User:Hung Le Son/Truyền dẫn quang trong không gian

right|thumb|250x250px|Một kênh truyền dẫn quang không gian với 8 chùm tia, với tốc độ 1 Gbit/s. Bộ phận thu được đặt chính giữa bên trong thấu kính lớn nhất, bộ phận phát được đặt trong các thấu kính nhỏ hơn. Ở phía trên góc phải là một ống nhòm đơn giúp hộ trợ việc kết nối hai đầu thu phát. Truyền dẫn quang trong không gian là một công nghệ thông tin quang sử dụng tín hiệu ánh sáng để tryền dẫn tín hiệu không dây, được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông hoặc mạng máy tính. "Không gian" ở đây được hiểu bao gồm không khí, khí quyển, ngoài vũ trụ và các môi trường tương tự. Khái niệm này khác với việc sử dụng các kênh truyền dẫn như cáp quang.

Công nghệ này được sử dụng khi các kênh truyền dẫn vật lý thông thường như dây dẫn hay cáp quang là không khả thi về mặt giá thành, hoặc khi các yếu tố khác được cân nhắc tới, ví dụ như tính bảo mật.

Lịch sử
thumb|Một thiết bị thu photon và một tai nghe, một phần của hệ thông liên lạc do Bell và Tainter thiết kế năm 1880. Thông tin quang, dưới nhiều dạng khác nhau, đã được sử dụng trong hàng ngàn năm. Người Hy Lạp cổ đại sử dụng một hệ thông ký tự được mã hóa của tín hiệu với các ngọn đuốc được phát triển bởi Cleoxenus, Democleitus and Polybius. Trong thời kỳ hiện đại, đèn báo hiệu và điện báo mặt trời không dây với tên gọi heliographs đã được phát triển, sử dụng tín hiệu mã hóa để trao đổi thông tin với những người nhận khác nhau.

Năm 1880, Alexander Graham Bell và trợ lý Charles Sumner Tainter đã tạo ra điện thoại vô tuyến, tại phòng thí nghiệm Volta mới thành lập của Bell tại Washington, DC. Bell đánh giá đây là một trong những phát minh quan trọng nhất của ông. Thiết bị này cho phép truyền một tín hiệu âm thanh qua một chùm ánh sáng. Ngày 3 tháng 6 năm 1880, Bell đã thành công truyền dẫn một tín hiệu không dây qua điện thoại lần đầu tiên trên thế giới giữa hai tòa nhà ở khoảng cách 213 mét (700 feet).

Ứng dụng và các công nghệ
Các kênh truyền dẫn giữa hai điểm sử dụng tín hiệu laser sử dụng ánh sáng hồng ngoại, mặc dù việc truyền tải thông tin với băng thông thấp là khả thi sử dụng LEDs. Công nghệ Infrared Data Association (IrDA) là một dạng đơn giản của truyền dẫn quang trong không gian. Trong các mảng viễn thông, truyền dẫn quang trong không gian là một phần của các ứng dụng thông tin quang không dây. Truyền dẫn quang trong không gian có thể được sử dụng trong viễn thông giữa các thiết bị vũ trụ hoặc giữa thiết bị vũ trụ và mặt đất.

Khoảng cách truyền hiệu quả
Độ tin cậy của FSO hiện hay là một vấn đề lớn cho việc thương mại hóa. Trong quá khứ, các nghiên cứu chỉ ra rằng trong quá trình truyền tải có rất nhiều packet và bit bị lỗi khi chỉ truyền qua một khoảng ngắn (từ 400 tới 500 m hay 1300 tới 1600 ft). Kết quả này dựa trên các nghiên cứu độc lập tại Cộng hào Séc, cũng như các nghiên cứu quốc tế được thực hiện bở MRV FSO. Các nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự cho các kết quả với khoảng cách truyền hiệu quả lớn hơn, trong khoảng từ 2 tới 3 km (1,2 tới 1,9 mi). Tất cả các nghiên cứu đều đồng thuận rằng, độ tin cậy và chất lượng của kênh truyền dẫn phụ thuộc rất lớn vào các yếu tố khí quyển như mưa, mây mù, bụi và nhiệt độ. Các hệ thống relay có thể được áp dụng để tăng tầm xa cho các hệ thống quang thông tin trong không gian.

Mở rộng khoảng cách truyền hiệu quả
thumb|DARPA ORCA official concept art created Khoảng (2008) Nguyên nhân chủ yếu giới hạn truyền dẫn quang trong không gian chỉ trong các ứng dụng phi thương mại là mây mù. Nó giới hạn các kênh truyền dẫn qua khoảng các 500 m. Một vài tổ chức vẫn đang nghiên cứu để giải quyết những nhược điểm này của FSO và tạo ra một hệ thống với chất lượng dịch vụ tốt hơn. DARPA đã tài trợ 130 triệu đô cho các nghiên cứu trong lĩnh vực này, với các chương trình ORCA và ORCLE.

Các nhóm nghiên cứu phi chính phủ cũng đang thực hiện các thử nghiệm để đánh giá các công nghệ được cho là có khả năng giải quyết các vấn đề của FSO. Tuy nhiên, cho tới tháng 10 năm 2014, chưa có thử nghiệm nào cho thấy các công nghệ đó có thể giải quyết được các vấn đề của các hiện tượng khí quyển thường thấy.

Trong vũ trụ
Trong vũ trụ, nhờ những ưu điểm vượt trội của mình, truyền dẫn quang trong không gian đã nhận được sự chú trọng và nghiên cứu từ các nhóm trung tâm hàng không vũ trụ của nhiều nước, nhằm phát triển một nền tảng thông tin vũ trụ ổn định, cùng với đó đã đạt được những thử nghiệm và kết quả đáng kể.

Các hệ thống đang hoạt động
Hệ thống thông tin quang dựa trên laser đầu tiên với tốc độ gigabit đã được phát triển bở Trung tâm vũ trụ châu Âu với tên gọi Hệ thống relay data châu Âu (EDRS) vào ngày 28 tháng 22 năm 2014. Hệ thống hiện tại vẫn đang hoạt động và được sử dụng cho các hoạt động hàng ngày của trung tâm vũ trụ châu Âu.

Các thử nghiệm
OPALS của NASA đã công bố một đột phá trong lĩnh vực truyền thông từ vũ trụ tới mặt đất. Vào ngày 9 tháng 11 năm 2014, NASA đã tải lên 175 megabytes dữ liệu trong 3,5 giây. Hệ thống này cũng có khả năng tự động định vị lại vào theo dõi tín hiệu từ nguồn phát sau khi tín hiệu bị mất vì bị che phủ bởi mây.

Buổi sáng ngày 18 tháng 10 năm 2013, hệ thống Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) của NASA đã làm nên lịch sử khi gửi tín hiệu từ vệ tinh trên quỹ đạo mặt trăng tới trái đất với tốc độ 622 Mbit/s. Dữ liệu được gửi từ tàu thăm dò Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE). Nhiệm vụ nghiên cứu khoa học chính của tàu thăm dò này là nghiên cứu bầu khí quyển mỏng và khác thường xung quanh mặt trăng.

Ứng dụng thương mại
Nhiều tập vệ tinh khác nhau như Starlink của SpaceX với nhiệm vụ cung cấp internet tốc độ cao trên toàn cầu đang sử dụng thông tin laser không gian cho các liên kết liên vệ tinh giữa vài trăm tới một ngàn vệ tinh một cách hiệu quả, nhằm tạo ra một mạng lưới thông tin vũ trụ.

Chi tiết kỹ thuật
Thông thường, bối cảnh tốt nhất để sử dụng công nghệ này bao gồm


 * Liên kết LAN-to-LAN trong khuôn viên với tốc độ cao
 * Liên kết LAN-to-LAN trong một thành phố, một mạng lưới liên kết đô thị
 * Truyền tải qua một đường công cộng hoặc các trở ngại khác mà cả người gửi và người nhận đều không sở hữu
 * Cung cấp dịch vụ băng thông rộng tới mạng cáp quang
 * Liên kết voice-data phạm vi hẹp
 * Cài đặt mạng tạm thời (cho sự kiện hoặc các mục đích khác)
 * Xây dựng lại kết nối tốc độ cao một cách nhanh chóng (phục hồi sau thảm họa)
 * Sử dụng như một sự thay thế hoặc nâng cấp cho các công nghệ không dây có sẵn
 * Đặc biệt hiệu quả khi kết hợp với hệ thống ngắm tự động cho các xe ô tô đang chạy hoặc laptop đang di chuyển, hoặc sử dụng các điểm nhắm tự động để tạo ra mạng lưới với các điểm khác.
 * Sự dụng như một kênh mở rộng an toàn cho các kết nối cáp quang quan trọng (redundancy)
 * Truyền dẫn tính hiệu giữa các thiết bị vũ trụ, bao gồm các vệ tinh trong một tập vệ tinh
 * Sự dụng cho inter- and intra-chip communication

Ưu điểm về mặt kỹ thuật

 * Việc phát triển đơn giản
 * Có thể được sử dụng để cung cấp nguồn cho thiết bị
 * Không cần thêm giấy phép băng tần (trái với viễn thông radio cần giấy phép cho mỗi dải tần số)
 * Tốc độ bit cao
 * Tỉ lệ lỗi trên mỗi bit thấp
 * Không bị ảnh hưởng bởi các nhiễu điện từ trường
 * Hoạt động hoàn toàn song song
 * Giao thức truyền thông rõ ràng
 * Nâng cao tính bảo mật do sử dụng các chùm tia hẹp

Các yếu tố giới hạn tầm hoạt động

 * Sương mù (hao hụt từ 10 tới ~100 dB/km)
 * Tán sắc ánh sáng
 * Hấp thụ bởi khí quyển
 * Mưa
 * Tuyết
 * Hiện tượng lấp lánh
 * Nhiễu từ các nguồn sáng nền (bao gồm mặt trời)
 * Bóng tạo ra bởi các chướng ngại vật
 * Độ ổn định hướng nhắm khi có gió
 * Ô nhiễm, chẳng hạn như sương khói

Các yếu tố này làm yếu đi tín hiệu nhận được và dẫn tới tỉ lệ bit lỗi cao hơn (BER). Để giải quyết những vấn đề này, người ta đã tìm ra một vài giải pháp, ví dụ như các kiến trúc sử dụng nhiều chùm tia, nhiều kênh truyền dẫn, sử dụng nhiều ăng ten phát và thu. Một số thiết bị hiện nay cũng có dư địa cho nhiễu lớn hơn (tăng công suất, dự trù cho trường hợp mưa, khói, sương mù). Để đảm bảo một môi trường an toàn cho mắt, các hệ thông quang không gian tốt có một công suất giới hạn cho laser và chỉ cho phép laser loại 1 hoặc 1M. Những nhân tố làm yếu đi tín hiệu gây ra bởi khí quyển và sương mù, xuất hiện trong tự nhiên với cấp số mũ, giới hạn tầm hoạt động của thiết bị FSO trong khoảng vài km. Tuy nhiên, các hệ thông sử dụng bước sóng 1550 nm có độ hao hụt thấp hơn đáng kể so với bước sóng 830 nm trong điều kiện sương mù dày đặc. Ngoài ra các hệ thống FSO sử dụng bước sóng 1550nm được phép phát sóng với công suất cao hơn vài lần so với bước sóng 850nm và an toàn đối với mắt (laser loại 1M). Thêm vào đó, các hệ thống FSO, chẳng hạn như EC SYSTEM, đảm bảo độ tin cậy đường truyền cao hơn trong điều kiện thời tiết xấu, bằng cách theo dõi liên tục chất lượng đường truyền và điều chính công suất phát xạ với một bộ phận điều khiển công suất tích hợp sẵn.

Các lĩnh vực nghiên cứu nhỏ hơn
Phân phối mã khóa lượng tử

Laser pointing and tracking

Định vị vệ tinh sử dụng tín hiệu laser

Li-Fi

Tài liệu tham khảo trong lĩnh vực truyền dẫn quang trong không gian
Sách Laser Beam Propagation through Random Media

Hội thảo Free-Space Laser Communications XXXVI

Hội thảo IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications

Các bài viết liên quan
Cửa sổ quang học

Hao hụt truyền dẫn trong không gian