nertracdiciniai optinio ryšio taikymai...2016-04-05 1 1 nertracdiciniai optinio ryšio taikymai...
TRANSCRIPT
2016-04-05
1
1
Nertracdiciniai optinio ryšio taikymai
Šiandien apžvelgsime keletą netradicinių optinio ryšio taikymų:
Patalpų apšvietimo optinis tinklas.
Galia ir signalas per šviesolaidį.
Kosminis liftas.
2
Patalpų apšvietimo optinis tinklas.
Tarkime, kad norime patalpoje sukurti
“bevielį” ryšį kuris nekeltų trukdžių ir
nesąveikautų su kitomis patalpomis. Atrodo
galima sumontuoti kiekvienoje atskiroje
patalpoje po bevielį maršrutizatorių ir viskas
veiktų. Tačiau per didelis kiekis imtuvų ir
siųstuvų nedidelėje erdvėje tikrai būtų
problema. Reiktų arba platesnės dažnių
juostos arba lėtinti ryšį.
Gana originalus sprendimas yra “atviras”
optinis tinklas per patalpos apšvietimą.
Sprendžiamos kelios problemos. Galima
užtikrinti aukštą izoliavimą tarp patalpų.
Nereikia dalinti radijo kanalų. Galima taikyti
netgi ten, kur būtina radijo dažnio tyla.
2016-04-05
2
3
Patalpų apšvietimo optinis tinklas energetinis efektyvumas
Akivaizdu, kad įgyvendinus 8b/10b ar panašų protokolą (nėra
nuolatinės dedamosios) galima palaikyti nemirksinčią nuolatinę
moduliuotą šviesą. Atrodo viskas būtų gerai, nes net ir
papildomos energijos signalui perduoti nereikia. Panaudojama ta
energija kuri šiaip ar taip būtų naudojama patalpai apšviesti.
Tačiau technologijos kūrėjai nutyli, kad moduliuoti signalą 500
MHz dažniu reikia gana daug energijos.
Alternatyvi idėja yra tiesiog spalvų atskyrimas. W-LED ir IR-
LED spektrai nepersikloja.
4
Spektrinės charakteristikos
Baltas LED LCW W5SN
IR fotodiodas SFH214FA
IR LED SFH4750
IR LED charakteristikos
2016-04-05
3
5
Patalpų apšvietimo optinis tinklas
Galimas ir dar “platesnis” variantas:
Ryšio signalas perduodamas maitinimo tinklo linijomis ir
iššviečiamas patalpos apšvietimo LED.
6
Patalpų apšvietimo optinis tinklas
Tyrėjai prognozuoja, kad numalšinus aukšto dažnio atspindžius
maitinimo linijose sumontavus banginę varžą suderinančias
apkrovas galima pasiekti iki 1 Gb/s perduodamų duomenų srautą.
Man pačiam tai atrodo mažai tikėtina.
2016-04-05
4
7
Patalpų apšvietimo optinis tinklas Patalpos modelis sukurtas remiantis prielaida, kad patalpa tolygiai
apšviesta keleto šaltinių. Prognozės taip pat itin optimistinės – netgi
antriniai atspindžiai nesutrukdytų pasiekti to paties 1 Gb/s pralaidumo.
Kas žino, gal taip ir bus?
8
Patalpų apšvietimo optinis tinklas
Galima apibendrinti, kad toks sprendimas patrauklus nes:
• Galima perduoti signalą visiems patalpoje esantiems multimedia
įrenginiams
• Nėra radijo užterštumo
• Signalui perduoti naudojama energija kuri ir šiaip būtų panaudota
patalpos apšvietimui
Nepatrauklu nes:
• Neveiks jei išjungta šviesa
• Netinka miegamosioms patalpoms
• Energijos sąnaudų mažinimas tik deklaratyvus
• Kelių amperų srovės šaltiniai bus kartu ir stiprūs RF šaltiniai –
nėra radijo tylos nebent specialiai ekranuojama, tačiau nėra ir
sąveikos per RF
Tinka tik sandėliuose arba specialiuose gamybos procesuose
kur RF tyla būtina. Vis dėlto IR kanalo įrengimas būtų
patrauklesnis.
2016-04-05
5
9
Galia ir signalas per šviesolaidį
Yra nemažai taikymų kur reikia rinkti informaciją tačiau visai nesinori tiesti
maitinimo kabelių.
Tokie taikymai būtų:
Stebėjimo kameros ant aukštų pastatų
Stebėjimo kameros po vandeniu – gręžinių priežiūra
Atmosferos stebėjimo stočių duomenų surinkimas
Pavojingos aplinkos davikliai
Aukšto įtampos davikliai (500kV).
Pagrindinės kylančios problemos
tokiems uždaviniams yra
žalingas aplinkos poveikis
elektros tiekimo tinklams: didelis
slėgis, žaibavimas, korozija ir kt.
10
Galia ir signalas per šviesolaidį
Idėja yra paprasta – viename šviesolaidžio gale pastatyti lazerinį
diodą (~800 nm) ir imtuvą (pvz. 1300 nm), o kitame saulės bateriją
ir visą įrenginį su siųstuvu (pvz. 1300 nm).
Matėme, kad net 670 nm bangos ilgiu daugiamodžiu
šviesolaidžiu galima perduoti ~100 Mb/s. Uždavinys tinkamas net ir
didelės spartos uždaviniams tokiems kaip vaizdo kameros.
Laser810 nm
Solarpanell
Photo d.1300 nm
Laser d.1300 nm
PowerPower
Data
Data
2016-04-05
6
11
Galia ir signalas per šviesolaidį
Uždavinys nesunkiai sprendžiamas jei reikiama galia yra
nedidelė. Pavyzdžiui, optinių tinklų priežiūros elementai “vagia”
dalį energijos iš perduodamo signalo, bet ji itin maža ~μW.
Sudėtinga yra perduoti didelę elektrinę galią. Visų pirma
fotoelementų našumas yra viso labo ~40%. Viska kitka virsta
šiluma. Optimistiškai elektrinis našumas ~20-30%.
Kuo didesnę galią reikia perduoti tuo sudėtingiau yra izoliuoti
informacijos kanalo elementus. Pvz. jei optinė galia yra 2W (tai
nėra labai daug) tai FD gali nepriimti tinkamai signalo jei grįžta
galios signalo atspindys. Siuntimo lazeris gali taip pat sudegti jei
izoliavimas prastesnis nei –16dB.
Laser810 nm
Solarpanell
Photo d.1300 nm
Laser d.1300 nm
PowerPower
Data
Data
12
Galia ir signalas per šviesolaidį
Vaizdo kamera kurios maitinimas ir signalas per šviesolaidį.
2016-04-05
7
13
Galia ir signalas per šviesolaidį
Galia transformuojama 1mm
diametro GaAs fotoelementu.
Didžiausia problema yra ataušinti
puslaidininkį.
14
Galia ir signalas per šviesolaidį Applications
• Fiber power delivery is simpler, easier to install, immune to lightning strikes,
electromagnetic interference (in cellphone base stations, or in pacemakers) and
avoids transformer hazards such as oil spills and explosions.
• Safety is also a critical advantage of photonic power in mines and other
environments where explosive gases can accumulate, and a single spark can
bring disaster.
• The main uses of photonic power delivery are for sensors in environments
where electrical transmission is difficult or impossible.
• This method of transferring power can be highly advantageous in situations
where sparks or shorts can be a fatal problem.
• Photonic power transmission is also valuable in magnetic resonance imaging,
which exposes equipment to very high magnetic fields that cause problems with
electrical systems. Fiber transmission can withstand higher voltages, important
because they can improve resolution.
• Fiber can connect to sensitive instruments measuring electromagnetic
emission of consumer equipment during verification of compliance with emission
standards.
Drawback: safety !!! and price.
2016-04-05
8
15
Kosminis liftas – Space elevator
Jei galima perduoti energiją šviesolaidžiu tai gal galima jos
perduoti labai daug? O gal net nereikia šviesolaidžio?
Kosminio lifto idėja atėjo iš mokslinės fantastikos. Jos autorius
“1895 when Russian scientist Konstantin Tsiolkovsky was inspired
by the Eiffel Tower in Paris”, bet žinau, kad niekas rimtai į ją
nežiūrėjo. Tikslas buvo pastatyti tikrą elektrinį liftą jungiantį orbitoje
įtempiantį palydovą ar net jungtį į Mėnulį, kuri praeinama maždaug
kartą per dieną.
16
Kosminis liftas
Tačiau netikėtai idėja buvo atgaivinta, nes pasirodė jog galima
spręsti kelias nerealias ankstyvas idėjas.
Visų pirma pati idėja yra nenešti kuro su savimi iš paskos į
kosmosą. Nutiesti tempiančius kabelius ar elektros kabelius į viršų
yra nerealu.
Sukūrus lazerius ir saulės baterijas buvo pasiūlyta transportuoti
energiją ne laidais, bet besvore šviesa.
Liko pagrindinė problema – kopėčios. Sako, kad teoriškai šią
problemą galima išspręsti teoriškais anglies nanodarinių pluoštais.
2016-04-05
9
17
Kosminis liftas – viskas detalėse
18
Kas gi vyksta? Kažkada buvo paskelbti atviri konkursai asmeninei iniciatyvai
pakilti į kosmosą bei sukurti savaeiges transporto priemones.
Abu šie projektai, atrodę tokie beprotiški, jau įgyvendinti!
Buvo paskelbtas projektas ir kosmoso liftui. Jis tebevyksta. Yra
trys užduotys: 1) lipimo greitis 2 m/s (pasiekta) – 1 M$; 2) lipimo
greitis 5 m/s (2 M$ įvyko pakeitus sąlygas); 3) kabelis - 5 M$ -
kol kas nėra konkursantų.
Brian Turner, left, and Dan Leafblad preparing the KC Space Pirates
robotic climber for its run in the $2 million Space Elevator Games at the
NASA Dryden Flight Research Center. Picture: AP Source: AP Read more: http://www.news.com.au/technology/laser-powered-space-elevators-compete-for-nasa-prize-in-mojave-
desert/story-e6frfro0-1225794707528#ixzz1fmUQLwkD
2016-04-05
10
19
Pasiekimai Each competitor uses a strong laser – or "power beam" – to
send energy to a solar panel on the elevator platform, giving it
enough juice to climb a 1km cable.
The challenge is for the platform to climb the cable, stretched
between the ground and a helicopter in the sky, at a rate of 5m
per second.
No-one has completed this challenge for the past three years.
Space elevators pose an engineering problem, experts say, as
the theoretical model relies on a tethering cable that needs to be
150 times stronger than steel.
http://www.spaceelevatorgames.org/
This pictures says it all – LaserMotive
won the level 1 ($900 k) bracket for
driving a vehicle using power beaming
to a height of 1 km at more than 2 m/s.
Their average speed was about 4 m/s,
and they were clearly ahead of the
competition
To the winners, the spoils!
20
Pasiekimai
2016-04-05
11
21
Pasiekimai
Rimčiausia problema yra pagaminti “kabelį” junginatį Žemę ir
dangų. Užėję į konkurso tinklapį pamatysite, kad rezultatai
kasmet gerėja ir po kiek laiko galime tikėtis pamatyti medžiagą
tinkamą sujungimui.
22
Pasiekimai
The team envisages assembling the structure from a series of
modules constructed from Kevlar-polyethylene composite tubes
made rigid by inflating them with a lightweight gas such as
helium. To test the idea, they built a 7-metre scale model made
up of six modules (see image).
2016-04-05
12
23
Problemos autorių akimis: Supported by the NASA Institute for Advanced Concepts,
Edwards' work was expanded to cover the deployment scenario,
climber design, power delivery system, orbital debris avoidance,
anchor system, surviving atomic oxygen, avoiding lightning and
hurricanes by locating the anchor in the western equatorial
Pacific, construction costs, construction schedule, and
environmental hazards. wikipedia