Wir leben in einem Informationszeitalter, in dem das Internet ein grundlegendes Menschenrecht ist. Es war nicht einfach, den aktuellen Entwicklungsstand zu erreichen, aber wir waren in der Lage, und jetzt ermöglichen uns Technologien, in dieser Zukunft zu leben, die bis vor kurzem nur auf den Seiten von Büchern enthüllt wurde. Es ist klar, dass Technologien nicht plötzlich aufgetaucht sind, einige von ihnen sind in der fernen Vergangenheit verwurzelt.
Eine dieser Technologien ist die optische Kommunikation. Es wurde seit der Antike verwendet. Aber jetzt haben wir Unterwasserautobahnen, Satellitenlasersysteme und vieles mehr. Lassen Sie uns einen Blick darauf werfen, wie sich die optische Kommunikation im Laufe der Zeit entwickelt hat.
Semaphoren und Heliographen
Die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit viel größer ist als die Schallgeschwindigkeit, haben die Menschen vor langer Zeit verstanden. Und sie begannen, dieses Wissen in die Praxis umzusetzen. Wir sprechen von Lichtsignalen, die beispielsweise im antiken Griechenland aktiv genutzt wurden. Natürlich vermuteten sie, Licht und andere Zivilisationen zu verwenden, aber unter den Griechen war dies alles besonders gut entwickelt.
Grafischer Telegraph - Rekonstruktion aus einem Museum in Thessaloniki, Griechenland
Die Griechen bauten ein System namens Frictoria. Dies sind Türme auf den Gipfeln der Berge. Die Wachen an den Türmen entzündeten Feuer in einer Kette, die in einer Entfernung von bis zu 50 km deutlich sichtbar waren. Dementsprechend ging die gesendete Nachricht sehr schnell zum gewünschten Punkt. Einige Quellen sagen sogar, dass sich auf diese Weise die Botschaft über die Eroberung Trojas in ganz Griechenland verbreitete.
Es waren die Griechen, die einen speziellen Code für Lichtsignale entwickelten. Die Türme hatten zwei Gruppen mit jeweils 5 Fackeln. Jeder von ihnen repräsentiert ein Element des Polybius-Quadrats . Dementsprechend ermöglichte das Ändern der Position der Elemente in dieser Matrix das Codieren und Übertragen einer Vielzahl von Nachrichten. Eine weitere Option ist der hydraulische Telegraph, mit dem während des Ersten Punischen Krieges Nachrichten zwischen Sizilien und Karthago gesendet wurden.
Über diesen Telegraphen sagt Wikipedia Folgendes: „An verschiedenen Stellen in der Höhe wurden verschiedene vordefinierte Codes auf die Stangen angewendet. Um eine Nachricht zu senden, verwendet der sendende Bediener eine Taschenlampe, um den empfangenden Bediener zu signalisieren. Sobald sie synchronisiert sind, öffnen sie gleichzeitig die Düsen am Boden ihrer Behälter. Das Wasser läuft ab, bis der Wasserstand den gewünschten Wert erreicht hat. Danach senkt der Sender den Brenner und die Bediener schließen gleichzeitig ihre Wasserhähne. Somit kann die Dauer der Sichtbarkeit der Taschenlampe des Absenders mit bestimmten vordefinierten Codes und Nachrichten korreliert werden. "
Semaphoren wurden viel später verwendet. Im 18. Jahrhundert wurde geschaffeneine andere Art von optischem Telegraphen, dessen Netzwerk später in ganz Frankreich verbreitet wurde. Es war das militärische Kommunikationsnetz.
Ein separates Element des Systems ist ein Turm mit beweglichen Stangen. Es wurde ein "Alphabet" entwickelt, bei dem jeder Buchstabe eine bestimmte Position für die Pole hatte. Die erste optische Telegraphenlinie wurde zwischen Paris und Lille gebaut. Die Position der Pole wurde mit 196 verschiedenen Positionen geändert, so dass nicht nur Buchstaben, sondern auch einzelne Wörter dargestellt werden konnten. Jede Station wurde von zwei Mitarbeitern bedient. Einer beobachtete den benachbarten Turm und seine Pole, der zweite kopierte die Position der Pole des Nachbarn und so weiter entlang der Kette. Das Problem mit diesem System war, dass es nur bei Tageslicht und nur bei relativ guten Wetterbedingungen funktionierte. Wolken, Regen, Dunkelheit - all dies stoppte die Arbeit der Semaphoren.
Aber bei Tageslicht und bei gutem Wetter funktionierte das System einwandfrei. Die Datenübertragungsrate zwischen benachbarten Stationen beträgt ca. 2-3 Zeichen pro Minute. Von Paris nach Lille erreichte ein Charakter in etwa zwei Minuten 230 km. Für diese Zeit war es nur ein Traum.
Systeme, die auf dem einen oder anderen Signal basieren, waren im 19. und 20. Jahrhundert weit verbreitet, insbesondere in Kriegszeiten. Seit der Erfindung des Morsecodes wurden die Dinge um ein Vielfaches vereinfacht.
Bell Erfindung
Es gibt mittlerweile viele DIY-Projekte, bei denen das Audiosignal mit einem Laser übertragen wird. Es ist nicht so schwierig, ein solches System aufzubauen. Alle diese Projekte basieren jedoch auf der Idee von Alexander Bell, der 1880 ein "Fotophon" schuf. Der Hauptinformationsträger darin ist Licht, natürlich kein Laser, sondern Sonnenlicht. Gleichzeitig war es das Fotophon, das Bell als seine wichtigste Erfindung betrachtete, und nicht das Telefon.
Die Wirkung dieses Geräts basiert auf der Eigenschaft von Selen, seine elektrische Leitfähigkeit zu ändern, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird. Sie werden vom Spiegel reflektiert, der wiederum unter dem Einfluss von Schall vibriert. Der Signalempfänger besteht hier nur aus kristallinen Selenzellen. Der Spiegel modulierte den Lichtstrahl durch Fokussieren oder Streuen von Licht von einer Quelle. Bell und ein Partner erstellten einen Testaufbau, mit dessen Hilfe das Signal über eine Entfernung von etwa 213 Metern übertragen werden konnte.
Aber natürlich hatte dieses Gerät eine Vielzahl von Nachteilen, einschließlich der Fähigkeit, nur bei klarem Wetter und in relativ kurzer Entfernung zu arbeiten. Wie dem auch sei, die Erfindung von Bell gilt als Vorläufer moderner Glasfaserleitungen.
Und dann - Glasfaser
Wenn wir einige militärische Projekte ausschließen, wurde die Telekommunikation im 20. Jahrhundert mit Koaxialkabeln und Strahlung mit einer Frequenz von 1-10 GHz implementiert. So war es bis zum Aufkommen der Glasfaser in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts. Sehr schnell wurde es zum Hauptkommunikationskanal mit einer riesigen Bandbreite.
Faser ist die Antwort auf die Herausforderungen der koaxialen Kommunikation geworden. Der Hauptnachteil besteht darin, dass das Signal etwa alle Kilometer verstärkt werden muss, um Übertragungsverluste auszugleichen. Bei der drahtlosen Funkfrequenzkommunikation (RF) kann der Repeaterabstand viel länger sein, aber in beiden Fällen ist die Bandbreite aufgrund der "niedrigen" RF-Trägerfrequenz auf ~ 100 Mbit / s begrenzt.
Glasfaser löste all diese Probleme. Und nach ein paar Jahren ist Glasfaser zu dem geworden, was sie heute ist. Bereits 1977 sendete General Telephone and Electronics (jetzt GTE Corporation) den weltweit ersten direkten Telefonverkehr über ein Glasfasersystem mit einer Geschwindigkeit von 6 Mbit / s. Heute ist die weltweit Glasfasernetz ist über 400 Millionen Kilometer, fast das Dreifache der Distanz zur Sonne
Die faseroptische Kommunikation hat sich mit Multiplextechniken verbessert, einschließlich Wellenlängenmultiplex, Zeitmultiplex oder räumlichem Multiplex. Im Labor hat eine Kombination dieser Methoden hervorragende Ergebnisse gezeigt - die Daten wurden mit einer Geschwindigkeit von 11 Pbit / s übertragen, mit einem Verlust von nur 5% pro Kilometer. Repeater werden alle 80 km installiert, was natürlich viel besser ist als bei Koaxialkabeln.
Internet von einer Glühbirne
Neben Glasfaser gibt es noch andere Methoden zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung und ohne Kabel. Dies ist eine drahtlose optische Kommunikation wie sie ist. LiFi ist eine bidirektionale drahtlose Hochgeschwindigkeitskommunikationstechnologie.
Diese Methode erfordert zwar eine LED-Glühbirne, keine Glühlampe. Es ist klar, dass die Technologie nur in der Sichtlinie funktioniert und je weiter vom Datenübertragungspunkt entfernt, desto schlechter die Verbindung.
Eine der ersten Abbildungen zur Erläuterung der Funktionsweise des Systems. Wie wir sehen können, Handhelds anstelle von Smartphones
Für LiFi wurde ein proprietäres Protokoll entwickelt, IEEE 802.15.7, das drei physische (PHY) Schichten mit unterschiedlichen Bandbreiten definiert:
- PHY I wurde für den Außenbereich entwickelt und arbeitet mit Geschwindigkeiten von 11,67 Kbit / s bis 267,6 Kbit / s.
- Mit PHY II können Datenraten von 1,25 Mbit / s bis 96 Mbit / s erreicht werden.
- PHY III wurde für mehrere Quellen mit einer bestimmten Modulationsmethode entwickelt: Color Shift Keyring (CSK), übersetzt als Wavelength Shift Keying. PHY III kann Geschwindigkeiten von 12 Mbit / s bis 96 Mbit / s erreichen.
Die Technologie hat nicht viel Verbreitung gefunden, wird aber an einigen Stellen eingesetzt. Grundsätzlich handelt es sich um industrielle Systeme an Orten mit starken elektromagnetischen Störungen, an denen fast jede Funkverbindung unmöglich oder schwierig ist.
Was ist mit Ferngesprächen und drahtloser optischer Kommunikation?
Leider gibt es hier nicht viel zu prahlen. Viele Unternehmen haben begonnen, die Datenübertragungstechnologie mit Lasern oder anderen optischen Systemen zu testen. In der Regel gingen diese Tests jedoch nicht über das Labor oder den Testort hinaus.
Beispielsweise haben Entwickler von Alphabet im vergangenen Jahr in Kenia ein experimentelles drahtloses Netzwerk aufgebaut, das Licht verwendet. Dies ist keine Glasfaser, die Basis des Systems ist ein Lichtstrahl, der auf einen entfernten Empfangspunkt - eine Empfangsstation - fokussiert wird.
Das Projekt wurde Project Taara genannt . Im Zuge der Implementierung konnte eine Datenübertragung über eine Entfernung von etwa 20 km ohne Einsatz einer kabelgebundenen Infrastruktur erreicht werden. Die Tests zeigten ein gutes Ergebnis. Trotzdem wurde das Projekt dann zum Abschluss gebracht.
Gleiches gilt für das zweite Projekt derselben Firma, Loon. Dieses Projekt wurde mehrere Jahre lang entwickelt, aber erst vor wenigen Wochen haben sie beschlossen, es zu schließen.
Es wurden kleinere Projekte umgesetzt. Zum Beispiel bietet Koruza Laserkommunikation mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 Gbit / s an, die Entfernung überschreitet jedoch nicht 150 m. In einigen Fällen verwenden Internetanbieter Lasersender, um Kommunikationseinrichtungen bereitzustellen, die vom Haupt-Backbone entfernt sind. Manchmal erstellen Benutzer auch solche Systeme - aber solche Systeme sind nicht sehr verbreitet.
Darüber hinaus sagte Elon Musk zu Beginn des Jahres, dass Starlink-Satelliten mit Laserkommunikation ausgestattet seien, um die Polarregionen abzudecken. Und in einem Jahr werden alle Starlink-Satelliten, die in die Umlaufbahn geschickt werden, mit Laserkommunikation ausgestattet sein.
Dank der zusätzlichen Art der Kommunikation, die Bewohner von Alaska erhalten auch Breitbandzugang zum Internet, da das Unternehmen beschrieben in ihrer Anwendung auf die FCC.
Laser ermöglichen es Satelliten, nicht nur mit Bodenstationen, sondern auch miteinander in Kontakt zu bleiben, und es spielt keine Rolle, wo sich der "Kollege" befindet - in derselben oder einer benachbarten Umlaufbahn. Dementsprechend kann der Betreiber die Anzahl der Bodenstationen minimieren und den Versorgungsbereich von abgelegenen Regionen erweitern, in denen es überhaupt keine Bodenstationen gibt. Darüber hinaus wird die Latenz verringert, wenn die Anzahl der Vermittler zwischen Satelliten und Bodenstationen abnimmt.
