados na ideia de Alexander Bell, que em 1880 criou um "fotofone". O principal transportador de informações nele é a luz, não um laser, é claro, mas a luz solar. Ao mesmo tempo, foi o fotofone que Bell considerou sua invenção mais importante, e não o telefone.
A ação deste dispositivo baseia-se na propriedade do selênio de alterar sua condutividade elétrica quando exposto à luz solar. Eles são refletidos no espelho, que, por sua vez, vibra sob a influência do som. O receptor de sinal aqui é apenas células de selênio cristalinas. O espelho modulou o feixe de luz focalizando ou espalhando a luz de uma fonte. Bell e um parceiro criaram uma configuração de teste que ajudou a transmitir o sinal a uma distância de cerca de 213 metros.
Mas, é claro, esse dispositivo tinha um grande número de desvantagens, incluindo a capacidade de funcionar apenas com tempo claro e a uma distância relativamente curta. Mas seja como for, a invenção de Bell é considerada a precursora das linhas de fibra óptica modernas.
E então - fibra de vidro
Se excluirmos alguns projetos militares, as telecomunicações no século 20 foram implementadas usando cabos coaxiais e radiação com uma frequência de 1-10 GHz. Assim era até o advento da fibra ótica na década de 70 do século passado. Muito rapidamente, tornou-se o principal canal de comunicação com uma grande largura de banda.
A fibra tornou-se a resposta aos desafios das comunicações coaxiais. Sua principal desvantagem é que o sinal precisa ser amplificado a cada quilômetro ou mais para compensar as perdas de transmissão. Em comunicações de radiofrequência (RF) sem fio, o espaçamento do repetidor pode ser muito maior, mas em ambos os casos a largura de banda é limitada a ~ 100 Mbps devido à "baixa" frequência portadora de RF.
A fibra óptica resolveu todos esses problemas. E depois de alguns anos, a fibra óptica se tornou o que é hoje. Então, em 1977, a General Telephone and Electronics (agora GTE Corporation) enviou o primeiro tráfego telefônico direto do mundo por um sistema de fibra óptica a uma velocidade de 6 Mbps. Hoje, a rede mundial de fibra óptica tem mais de 400 milhões de quilômetros, quase três vezes a distância do sol.
As comunicações de fibra óptica foram aprimoradas com técnicas de multiplexação, incluindo multiplexação de comprimento de onda, multiplexação por divisão de tempo ou multiplexação por divisão espacial. Em laboratório, a combinação desses métodos tem apresentado excelentes resultados - os dados foram transferidos a uma velocidade de 11 Pbit / s, com perda de apenas 5% por quilômetro. Os repetidores são instalados a cada 80 km, o que é muito melhor do que no caso do cabo coaxial.
Internet a partir de uma lâmpada
Além da fibra, existem outros métodos de transmissão de dados em alta velocidade e sem cabos. Esta é a comunicação óptica sem fio como ela é. LiFi é uma tecnologia de comunicação sem fio bidirecional de alta velocidade.
É verdade que esse método requer uma lâmpada LED, não uma lâmpada incandescente. É claro que a tecnologia funciona apenas na linha de visão, e quanto mais longe do ponto de transferência de dados, pior a conexão.
Uma das primeiras ilustrações para explicar como funciona o sistema. Aqui, como podemos ver, handhelds em vez de smartphones
Para LiFi, um protocolo proprietário foi desenvolvido, IEEE 802.15.7, que define três camadas físicas (PHY) com diferentes larguras de banda:
- PHY I foi projetado para uso externo e opera em velocidades de 11,67 Kbps a 267,6 Kbps.
- O PHY II permite que taxas de dados de 1,25 Mbps a 96 Mbps sejam alcançadas.
- PHY III é projetado para fontes múltiplas com um método de modulação específico: Color Shift Keyring (CSK), que pode ser traduzido como Wavelength Shift Keying. PHY III pode atingir velocidades de 12 Mbps a 96 Mbps.
A tecnologia não tem recebido muita distribuição, mas é utilizada em alguns lugares. Basicamente, estamos falando de sistemas industriais, em locais com forte interferência eletromagnética, onde quase qualquer comunicação de rádio é impossível ou difícil.
E a comunicação óptica de longa distância e sem fio?
Infelizmente, não há muito do que se gabar aqui. Muitas empresas começaram a testar a tecnologia de transmissão de dados usando lasers ou outros sistemas ópticos. Mas, via de regra, esses testes não iam além do laboratório ou local de teste.
Por exemplo, no ano passado, os desenvolvedores da Alphabet construíram uma rede sem fio experimental no Quênia que usa luz. Isso não é fibra óptica, a base do sistema é um feixe de luz, que é focado em um ponto remoto de recepção - uma estação receptora.
O projeto foi denominado Projeto Taara . No decurso da sua implementação, foi possível realizar a transmissão de dados a uma distância de cerca de 20 km sem implantar uma infraestrutura cabeada. Os testes mostraram um bom resultado. Mas, apesar disso, o projeto foi então decidido por encerrar.
O mesmo pode ser dito para o segundo projeto da mesma empresa, Loon. Durante vários anos este projeto foi desenvolvido, mas há apenas algumas semanas decidiram fechá-lo.
Existem projetos menores que foram implementados. Por exemplo, a Koruza oferece comunicação a laser a uma velocidade de cerca de 10 Gbps, mas a distância não excede 150 m. Em alguns casos, os provedores de Internet usam transmissores de laser para fornecer recursos de comunicação remotos do backbone principal. Às vezes, os usuários também criam esses sistemas - mas esses sistemas não são muito comuns.
Além disso, no início do ano, Elon Musk disse que os satélites Starlink foram equipados com comunicações a laser para cobrir as regiões polares. E em um ano, todos os satélites Starlink que forem colocados em órbita serão equipados com comunicações a laser.
Graças ao tipo adicional de comunicação, os residentes do Alasca também receberão acesso de banda larga à Internet, conforme a empresa descreveu em seu pedido à FCC.
Os lasers permitem que os satélites se mantenham em contato não apenas com as estações terrestres, mas também entre si, e não importa onde o "colega" esteja - no mesmo plano orbital, ou em um vizinho. Dessa forma, a operadora poderá minimizar o número de estações terrestres, ampliando a área de cobertura de regiões remotas onde não existem estações terrestres. Além disso, a latência é reduzida à medida que o número de intermediários entre os satélites e as estações terrestres diminui.
