Prospettive e limiti delle trasmissioni Ottiche Wireless I2VGO STELLA RENON,

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1 Prospettive e limiti delle trasmissioni Ottiche Wireless

2 Storia 1958: Invenzione del laser ( lab.bell) Fine anni 60: primi esperimenti in trasmissioni ottiche. Dai primi anni 80, il laser fu usato da militari ed agenzie spaziali in Europa, USA, Israele e Giappone. Anni 90: Radioamatori iniziano attività DX Optical Wireless ( 140km) IK4AVZ, I4LD, OE..., VK2ZTO, K3PGP, OH2AUE- KD7TS, KF4UEY, W7FTT, N1ZXB,K0RWU,N6TX,VE6RIA, WB9AJZ( Primi prodotti commerciali funzionanti near visible" La massima banda è circa 200MHz.

3 SETTORI D UTILIZZO Laser comunicazioni spaziali ( Spacecraft, Satellite to Satellite, Satellite to Ground ecc..) Comunicazione terrestri prodotti che usano la banda near wavelengths infrared nm Prodotti che usano la terza finestra delle fibre ottiche: 1550 nm Comunicazioni Indoor (Cordless)

4 Why Wireless Ottico? Nonostante l enorme successo delle fibre ottiche i sistemi di trasmissione wireless hanno alcuni vantaggi: Rapidità di messa in servizio in attesa dell'installazione cavo. Link temporanei (eventi sportivi ecc...) Quando vi sono difficoltà di installare cavi (barriere geografiche fiumi, laghi ecc...) Per ripristinare velocemente la rete in caso di interruzioni cavo. Quali sono in vantaggi ad usare wireless ottici invece di microonde? Altissima capacità di trasmissione Non vi sono interferenze nella stessa area Non richiede licenze di occupazione spettro.

5 Analisi di trasmissione Wireless Ottico? Viene spontanea una domanda Che distanza di collegamento posso realizzare? Per poter rispondere dobbiamo dare una risposta alle seguenti domande ed e questo l obiettivo della relazione. Che influenza ha l atmosfera e quali possono essere i loro effetti sulla disponibilità del collegamento? Che potenza TX e sensibilità RX servono? Qual è la frequenza più conveniente? Quanto e importante la stabilità meccanica? Quali sono i problemi della safety?

6 LUNGHEZZA DEL COLLEGAMENTO La lunghezza del collegamento è funzione di: System gain Divergenza del Beam di trasmissione Area dell ottica di ricezione Attenuazione atmosferica (quattro cause) Interferenze Disponibilità richiesta

7 SYSTEM GAIN Potenza Laser (Ptx),sensibilità rivelatore (Ps) e le perdite ottiche determinano il system gain: System Gain = Ptx- Ps (10E-10) - Optical Loss (perdita connettori,mismatch di messa a fuoco, sporcizia su lenti) dove PTx and Ps sono in dbm e le perdite ottiche in db Per componenti standard otteniamo: -39dBm sensibilità ricevitore per una BER= dBm Ptx,,risulta: System Gain = 17-(-39) - (~4) = 52 db

8 ATTENUAZIONE ATMOSFERICA L attenuazione dell atmosfera è funzione di: Assorbimento atmosferico ( Scegliendo le frequenze giuste l attenuazione è nulla) Perdita spazio libero ( Calcolo come un link radio ) Perdita di scattering (visibilità) Perdita di scintillazione (distorsione del beam)

9 ASSORBIMENTO ATMOSFERICO 300THz 20THz

10 ASSORBIMENTO ATMOSFERICO 1 Finestra 2 3 Finestra fibre La seconda finestra a 1310nm non puo essere utilizzata a causa dell assorbimento del vapore acqueo.

11 ASSORBIMENTO ATMOSFERICO

12 ATTENUAZIONE SPAZIO LIBERO L attenuazione spazio libero è funzione di : Apertura dell area di Trasmissione (angolo del beam) Apertura dell area di ricezione (diametro specchio) Il grafico mostra l attenuazione nello spazio libero, con differenti aperture di trasmissione (0.5,1,2,10 mr) e apertura in ricezione di 20cm.

13 ATTENUAZIONE SPAZIO LIBERO

14 è PERDITA DI SCATTERING 100 Perdita per 1550nm L attenuazione da scattering è la maggior causa di perdita nell atmosfera. db/km a 1550nm 10 E una funzione della visibilità ed è della lunghezza d onda visibilità (km) L attenuazione a 1550 nm è minore rispetto a 800nm. La Visibilità èè0000 la lunghezza di uno spazio dove il flusso luminoso fornito da una lampada incadescente alla temperatura di colore di 2700 K si riduce al 5 %.

15 ATTENUAZIONE TOTALE db Perdita spazio libero + Scattering vs lunghezza tratta/txcm/0.5 mrad ; Rx 20cm Distanza (Km) Visibilità 0.1km Visibiltà 0.5 Km Visibilità 1km Visibilità 6km Il grafico mostra l attenuazione totale in funzione della distanza e visibilità Assumendo che : TX aperture 3cm/ 0.5 mr Diametro specchio ricevitore = 20cm

16 Attenuazione atmosferica SCINTILLAZIONE Movimenti d aria calda dal terreno verso l alto. Esempio alba e tramonto,causano differenti densità di strati d aria. Si ottiene una distorsione del fronte d onda del beam. Alcuni esperimenti hanno fornito i seguenti risultati Per piccole turbolenze c è più scintillazione a 785nm Per forti turbolenze c è più scintillazione a 1550nm I pochi esperimenti su questo tema, non permettono di extrapolare un algoritmo generale per valutare l entità della perdita. Alcuni ritengono che, le perdite di scintillazione sono contenute tra 5 e 15 db. La diversità di spazio riduce il problema (multi beams).

17 CONFRONTO TRA VISIBILE E INFRAROSSI 785nm 1550nm 382Thz 194Thz Massima densità di potenza (Safety) 1,5mW/cm 2 100mW/cm 2 Attenuazione atmosferica (2km visibilità) 7dB/km 4dB/km Margine scintillazione?? Psoglia -50dBm -30dBm Massima velocità dati 622Mbit >10Gbit Costo basso alto

18 DISPONIBILITÀ Il System Gain e le condizioni climatiche sono i principali fattori per la disponibilità di trasmissione. La nebbia è la principale causa di fuori servizio. Solo con la conoscenza di un data base statistico il fuori servizio può essere calcolato. Esempio per Londra e Milano si sono ottenuti da Internet la visibilità media giornaliera dal 1994 al 1998 (NOAA )

19 DISPONIBILITÀ LondraHeathrow db/km 1 0,1 01/01/94 01/01/95 01/01/96 01/01/97 01/01/98 Date

20 DATABASE Milano Linate db/km 1 0,1 01/01/94 01/01/95 01/01/96 01/01/97 01/01/98 Date

21 DISPONIBILITÀ Londra-Milano Fuori Servizio per Scattering ( fuori servizio con Tx 3cm/0.5mrad, Rx 20cm) 100,00% 10,00% 0.5 Km Londra 1 Km Londra 2 Km Londra 0.5 Km Milano 1 Km Milano 2 Km Milano Fuori Servizio 1,00% 0,10% 0,01% db System Gain

22 DISPONIBILITÀ Introducendo i seguenti valori compatibili con lo stato dell arte della componentistica standard: Ptx = +20dBm Prx (BER<10-9 ) = -30dBm (for a 2.5 Gbps receiver) Beam divergence = 0.5 mrad Rx Diameter = 20 cm conoscendo la statistica di visibilità, tenendo conto dell attenuazione dello spazio libero, possiamo avere un idea della disponibilità di una data locazione: 2km a Londra Disponibilità= 99.6% 200 m a Milano Disponibilità = 95.5% 3km a Trapani Disponibilità = 99.7%

23 SAFETY Perdita ottiche ~2 db TX Apertura 30mm 7.07 cm 2 ~90mW/cm 2 Diametro beam 8cm 50.2cm 2 ~13mW/cm 2 0.5mR 100 m +30dBm

24 SAFETY Tumori alla pelle Cheratiti, bruciature Cataratta, danni alla retina, bruciature pelle Bruciature, danni alla retina Bruciature pelle e Cornea

25 Safety/Limiti per la classe1

26 CONCLUSIONI 1) Se è richiesto un buon grado di disponibilità (>=99%) la massima lunghezza di tratta è circa 1 km. In zone con buone condizioni statistiche di visibilità la tratta può raggiungere i 2-3 km. Per alcune zone è impossibile raggiungere anche 50m. Se i gestori chiederanno wireless ad alta capacità (Gigabit - Ethernet o STM4) per short - haul wireless, non vi sono alternative: La Trasmissione Ottica wireless è l'unica soluzione.