/写真NASAゴダード宇宙飛行センター CC
Habréのブログでは、さまざまなトピックを取り上げています。たとえば、先週、開発者の時間外労働の問題について議論し 、数日前に行動ツリーについて話しました 。
今日の記事では、コミュニケーションのトピックに触れ、大気中の光通信とは何か、Facebookの研究グループにとってそれが非常に興味深い理由、およびこの分野で会社が達成した成功についてお話したいと思います。
Facebookはもはや単なるソーシャルネットワークではありません。 同社の主な取り組みは、Internet.orgイニシアチブの一部としてプロジェクトを実施することに焦点を当てています。一部のプロジェクトでは、世界を統一するという最大の使命を検討しています。 いずれにせよ、世界をつなぐ試みは、特にレーザー通信の分野で、多くの科学的発見と技術的発展をもたらしました。
現在、約40億人がインターネットなしで管理していますが、そのうち16億人は地球の遠隔地に住んでいます。 また、光ファイバ接続が高速有線通信の標準になった場合、電波は依然としてネットワークへの無線接続の基礎となります。 これらの波のスペクトルは限られているため、有線接続に匹敵する速度でデータを送信することはできないため、全世界の「接続」には完全に適していません。
世界最大のIT企業がこの問題に対するソリューションを提供しています。GoogleはLoonプロジェクトの一環として気球を打ち上げ、SpaceXは衛星ネットワークを開発しています。
Facebookが所有するコネクティビティラボのチームによって、多くの開発が提示され、テストされました。 特に、最近、Aquila無人航空機が最初の飛行を行いましたが、その接続は大気光通信によってサポートされています[eng。 Free Space5 Optics Communication、FSO]。
FSOの仕組み
高さから信号を送信する特性は、この高さを増加し始め、残りのパラメーターを変更しない場合、信号はより多くの領域をカバーしますが、同時に信号は弱くなることです。 特に、無線信号のパワーは、距離の2乗に比例して減少します。
セルタワーを使用すると、比較的狭いエリアでかなり強い信号を送信します。これは、人口密度の高い地域に最適なオプションです。 中程度の人口密度の低いエリアでは、ここでより多くのエリアが必要になるため、状況はより複雑になります。
たとえば、高度が高く、半径50キロメートルのエリアをカバーする航空機は、かなり弱い信号を発します。 大陸全体をカバーするように設計された衛星からの信号は、完全に見えなくなります。 また、無線通信は急速に弱まり、大量の電力を必要とするため、アンプを設置することは無意味です。 これらの問題は、FSO接続を解決するために正確に設計されています。
大気の光通信は、可視光と赤外線の伝送に基づいています。 FSOシステムで使用されるレーザーは、光ファイバー伝送に匹敵する高出力でありながら、マイクロ波リレーシステムよりも消費電力が少なくなります。 さらに、主に無線通信に基づく他の通信システムは、可視光と赤外光がスペクトルの別の部分にあるため、レーザービームと干渉しません。 したがって、事前にインストールされた受信機にレーザーを向けるだけです。
固定光通信の技術は、直接配線できない場合や、ケーブル敷設が不可能または望ましくない屋内（建築物など）の間で信号を伝送するために積極的に使用されています。
FSOの「モバイル」使用は、信号精度の高い要件によって制限されます。 それは、15キロメートルの距離でコインを狙うレーザーのようなものです。 このようなFSOシステムに加えて、次の要件が適用されます。
- 風やその他の気象条件の影響を最小限に抑えるための、大気中のシステムの高度な配置。
- システムを定期的に制御する可能性（たとえば、Googleボールとは異なります）。
- 設計は、一方では最小のエネルギーを消費するのに大きすぎてはならず、他方では太陽からエネルギーを受け取るのに必要なものすべてを備えているべきです。
Facebook開発
これらの要件を満たす技術的ソリューションの1つは、 Aquila高高度航空機です。 彼の翼の翼幅はボーイング737の幅に匹敵し、質量はわずか450キログラムです。 本体は炭素繊維でできており、硬化する前に容易に変化し、その後鋼よりも強くなります。
航空機は、数か月間、少なくとも地上18キロメートルの高さを維持できます。 そこでは、航空輸送の動きを妨げません。 日中はソーラーパネルを充電するためにドローンが27キロメートルまで上昇し、夜にはエネルギーの予備力を維持するために18メートルまで降下し、重力により加速します。 Acuilaは、半径50キロメートル以内でインターネットを配信し、信号を小さな塔またはアンテナにブロードキャストすることができます。 これらのタワーはすでにLTEまたはWi-Fiに変換しています。
6月28日に行われた最初のAquilaテストは成功しました 。航空機は600メートル以上の高度で時速40キロメートルの速度に達しました。 FacebookのヘッドMark Zuckerbergによると、ドローンの仕事は30分間空中に留まることでしたが、すべてが順調だったため、時間を96分に増やすことにしました。
最初のプロトタイプには従来のバッテリーが搭載されていますが、将来的には5,000ワットの容量のソーラーパネルに置き換えられます。 エンジニアと科学者のチームは、オンボードの電力と通信システムを最適化して、Aquilaを経済的に実行可能にするために、まだ多くの仕事をしています。
最初のプロトタイプの設計、組み立て、発売には1年以上かかりました。 ドローンの最終モデルは、今後2〜3年で製造およびテストされる予定です。
同様の航空機または衛星との通信を確保するには、高品質で高速な接続が必要です。 最近、コネクティビティラボチームによる、レーザー通信システムのスループットを数桁向上させることができる新しい発光検出器を開発した研究の結果が発表されました。
小さな光学検出器は、最も単純な要素で構成されています-波長を変更できる材料で作られた発光コンセントレータと、レーザービームを受信するためのフォトダイオード。 その動作原理は、検出器を構成する特殊なファイバーが青色レーザービームを受信することです。 その後、ファイバーの特定の層を通過すると、ビームの色が緑色に変わり、受信デバイスのフォトダイオードに送信されます。
狭い吸収スペクトルと発光スペクトルを持つ新しい光検出器の発光素子は、多重化、つまり1つのチャネルで複数のデータストリームを送信する能力を生じさせることに注意してください。 この機能は、特に屋内で可視光線を送信するときに関連します。
蛍光検出器の作業スキーム/ 記事 Connectivity Labから
もちろん、フォトダイオードの面積を増やすこともできましたが、やはり、動作が遅くなり、接続速度が遅くなります。 したがって、信号を送信するレーザーとこの信号を受信するフォトダイオードの間の導体として発光検出器を使用することは、最終的に不可欠なソリューションになります。
科学者は現在、蛍光検出器のプロトタイプを開発して 、実際の利点を実証しています。 高価な光学素子をそのようなデバイスに置き換えることは、衛星やドローンからの高速データ転送に使用されるシンプルで効果的で経済的なソリューションである必要があります。また、たとえばテレグラフおよびプロジェクトARIES プロジェクトの一部として、またFacebookによって実装される地上通信システムでも使用されます。
同時に、技術は技術面からの多くの改善を待っています。 特に、検出器モデルで使用される写真素材は、高速データ伝送用に最適化されていません。 この点に関して、科学者の関心は、目にとって安全で、より高い出力のために設計された1,400ナノメートルを超える波長の光線を吸収する材料を研究することを目的としています。
おわりに
したがって、接続速度を上げるためにデータと発光検出器を送信するための少なくとも1組のドローンで構成されるシステムは、地球の遠隔地にインターネットを配信するという使命を果たす可能性があります。
しかし、まだ多くの作業があります-ほとんどのプロジェクトはテスト段階です。 Aquila UAVはまだ長時間のフライトに対応していません。発光検出器は単なるアイデアです。 暫定的な解決策として、FSOと無線システムを組み合わせることが提案されました。
大雨で動作する赤外線システムと濃霧での無線システムの機能を組み合わせることにより、最大3 kmの距離でギガビットワイヤレス接続を99.999％の可用性で作成できます。 いずれにせよ、イベントが順調に進展しているため、Facebookのレーザー通信システムが数年のうちに動作しているのを見ることができます。
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