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現代世界は急速にワイヤレス、赤外世界になる

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July, 17, 2020, Eindhoven--光ファイバなど、オブティクスベースの技術が、有線通信の時代に強力な影響を及ぼしている。現在、光技術はワイヤレス通信も変革することが確実視されており、従来の無線ベースのアプローチの主要問題を解決しそうである。それには、操作可能な狭線幅赤外ビームを使い、大量のデータをエネルギー効率よく、個々のユーザデバイスに安全に送ることで解決する。Eindhoven University of Technologyの研究チームは、今後、われわれのデータアクセス法を変える、赤外ワイヤレス通信の新しい方法を開発している。 

 現代世界は、急速にワイヤレス、赤外の世界になりつつある。これまで、屋内と屋外の両方ともワイヤレス通信は、、無線ベースだった。信号変調技術は、より多くのデータを限られた無線周波数スペクトルに圧縮し、空間多重は多数のデータ信号を、多くのスペクトルを必要とすることなく一つの信号に統合できるが、われわれは飛躍的に増加するデータ需要に応えることに苦労している。

ソリューションは光ワイヤレス通信である。これは、可視光と赤外を含む数100ナノメートルから数マイクロメートルまでの広いスペクトル範囲で光波長を利用する。フォトニック集積研究所のTon Koonenと研究者は、現在の共有WiFiシステムの容量よりも2000倍の容量を持つプロトタイプを設計している。

安全かつ操作可能
ナロー光ビームを利用する光無線通信には多くの利点がある。簡単に方向づけられ、電波よりもエネルギー効率がよく、低遅延(データ転送開始のコマンド後のデータ転送が始まる前の遅延)、ユーザごとの容量が大きく、ユーザにとっては大きなデータと通信プライバシーが容易になる。

意義深いことには、1400nmを超える波長での赤外無線通信は、アイセーフである。これらの波長では、光が眼の網膜に届かないからでる。光は、レンズと目の内部のガラス体液の組み合わせによって吸収される。したがってアイセーフ規制により自由空間の赤外光ビームは、可視光よりも多くのパワーを持つ。これはデータ伝送ではよいことである。

屋内ワイヤレス通信では、データを伝送する赤外信号は、簡単に操作できる。このことは、個々のビームが、非共有リンクにより単一のデバイスに精密に方向づけられ、信号当たり112 Gbit/sまで、個別の128分離信号が可能になる。比較すると、共有WiFiシステムは、最大7 Gbit/s,であるので、操作可能な赤外システムと比べると3桁以上少ない。

エネルギー効率
屋内赤外無線システムでは、ビームは、中央通信制御装置(CCC)から来る光ファイバで伝送される。ビームが部屋に届くと、天井のペンシル放射アンテナ(PRA)を利用して目的の機器に送信される。しかし、赤外無線通信の欠点は、PRAと受信機器ととの間に明確な見通し線(LoS)を必要とすることである。それがない場合、ビームはデバイスに届かない。したがって、LoSがない場合、様々な方向から信号を送信するために多数のPRAsが存在する。

操作プロセス中のエネルギー効率は、赤外ビームを操作するパッシブアプローチを利用することで保証される。そのようなアプローチは、外部電力を必要とせず、また操作スピードは速く、拡張が容易。そのようなアプローチの一つは、波長回折機能と組み合わせて光波長をチューニングする。一定の方向に、ある波長を回折するようにグレーティングが設計されている。波長数、関連するビーム数は、レーザダイオード送信器のチューニング範囲によって限定されている。

信号受信、デバイスの発見と実用性デモ
 PRAsは、赤外信号を伝送するが、デバイスでその信号を検出するには光受振器も必要である。Koonenとそのチームは、集積オブティクス技術ベースの光受振器を開発した。そのレシーバは、グレーティングを使い、入力ビームを捉える、次にその信号を導波路で送り、最終的に信号波高速フォトダイオードに入る。

言うまでもなく、ビームステアリングシステムは、ユーザのデバイスの位置を適切に見つけられないと、非効率である。したがって、システムは、信号を送る前にデバイスの位置についての情報を収集する必要がある。これを容易にするためにチームは、4個の可視光LEDsをデバイスの光受振器周囲に設置し、カメラを天井に設置した。各デバイスは、LEDsの固有のブリンキングシーケンスが割り当てられている。これが、カメラによって記録され、次にラズベリー(Raspberry)PIモジュールで解析される。グループが考案した別のアプローチは、サーチビームでユーザエリアをスキャニングし、PRAで反射光をモニタする必要があった。

そのシステムの実行可能性を実証するために、研究チームは、PRAs、位置検出ディテクタ、光受振器と中央通信制御装置(CCC)で構成されるラボセットアップを構築した。そのシステムを利用して、チームは一対のモニタから別のモニタに、2つのHDビデオのリアルタイム転送を実証した。ビデオデータセットは10 Gb/sストリームで伝送された。当然、信号転送は、非常に低遅延だった。デバイスの位置のどんな変化でも捉えるように、研究チームはMEMS光コネクト(OXC)を収容して、デバイスとのPRA通信を維持した。

ハイブリッドシステム:無線と赤外
 赤外ワイヤレス通信は多くの利点を持つが、光通信は見通し線を必要とするので、無線ベースワイヤレス通信を完全に置き換えることはない。光ワイヤレスは、無線ベースのネットワークをサポートし、IoTsの一部であるデバイスに関連する低速間欠データパケットを取り扱うために必要なインフラストラクチャを提供すると考えられている。デバイスの使い方を考慮すると、アップストリーム容量よりも大きなダウンストリーム容量に要求がある。ダウンストリームはビーム操作ワイヤレス通信、アップストリームは無線ベースのデバイスで構成されるハイブリッドシステムにより、ユーザは両方の技術の利点を活用できる。

 このアプローチのアプリケーションはワイヤレス設定を含む可能性がある。瞬間的に大容量サービスが必要とされ、高セキュリティとプライベート通信が求められる、あるいは電磁干渉に関して強い反対がある場合である。屋内状況では、このアプローチは宅内、病院、オフィスビル、会議場、美術館、空港の待合ラウンジ、飛行機、列車、バス、展示ホールあるいはショッピングモールで使用できる。

 赤外ワイヤレス通信は、近い将来一般的になるかもしれないが、無線ベースの通信に別れを告げる時ではない。その代わりに、この研究のようなイノベーションは、赤外通信と無線ベースの技術が融合して、われわれのオンラインデータ処理需要を満たす未来を告げるものである。すなわち、真にワイヤレスな世界を受け入れるときになる。
(詳細は、https://assets.tue.nl)