Rychlá a bezpečná alternativa WiFi

Co může být rychlejší a bezpečnější než oblíbená rádiová síť WiFi? Pokud to má být stále bezdrátová technologie, pak zbývá jediná možnost: optická bezdrátová síť. Jenže infračervených sítí moc v domácnostech nenajdeme, takže co kdo nového v tomto směru vymyslel, aby se to hodilo do uzavřených prostor?

Odborníci z Pennsylvania State University dostali hned dva nápady: využít diody pro bílé světlo (LED, Light Emitting Diode) a zkombinovat je spolu s širokopásmovým přístupem k Internetu realizovaným po elektrické síti (BPL, Broadband over Power Lines). Toto řešení může ve výsledku nabízet vyšší propustnost než DSL či kabelové přípojky. Konkrétně lze s novým systémem dosáhnout gigabitových rychlostí, což může překonat jen přenos v čistě optických přístupových sítích.

Nejlepší barvou je bílá

Barevné diody se dnes používají v řadě dobře známých, nejen domácích pomocníků, jako jsou digitální hodiny, dálkové ovladače, semafory apod. V poslední době se dostávají na trh bílé LED, které mají šanci dokonce nahradit žhavicí a fluorescenční žárovky a stát se světlem budoucnosti.

Někteří experti očekávají, že do šesti let budou bílé LED schopné vydávat světlo jasnější, než dokáže 60W žárovka, a přitom nespotřebují více energie, než kolik poskytují čtyři baterie velikosti D. Japonští výzkumníci právě přišli s nápadem využít bílé diody nejen pro osvětlení, ale i pro bezdrátovou optickou domácí síť, v níž by LED nahradily tradiční lasery pro generování optického signálu, které nejsou mj. z cenových důvodů pro domácí komunikaci přijatelné.

Bílé LED se zapojí do domácího elektrického systému, k němuž je zaveden přístup po elektrickém rozvodu (po síti nízkého a středního napětí). Tak je širokopásmová komunikace z Internetu (data, hlas, video a jejich kombinace) "rozvedena" světlem po celé místnosti k bezdrátovým přijímačům. Na rozdíl od rádiové komunikace světelný signál neproniká zdmi a zůstává omezen na danou místnost. Z toho plyne vyšší bezpečnost pro domácí síť. Přitom nehrozí žádná zdravotní rizika při vystavení se světlu z LED.

Systém optické bezdrátové komunikace pro vnitřní prostory v kombinaci s BPL byl vyvinut v Center for Information and Communications Technology Research pennsylvánské univerzity. Bílé diody jsou rozmístěny tak, aby osvětlovaly místnost co možná nejjednotněji. Díky přenosu datového signálu po elektrickém rozvodu je pak tento signál, dovedený do elektrické zásuvky, v místnosti rozptýlen do prostoru spolu se světlem prostřednictvím zapojené LED do zásuvky.

Při optické bezdrátové komunikaci může kvůli rozdílům v optické cestě dojít ke zkreslení signálu zejména při vyšších rychlostech přenosu. Při simulaci tyto vlivy neomezily rychlost přenosu pod 1 Gbit/s. Vše závisí na dobrém návrhu systému, protože zkreslení souvisí s rozměry místnosti a samotnou konfigurací systému.

Bílé LED pro tuto aplikaci nejsou komerčně k dispozici, ale do konce dekády tomu zřejmě bude jinak, protože budou skutečně i cenově dostupné. Tyto pozitivní předpoklady jsou podloženy faktem, že jsou velice nízkoenergetické. A pokud mohou kromě světla poskytnout uživatelům další nezbytnou kvalitu k životu - data, jistě o ně bude značný zájem.

Nicméně to přepokládá současně značný posun v poskytování širokopásmového přístupu po elektrické síti, na čemž je tato technologie primárně závislá. I když by zřejmě bylo možné zkombinovat jiný typ rychlé přípojky s domácí sítí po elektrickém rozvodu (jen v domácnosti) a následně pak distribuovat data v jednotlivých místnostech k potřebným zařízením vybaveným příslušným bezdrátovým optickým přijímačem.

Bezdrátová komunikace v domácnostech v kontextu

V domácích sítích se zkoušely dva typy bezdrátové komunikace: rádiová a infračervená (viz tabulka porovnávající všechny typy bezdrátových domácích sítí). Rádiové sítě pro domácí/kancelářské použití pracují v bezlicenčním spektru a nejčastěji se jedná o WLAN (802.11b/g), které jsou bezkonkurenčně nejoblíbenějším řešením domácí sítě, protože Bluetooth je pro propojení spotřební elektroniky poněkud pomalý a rychlejší rádiová síť s malým dosahem na bázi UWB zatím nebude (802.15.3a; viz článek Budoucnost Ultrawidebandu ohrožena?). Technologie speciálně vyvinutá pro domácí bezdrátovou síť, HomeRF (Home Radio Frequency), se neujala a zcela zapadla.

Optická komunikace pro vnitřní účely se zvažuje už několik desítek let, ale pozornost se upírala na infračervené záření. Infračervené sítě (více viz článek Infračervené sítě) specifikované v průmyslovém sdružení Infrared Data Association (IrDA) se pro použití v domácnostech také neujaly. Vysílačem je LED pracující v pásmu 780-950 nm. Šíření infračerveného záření je obdobné jako u viditelného světla. Přímá viditelnost díky schopnosti odrazů v uzavřeném prostoru (60-90 procent světla jsou stěny a stropy schopny odrážet a rozptýlit) není obecně přísnou podmínkou pro infračervené sítě, ale IrDA ji vyžaduje. Odrazy od stěn u optického signálu mohou vést ke zkreslení signálu různými cestami, s rozhozeným zpožděním.

Infračervené záření (optická bezdrátová komunikace) má mnohem větší šířku pásma než rádiová komunikace a není limitováno dostupným spektrem. Teoreticky je kapacita optické bezdrátové LAN omezena jen výkonností transceiveru a vlastnostmi kanálu. Ani nejrychlejší infračervené sítě nemohou konkurovat WLAN: AIr (Advanced Infrared) dosahuje rychlosti na fyzické vrstvě maximálně 4 Mbit/s a VFIr (Very Fast Infrared), schválená v roce 1999, nabízí rychlost 16 Mbit/s. V práci je ovšem varianta UFIR (Ultra Fast Infrared) slibující 100 Mbit/s!

Největší výhodou infračerveného záření je dostupnost kmitočtového spektra a skutečnost, že záření neprochází pevnými překážkami. Signály jsou tak vysoce bezpečné, protože neopouští zamýšlený dosah sítě. Ze stejného důvodu také infračervené sítě nejsou nikde regulovány. Z bezpečnostního hlediska jsou proto mnohem příznivější ve srovnání s rádiovými sítěmi, neboť signál se nešíří mimo danou místnost. Kmitočtové pásmo také může být v sousední místnosti bez omezení opětovně použito, nemusí se sdílet jako při běžné rádiové komunikaci.

Infračervené sítě trpí ale jinými problémy, z nichž nejzávažnější je vysílací výkon. Bez ohledu na směrové charakteristiky transceiverů a splnění podmínek přímé viditelnosti je dosah (velikost) sítí velice omezený. Potřebný vysílací výkon či maximální dosah jsou především určeny citlivostí přijímače.

Ve venkovním prostředí se bezdrátová optika (FSO, Free-Space Optics) používá na kratší vzdálenosti (do stovek metrů až několik kilometrů) pro dvoubodové spoje v přímé viditelnosti jako alternativa k optickým kabelovým propojením (více viz související články). I v tomto případě se jedná o světelný signál na hranici viditelného spektra. Využití optického signálu ve viditelném spektru ve vnitřních prostorách je skutečně revoluční myšlenka pro řešení sítí výkonných a současně jednoduchých na instalaci, vyžadujících vysokou přenosovou rychlost, bezpečnost, spolehlivost a minimum rizik (ohrožení zdraví, vzájemné rušení).

Další technické informace

P. Amirshahi and M. Kavehrad: Transmission Channel Model and Capacity of Overhead Multi-conductor Medium-Voltage Power-lines for Broadband Communications, IEEE Consumer Communications & Networking Conference, Las Vegas, Nevada, 1/ 2006
M. Kavehrad, P. Amirshahi: Hybrid MV-LV Power Lines and White Light Emitting Diodes for Triple-Play Broadband Access Communications [PDF, 355 kB], IEC comprehensive report on; Achieving the Triple Play: Technologies and Business Models for Success, ISBN: 978-1-931695-37-4, 12/2005
P. Amirshahi and M. Kavehrad: Medium Voltage Overhead Power-line Broadband Communications; Transmission Capacity and Electromagnetic Interference, Proceedings of ISPLC 2005, Vancouver, Canada, 4/2005
informace o výzkumu širokopásmových bezdrátových sítí (Broadband Wireless Local Area Networks - Last 300 Feet)