Sieci szkieletowe wymagają transmisji rzędu kilku Gb/s, co skutecznie ogranicza możliwe rozwiązania do transmisji światłowodowej. W pewnych warunkach nie ma jednak możliwości położenia kabla światłowodowego. Wtedy pomocą mogą być łącza FSO (Free Space Optics), umożliwiające transmisję modulowanej wiązki przez atmosferę. FSO używa techniki laserowej do wysyłania danych w formie wiązki widocznej lub podczerwieni.

Technologia jest łatwa w instalacji, nie potrzebuje licencji i oferuje szybki zwrot inwestycji. FSO umożliwia bezprzewodową transmisję danych, głosu, obrazu przez powietrze bez konieczności zmagania się z pasmem RF. Na rynku jest wiele urządzeń dostosowanych do różnych grup odbiorców. Z pewnością systemy FSO nie są pozbawione wad, ale w pewnych sytuacjach stanowią rozwiązanie niemal idealne.

Typową aplikacją systemów FSO jest połączenie dwóch budynków zlokalizowanych w różnych miejscach łączących dwie sieci. Użycie tej technologii jest szczególnie opłacalne, gdy położenie światłowodu lub miesięczne opłaty za linię dzierżawioną to inwestycja nieefektywna kosztowo lub niemożliwa do realizacji. Przykład, przedsiębiorstwo musi połączyć dwa budynki oddzielone fizyczną barierą, taką jak rzeka lub ulica. Wiele wdrożeń systemów FSO to implementacje stanowiące integralną część sieci lub łącze zapasowe. Choć topologia punkt-punkt dominuje, to stosuje się także architektury typu: gwiazda, pierścień czy MESH.

Pierwsze systemy FSO pojawiły się na rynku w 1990 r., oferując typową prędkość od 10 do 100 Mb/s. Obecnie większość przedsiębiorstw implementuje szkielet Gigabit Ethernet w sieci lokalnej, więc praktycznie każdy z producentów systemów FSO oferuje rozwiązanie o prędkości 1000 Mb/s. Aktualnie granica prędkości oferowanych łączy optycznych to ok. 2,5 Gb/s. Jednak każdy liczący się producent FSO, myślący o utrzymaniu się na rynku, pracuje nad produktem o przepustowości 10 Gb/s.

Jak działa FSO?

Technologia jest zadziwiająco prosta. Opiera się na połączeniu pomiędzy optycznymi bezprzewodowymi jednostkami. Jednostka zawiera dwie głowice - nadawczą i odbiorczą. Każda głowica składa się z nadajnika (laser) oraz odbiornika (fotodioda). Liczba nadajników i odbiorników zależy od konkretnego zastosowania.

Długość emitowanej fali zawiera się w przedziale 750-1550 nm. FSO wysyła niewidoczne, bezpieczne dla oczu wiązki z nadajnika do odbiornika, używając małej mocy laserów podczerwieni w paśmie THz. Wiązka wysyłana jest przez soczewkę do odbiornika, który jest bardzo czułym detektorem. Odbiorniki są zbudowane ze specyficznych soczewek, które potrafią zbierać wysyłane strumienie niosące cyfrowe dane. Komercyjnie dostępne systemy oferują prędkość w zakresie od 100 Mb/s do 2,4 Gb/s. Dostępne interfejsy to najczęściej Fast Ethernet i Gigabit Ethernet, ale możliwe jest wykorzystanie interfejsu E1, PDH, SDH.

Systemy FSO potrafią przesyłać dane na odległość kilku kilometrów. Konieczne jest zapewnienie linii widoczności pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem.

Systemy FSO pracują w trybie pełnego dupleksu - mogą jednocześnie wysyłać i odbierać dane. Zwiększenie niezawodności łączy optycznych uzyskuje się przez:

• stosowanie kombinacji kilku wiązek;
• układy kompensacji drgań;
• poszerzanie wiązki;
• automatyczne śledzenie wiązki i pozycjonowanie.

W przeciwieństwie do systemów radiowych FSO jest technologią optyczną i nie wymaga licencji na pasmo lub koordynacji z innymi systemami radiowymi pracującymi w wolnych częstotliwościach. Wiązka jest spójna, więc jest możliwe uzyskanie połączenia nawet pomiędzy przeszkodami zlokalizowanymi blisko siebie. Interferencji od innych systemów lub sprzętu w tym przypadku nie ma. Systemy laserowe punkt-punkt są bardzo trudne do zakłócenia i bezpieczne. Transmisja jest podobna do transmisji światłowodowej z bardzo niskim poziomem błędów.

Wdrożenie wiązki wielokrotnej z odpowiednią separacją pozwala na przeciwdziałanie wpływom natury na jakość łączy FSO. Niestety wiąże się z tym zwiększenie kosztów i rozmiaru urządzeń. Systemy wielu wiązek to jednak najczęściej wybierane elementy łączy FSO nowej generacji. Warto podkreślić, że aktywne pozycjonowanie pomaga rozwiązać problemy pojedynczej wiązki, czyniąc z FSO rozwiązanie tanie, o małych rozmiarach i łatwe do realizacji optycznie.

Jakie zalety, jakie wady?

Gdybyśmy używali łączy optycznych w próżni, uzyskalibyśmy przepustowość podobną do systemów światłowodowych. W naturalnym środowisku uzyskanie takich warunków nie jest możliwe. W normalnych warunkach łącza FSO muszą zmagać się ze zjawiskami atmosferycznymi oraz innymi czynnikami, takimi jak:

• dyspersja wiązki
• deszcz
• mgła
• śnieg
• błyski
• stabilność punktowa przy mocnym wietrze
• zanieczyszczenia powietrza

Powyższe czynniki powodują osłabienie odbieranego sygnału i prowadzą do większej stopy błędów (BER - Bit Error Rates). Aby zniwelować wpływ zewnętrznych czynników, wprowadzane są takie rozwiązania, jak architektura wielościeżkowa czy głowice wysyłające wiele wiązek. Używają one więcej niż jednego nadajnika oraz więcej niż jednego odbiornika do bezprzewodowej transmisji. Większość produkowanych urządzeń wprowadza dodatkowo większą moc, umożliwiając stabilną pracę w czasie deszczu czy mgły. Należy podkreślić, że w warunkach klimatycznych panujących w Polsce nie ma możliwości zestawienia stabilnego połączenia na odległość większą niż 1 km.

Zalety systemów FSO to:

• łatwe i szybkie zestawianie łączy;
• brak konieczności uzyskiwania licencji i związanych z tym opłat;
• wysokie bezpieczeństwo transmisji;
• nie ma konieczności zachowania strefy Fresnela, jak ma to miejsce w przypadku łączy radiowych;
• niska stopa błędów przy wysokiej prędkości transmisji danych;
• brak interferencji;
• przeźroczystość protokołu.

Deszcz i śnieg mają niewielki wpływ na technologię FSO, ale gęsta mgła jest dużym problemem. Mgła może modyfikować charakterystykę wiązki świetlnej, a nawet kompletnie niszczyć linię widoczności w wyniku absorpcji, rozpraszania i odbić. Podstawowym krokiem przy projektowaniu sieci w środowisku występowania mgieł jest zapewnienie redundancji oraz zminimalizowanie długości tworzonego łącza.

Inne niekorzystne zjawisko to absorpcja, gdy zawieszone molekuły wody w atmosferze pochłaniają fotony. Powoduje to zmniejszenie gęstości mocy wiązki FSO, co bezpośrednio wpływa na dostępność systemu. Absorpcja dotyka częściej fal o pewnych długościach. Ten niekorzystny parametr można zniwelować, używając odpowiedniej mocy wiązki oraz wykorzystując wiele wiązek wysyłanych z jednej głowicy. Niekorzystnym zjawiskiem jest także rozpraszanie, które nie powoduje straty energii, ale znacznie redukuje intensywność wiązki na długich dystansach. Fizyczne przeszkody, jak przelatujące ptaki lub przemieszczające się konstrukcje mogą skutecznie blokować system FSO z pojedynczą wiązką. Takie problemy mogą zostać rozwiązane przez automatyczne potwierdzanie odbioru. Dodatkową techniką jest stosowanie bezprzewodowych produktów używających systemu wielokrotnych wiązek. Takie rozwiązanie jest także pomocne przy zwalczaniu wpływu aktywności sejsmicznej. Także błyski generowane przez różne urządzenia mogą powodować zmiany w amplitudzie sygnału, które prowadzą do zniekształceń sygnału FSO na odbiorniku.