FSO - Free Space óptics

Free Space Optics (FSO): Considerações Importantes

Enquanto os cabos de fibra óptica e tecnologia FSO dividem diversos dos mesmos atributos, os mesmos enfrentam diferentes desafios devido à forma como transmitem informações. A fibra óptica está sujeita a uma gama de distúrbios causados por construções descontroladas, roedores, e mesmo tubarões quando colocadas no mar, já a tecnologia do espaço livre está sujeita ao seu próprio potencial quando colocada sob distúrbios ao ar livre.

Redes ópticas sem fio fundamentadas neste sistema devem ser designadas para combater mudanças atmosféricas, onde afetam a capacidade de desempenho do mesmo. Devido aos transceptores necessitarem de visada direta, todos os pontos de interconexão devem estar livres de obstruções físicas e capazes de “enxergar” um ao outro.

Figura 3: Exemplo de um Transceptor alinhado em visada direta.

Todos os distúrbios em potencial podem ser evitados através do planejamento e projeto apropriados de uma rede. Alguns dos aspectos importantes a serem considerados quando se trata de sistemas de comunicação no espaço livre, como o FSO, são apresentados a seguir.

Neblina

O primeiro desafio das comunicações pelo FSO é a densa neblina. Chuva e neve têm pouco efeito na nesta tecnologia, mas neblina é diferente. Neblina é vapor composto de gotas de água, que possuem apenas algumas centenas de micros de diâmetro, mas que podem modificar as características da luz ou atrapalhar por completo a passagem da luz por absorção, reflexão ou mesmo divisão. O problema da neblina pode ser contornado quando se diminui a distância do enlace. Instalação do FSO em cidades com neblina forte como São Francisco tem alcançado com sucesso bons resultados.

Absorção

Absorção ocorre quando moléculas de água suspensas na atmosfera terrestre extinguem os fótons. Isso causa uma diminuição da densidade de potência (atenuação) dos raios e afeta diretamente a disponibilidade do sistema.

Absorção ocorre mais facilmente em alguns comprimentos de onda do que outros, entretanto o uso apropriado da potência, considerado as condições atmosféricas, e uso das diversidades espaciais (múltiplos raios além de unidade base de FSO) ajudam a manter o nível disponível de rede exigido.

Espalhamento

O espalhamento é causado quando ondas colidem com dispersos (partículas espalhadas pelo ar). O tamanho físico dos dispersos determina o tipo de espalhamento. Quando menor que o comprimento de onda, ocorre o assim chamado espalhamento Rayleigh.

Sendo de tamanho comparável ao comprimento, tem-se o espalhamento Mie. Se o tamanho é muito maior do que o comprimento de onda, ocorre o chamado espalhamento não seletivo. No espalhamento – diferente da absorção – não há perda de energia, mas sim uma redistribuição que pode provocar significativa redução na intensidade dos raios por longas distâncias.

Obstruções Físicas

Pássaros voando ou construções podem temporariamente bloquear a visada direta de sistema um FSO, mas isso tende a causar somente pequenas interrupções, entretanto, transmissões podem ser automaticamente refeitas. Produtos ópticos sem fio de determinados fabricantes usam sistemas de múltiplos raios laser (diversidade espacial) para endereçar obstruções temporárias, assim como outras condições atmosféricas desfavoráveis, para fornecer uma maior disponibilidade do serviço.

Atividades sísmicas

O movimento das construções pode prejudicar a transmissão/recepção de feixes laser por conta da perda de alinhamento. Uma das formas de suavizar este problema é através da utilização de múltiplos raios FSO.

Cintilação

O ar quente proveniente do solo ou de aparelhos desenvolvidos pelo homem, como é o caso dos dutos de aquecimento, propiciam variações de temperatura entre em diferentes trechos por onde o feixe dos transceptores possa trafegar. Isso pode causar flutuações em amplitude que provocam dificuldades de detecção no final da base receptora FSO.

Segurança

Para quem não está familiarizado com a tecnologia, a segurança pode ser uma preocupação, pois a tecnologia usa lasers para transmissão. A utilização correta e segura de lasers tem sido discutida desde que os primeiros aparelhos FSO apareceram nos laboratórios mais de três décadas atrás. As duas maiores preocupações envolvem exposição do olho humano aos raios de luz de alta densidade de potência. Padrões internacionais restritos foram criados para desempenho e segurança.

Figura 4: Exemplo de como os fatores atmosféricos (fog) atrapalha o sistema FSO.

FSO versus Fibra Óptica

Os sistemas de comunicações ópticos que utilizam o espaço livre como meio de transmissão têm se mostrado como uma alternativa viável para substituir sistemas clássicos que utilizam fibra óptica em diversas aplicações, tais como em redes locais (LAN) e redes metropolitanas (MAN).

Estima-se que em áreas metropolitanas, um enlace de fibra óptica pode custar até mesmo em torno de US$ 200.000,00 por quilômetro, sendo que, 85% desse valor é gasto em escavação e instalação. Por outro lado, o custo de instalação de um sistema FSO é cerca de 20% dos sistemas desenvolvidos para aplicação de projetos baseados em soluções com fibra.

Figura 5: Dificuldades que existem em uma obra de fibra óptica.

Figura 6: Obra para se estabelecer uma estrutura de fibra óptica.

Atualmente as fibras ópticas utilizadas em sistemas podem operar com taxas de transmissão que ultrapassam 620 Mbps. Fazendo-se uma comparação entre os sistemas de telefonia e fibra, apenas como uma idéia de grandeza, esta taxa é aproximadamente dez mil vezes maior que as taxas do modem comumente utilizado pela maioria dos usuários da Internet, quando nos referimos à conexão discada.

FSO é caracterizada como tecnologia de visada direta dependente totalmente do uso de raios de luz, invisíveis ao olho humano, que permitem conexões de longa distância entre transceptores para transmissão de voz, vídeo e dados.

Atualmente, a presença desta nova tecnologia veio a capacitar o desenvolvimento de uma nova categoria de produtos sem fio com taxas acima de 1.25Gbps. Essa conectividade óptica não requer cabos caros de fibra óptica ou soluções de licenças de espectro de radio freqüência seguras (RF).

Figura 7: FSO - tecnologia de visada direta entre transceptores para transmissão de voz, vídeo e dados.

No espectro eletromagnético, os sistemas ópticos sem fio operam próximos à região do infravermelho com comprimentos de onda típicos de 750 nm, 810 nm e 852 nm, devido à disponibilidade de fontes laser de baixo custo. Receptores PIN e APD com boa sensibilidade também estão disponíveis nesses parâmetros.

Entretanto, as constantes demandas por distância, especialmente em aplicações de telecomunicações, empurraram a operação desses sistemas para comprimentos de onda maiores, principalmente 1550 nm, onde fontes laser podem fornecer maior potência óptica. Amplificadores de fibra dopada a érbio (EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier) – poderão movimentar-se entre os transceptores, possibilitando amplificação de potência e, consequentemente, aumentando o alcance de do sistema.

Os equipamentos de comunicação ópticas atualmente disponíveis operam com lasers de 850 nm ou 1550 nm. Todavia, o laser de 1550 nm, embora mais caro, possui melhor desempenho para alcances maiores, exige potência reduzida e, portanto, não agride a retina dos olhos humanos. Em termos de desempenho, um sistema de comunicação, por definição, deve apresentar uma taxa de erro, não superior a um bit para cada dez bilhões, que ele transmite (BER <= 10**-10).