Беспроводной интернет по лазерному лучу

В начале этой недели молодой техностартап Taara, спин-офф легендарной секретной лаборатории X Google, анонсировал свою новейшую разработку — Taara Beam, оптический трансивер на базе специализированной платформы Photonics Platform для обеспечения двунаправленной передачи данных со скоростью до 25 Гбит/с. Это скорость, сопоставимая с традиционным оптоволоконным кабелем и превосходящая большинство стандартных радиорелейных линий.

Компания заявляет, что устройство пока имеет дальность действия 10 км и отличается сверхнизкой задержкой, измеряемой микросекундами (для сравнения: при передаче сигнала спутниками с низкой околоземной орбиты типичная задержка составляет от 20 до 40 миллисекунд (1 миллисекунда =1000 микросекунд).

Согласно заявлениям компании Taara, ее новый продукт «предлагает производительность, сравнимую с оптоволоконной, в местах, где физическая инфраструктура нецелесообразна, дорого стоит или требует долгого времени для развертывания».

Taara также уточнила, что устройство базируется на использовании оптических фазированных антенных решеток (Optical Phased Arrays, OPA). Иными словами, в основе работы Taara Beam лежит компактный фотонный модуль, содержащий более тысячи миниатюрных световых излучателей, расположенных в фазированной решетке.

Как отметил старший вице-президент Taara по инженерным вопросам Девин Бринкли, «кремниевая фотоника позволяет нам интегрировать основные функции беспроводной оптической связи в один модуль… Мы сжали большую часть функциональности наших предыдущих [оптико-механических] систем в фотонный модуль размером с человеческий палец. По мере развития технологии она сможет масштабироваться по производительности, стоимости и размеру — аналогично экспоненциальному темпу развития полупроводниковых платформ».

Taara планирует продемонстрировать новую технологию на ближайшей выставке MWC (Mobile World Congress, Всемирный мобильный конгресс) в Барселоне, которая пройдет со 2 по 5 марта, что даст компании возможность привлечь потенциальных корпоративных клиентов (предполагается, что устройства будут поставляться исключительно для B2B-применения — крупным телеком-операторам, которым нужно быстро расширять сети 5G или подключать удаленные базовые станции). Предварительная стоимость Taara Beam пока не разглашается.

Компания Taara анонсировала фотонную платформу Taara Photonics Platform и первый продукт на её основе — решение Taara Beam

Taara

Технологический скачок

Изначально Taara была побочным проектом внутри Project Loon (еще одной инициативы лаборатории X от Alphabet/Google). Согласно исходной идее, Loon планировал «раздавать» интернет с помощью стратосферных воздушных шаров, которые связывались друг с другом с помощью лазеров.

Однако проект Loon в итоге закрыли (финансисты Alphabet посчитали, что управлять такими шарами слишком дорого и сложно), но его разработчики пришли к выводу, что сама по себе базовая технология лазерной связи (Free Space Optical Communication, FSO) работает очень эффективно. В итоге ее решили «приземлить» и использовать для связи между стационарными объектами.

Усовершенствованные устройства используют инфракрасные лазеры (вероятнее всего, в диапазоне 1550 нанометров: этот свет невидим для человеческого глаза).

Ранее, в первой модели Taara Lightbridge, которая предлагала несколько бóльшую дальность действия (20 км), для выравнивания лазерного луча применялись различные механические детали: внутри ее терминалов стояли сложнейшие «микромоторчики», MEMS (микроэлектромеханические системы) и крошечные зеркала, которые физически поворачивались сотни раз в секунду, чтобы удерживать луч на конечной цели.

В усовершенствованной же версии Taara Beam (устройство весит 7,7 кг и внешне похоже на проектор) ее разработчики научились управлять лазерными лучами и оперативно корректировать их при помощи множества микроскопических излучателей света (антенн), расположенных на кремниевом чипе.

Электроника подает свет на эти антенны с крошечными задержками (меняет фазу). Благодаря явлению интерференции (наложения волн) световой луч формируется в воздухе и отклоняется влево, вправо, вверх или вниз. И все это контролируется исключительно за счет программного управления устройством, без поворота самого лазера.

Отметим, что похожая технология уже давно активно используется в антеннах Starlink и в радарах современных истребителей. Но она основана на коррекции радиоволн, тогда как сделать это для света (где длина волны измеряется нанометрами) — это невероятно сложная инженерная задача, которую Taara, судя по всему, смогла решить.

Чтобы не покривить душой против законов физики, необходимо сделать еще одну техническую оговорку: пресловутая «механика» полностью устранена из основного процесса активного удержания (трекинга) луча.

То есть когда, например, монтажники приносят коробку с устройством Taara, чтобы установить на крыше здания, они предварительно направляют ее в сторону второго принимающего сигнал здания вручную или при помощи базового механического крепления. Но всю остальную работу — микроскопическое отклонение луча для компенсации ветра, возможных тепловых вибраций здания, дрожания воздуха в реальном времени и т. д. — осуществляет кремниевый чип (OPA) без единой движущейся детали внутри.

Компания Taara представила Taara Photonics — первую в мире беспроводную коммуникационную платформу на основе оптических фазированных решеток

Taara

Плюсы и минусы

Инновационная платформа Taara Photonics имеет три колоссальных преимущества, которые сделают ее внедрение коммерчески оправданным.

Во-первых, это мгновенная реакция (Tracking): поскольку лазерный луч контролируется электроникой, а не механикой, система может корректировать направление луча в тысячи раз быстрее. И она может эффективно компенсировать любые, даже самые резкие вибрации моста или вышки от ураганного ветра: попросту говоря, связь становится на порядок стабильнее.

Второй очевидный плюс — миниатюризация: большую оптическую трубу (линзы, моторчики, зеркала) инженеры сжали до размера микрочипа (благодаря технологии кремниевой фотоники). Соответственно, устройство становится намного компактнее, легче, и потребляет меньше энергии.

И наконец, третий и самый существенный фактор — возможность массового производства и последующего резкого удешевления технологии.

«Новое сердце» устройства Taara Beam — это, по сути, крошечный компьютерный чип. А такие чипы можно «печатать» на фабриках (на тех же заводах, где делают «обычные» процессоры) огромными партиями. Это означает, что стоимость производства одного терминала Taara в перспективе может упасть в десятки раз и вместо дорогого штучного оборудования («бутикового производства») те же интернет-провайдеры получат дешевый массовый продукт.

Добавим также, что такие устройства — это «убийцы земляных работ»: при прокладке традиционного оптоволокна 80‒90% стоимости — это не сам кабель, а получение всевозможных разрешений (иногда на это уходят месяцы), работа экскаваторов, перекрытие дорог, бурение, асфальтирование и т. д. В густонаселенных городах прокладка одного километра кабеля может стоить десятки и сотни тысяч долларов. Taara же сводит эти капитальные затраты (CAPEX) к минимуму: условно, это два инженера/техника, получение доступа на крышу здания, наличие розетки и пара часов монтажной работы.

Что же касается текущих недостатков новой технологии, это прежде всего возможный сильный туман и/или плотная облачность: в отличие от дождя (где капли крупные и луч часто может пройти между ними), туман состоит из микроскопических капель воды, размер которых сопоставим с длиной волны лазера. Соответственно, свет рассеивается, и связь пропадает.

Еще одна проблема — так называемая сцинтилляция: из-за разницы температур образуются «линзы» из воздуха с разной плотностью, которые преломляют и искажают лучи.

Кроме того, «дальнодействию» технологии очевидно мешают различные физические преграды: она требует жесткой прямой видимости (пока, как мы уже отметили, максимум до 20 км), и если между зданиями (точками отправки и приема сигнала) имеются горы, холмы или лесные массивы, то лучи через них не пройдут.

В качестве же промежуточного решения пока рассматриваются два основных варианта. Первый — использование «гибридных сетей»: оборудование Taara ставится в паре с миллиметровыми радиорелейными антеннами (E-band / V-band). Радиоволны не боятся тумана, но боятся сильного дождя. И если лазер «слепнет» из-за тумана, встроенный софт бесшовно перекидывает трафик на радиоканал (скорость при этом падает, например с 25 до 2‒5 Гбит/с), но сам сигнал не пропадает).

Второй способ — так называемые Mesh-сети: Если один из лучей временно перекрывается теми или иными препятствиями, система оперативно перенаправляет трафик через другие узлы сети «по принципу паутины».

Синергия технологии

Новые устройства от Taara — это уже не просто эффектный лабораторный эксперимент, а коммерчески жизнеспособный продукт, готовый к интеграции в сети сотовых операторов и интернет-провайдеров. В сочетании со спутниковыми интернет-проектами (например, с «созвездиями» Starlink или Amazon Leo) такие оптические мосты могут окончательно решить проблему «последней мили» и обеспечить интернетом любую точку планеты.

Фактически новая технология может стать идеальным синергетическим дополнением для спутниковой интернет-связи.

Спутниковый интернет покрывает огромную территорию, но пропускная способность одного спутника делится на всех пользователей под ним. И средняя скорость для конечного пользователя — 100‒200 Мбит/с. Этого достаточно для отдельного здания, но мало для целого квартала, района или вышки сотовой связи.

Оптические же трансиверы от Taara и/или ее возможных конкурентов, например сингапурской Transcelestial, продвигающей свою фирменную разработку, устройство CENTAURI «размером с обувную коробку», также использующее лазерную связь, или голландской Aircision, опять-таки делающей ставку на лазеры для 5G-сетей, способны обеспечить эффективную работу интернета в сложных городских условиях, внутри корпоративных кампусов, кластеров центров обработки данных, местах проведения общественных мероприятий, транспортных сетях и т. д.

И наконец, ко всем прочим плюсам этой новой технологии следует добавить, что, работая в нелицензируемом оптическом спектре, она позволяет избежать перегрузок трафика и регулярных платежей за его использование.