 Του Αργύρη Στασινάκη Εξέλιξη δικτύων: Από το SMS στην live αναμετάδοση video μέσω social media. Το 1979, δημιουργήθηκε το πρώτο δίκτυο κινητών επικοινωνιών για εμπορική χρήση στο Τόκυο της Ιαπωνίας από την εταιρεία τηλεπικοινωνιών Nippon Telegraph and Telephone. Το δίκτυο ήταν πλήρως αναλογικό και μέσα σε λίγα χρόνια άρχισε να εξαπλώνεται σε όλο τον κόσμο και πλέον θεωρείται ως η πρώτη γενιά (1st Generation - 1G) των δικτύων κινητών επικοινωνιών. Από τα μέσα της δεκαετίας του 1980, η ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας αλλά και οι ολοένα αυξανόμενες ανάγκες της κοινωνίας για χρήση ασύρματης επικοινωνίας οδήγησε στην εξέλιξη του 1G δικτύου ώστε το 1991 να οδηγηθούμε στα δίκτυα 2ης γενιάς (2G), to 2001 στα δίκτυα 3ης γενιάς 3G και το 2009 στην δημιουργία δικτύων 4ης γενιάς (4G). Έτσι λοιπόν, από τις απλές τηλεφωνικές κλήσεις χαμηλής ποιότητας το 1979, μέσα σε τρεις δεκαετίες οι χρήστες μπορούσαν να απολαμβάνουν υπηρεσίες gaming, video υψηλής ευκρίνειας (HD) και τηλεδιασκέψεις υψηλής ποιότητας (Video Conferencing). Όμως, η ραγδαία αύξηση των χρηστών ασύρματων συσκευών, η αύξηση όγκου δεδομένων (HDTV, social media) καθώς και η ανάγκη για διασύνδεση πολλών ασύρματων συσκευών μεταξύ τους, οδήγησε γρήγορα στην ανάγκη βελτίωσης των 4G δικτύων ώστε να αυξηθεί ο αριθμός χρηστών σε μια περιοχή, ανταλλάσοντας δεδομένα με μεγαλύτερο ρυθμό και μικρότερη καθυστέρηση (latency). Έτσι το 2015 περίπου ξεκίνησε ο σχεδιασμός της 5ης γενιάς (5G) δικτύων όπου πλέον κρίθηκε αναγκαία η επέκταση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που χρησιμοποιείται για της ασύρματες ζεύξεις προκειμένου να καλυφθούν οι σύγχρονες ανάγκες.  Πίνακας 1: Χαρακτηριστικά δικτύων 1G-5G Τα δίκτυα 5ης γενιάς (5th Generation - 5G), αποτελούν την τελευταία γενιά δικτύων κινητών επικοινωνιών και στόχος τους είναι η διασύνδεση δεκάδων δισεκατομυρίων συσκευών στο διαδίκτυο προσφέροντας μεγάλες ταχύτητες ανταλλαγής δεδομένων με ιδιαίτερα χαμηλό latency υλοποιώντας τον σχεδιασμού του Internet of Things - IoT όπου όλες οι συσκευές θα είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους. Το IoT βασιζόμενο σε 5G δικτυα θα μπορεί να προσφέρει υπηρεσίες όπως τα αυτόνομα οδηγούμενα αυτοκίνητα, η τηλειατρική κ.α. Προκειμένου να επιτευχθούν οι παραπάνω απαιτήσεις, το δίκτυο 5G λειτουργεί στη μπάντα συχνοτήτων μεταξύ 3-60GHz (μέχρι 100GHz υπό προυποθέσεις) όπου σε σχέση με την τεχνολογία 4G γίνεται χρήση μικροκυματικών συχνοτήτων για την μετάδοση πληροφορίας. Πιο συγκεκριμένα, η ομοσπονδιακή επιτροπή επικοινωνιών (Federal Communications Commission - FCC) έχει εγκρίνει τις ακόλουθες μπάντες συχνοτήτων:  Πίνακας 2: Ζώνες συχνοτήτων 5G Μέσα στις ζώνες συχνοτήτων του πίνακα 2 λειτουργούν και τα συστήματα 5G σε Ευρώπη και Κίνα. Στις συχνότητες αυτές είναι δυνατή η μεταφορά δεδομένων σε πολύ υψηλές ταχύτητες όμως επηρεάζονται από την ύπαρξη εμποδίων καθώς δεν έχουν την ικανότητα να τα διαπερνούν. Για το λόγο αυτό, η δημιουργία ενός τέτοιου δικτύου απαιτεί μικρότερη απόσταση μεταξύ των κεραιών σε σχέση με τα 4G δίκτυα ώστε να υπάρχει ικανοποιητική κάλυψη σε ένα χώρο. Η διείσδυση της τεχνολογίας των 5G δικτύων αναμένεται σε 30% το 2025, δηλαδή 1 στις 3 συσκευές θα είναι συνδεδεμένη σε 5G δίκτυο, που μεταφράζεται σε 217 εκατομμύρια συνδέσεις. Οι χώρες που ηγούνται στην δημιουργία και χρήση 5G δικτύων για εμπορικούς σκοπούς είναι η Ν. Κορέα, η Κίνα και οι Η.Π.Α. Μετά τον Ιανουάριο του 2020 υπολογίζεται ότι 5G δίκτυα υπήρχαν σε περισσότερες από 378 πόλεις σε 34 χώρες.  Εικόνα 1: Top ten χωρών με διαθεσιμότητα δικτύων 5G Ακόμα όμως και μικρότερες χώρες όπως η Εσθονία διαθέτουν 5G δίκτυα. Στην Ελλάδα, το τελευταίο τρίμηνο του 2020 αναμένεται η ολοκλήρωση της διαδικασίας δημοπράτησης του φάσματος και στην συνέχεια οι τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι θα ξεκινήσουν τις εργασίες για την κατασκευή 5G δικτύων για εμπορική χρήση. Πιλοτικά δίκτυα ήδη αναπτύσσονται σε διάφορες πόλεις όπως στο Δήμο Τρικκαίων. Επιπτώσεις ενός δικτύου 5G στην υγείαΗ ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στο εύρος των ραδιοσυχνοτήτων (RF), που χρησιμοποιούνται ήδη από τα δίκτυα 1G-4G έχουν την ικανότητα να διεισδύουν στο ανθρώπινο σώμα με κύριο αποτέλεσμα να αυξάνουν την θερμοκρασία των ιστών. Το ανθρώπινο σώμα έχει την ικανότητα να προσαρμόζεται σε μικρές αλλαγές της θερμοκρασίας όπως και στην περίπτωση της σωματικής άσκησης. Βέβαια όταν η ακτινοβολία ξεπεράσει ένα όριο μπορεί να προκαλέσει βλάβες στους ιστούς και επιπτώσεις στην υγεία. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των RF κυμάτων είναι το βάθος διείσδυσης σε ένα σώμα το οποίο μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα. Άρα σε ένα δίκτυο 5G με συχνότητα μεγαλύτερη των 24GHz θα υπάρχει μικρότερη διείσδυση σε σχέση με ένα 4G δίκτυο που χρησιμοποιεί συχνότητα 4GHz, καθώς η ηλεκτρομαγνητική (ΗΜ) ακτινοβολία αυτή θα απορροφάται κυρίως επιφανειακά. Για τους παραπάνω λόγους υπάρχουν εκτενείς και σαφείς διεθνείς οδηγίες για την έκθεση σε ραδιοκύματα. Στις οδηγίες αυτές συμπεριλαμβάνονται και οι συχνότητες που θα χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη και λειτουργία των δικτύων 5ης γενιάς και καθορίστηκαν από ανεξάρτητους επιστημονικούς οργανισμούς, όπως η Διεθνής Επιτροπή για την Προστασία από τις μη ιονίζουσες ακτινοβολίες (ICNIRP) και προσφέρουν προστασία σε όλον τον πληθυσμό, συμπεριλαμβανομένων των παιδιών, από όλους τους αποδεδειγμένους κινδύνους για την υγεία. Ασύρματες οπτικές επικοινωνίες Η ανάγκη για αυξημένο εύρος ζώνης ώστε να μπορούν να εξυπηρετούνται περισσότεροι χρήστες για αρκετά απαιτητικές εφαρμογές, οδήγησε στην ανάγκη εκμετάλλευσης νέων ζωνών του ΗΜ φάσματος που θα μπορούν να ικανοποιήσουν τις ανάγκες ενός σύγχρονου τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Την λύση έδωσε η χρήση του υπέρυθρου και οπτικού φάσματος, δημιουργώντας ένα νέο και πολλά υποσχόμενο κομμάτι, τις ασύρματες οπτικές επικοινωνίες.  Εικόνα 2: Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Στις ασύρματες οπτικές επικοινωνίες (Optical Wireless Communications - OWC), γίνεται χρήση του οπτικού ηλεκτρομαγνητικού φάσματος (400nm-700nm) καθώς και ενός μέρους του υπεριώδους και του υπέρυθρου ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ανάλογα με το μήκος κύματος οι ασύρματες οπτικές επικοινωνίες χωρίζονται σε 2 βασικές κατηγορίες: α) Επικοινωνίες ορατού φωτός (Visible Light Communications - VLC) Στα συστήματα αυτά, η επικοινωνία πραγματοποιείται με χρήση διόδων LED που εκπέμπουν σε μήκη κύματος μεταξύ 390nm-750nm. Ο τρόπος με τον οποίο ένα LED μπορεί να μεταδώσει πληροφορία έγκειται στην ικανότητα της πολύ γρήγορης διαμόρφωσης του ρεύματος που διαρρέει το LED η οποία προκαλεί γρήγορες εναλλαγές της φωτεινότητας, οι οποίες μπορούν να φτάσουν τις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια το δευτερόλεπτο. Στην απλή μορφή επικοινωνίας το bit "1" θα μεταδίδεται όταν το LED φωτοβολεί ενώ το bit "0" όταν το LED δεν φωτοβολεί ή φωτοβολεί ασθενέστερα. Οι μεταβολές αυτές μπορούν να εντοπιστούν από μία φωτοδίοδο, η οποία με την σειρά της θα μετατρέψει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό. Με τον τρόπο αυτό πραγματοποιείται η επικοινωνία μεταξύ πομπού (LED) και δέκτη (φωτοδιόδου).  Εικόνα 3: Block διάγραμμα VLC επικοινωνίας (Visible Light Communications, Christian Pohlmann) Η ιδέα που έφερε επανάσταση στο χώρο των ασύρματων οπτικών επικοινωνιών ήταν ο συνδυασμός της χρήσης των LED ταυτόχρονα για φωτισμό του χώρου αλλά και για μετάδοση πληροφορίας καθώς οι τόσο γρήγορες μεταβολές της φωτεινότητας δεν γίνονται αντιληπτές από το ανθρώπινο σύστημα όρασης ώστε να δημιουργήσουν παρενέργειες όπως κούραση ή ζάλη. Για τις εφαρμογές αυτές τα LED που εκπέμπουν λευκό φώς είναι καταλληλότερα, τα οποία βασίζονται είτε στην τεχνική RGB όπου ο συνδυασμός κόκκινου, πράσινου και μπλε LEDs παράγει το λευκό φώς, είτε στην τεχνική επικάλυψης ενός μονοχρωματικού LED, συνήθως μπλε, με φώσφορο διαφορετικού χρώματος, συνήθως κίτρινου.  Εικόνα 4: α) RGB τεχνική β) Τεχνική επικάλυψης με φώσφορο (Chih Lin et al, Inorganic Phosphor Materials for Lighting, Cercrys.com) Βάσει αυτής της ιδέας δημιουργήθηκαν τα πρώτα Li-Fi (Light Fidelity) συστήματα τα οποία αναμένεται να αντικαταστήσουν μεγάλο μέρος των WiFi συστημάτων καθώς οι ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν μπορούν να καλύψουν τις απαιτήσεις ενός σύγχρονου 5G δικτύου. Σε ένα LiFi σύστημα, μπορεί να επιτευχθεί μεγάλος ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (~Gbps) με πολύ μικρό κόστος αλλά και πολύ μικρή ισχύ (~W) λειτουργίας. Επίσης η χρήση του οπτικού φάσματος είναι απολύτως ασφαλής ως προς το περιβάλλον και τους οργανισμούς και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μέρη όπου απαγορεύεται η χρήση WiFi συστημάτων όπως τα νοσοκομεία και αεροπλάνα. Ένα μεγάλο ακόμα πλεονέκτημα είναι η εύκολη επιλογή του field of view (FOV) ενός LED ώστε η πληροφορία να μην διαχέεται σε ολόκληρο το χώρο αλλά σε συγκεκριμένη περιοχή. Με αυτό τον τρόπο, κάθε χρήστης θα εξυπηρετείται από συγκεκριμένο LED που βρίσκεται στο χώρο.  Εικόνα 5: LiFi συστήματα Μάλιστα η αδυναμία της συγκεκριμένη ΗΜ ακτινοβολίας να διαπεράσει ένα τοίχο, προσφέρει υψηλά επίπεδα ασφάλειας καθώς η πληροφορία δεν μπορεί να υποκλαπεί από κάποιον που βρίσκεται εκτός δωματίου. Λόγω των παραπάνω ιδιοτήτων, η VLC τεχνολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση του Smart Home Project, όπου όλες οι συσκευές σε ένα σπίτι θα επικοινωνούν μεταξύ τους και θα ελέγχονται μέσω ειδικών εφαρμογών από τον χρήση.  Εικόνα 6: Smart Home Project. Όμως τα VLC συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε ανοιχτούς χώρους πραγματοποιώντας ζεύξεις αρκετών μέτρων. Τα ελεύθερα WiFi που υπάρχουν σε αρκετούς δημόσιους χώρους, όπως πλατείες, μπορούν εν μέρει να αντικατασταθούν από LiFi συστήματα μέσω του δημόσιου φωτισμού στους χώρους αυτούς. Η κύρια συμβολή των VLC συστημάτων σε ανοιχτούς χώρους είναι η υλοποίηση Smart City εφαρμογών όπως η επικοινωνία μεταξύ οχημάτων με χρήση των LED που διαθέτουν (φώτα πορείας, φρένων κτλ) ή τα "έξυπνα" φανάρια τα οποία θα μπορούν να μεταδίδουν προειδοποιητικά μηνύματα στους οδηγούς. Το μεγαλύτερο πρόβλημα για την εφαρμογή VLC συστημάτων σε εξωτερικούς χώρους είναι η παρουσία της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία προσθέτει θόρυβο στο δέκτη. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται σε ικανοποιητικό βαθμό με χρήση ειδικών φίλτρων στο δέκτη τα οποία επιτρέπουν την διέλευση μόνο των επιθυμητών συχνοτήτων. β) Επικοινωνίες ελευθέρου χώρου (Free Space Optics - FSO) Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν διόδους LASER με μήκη κύματος μεταξύ 750nm-1600nm πραγματοποιώντας ζεύξεις σημείου προς σημείο σε μεγάλες αποστάσεις. Οι αποστάσεις αυτές μπορούν να φτάσουν έως τα 10km για επίγειες ζεύξεις, αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα για δορυφορικά FSO συστήματα και μερικές δεκάδες μέτρα για υποθαλάσσιες ζεύξεις.  Εικόνα 7: FSO ζεύξεις (Free Space optical Communications, Sandeep Rajput) Τα συστήματα FSO ξεκίνησαν να αναπτύσσονται για στρατιωτικές εφαρμογές το 1960, καθώς η χρήση δέσμης LASER προσφέρει υψηλά επίπεδα ασφάλειας, όμως η ραγδαία ανάπτυξη των ημιαγωγικών στοιχείων LASER, κέντρισε γρήγορα και το εμπορικό ενδιαφέρον με αποτέλεσμα τις τελευταίες δεκαετίες να παρουσιάζεται αξιοσημείωτη αύξηση στην χρήση αυτής της τεχνολογίας. Πολλοί φορείς χρησιμοποίησαν FSO συστήματα προκειμένου να δημιουργήσουν ζεύξεις μεταξύ διαφορετικών κτιρίων. Η λύση αυτή προσέφερε μεγάλους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, χαμηλό κόστος και η ζεύξη μπορούσε να πραγματοποιηθεί μέσα σε λίγες ώρες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα της χρηστικής ευελιξίας των FSO συστημάτων είναι η δημιουργία ασύρματων οπτικών ζεύξεων στην περιοχή όπου πραγματοποιήθηκε η επίθεση στους δίδυμους πύργους το 2001 και οι ενσύρματες γραμμές των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων καταστράφηκαν. Τα FSO αποτελούσαν την μόνη αξιόπιστη και γρήγορη λύση προκειμένου να επαναλειτουργήσουν άμεσα οι επικοινωνίες στην περιοχή. Εκτός όμως από το εμπορικό ενδιαφέρον, υπάρχει και μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον, καθώς ερευνητικές ομάδες από όλο τον κόσμο εργάζονται προκειμένου να βελτιώσουν την ποιότητα των FSO ζεύξεων καθώς η διάδοση της δέσμης LASER μέσα από την ατμόσφαιρα, επηρεάζεται από διάφορους ατμοσφαιρικούς και μετεωρολογικούς παράγοντες. Οι κύριοι μηχανισμοί που εξασθενούν την ισχύ της δέσμης είναι η σκέδαση, η απορρόφηση και η τυρβώδης ροή (turbulence). Έχουν αναπτυχθεί αρκετά μαθηματικά μοντέλα που περιγράφουν τους μηχανισμούς αυτούς, σύμφωνα με τα οποία είναι δυνατή η ασφαλής εκτίμηση της ποιότητας της ζεύξης γνωρίζοντας διάφορες βασικές μετεωρολογικές παραμέτρους όπως η θερμοκρασία, η ταχύτητα του ανέμου και η υγρασία. Τα μαθηματικά αυτά μοντέλα επιβεβαιώνονται με αποτελέσματα που προκύπτουν από διάφορες πειραματικές FSO ζεύξεις. Χάρη στις ερευνητικές μελέτες και προσπάθειες, τα τελευταία χρόνια οι FSO ζεύξεις προσφέρουν πλέον υψηλή απόδοση, με ταχύτητες που μπορούν να φτάσουν τα 5Gbps σε αποστάσεις έως 3km για εμπορική χρήση, χαμηλό κόστος αγοράς αλλά και λειτουργίας καθώς η ισχύς εκπομπής ενός πομπού, χρησιμοποιώντας από μία ως τρεις δέσμες LASER, δεν ξεπερνά συνολικά τα 100mW. Ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα των FSO συστημάτων είναι χρήση τους χωρίς την ανάγκη αδειοδότησης όπως συμβαίνει σε άλλες ΗΜ ζώνες (Ραδιοσυχνότητες κ.α) Επιπροσθέτως, προσφέρουν υψηλά επίπεδα ασφάλειας καθώς είναι εξαιρετικά δύσκολο να υπάρξει υποκλοπή χωρίς να γίνει αντιληπτή. Όλοι αυτοί οι λόγοι, έχουν θέσει τις FSO ζεύξεις ως μια αξιόπιστη λύση για τα σύγχρονα και μελλοντικά δίκτυα υψηλών απαιτήσεων. Οι επιδόσεις ενός τυπικού εμπορικού FSO συστήματος συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα.  Πίνακας 3: Χαρακτηριστικά λειτουργίας τυπικού συστήματος FSO Όμως, ο συνδυασμός της ανάγκης για οπτική επαφή μεταξύ των πομποδεκτών καθώς και το στενό εύρος της δέσμης, απαιτεί ακριβή στόχευση και τοποθέτηση του συστήματος σε σημεία όπου δεν υπάρχουν εμπόδια (κορυφές κτιρίων, ταράτσες κτλ). Οι λόγοι αυτοί περιόριζαν τα πρώτα FSO συστήματα για ζεύξεις μεταξύ σταθερών σημείων, αποτελώντας όμως μια πολύ καλή λύση για τα backhaul κομμάτια ενός 5G δικτύου. Το 2017, η ομάδα Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου John Hopkins (APL) ανέπτυξε επιτυχημένα σε συνεργασία με το Αμερικανικό Πολεμικό Ναυτικό, FSO ζεύξεις μεταξύ κινούμενων πλοίων, χρησιμοποιώντας κατάλληλες τεχνικές παρακολούθησης στόχου (tracking). Παράλληλα έχουν γίνει αρκετές μελέτες για χρήση FSO συστημάτων στην επικοινωνία τρένων ή αεροπλάνων με τα κέντρα επιχειρήσεων, οι οποίες ακόμα βρίσκονται σε πειραματικό επίπεδο με πολύ ενθαρρυντικά όμως αποτελέσματα. Οι ιδιότητες και η απόδοση των VLC και FSO συστημάτων, αναμένεται να εντάξει τις τεχνολογίας αυτές στα δίκτυα 5G και να αποτελέσουν αναπόσπαστο μέρος κάθε σύγχρονου και μελλοντικού δικτύου υψηλών απαιτήσεων. Ακόμα υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης στις ασύρματες οπτικές επικοινωνίες στο φυσικό επίπεδο, στο οποίο εργάζονται πολλές ομάδες εφαρμοσμένης Φυσικής αλλά και στο επίπεδο του δικτύου. Αναφορές:
Comments are closed.
|
RSS Feed