Po skoraj petdesetih letih od izuma steklenega optičnega vlakna in štiridesetih letih od prve izvedbe celičnega radijskega omrežja se nam obeta revolucionarno zlivanje radijskih in optičnih tehnologij – mikrovalovna fotonika. Po napovedih znanstvenikov bo ta tehnološki preskok ločnico med radijskimi in optičnimi omrežji povsem zabrisal, uporabnikom pa bo na voljo enovito omrežje za dostop do zmogljivega brezžičnega interneta.

Današnjo komunikacijsko infrastrukturo, ki je omogočila razmah informacijske družbe, sta zaznamovali diametralni tehnološki rešitvi – vpeljava optične komunikacije prek svetlobnega vlakna in mobilno radijsko omrežje, zasnovano na celični arhitekturi. Vsaka od njiju je pomenila popoln preobrat v gradnji komunikacijskih omrežij.


 

Optična omrežja proti radijskim

Nedvomno je najbolj zmogljiv medij optično vlakno, po katerem se informacijski signali prenašajo s pomočjo fotonov. Ta prevlada nad drugimi vrvičnimi komunikacijami, kjer se namesto svetlobnih uporabljajo električni signali, ni naključna, temveč ima za seboj precejšnje fizikalne prednosti svetlovodov. Po začetnem uvajanju optičnovlakenskih povezav na dolgih medcelinskih in meddržavnih povezavah zdaj optično vlakno prihaja do slehernega uporabnikovega domovanja. Tudi v Sloveniji je že 40 odstotkov gospodinjstev opremljenih z optičnim priključkom. Zasluga gre predvsem vizionarskim odločitvam slovenskih telekomunikacijskih operaterjev, ki so med prvimi v Evropi začeli graditi optično dostopovno omrežje. Podjetju T-2, ki se je gradnje lotilo že v drugi polovici leta 2004, sta sledila še Telekom Slovenije leta 2007 in Telemach leta 2013.

Ministrstvo za gospodarstvo je že leta 2006 objavilo prvi razpis za sofinanciranje gradnje odprtih širokopasovnih omrežij. Do danes je bilo tako s pomočjo evropskega sklada za regionalni razvoj in evropskega kmetijskega sklada za razvoj podeželja v slovenskih gospodinjstvih omogočeno okrog 30.000 optičnih priključkov. Investicije v gradnjo optičnega omrežja so bile za razvoj Slovenije ključne in dolgoročne, saj še danes ne vidimo tehnologije, ki bi v prihodnjih desetletjih izpodrinila optično vlakno. Štiritisočkrat večja količina spektra, ki je na razpolago v optičnih komunikacijah v primerjavi z radijskimi, bo kljub novim vsebinam z navidezno resničnostjo in hologramskimi video storitvami težko do konca zapolnjena.

Letos mineva štirideset let, odkar je bilo v Tokiu postavljeno prvo komercialno celično radijsko omrežje. Koncept prve generacije (1G) mobilnega omrežja so leta 1981 začeli povzemati v skandinavskih državah in po osamosvojitvi tudi pri nas. Celična omrežja omogočajo ponavljanje istega frekvenčnega spektra v območjih različnih baznih postaj in s tem povečujejo zmogljivost naravno omejenega radijskega spektra.

Zaradi vse večjih zahtev po mobilnih brezžičnih aplikacijah so uporabniki »narekovali« razvoj novih generacij mobilnih omrežij do danes aktualne in uspešne četrte generacije (4G) in prihajajoče pete (5G). Če so v začetnih dveh generacijah prenašali pretežno govor in v zadnjih dveh prevladujejo slikovne in video informacije, lahko od prihodnjih mobilnih omrežij pričakujemo še izkušnjo otipa predmetov na daljavo. Ta tehnološki preskok pa poleg velikih pasovnih širin zahteva tudi kratke zakasnitve. Za zagotavljanje zadostne zmogljivosti se je število baznih postaj nenehno povečevalo. Od začetnih 16, kolikor jih je bilo leta 1992, jih je danes v Sloveniji že več kot tri tisoč, njihovo število pa se še naprej povečuje.
 

Ozko grlo je brezžično omrežje

Vsaka naslednja generacija mobilnega omrežja potrebuje tudi več radijskega spektra, ki ga z namenom enakomerne tehnološke in tržne razvitosti med operaterje delijo vlade in agencije. Pri nas za to skrbi Akos. Mobilne komunikacije se z dosedanjih nekaj gigahercev selijo na frekvenčna območja okoli 5, 26 in celo nad 60 gigahercev. Prav zadnja, tako imenovana območja milimetrskih valov, bodo namenjena komunikaciji kratkega dosega znotraj majhnih celic. S tem se bodo celice mobilnega omrežja približale velikosti pokrivanja lokalnega omrežja wifi. Veliko število baznih postaj pa bo mogoče imeti le, če se bo oprema v njih poenostavila.

Že zdaj je večina baznih postaj povezana z optičnimi vlakni, vendar prehodi z optičnega vlakna na antene z vključeno digitalno obdelavo signalov povečujejo zakasnitve v omrežju. Poleg tega je trenutno ozko grlo komunikacij prav lokalno brezžično omrežje. Znotraj procesorjev v osebnih računalnikih se podatki obdelujejo s taktom, večjim od nekaj gigahercev. Meddržavna optična vlakna imajo zmogljivost tudi več kot 100 terabitov na sekundo, lokalna omrežja pa so omejena na zgolj nekaj 10 megabitov na sekundo. To ozko grlo, ki zdaj preprečuje pretočnost prometa od procesorjev osebnih naprav do oddaljenih naprav, je eden glavnih izzivov raziskovalcev komunikacijske infrastrukture.
 

Zlivanje optične in radijske tehnologije

Raziskovalni uspehi nakazujejo premostitev ovir v lokalnih omrežjih z združitvijo optične in radijske tehnologije. Da bi preskočili to bariero in vzpostavili konvergentno področje mikrovalovne fotonike, financira Evropska unija v okviru Obzorja 2020 projekt FiWiN5G, v katerem si deseterica vrhunskih raziskovalnih ustanov (med njimi je tudi ljubljanska univerza) medsebojno posreduje znanje in izkušnje glede optičnih naprav in omrežij, ki bodo omogočila storitve mobilnega omrežja 5G. Poleg razvoja tehnoloških rešitev je naloga projekta usposabljanje interdisciplinarnih raziskovalcev na začetku kariere.

Čeprav lahko že z danes znanimi tehnologijami naredimo fizično manjše bazne postaje 5G, ki bi ob pokrivanju manjših celic izpolnjevale aktualne zahteve po pasovni širini, je še vedno nujno vlaganje v raziskovalna prizadevanja za zmanjšanje energetske porabe, zmanjšanje sevanja, manjše zakasnitve in manjšo kompleksnost. V milimetrskem območju frekvenčnega spektra je na razpolago veliko pasovne širine, vendar trenutno za to področje še ni na voljo kakovostnih oscilatorjev, ki bi omogočali spektralno učinkovitost, kakršno dosegamo v trenutni 4G na radijskem področju. Rešitve mikrovalovne fotonike omogočajo izvedbo oscilatorja z zavidljivimi lastnostmi v območju milimetrskih valov. Prav tej nalogi se posvečajo raziskovalci na ljubljanski fakulteti za elektrotehniko. V delo so vključeni tudi študenti, ki se bodo poleti s svojim izdelkom – optoelektronskim oscilatorjem – pomerili na mednarodnem tekmovanju v ZDA.
 

Tudi do okolja prijazna optika

Integracija optičnih gradnikov bo, podobno kot pred desetletji integracija elektronskih gradnikov, prinesla množično uporabo. Ker optična tehnologija za prenos informacije porabi do tisočkrat manj energije kot radijska, je njena uveljavitev pomembna tudi za energetsko politiko. Bistveno zmanjšanje sevanja baznih postaj pa se obeta s hitrim procesiranjem mikrovalovnih signalov v fotonskih čipih, kar bo omogočilo ciljno oddajanje vsakemu posamičnemu mobilnemu uporabniku.



Konvergentni komunikacijski vmesniki bodo zagotavljali nadaljnji razvoj informacijske družbe, njihove fizično zmanjšane dimenzije pa bodo bistveno pripomogle k ohranjanju narave ter varstvu okolja. Integracija fotonske in mikrovalovne tehnologije v enovita integrirana vezja se zadnja leta stopnjuje in pričakujemo ekonomski preboj v svetovnem merilu, ki ga Slovenija ne sme zamuditi, če hoče še naprej ohranjati pomembno vlogo v informacijsko-komunikacijskih tehnologijah. Raziskovalci na fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani se bodo s temi izzivi spoprijeli tudi v okviru raziskovalnega programa Informacijsko-komunikacijske tehnologije za kakovostno življenje (ICT4QoL), ki ga financira agencija za raziskovalno dejavnost.
–––
Doc. dr. Boštjan Batagelj je zaposlen na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, kjer predava optične in radijske komunikacije na katedri za informacijsko-komunikacijske tehnologije. Raziskovalno delo opravlja v laboratoriju za sevanje in optiko, kjer se med drugim ukvarja s fizičnim nivojem prenosnih in dostopovnih komunikacijskih omrežij.