‫טכנולוגיית מידע – שירות חדרים דיגיטלי מהיר באמצעות אור / מוחסן קווראד‬

אלומות אור יכולות לאפשר שידור נתונים מקודד להתקנים אלחוטיים המצויים בתוך חללים סגורים ולספק שירותי מולטימדיה אינטרנטיים, כגון ועידות וידאו, סרטים על פי דרישה ועוד

מאת מוחסן קווראד

מהנדסי האלקטרוניקה חולמים זה שנים על קישוריות כוללת – העברת נתונים אלחוטית לכל אדם ולכל מכשיר, בכל מקום כל הזמן. הם גם עשו צעדים של ממש להגשמת מטרה זו: יותר משני מיליארד בני אדם מחזיקים כיום בטלפונים סלולריים, ומאות מיליונים שולחים ומקבלים הודעות וקבצים באמצעות מחשבים ניידים, מחשבי כף יד והתקנים דיגיטליים אחרים הקשורים זה לזה באמצעות רשתות רדיו קצרות טווח (Wi-Fi).

מלבד זאת, יותר ויותר משתמשי Wi-Fi נהנים מן הנוחות שבפריסת התקנים אלחוטיים ניידים בכל מקום בבית ובמשרד. בו בזמן משלבים היצרנים יכולות תקשורת אלחוטיות בהתקנים ובמכשירים שנחשבו בעבר נייחים, כדי לאפשר לצרכנים לתקשר אִתם מרחוק. משתמשים אלה מעוניינים יותר ויותר גם בגישה לשירותי פס רחב בלי להזדקק לחיבורים קוויים קבועים. אך בטווח תדרי הרדיו שבהם פועלת טכנולוגיית Wi-Fi יש מחסור ברוחב פס זמין. בשל כך אין די במהירות העברת הנתונים ובקיבולת הערוצים כדי לאפשר גישה אלחוטית מהירה לשירותי מולטימדיה באינטרנט כגון גלישה, ועידות וידאו, שידורי טלוויזיה וסרטים על פי דרישה. אפילו מערכות הרדיו המהירות וארוכות הטווח יותר, כגון WiMAX, אינן מותאמות היטב לתקשורת בפס רחב בתוך מבנים, מכיוון שהן מסוגלות לשרת רק מספר מוגבל של משתמשים בתוך חלל סגור, וחשוב מכך – הן לא מסוגלות לספק תקשורת מאובטחת.

הטכנולוגיה האופטית האלחוטית מהווה חלופה מסקרנת. במקום לשדר גלי רדיו, משדרות הרשתות האלחוטיות האופטיות קצרות הטווח נתונים מקודדים באמצעות אלומות של אור לבן או באמצעות אלומות של אור אינפרה-אדום בלתי נראה, הדומות לאלו של מכשירי שלט-רחוק. מערכות אופטיות יכולות לחבר מכשירים דיגיטליים אלחוטיים אל חיבור האינטרנט בחדר ודרכו לרשת הפס הרחב המהירה שמשרתת את הבית או את הבניין. טכנולוגיה זו, שמתפתחת במהירות, מציעה כמה יתרונות: התאים הממוקדים ונטולי ההפרעות שלה (הקרויים גם אזורי שירות בסיסיים) מאפשרים למשתמשים מרובים גישה חסרת מגבלות כמעט לפס רחב. היא מספקת גם אבטחה כמעט מושלמת, מכיוון שהאור – שלא כמו גלי הרדיו – אינו עובר דרך קירות. מערכת אופטית אלחוטית מתאימה במיוחד למִתחָמים עסקיים גדולים עם מספר גדול של משתמשי פס רחב קרובים זה לזה, כגון קומה במפעל או במשרד שיש בו עמדות עבודה מודולריות.

שידור נתונים באמצעות אור

אולי שמעתם על בעיית “המייל האחרון” – העלות הגבוהה של העברת שירותי פס רחב בקטע שבין התשתית הארצית ובין המשתמשים הנייחים. לעומת זאת, הטכנולוגיה האופטית האלחוטית, מתחבטת בבעיית “המטרים הספורים האחרונים” – הקושי שבהעברת הנתונים בפס רחב מנקודת החיבור אל המכשירים האלחוטיים עצמם המצויים בתוך המבנה.

חוקרים בחנו את רעיון התקשורת האופטית הפנימית כבר בראשית שנות ה-80, כשחוקרים בסניף IBM בציריך בנו את המערכת הראשונה שעבדה בפועל. הטכנולוגיה קפאה על שמריה במשך עשר שנים משום שהאינטרנט עדיין היה בחיתוליו, והדרישה לטכנולוגיה אלחוטית בפס רחב עדיין לא התעוררה. עם זאת, ההתפתחות המסחררת של האינטרנט בשנים האחרונות שינתה הכול.

מהנדסים מתארים את רשתות התקשורת האלחוטיות קצרות הטווח, הפועלות באמצעות דיודות פולטות אור (LED) בתחומי האינפרה-אדום והאור הנראה, כמערכות “אופטיות” משום שהן מעבירות נתונים באמצעות גלי אור (או פוטונים) נראים ובלתי נראים ולא באמצעות גלי רדיו או גלי מיקרו ארוכים יותר. המערכות האופטיות האלחוטיות העכשויות משתמשות בקרינה אינפרה-אדומה הכלולה בחלק ה”אופטי” של הספקטרום האלקטרומגנטי, ואורכי הגל שלה ארוכים מאלה של אור נראה, אך קצרים מאלה של גלי רדיו. הקרינה משודרת בעוצמה נמוכה ביותר שבני אדם אינם מסוגלים לחוש בה. כשאור אינפרה-אדום נפלט בעוצמות גבוהות יותר, אנו חווים תחושה של חום.

קישורים אופטיים פועלים במיטבם כשהמשדר מכוון באופן ישיר אל המקלט, כפי שאנו מכירים במערכות “כוון ולחץ” בשלט רחוק של טלוויזיות ובמצלמות דיגיטליות. אלא שסידור כזה אינו מעשי לצורך חיבור של משרד שלם או הענקת גישה לרשת במקום ציבורי כמו שדה תעופה או מסעדה. כדי להשיג כיסוי מלא של חדר, מפיצות הרשתות האופטיות את אלומות האור נושאות הנתונים בכל רחבי החלל. אלומות אור אינפרה-אדום מוחזרות מפניו של כל משטח – קירות, שולחנות, מכונות קפה ואפילו פני האנשים שבחדר. ההחזרות שנוצרות בדרך זו מתפזרות ברחבי החדר, כך שאפשר לכוון את המקלטים לכל כיוון. יש כמה מוצרי רשת אינפרה-אדומים מסחריים שמשתמשים בשיטה זו, אך האלומות המוחזרות מן המשטחים יוצרות תופעה הדומה להדים, שמקשה על המקלט לקבוע את דיוק הנתונים. ההדים יכולים לגרום לאובדן נתונים ולהגביל מאוד את קצב העברת הנתונים ברשת.

לגרום לאינפרה-אדום לעבוד

כדי לטפל בבעיית ההדים, פיתח צוות המחקר שלי באוניברסיטת המדינה של פנסילבניה, מערכת אופטית אלחוטית ששולחת עותקים מרובים של הנתונים במערך, או ברשת, של אלומות אור אינפרה-אדום צרות כעיפרון הממלאות את חלל החדר. אלומות האור האלה, משדרות בהספק נמוך ןכל אחת מהן חוזרת שוב ושוב על אותם אותות. אלומות האור מקשרות את כל המכשירים הדיגיטליים המצוידים במקלטי אינפרה-אדום אל נקודת החיבור לרשת, וממנה בחיבור פיזי אל התשתית המהירה להעברת נתונים. כאמור, אלומות האור משדרות שוב ושוב את האותות המוצפנים, והמשתמשים יכולים לנוע בחדר בלי להתנתק מכיוון שכשהם מאבדים קשר עם אחת האלומות הם מתחברים מיד לאלומה אחרת. המכשיר מקבל בו בזמן נתונים זהים מרובים, והדבר מאפשר לו לבצע בדיקת שגיאות באמצעות השוואה פשוטה של הנתונים מכמה אלומות ובדיקת דיוקם. רשת האלומות הצרות כעיפרון מאפשרת העברה מהירה של אותות, בקצב של ג’יגה-ביט לשנייה, פי כמה מאות ממהירותו של מודם DSL, עם מעט שגיאות בהעברה. מערכת כזו יכולה להפוך גישה אלחוטית בפס רחב בתוך מבנה לעניין קל להפליא.

אנו יוצרים את רשת אלומות האור באמצעות העברת האות האינפרה-אדום המקודד דרך מסנן הולוגרפי מיוחד המכונה “מעצב אלומות”, והוא מפיץ אותן בכיוונים הרצויים. כדי ליצור את המסנן ההולוגרפי, אנו מקרינים תחילה, משני כיוונים, תמונה של רשת על גבי יריעת פלסטיק רגישה לאור וזולה. כדי לבצע זאת, אנו מפצלים לשתיים את האלומה שמכילה את התמונה באמצעות מראה כסופה למחצה ומשלבים מחדש את אלומות האור בעזרת שני מכוונים. מערך זה מאיר את היריעה הרגישה לאור באותה תמונה של רשת מזוויות שונות ויוצר תמונה תלת-ממדית. כשמשדר האינפרה-אדום האלחוטי שולח אלומת אור מקודד דרך המסנן ההולוגרפי, יוצאים אפוא ממנו עותקים רבים של האלומה, בתבנית של רשת תלת-ממדית.

תבנית האלומות שבה אנחנו משתמשים תלויה בצורת החדר. אפשר להאיר אזורים שונים לפי הצורך: במניפה, ברשת מלבנית, במעגלים ממורכזים וכן הלאה. לצורך המחשה, מרחבים לשימוש כללי, כגון משרדים ובתי חרושת, מוארים לרוב בתאורה אחידה, לעומת זאת, במוזיאון לאמנות צריך בדרך כלל אלומות ממוקדות המאירות ציורים ופסלים. באותו אופן, רשתות אופטיות אלחוטיות יפעלו באופן מיטבי אם ירכזו את האלומות בעיקר באזורים שבהם יושבים רוב העובדים המשתמשים בפס רחב ולא במקומות שיש בהם פחות עובדים.

המקלט האינפרה-אדום האלחוטי המצוי בחדר מצויד במסנן הולוגרפי דומה המכונה “עין זבוב”. המסנן מסייע באיסוף אלומות ה”תשובה” שמשדרים המכשירים הדיגיטליים בנתיב החוזר. הוא מתעל את האותות שמתקבלים מכיוונים רבים לגלאי אור נפרדים ומשפר את הקליטה באמצעות שילוב האנרגיה של כל אלומות האור.

אלחוט בעזרת נורות LED לבנות

המערכות האופטיות האלחוטיות המבוססות על אור אינפרה-אדום יוחלפו ככל הנראה בשלב מסוים ברשתות מקומיות המבוססות על נורות LED לבנות, המציעות רוחב פס גדול עוד יותר ויתרונות נוספים. טכנולוגיית ה-LED נתפסת יותר ויותר כתחליף לתאורה רגילה, והיא יכולה לספק בו בזמן גם שידור נתונים בפס רחב.

נורות LED לבנות משלבות את צריכת החשמל הנמוכה של נורות פלואורסצנטיות ואת אורך החיים שלהן עם ספקטרום האור הנעים לעין של נורות הלהט. לדברי מומחים בתעשייה, בתוך כמה שנים יתחיל ייצור המוני של שבבי סיליקון המפיצים אור לבן. ייצורן של נורות LED בשיטות מסורתיות המשמשות כיום לייצור מעגלים משולבים, יוזיל את מחירן עד שיהיו זולות דיין כדי להחליף את הנורות הפלואורסצנטיות הקומפקטיות, שהיום נחשבות לאמצעי התאורה החסכוני ביותר. מה שעדיין לא חדר לתודעת הכלל הוא שטכנולוגיית נורות ה-LED הלבנות שעשויה ביום מן הימים להאיר חדרים וחללים פנימיים אחרים ביעילות רבה ובעלות נמוכה מאוד, יכולה בו-בזמן גם לספק גישה דיגיטלית אלחוטית בפס רחב לכל המכשירים הדיגיטליים המצויים באותו חלל והמצוידים כראוי. כשתדליקו נורת LED לבנה, המכשיר האלחוטי שלכם יוכל לקבל באותו זמן תשדורות בפס רחב דרך אותו אור נראה שמאיר את החדר.

שלא כמו מקורות אור אחרים, קל להתאים את ה-LED לתפקיד משדר לתקשורת אלחוטית באור נראה, רעיון שהציע לראשונה לפני כמה שנים צוות חוקרים באוניברסיטת קֵיוֹ ביפן. זמן התגובה המהיר של ה-LED מאפשר לכבות ולהדליק את הנורה מיליוני פעמים בשנייה, או בתדירות של מגה-הרצים, במין איתות דגלים בנוסח היי-טק. הדבר מאפשר לאפנן את האור הנראה לצורך קידוד של תקשורת אלחוטית. לפי תוצאות הניסויים הראשוניים שערכה קבוצת המחקר שלי, אפשר לאפנן רכיב נורת LED לבנה, הנפוץ בשוק, להעברת אותות בתדירות של עד 100 מגה-הרץ. איתות בתדר גבוה כזה מהיר בהרבה מכדי להיקלט בעין האדם.

לתקשורת אלחוטית בתוך בניין באמצעות נורות LED לבנות יש כמה יתרונות על פני רשתות Wi-Fi ואפילו על פני רשתות אור אינפרה-אדום. מכיוון שנורות ה-LED הלבנות עשויות להיות מותקנות בעתיד לצורך תאורה פנימית, ככל הנראה יהיה קל יותר להתקין מערכת אלחוטית שתתבסס עליהן מאשר להתקין את רוב המערכות האלחוטיות האחרות. מלבד זאת, היחלשות האות בשל חפצים יום-יומיים בחדר החוסמים שידורים מנקודה לנקודה – היחלשות שאנו מכנים בשם צל – תצטמצם למינימום מכיוון שנורות ה-LED הלבנות יוצבו ממילא בכל רחבי החדר. מנורות שיותקנו על התקרה יהיו שימושיות במיוחד משום שהסיכוי שקרני האור שלהן ייחסמו קטן יותר. כמו בכל המערכות האופטיות, טכנולוגיית ה-LED הלבן אינה רגישה להפרעות מאותות אור בצבעים אחרים ומציעה רוחב פס עצום לתקשורת.

חשוב לציין שהשוכנים בחדר יוכלו לכבות את האורות בלילה ועדיין להשתמש במחשבים הניידים שלהם ובהתקנים אחרים, מכיוון שאפילו כשנורות ה-LED “כבויות” וחשוכות, אספקת חשמל בזרם נמוך עדיין תאפשר להן לשחרר די “פוטונים שִיוּריים” לצורך תקשורת אלחוטית. גישה חלופית תהיה לתכנן מערכות LED לבן שישלבו גם מקור זול של אור בלתי נראה שישדר את הנתונים כשהאורות בחדר כבויים.

החוקרים עדיין צריכים לפתור כמה בעיות בטכנולוגיה של רשתות לטווח קצר באמצעות נורות LED לבנות. צעד מרכזי יהיה לתכנן את מערכת האותות החוזרים, שבעזרתה יתקשרו ההתקנים האלחוטיים עם נורות ה-LED הלבנות ובאמצעותן עם מערכות התשתית להעברת המידע. לדוגמה, המהנדסים יוכלו להתקין בהם משדרים (על גבי כרטיסים אלקטרוניים שאפשר לחברם לציוד קיים) שיפיקו אורך-גל אחר, בלתי נראה (אולי אינפרה-אדום). מקורות אור אלה ישלחו אלומות אור מקודדות אל נורות ה-LED הלבנות שיצוידו במקלטי פוטו-דיודה קטנים. לחלופין, המערכת כולה, גם השידור וגם הקליטה, תוכל לפעול באורך-גל אחד של אור נראה ולנצל את העובדה שנורות ה-LED “מהבהבות” בתדירויות גבוהות מאוד (רוב הזמן הן דולקות בהפוגות קצרות מאוד של כיבוי). אפשר להעביר את האותות החוזרים ממכשירים אלחוטיים אל המקלטים במהלך הפוגות הכיבוי הקבועות מראש של נורות ה-LED. מהנדסים מכנים טכניקה כזו בשם דופלקס בחלוקת זמן (TDD). יהיה הפתרון הנבחר אשר יהיה, הציוד הנוסף ייקר את המערכת במקצת.

על המפתחים של מערכות אור לבן להביא בחשבון גם את ההשפעות השליליות האפשריות, שטרם נבדקו, של אור טבעי ומלאכותי שמגיע מבעד לחלונות או ממקורות אחרים. לפני שיהיה אפשר ליצור מערכות פועלות, יש לבצע הדמיות וניסויים נוספים כדי לקבוע מהו האיזון הטוב ביותר בין תאורה פנימית לתקשורת. לסיום, החוקרים יצטרכו ליצור טכניקות יעילות לקידוד, לפענוח, לאפנון ולריבוי אותות בתחום האור הנראה, שיתאימו הן לצורך הארה והן לתקשורת.

פס רחב ברשת החשמל

שני סוגי הטכנולוגיה האופטית האלחוטית יוכלו להפיק תועלת רבה משיטה מבטיחה לקישור בפס רחב לאורך “המייל האחרון” אל משתמשי הקצה הנייחים באמצעות קווי החשמל (BoPL). בשיטה זו מגיעים נתונים במהירות גבוהה דרך רשתות החשמל במתח נמוך או בינוני אל השקעים שבחדר. טכנולוגיית BoPL משתמשת בכבלי רשת החשמל הביתית הקיימת, ומוסיפה להם גם את השידור בפס רחב. חברות באוהיו, בטקסס ובמקומות אחרים בארה”ב כבר מציעות שירות BoPL לצרכנים במחירים דומים לאלה של ADSL. משתמשים רבים באירופה ובאסיה (לדוגמה, ספרד, שבדיה, נורבגיה, הולנד, דרום קוריאה ויפן) כבר מקבלים שירותי אינטרנט דרך BoPL משום שמבנה רשתות החשמל במדינות אלה מקל על התאמתן לכך. מתאמים קטנים ולא יקרים שמחברים המשתמשים לשקעי החשמל שבקיר מאפשרים את ה”גישור” האופטי-אלחוטי הזה בפס רחב. המתאמים משדרים את הנתונים באמצעות נורות אינפרה-אדומות לכל המכשירים הדיגיטליים בחדר המצוידים במקלטים אופטיים. בבניינים שמוארים בנורות LED לבנות, לא יהיה צורך במתאמים.

צוות המחקר שלי הראה שמערכת של נורות LED לבנות לתאורה ולתקשורת אלחוטית בקצב מהיר, בשילוב עם טכנולוגיית BoPL, תוכל להעביר נתונים בקצב של עד ג’יגה-ביט (מיליארד ביטים) לשנייה, קצב מהיר מזה של DSL רגיל (העומד על 4-2 מגה-ביט לשנייה, כלומר 4-2 מיליוני ביטים לשנייה לכל היותר) או של כבלי הטלוויזיה (העומד על כ-50 מגה-ביט לשנייה בממוצע). קצב מרבי זה מוגבל רק על ידי הבדלים בין נתיבים אופטיים בחדרים בעלי צורות וגדלים מסוימים, שעלולים להגביר את עיוות האות. קליטה חוזרת ונשנית של אותה ההודעה, אם אינה מעובדת כראוי, גורמת לעיוותים כאלה. לעומת זאת, אם המהנדסים יתכננו את המערכת כראוי, הם יוכלו לשמור על עיוותים כאלה ברמות נסבלות ואפילו לנצל את העותקים המרובים להגדלת האיכות של העברת השירות בפס רחב למשתמשי הקצה.

בין אם המערכות שלהם ישתמשו באור אינפרה-אדום או באור נראה, יזכו בקרוב המשתמשים בהתקנים דיגיטליים אלחוטיים בדרך חדשה לרכוב על גבי הפס הרחב אל העתיד. הטכנולוגיה האופטית האלחוטית מותאמת היטב לשמש גשר שיאפשר גישה דיגיטלית מן הרשת, דרך המטרים הספורים האחרונים, עד למקום שבו אנו חיים ועובדים.

———————————————————————————–

[ראש בראש]

רדיו מול אינפרה-אדום

מערכות בטכנולוגיית אינפרה-אדום לא כיוונית (או מבוזרת), שמפזרות אור מקודד באמצעות החזרת אלומות האור ממשטחים בחדר, מציעות יתרונות לעומת מערכות שמתבססות על תדרי רדיו לצורך העברת נתונים אלחוטית בפס רחב בתוך חדרים.

מהירות העברה

רדיו: השמירה על רמות עוצמה בטיחותיות שלא יפגעו ביושבים בחדר מגבילה את קצב העברת הנתונים המרבי לכמה מאות מגה-ביט לשנייה.

אינפרה-אדום: מהירויות העברת נתונים של ג’יגה-ביט לשנייה.

רוחב פס מקסימלי

רדיו: מכיוון שאותות רדיו שנשלחים באותו תדר חוסמים זה את זה, מפקחות הרשויות על תדרי השידור ומגבילות בכך את רוחב הפס הזמין.

אינפרה-אדום: קרני האור אינן חוסמות זו את זו. רוחב הפס האפשרי מוגבל אפוא על ידי הקצב המרבי שבו יכולות הפוטו-דיודות לקלוט נתונים נכנסים ולהתכונן לקבלת נתונים נוספים.

אבטחה

רדיו: גלי רדיו עוברים דרך קירות ומאפשרים האזנה.

אינפרה-אדום: גלי אור אינם עוברים דרך קירות, ולכן מגבילים את אפשרות הציתות.

דעיכה בשל ריבוי מסלולים

רדיו: כשגלי רדיו מקודדים ניתזים ממשטחים מוליכים, הם מגיעים לרוב בזמנים שונים. לעתים, ההחזרות מגיעות בהפרש פאזה כזה שהם מבטלים זה את זה בשל תופעת ההתאבכות.

אינפרה-אדום: החיישנים באזור הפעיל של הפוטו-דיודה קולטים את הגלים בנפרד וממצעים את האנרגיה הנכנסת, כך שלא יכולה להתקיים התאבכות הורסת.

מקור רעש עיקרי:

רדיו: הפרעות של משתמשים אחרים המשדרים באותו תדר מאטות את מהירות השידור.

אינפרה-אדום: אותות אקראיים ממקורות תאורה סביבתיים – השמש, מנורות וכן הלאה – מאטים את מהירות השידור.

————————————————————————————

על המחבר

מוחסן קווראד (Kavehrad) מחזיק בקתדרה על שם ו’ ל’ וייס להנדסת חשמל ומכהן כמנהל המייסד של המרכז לטכנולוגיית מידע ותקשורת באוניברסיטת המדינה של פנסילבניה. לפני שהצטרף לאקדמיה עבד קווראד במעבדות בל. הוא קיבל את הדוקטורט בהנדסת חשמל מן האוניברסיטה הפוליטכנית בניו יורק ב-1977. קווראד, חבר במכון למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה (IEEE), נהנה לקרוא ולכתוב שירה.

בנושא:

Spot-Diffusing and Fly-Eye Receivers for Indoor Infrared Wireless Communications. G. Yun and M. Kavehrad in Conference Proceedings, IEEE Wireless Communications, June 1992.

 

Fundamental Analysis for Visible-Light Communication System Using LED Lights. T. Komine and M. Nakagawa in IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 50, No. 1, pages 100–107; February 2004.

 

Short-Range Optical Wireless Communications. Dominic C. O’Brien and Marcos Katz. Wireless World Research Forum (WWRF11), Oslo, June 2004.

 

Hybrid MV-LV Power Lines and White Light Emitting Diodes for Triple-Play Broadband Access Communications. M. Kavehrad and P. Amirshahi in Achieving the Triple Play: Technologies and Business Models for Success. International Engineering Consortium, 2005.

 

Transmission Channel Model and Capacity of Overhead Multi-Conductor Medium-Voltage Power-Lines for Broadband Communications. P. Amirshahi and M. Kavehrad. IEEE Consumer Communications and Networking Conference, Las Vegas, January 2005.