Лазерные коммуникации на примере технологий Facebook
/ фото NASA Goddard Space Flight Center CC
В нашем блоге на Хабре мы поднимаем самые разные темы, например, на прошлой неделе мы обсуждали проблему сверхурочной работы разработчиков, а парой дней ранее рассказывали о деревьях поведения.
В нашем сегодняшнем материале мы бы хотели затронуть тему коммуникаций и поговорить о том, что такое атмосферная оптическая связь, почему она так интересна исследовательской группе Facebook и каких успехов компания добилась в этой области.
Facebook — уже давно не просто социальная сеть. Основные усилия компании сосредоточены на реализации проектов в рамках инициативы Internet.org, которую одни считают величайшей миссией по объединению мира, а другие — жестко критикуют. Так или иначе, попытка связать мир воедино привела к ряду научных открытий и технических разработок, особенно в сфере лазерных коммуникаций.
На данный момент без интернета обходится примерно 4 млрд человек, из которых 1,6 млрд проживают в удаленных уголках планеты. И если оптоволоконное соединение теперь является стандартом для высокоскоростной проводной связи, то в основе беспроводного подключения к Сети до сих пор лежат радиоволны. Ограниченность спектра этих волн не позволяет передавать данные на скорости, сравнимой с проводными соединениями, и поэтому не совсем подходит для «подключения» всего мира.
Свои решения сложившейся проблемы предлагают крупнейшие ИТ-компании мира: Google запускает воздушные шары в рамках проекта Loon, а SpaceX разрабатывает свою спутниковую сеть.
Ряд своих разработок также представила и протестировала команда из лаборатории Connectivity Lab, принадлежащей Facebook. В частности, совсем недавно свой первый полет совершил беспилотный летательный аппарат Aquila, соединение с которым поддерживается с помощью атмосферной оптической связи [англ. Free Space Optics Communication, FSO].
Как работает FSOОсобенность передачи любого сигнала с высоты состоит в том, что, если мы начнем эту высоту увеличивать, оставляя неизменными остальные параметры, сигнал покроет больше площади, но в то же время станет слабее. Мощность радиосигнала, в частности, уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
Если брать вышки сотовой связи, то они передают достаточно сильный сигнал на относительно небольших площадях — отличный вариант для регионов с высокой плотностью населения. Со средне- и малонаселенными областями дело обстоит сложнее, так как здесь требуется покрыть больше площади.
К примеру, самолет, находящийся на большой высоте и покрывающий область радиусом 50 километров, будет излучать достаточно слабый сигнал. Сигнал от спутника, рассчитанного на покрытие целого континента, будет вовсе незаметен. Ставить усилитель также бессмысленно, поскольку радиосвязь быстро ослабевает, и ей требуется большой объем мощности. Эти проблемы как раз призвана решить FSO-связь.
Атмосферная оптическая связь основана на передаче видимого света и инфракрасного излучения. Лазер, который используется в системах FSO, имеет высокую мощность, сравнимую с оптоволоконной передачей, и при этом потребляет меньше энергии, чем радиорелейные системы. К тому же, другие системы коммуникации, основанные преимущественно на радиосвязи, не создают помехи для лазерных лучей, так как видимый и инфракрасный свет находятся в другой части спектра. Поэтому остается только направить лазер на заранее установленный приемник.
Технология фиксированной оптической связи активно используется для передачи сигналов между зданиями, когда это нельзя сделать напрямую, и внутри помещений, где невозможна или нежелательна прокладка кабеля (например, памятники архитектуры).
«Мобильное» же использование FSO ограничивается высокими требованиями к точности сигнала. Это все равно что целиться лазером в монету с расстояния 15 километров. Дополнительно к такой системе FSO предъявляются следующие требования:
- Высокое расположение системы в атмосфере, чтобы свести к минимуму влияние ветра и других погодных условий;
- Возможность регулярного контроля над системой (в отличие, например, от шаров Google);
- Конструкция, с одной стороны, должна быть не слишком громоздкой, чтобы расходовать минимум энергии, а с другой — обладать все необходимым для получения энергии от Солнца.
Разработки Facebook
Одним из технологических решений, удовлетворяющих этим требованиям, является высотный летательный аппарат Aquila. Размах его крыльев сопоставим с размахом Боинга-737, а масса составляет всего 450 килограммов. Его корпус изготовлен из углеродного волокна, которое легко подвергается изменениям до затвердения, после чего становится прочнее стали.
Летательный аппарат способен поддерживать высоту не ниже 18 тыс. километров над землей в течение нескольких месяцев. Там он не мешает движению воздушного транспорта. Днем беспилотник будет подниматься до 27 тыс. километров, чтобы зарядить солнечные батареи, а ночью — опускаться до 18 тыс., чтобы сохранить запасы энергии, набирая скорость за счет гравитационного притяжения. Acuila сможет раздавать интернет в радиусе 50 километров, транслируя сигнал на небольшие вышки или антенны. Эти вышки уже преобразуют его в LTE или Wi-Fi.
Первое испытание Aquila, проведенное 28 июня, оказалось успешным: летательный аппарат достиг скорости 40 километров в час на высоте более 600 метров. По словам главы Facebook Марка Цукерберга, задачей беспилотника было продержаться в воздухе 30 минут, но все прошло настолько удачно, что время решено было увеличить до 96 минут.
Первые прототипы снабжаются обычным аккумулятором, но в дальнейшем их сменят солнечные батареи, которые должны будут накапливать в день около 5 000 ватт. Команде инженеров и ученых предстоит еще много работы по оптимизации бортовых систем питания и связи, чтобы сделать использование Aquila экономически оправданным.
На проектирование, сборку и запуск первого прототипа ушло чуть больше года. Итоговую модель беспилотника планируется изготовить и испытать в ближайшие 2–3 года.
Чтобы обеспечить связь с подобными летательными аппаратами или спутниками, требуется качественное и быстрое соединение. Совсем недавно были опубликованы результаты исследования команды Connectivity Lab, разработавшей новый люминесцентный детектор, который может на несколько порядков увеличить пропускную способность лазерной системы связи.
Небольшой оптический детектор состоит из простейших элементов — люминесцентных концентраторов, изготовленных из материалов, позволяющих менять длину волны, и фотодиода для приема лазерного луча. Принцип его работы состоит в том, что специальное волокно, из которого изготовлен детектор, принимает лазерный луч синего цвета. После этого, проходя через определенный слой волокна, цвет луча меняется на зеленый и передается на фотодиоды принимающего устройства.
Стоит отметить, что люминесцентные элементы нового оптического детектора, имеющие узкий спектр поглощения и излучения, порождают мультиплексирование — возможность передавать несколько потоков данных в одном канале. Эта возможность актуальна при передаче видимого излучения, особенно внутри помещений.
Схема работы люминесцентного детектора / из статьи Connectivity Lab
Конечно, можно было увеличить площадь фотодиодов, но, опять же, они работали бы медленнее и скорость соединения была бы ниже. Поэтому использование люминесцентного детектора в качестве проводника между передающим сигнал лазером и принимающим этот сигнал фотодиодом может в итоге стать незаменимым решением.
В настоящий момент ученые разрабатывают прототипы люминесцентных детекторов, чтобы продемонстрировать их преимущества на практике. Замена дорогостоящих оптических элементов на такие устройства должна стать простым, эффективным и экономичным решением, которое будет применяться для ускоренной передачи данных со спутников и беспилотников, а также в наземных системах связи, например, в рамках проектов Telegraph и Project ARIES, также реализуемых Facebook.
При этом технологию ждет ряд улучшений с технической стороны. В частности, используемые в модели детектора фотоматериалы не оптимизированы для высокоскоростной передачи данных. В связи с этим интерес ученых направлен на изучение материалов, поглощающих лучи с длиной волны более 1400 нанометров, которые безопасны для глаз и рассчитаны на более высокую мощность.
ЗаключениеТаким образом, у системы, состоящей как минимум из набора беспилотников для передачи данных и люминесцентных детекторов для увеличения скорости соединения, есть все шансы на то, чтобы исполнить миссию по доставке интернета в труднодоступные точки планеты.
Но предстоит еще много работы — большинство проектов находится в стадии тестирования. Беспилотник Aquila пока не готов к длительным полетам, а люминесцентные детекторы являются лишь задумкой. В качестве промежуточного решения было предложено совместить системы FSO и радиосвязи.
За счет сочетания возможностей инфракрасных систем при работе в условиях сильного дождя и радиосистем в условиях сильных туманов появилась возможность создавать гигабитные беспроводные соединения на дистанциях до 3 километров с доступностью 99,999%. Так или иначе, при благоприятном развитии событий систему лазерной коммуникации от Facebook в действии мы сможем увидеть лишь через несколько лет.
P.S. Интересные материалы из нашего блога:
- Unboxing серверов Cisco UCS M4308
- Облако IaaS в условиях гиперконвергированной инфраструктуры
- Как справиться с пиковыми нагрузками при помощи IaaS
- ЦОД IaaS-провайдера: облачная платформа «ИТ-ГРАД» в SDN
- Palo Alto Networks серии VM и VMware NSX: кейс конфигурации динамических политик безопасности
