Optične komunikacije so dandanes že dodobra uveljavljene. V kateri smeri je njihov nadaljnji razvoj zdaj najbolj potreben?
Optični komunikacijski sistemi se neprekinjeno razvijajo vseh preteklih štirideset let. Razvoj je bil najintenzivnejši na treh glavnih področjih: naprave, komunikacijske tehnike in arhitekture omrežja. Na področju naprav razvoj poteka in se bo še nadaljeval v smeri integrirane optike, kjer je cilj integracija optičnih virov, oddajnikov, modulatorjev in elementov za obdelavo signalov (in obratno: detektorjev, demodulatorjev in sprejemnikov) na en polprevodniški substrat. Na tem področju raziskave niso osredotočene zgolj na polprevodnike III-V, ampak tudi na naprave, ki temeljijo na siliciju, kar je tako imenovano področje silicijeve fotonike (angl.: Silicon Photonics). Cilj nedavnega razvoja je tako podaljšanje dosega kot tudi povečanje prenosnih zmogljivosti optičnih zvez. Trenutno pa je zelo zanimiva in zelo pomembna uporaba koherentnih optičnih sistemov. Ta ideja se je pojavila v zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja in nato »izginila« zaradi izuma optičnih ojačevalnikov. Nova potreba po tem se je pojavila zdaj in nove optične naprave lahko koherentno optično komunikacijo spravijo v realnost. Optični koherentni sistemi lahko delujejo pri zelo nizkih nivojih sprejetega signala in zelo visokih bitnih hitrostih, ki segajo v področje Tbit/s (terabitov na sekundo; 1 Tbit/s = 1012 bit/s). Zanimivo je, da koherentna optika uporablja tehnike, ki se običajno uporabljajo v radijskih sistemih, kot so večnivojske modulacije (QPSK in različne oblike QAM) kot tudi tehnike z več nosilci (OFDM). Drugi razvoj v optičnih komunikacijah se nanaša na nove sisteme, znane kot Nyquistov WDM, kjer se visoko selektivna optična sita uporabljajo za urejanje tesno razporejenih kanalov WDM, kar omogoča zelo visoke bitne hitrosti. Poleg tega so radijske tehnike v uporabi, tudi če se po tako imenovanih mnogorodovnih vlaknih prenaša manjše število rodov, kar tvori optične večvhodne in večizhodne (angl.: Multiple-Input Multiple-Output – MIMO) sisteme. Uporaba visokih bitnih hitrosti in dolgih vlakenskih dosegov je na plan priklicala nekaj prej nepomembnih omejitvenih pojavov, kot je na primer polarizacijska rodovna disperzija (angl.: Polarization Mode Dispersion – PMD). S tem pa se je odprlo veliko področje raziskav, ki temeljijo na digitalni obdelavi signalov (angl.: Digital Signal Processing – DSP) za odpravo teh omejitev. Na strani optičnih omrežij, kjer je veliko zanimanje za vodenje vlaken prav do uporabnikovega doma (angl.: Fiber to the Home – FTTH), je veliko razvojnega dela vloženega v omrežne arhitekture, ki omogočajo visoko bitno hitrost in dolg doseg vlakna iz centrale do doma. V ta namen so bile razvite številne nove pasivne optične arhitekture omrežja. Poleg tega je mnogo raziskovalnega dela tudi na programirljivem omrežju (angl.: Software Defined Networks), ki bo omogočalo preoblikovanje omrežja brez večjega vmešavanja operaterja in v skladu s povpraševanjem po prenosu podatkov.

Je dolgoročno prednost in prihodnost v optiki ali brezžičnem prenosu?
Zahteve po prenosu ogromnega števila podatkov so v zadnjih dvajsetih letih narekovale premik v smeri omrežij nove generacije – konvergentnih omrežij, kjer se dogaja zlivanje na področju tehnologije (optične, brezžične in kabelske/ADSL) in zlivanje v smislu informacij, prenesenih prek omrežij (zvoka, slike in podatkov). Da bi to dosegli, je bilo treba vzpostaviti svetovno telekomunikacijsko omrežje, ki je omrežje omrežij. To ne bi bilo mogoče brez optičnih sistemov, ki zagotavljajo hrbtenico za prenos velike količine na internetu ustvarjenih podatkov, in brez današnjih brezžičnih sistemov. Torej, v kateri smeri se dogaja razvoj? Dogaja se v vseh smereh – optično in brezžično. Boljši in bolj razsežni optični sistemi z veliko pasovno širino ter brezžični sistemi, ki se lahko namestijo kjer koli, dosežejo vsakega in so zmožni prenesti čim več podatkov. Seveda imajo brezžični sistemi omejitve zaradi svojega kompleksnega brezžičnega kanala in visokih stroškov. Zato brezžični sistemi ne morejo tekmovati z optičnimi zvezami po hitrosti prenosa podatkov. Prav tako je od optičnih sistemov nemogoče pričakovati, da bodo povezovali vsakogar na tem svetu. Prav zlivanje in medsebojna povezanost obeh sistemov omogočata današnja omrežja in po mojem mnenju je razvoj obeh sistemov enako pomemben. Dolgoročna prednost je v obeh sistemih – brezžičnih in optičnih. Na njiju ne smemo gledati ločeno, zgolj enega ali drugega, saj sta združljiva in se dopolnjujeta. Z novimi storitvami lahko vidimo potrebo po vlaknu do doma, ki bo omogočalo prenosne hitrosti do nekaj Gbit/s, in potrebo po mobilnosti ter nujnost brezžičnih sistemov, ki bodo zagotavljali prenose z več kot 1 Gbit/s. Nastajajo tudi novi sistemi, ki neposredno združujejo optične in brezžične tehnologije, od katerih se v prihodnosti pričakuje, da bodo zagotavljali podatke tam, kjer imajo tradicionalni brezžični in vlakenski sistemi omejitve. Na primer radio prek optičnega sistema (angl.: Radio-over-Fiber – RoF), kjer se različni »brezžični« (radijski) signali prenašajo prek vlaken in se dostavijo na oddaljene antene ali znotraj zgradb. Drug primer so optične brezžične zveze s pomočjo vidne svetlobe, kjer se uporabljajo nove generacije svetlečih diod za razsvetljavo in za prenos podatkov doma ali v pisarniškem okolju. Hočem povedati, da sta optična in brezžična tehnologija v vseh oblikah pomembni in se razvijata s podobnim tempom.

Vendar končni uporabnik vidi na koncu le hitrost in ceno, ki jo mora plačati.
Nove aplikacije, ki zahtevajo vse več podatkov, in njihov uporabnik, ki pričakuje takojšnjo dostavo teh podatkov brez čakanja na brezhiben sprejem, zahtevajo vse višje hitrosti. Seveda uporabnika v glavnem skrbi hitrost in kakovost signala oziroma podatkov, vendar se je treba zavedati, da obstajajo številni komunikacijski nivoji pod tem, kar uporabnik zaznava. Hitrost prenosa omejujejo trije elementi: oprema in njena elektronika, komunikacijski kanal in vrsta prenosnega signala. Vsi so enako pomembni. Obstaja ogromno raziskav na novih metodah modulacije in novih vzorcih za prenos podatkov, ki se lahko spopadejo z naključno spreminjajočim se komunikacijskim kanalom (optičnim in brezžičnim), pri čemer je cilj zagotavljanje višje bitne hitrosti in boljše kakovosti signala ali storitve. Iz teh razlogov so raziskave na področju signalov, vprašanja, povezana s prenosnim kanalom, ter elektronika v sprejemniku in oddajniku med seboj tesno povezani. Če se vprašamo, kaj je bolj pomembno, kanal ali višje hitrosti, se je treba zavedati, da je odgovor odvisen od zvrsti uporabnikove aplikacije. Uporabnik, ki se giblje, ne zahteva enake hitrosti prenosa podatkov kot uporabnik v mirovanju. Nove aplikacije postavljajo omrežju nove zahteve glede metod dostave podatkov. Nekateri ljudje so zdaj za dostavo podatkov domov zadovoljni s hitrostjo, ki jo omogočata tehnologiji UMTS in HSPA, čeprav imajo na voljo xDSL in vlakno do doma. To je odvisno od aplikacij, ki jih ljudje uporabljamo. Po drugi strani pa se na nove pametne televizorje lahko naloži filme visoke ločljivosti in lahko celo pričakuje uporabnikovo interaktivnost, kar narekuje uporabo določene opreme z najvišjo hitrostjo podatkovnih kanalov, kot so visoke hitrosti xDSL ali optičnih vlaken. Na vprašanje, kaj je bolj pomembno, prenosni kanal ali visoke hitrosti, je nemogoče odgovoriti, saj je odgovor večplasten in odvisen od tega, kdo ste kot uporabnik in kaj želite početi s povezavo, kot tudi, koliko ste pripravljeni zanjo plačati.

Kakšni so vaši pogledi na prihodnost radijskih komunikacij?
Ta prihodnost je svetla. Napovedujem, da bomo videli nove sisteme, ki bodo do mobilnih uporabnikov lahko prinesli več Gbit/s in bodo pokrivali celoten planet. Pojavile se bodo nove metode kodiranja in modulacije, ki bodo omogočile prenos podatkov v nepredvidljivih brezžičnih okoljih brez poslabšanja njihove kakovosti. Prišlo bo do novih tehnik stiskanja podatkov in odpravljanja napak ter novih tehnik prenosa signalov, kot so množično MIMO, kjer stotine anten sodeluje pri pošiljanju in sprejemanju signalov. Prišlo bo do novih tehnik sodelovanja, kjer bodo različni radijski terminali delovali skupaj pri dodeljevanju pasovne širine in spektra v inteligentni kognitivni arhitekturi omrežja. Iščejo se tudi nova področja spektra, ki se bo uporabljal. Trenutno so komercialno že dostopni sistemi, ki delujejo v področju 60 GHz, in obstajajo študije brezžičnih sistemov, ki bodo delovali na višjih frekvencah, celo v področju THz. Kot sem že prej omenil, obstajajo tudi rešitve za združevanje optičnih in brezžičnih sistemov. Ne smemo pa pozabiti na zbližanje prizemnih brezžičnih sistemov s satelitskimi. Glede na ogromne naložbe v brezžične sisteme in mobilna omrežja ter zelo obsežna raziskovalno-razvojna prizadevanja na univerzah in v industriji je čas, potreben za pojav novega sistema, razmeroma kratek. Nove ideje se premaknejo iz laboratorijev v usklajene standarde in nato v razvite sisteme v ciklu, ki je dolg le nekaj let. Prihajajo vedno nove inovativne ideje in pričakujem vzpon brezžičnih sistemov, ki bodo v trajnem stanju evolucije v prihodnjih desetletjih.

S katerim konkretnim primerom se trenutno ukvarjate v svoji raziskovalni skupini?
Komunikacijska skupina na UCL, katere vodja sem, je velika in raznovrstna. Osredotočeni smo tako na brezžične in optične sisteme kot tudi na internetne komunikacije. Z mojim raziskovalnim asistentom in doktorskimi študenti opravljamo raziskave na različnih področjih. Dovolite mi, da navedem štiri primere:

1. Iščemo nove modulacijske sheme in formate signalov, ki bodo najbolje izkoristili komunikacijski kanal. Na primer, v zadnjih desetih letih smo raziskovali tako imenovan spektralno učinkovit FD-sistem, ki lahko bolje spektralno izrabi OFDM in FDM. Pred kratkim smo prikazali sistem s 30-odstotnim prihrankom pasovne širine, ne da bi pri tem poslabšali kakovost signala.

2. Skupaj s kolegi v Cernu smo raziskovali optične omrežne arhitekture za uporabo v naslednji generaciji trkalnika Large Hadron Collider. Za prenos podatkov iz velikih fizikalnih poskusov smo uporabili naše znanje s področja vlakna do končnega uporabnika (FTTH).

3. Z univerzo Chalmers na Švedskem smo načrtovali mikrovalovna integrirana vezja za zelo visoke hitrosti, ki se lahko uporabijo za ultra širokopasovne ojačevalnike z razumno malo dodanega šuma. Pred kratkim smo testirali nekaj, kar bi lahko pojmovali kot najbolj širokopasoven ojačevalnik na svetu z delovnim področjem od 10 MHz do približno 300 GHz.

4. Raziskovali smo tudi sisteme za brezžične komunikacije, kjer se mora ohraniti kakovost storitev (QoS), kljub temu da gre signal skozi več vozlišč. Na takšnem realnem sistemu smo posebej preučevali učinek vozlišč na kakovost medicinskih slik in videoposnetkov, ki se prenašajo prek sistemov WiMAX in LTE.

Moj mikro, november december 2013 | Boštjan Batagelj