Od lat standardy Wi-Fi rozwijają się bardzo dynamicznie. Na rynku pojawiły się już urządzenia zgodne z Wi-Fi 7, które oferują wielokrotnie wyższe przepustowości niż wcześniejsze generacje. Mimo tego eksperci zwracają uwagę, że liczba urządzeń korzystających z sieci rośnie jeszcze szybciej.
W nowoczesnych biurach, mieszkaniach czy obiektach przemysłowych do internetu podłączone są nie tylko komputery i smartfony, ale również telewizory, kamery monitoringu, czujniki, urządzenia Internetu Rzeczy oraz systemy automatyki budynkowej. W efekcie coraz częściej dochodzi do przeciążenia pasma radiowego, spadków wydajności i wzrostu zużycia energii przez infrastrukturę sieciową.
Badacze od kilku lat szukają więc alternatywnych metod przesyłania danych, które mogłyby odciążyć klasyczne sieci radiowe. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju jest optyczna komunikacja bezprzewodowa wykorzystująca światło.
Optyczna komunikacja bezprzewodowa zamiast fal radiowych
Badanie opisane w czasopiśmie „Advanced Photonics Nexus” zostało przygotowane przez zespoły badawcze z Uniwersytetu Cambridge, Uniwersytetu Manchester oraz partnerów przemysłowych.
Nowa technologia wykorzystuje światło jako nośnik informacji. W przeciwieństwie do klasycznego Wi-Fi nie opiera się na falach radiowych, lecz na precyzyjnie kierowanych wiązkach laserowych.
Takie rozwiązanie daje kilka istotnych korzyści. Przede wszystkim światło oferuje dostęp do znacznie szerszego spektrum transmisyjnego niż fale radiowe. Dzięki temu możliwe jest przesyłanie większej ilości danych przy jednoczesnym ograniczeniu zakłóceń.
Dodatkową zaletą jest możliwość kierowania sygnału dokładnie tam, gdzie znajduje się odbiornik. W praktyce oznacza to wyższą efektywność wykorzystania energii oraz większe bezpieczeństwo transmisji.
Miniaturowy układ laserowy o ogromnych możliwościach
Sercem systemu jest niezwykle mały układ scalony wyposażony w matrycę laserów VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Tego typu rozwiązania są już stosowane między innymi w nowoczesnych centrach danych, gdzie liczy się maksymalna szybkość przesyłania informacji.
Cała matryca 5 × 5 laserów została umieszczona na chipie o wymiarach mniejszych niż jeden milimetr. Każdy z emiterów może działać niezależnie i przesyłać własny strumień danych.
To szczególnie istotne, ponieważ pokazuje, że technologia nie jest wyłącznie eksperymentem laboratoryjnym. Dzięki niewielkim rozmiarom może zostać zintegrowana z przyszłymi punktami dostępowymi, systemami oświetleniowymi, a nawet urządzeniami mobilnymi.
Rekordowa prędkość transmisji danych
Podczas testów wykorzystano matrycę 25 laserów, z których równocześnie aktywnych było 21 jednostek.
Każdy emiter osiągał przepustowość od 13 do 19 Gb/s. Łącznie pozwoliło to uzyskać rekordową szybkość transmisji wynoszącą 362,7 Gb/s na dystansie dwóch metrów.
W praktyce odpowiada to transferowi około 45 GB danych na sekundę. Teoretycznie oznaczałoby to możliwość pobrania filmu zajmującego kilkadziesiąt gigabajtów w czasie krótszym niż jedna sekunda.
Naukowcy podkreślają jednak, że wynik nie odzwierciedla pełnych możliwości systemu. Ograniczeniem okazał się komercyjny fotodetektor zastosowany po stronie odbiornika. Wykorzystanie bardziej zaawansowanych komponentów mogłoby pozwolić na dalsze zwiększenie osiąganych parametrów.
Niższe zużycie energii i nowe zastosowania
Oprócz imponującej szybkości nowa technologia wyróżnia się również efektywnością energetyczną.
Zużycie energii wynosi około 1,4 nanojoula na bit, co według autorów projektu jest wynikiem korzystniejszym od wielu współczesnych systemów bezprzewodowych. Dla dużych centrów danych, kampusów biurowych czy infrastruktury telekomunikacyjnej może to oznaczać wymierne oszczędności.
Eksperci wskazują, że optyczna komunikacja bezprzewodowa może znaleźć zastosowanie między innymi w:
- centrach danych,
- inteligentnych budynkach,
- szpitalach,
- zakładach przemysłowych,
- lotniskach,
- obiektach użyteczności publicznej,
- sieciach obsługujących sztuczną inteligencję.
Wymóg bezpośredniej widoczności wiązki
Technologia nie jest jednak pozbawiona ograniczeń. Najważniejszym pozostaje konieczność zachowania linii widzenia pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem.
W przeciwieństwie do fal radiowych wiązka światła nie przenika przez ściany ani inne przeszkody. Oznacza to, że system nie zastąpi całkowicie tradycyjnego Wi-Fi w domach czy biurach.
Badacze zakładają jednak, że przyszłe instalacje mogłyby być integrowane z oprawami oświetleniowymi LED montowanymi na sufitach. W takim modelu klasyczne Wi-Fi odpowiadałoby za podstawową łączność, natomiast transmisja optyczna przejmowałaby najbardziej wymagające zadania związane z przesyłaniem ogromnych ilości danych.
W praktyce oznacza to raczej współistnienie obu technologii niż całkowite wyparcie obecnych standardów. Coraz większe zapotrzebowanie na przepustowość sprawia jednak, że rozwiązania wykorzystujące światło są postrzegane jako jeden z najważniejszych kierunków rozwoju bezprzewodowej komunikacji w nadchodzących latach.
