Facebook sẽ sử dụng công nghệ truyền tải dữ liệu bằng laser này ra sao

Facebook đang triển khai dự án Internet.org mang kết nối Internet đến mọi người trên thế giới bằng tia laser. Vậy laser truyền tải dữ liệu như thế nào? Ý tưởng của Facebook cụ thể ra sao?

Từ những ngày đầu khi tia laser được phát triển, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng ánh sáng tốt hơn so với sóng vô tuyến ở khía cạnh tốc độ truyền tải thông tin và mật độ. Điều này phụ thuộc vào tính chất vật lý bởi các bước sóng ánh sáng chặt hơn so với sóng âm thanh và chúng có thể truyền nhiều thông tin hơn trên mỗi giây với tín hiệu mạnh hơn.

Trên thực tế, tia laser đã được sử dụng trong lĩnh vực truyền thông trong nhiều năm qua. Có thể bạn không nhận ra nhưng chúng ta vẫn đang sử dụng thông tin được truyền đi bằng laser mỗi ngày, từ đâu? Từ đĩa CD, DVD, máy quét mã vạch tại các điểm thanh toán cho đến hệ thống truyền dẫn bằng sợi quang cho điện thoại và Internet. Giờ đây với một phương pháp tiếp cận trực tiếp hơn, tia laser sẽ cho phép chúng ta truyền dữ liệu trực tiếp từ điểm tới điểm trên một khoảng cách lớn hơn, xuyên qua không khí hay không gian với tỉ lệ thất thoát dữ liệu thấp. Đây cũng chính là những gì Facebook muốn hướng đến với dự án Internet.org.

Vậy Facebook có phải là người tiên phong?

Thực ra là vào năm 1964, NASA đã ấp ủ một ý tưởng sử dụng tia laser cho hoạt động giao tiếp với máy bay. Ý tưởng ở đây là chuyển đổi tiếng nói của một phi công thành các xung điện sau đó chuyển thành một chùm ánh sáng. Một thiết bị đầu nhận trên mặt đất sẽ đảo ngược quy trình này, chuyển đổi chùm tia laser thanh âm thanh trở lại. Vào tháng 10 năm 2013, NASA đã sớm nhận thấy viễn cảnh về công nghệ truyền tải dữ liệu bằng tia laser và Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ đã thử nghiệm thành công hệ thống Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) dùng các chùm tia laser truyền dữ liệu từ vệ tinh LADEE đang bay quanh Mặt Trăng về một trạm trên Trái Đất. Khoảng cách truyền đi là 384.600 km và tốc độ truyền lên đến 622 Mbps. Nếu so sánh, tốc độ đường truyền thương mại cao nhất mà chúng ta có thể sử dụng chỉ vào khoảng vài chục Mbps.

Bên cạnh NASA, các nhà mật mã học và chuyên gia bảo mật cũng đang tìm cách dùng tia laser làm một hệ thống truyền tin gần như tức thời hay các nhà sản xuất máy tính khi đã gần đạt tới giới hạn của đồng và silicon cũng đang chuyển hướng sang laser.

Truyền tải dữ liệu bằng laser hoạt động ra sao?

 Các hệ thống truyền tải bằng laser cũng sử dụng modem tương tự thứ chúng ta vẫn dùng ở nhà kể từ thời đại Internet. Modem viết tắt của MODulation-DEModulation (thiết bị điều chế và giải điều chế) và nó thực hiện một quy trình trong đó thông tin kỹ thuật số được chuyển đổi thành analog để truyền dẫn sau đó được dịch ngược trở lại. Những loại modem âm thanh đầu tiên sử dụng sóng âm thanh để truyền tải trong đường dây điện thoại. Modem quang hiện đại hơn chuyển từ sóng âm sang ánh sáng, khai thác các dải tần số cao của quang phổ ánh sáng để truyền tải thông tin.

1. Giải pháp của NASA với hệ thống LLCD:

Theo thiết lập hệ thống LLCD của NASA thì nó bao gồm 2 thành phần: cổng tiếp nhận và truyền dữ liệu trong không gian bằng vệ tinh LADEE và cổng tiếp nhận và truyền dữ liệu trên mặt đất.

Trên vệ tinh LADEE, NASA đã trang bị một hệ thống có tên Lunar Lasercomm Space Terminal (LLST do MIT phát triển) với 3 thành phần gồm:

Mô-đun quang học: lắp ngoài vệ tinh, bao gồm một kính thiên văn đường kính 4" gắn trên một khớp các đăng 4 trục;

Mô-đun modem: lắp bên trong vệ tinh, chứa một bộ truyền dẫn laser hồng ngoại công suất 0,5 W cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ 622 Mbps từ Mặt Trăng về Trái Đất và một bộ tiếp nhận độ nhạy cao có thể giải mã các xung ánh sáng dữ liệu gởi lên từ một kính thiên văn ở Trái Đất với tốc độ tối đa 20 Mbps;

Mô-đun điều khiển điện tử: lắp bên trong vệ tinh và là bộ não của hệ thống LLST với khả năng điều khiển hướng gởi nhận dữ liệu giữa vệ tinh và các trạm trên mặt đất.

Trên Trái Đất, NASA thiết lập các trạm Lunar Lasercomm Ground Terminal (LLGT cũng do MIT phát triển) với một chuỗi 8 kính thiên văn gởi và nhận tín hiệu được lắp trên một trục các đăng. Các kính thiên văn và trục các đăng được kết nối đến một phòng điều khiển, tại đây có chứa các bộ gởi nhận quang học và thiết bị điện tử liên quan.

 

4 kính thiên văn khúc xạ đường kính 6" được sử dụng để gởi tín hiệu chỉ dẫn và dữ liệu đến hệ thống LLST trên vệ tinh LADEE.

 4 kính thiên văn phản chiếu đường kính 17" sẽ thu thập và tập trung tín hiệu dữ liệu quang học từ LLST đến các sợi quang và truyền đến các máy tách sóng trong phòng điều khiển.

Tất cả 8 kính thiên văn đều được đặt trong các lồng kính để duy trì độ ổn định và vị trí tương ứng với vệ tinh LADEE để có thể hoạt động tốt. 4 bộ truyền phát quang học sẽ tạo ra tín hiệu gởi lên, mỗi bộ truyền phát được kết nối với một kính thiên văn thu phát bằng sợi quang. Điều cần lưu ý là hệ thống LLGT có thể di chuyển được.

2. Ý tưởng của Facebook với hệ thống Free Space Optics:

Công ty muốn hướng đến một giải pháp cung cấp Internet toàn cầu, đến những nơi hẻo lánh, những cộng đồng dân cư không được tiếp cận với các hạ tầng Internet. Do đó, dự án Internet.org đã vạch ra những hạn chế còn tồn tại và đưa ra những ý tưởng như sau:

Trường hợp đầu tiên: Đối với những nơi có mật độ dân cư thưa thớt, Facebook sẽ dùng vệ tinh truyền dữ liệu. Hệ thống vệ tinh này bao gồm những vệ tinh bay ở quỹ đạo thấp của Trái Đất và vệ tinh địa tĩnh. Do các vệ tinh liên tục di chuyển nên để đảm bảo kết nối xuyên suốt, hệ thống vệ tinh phải thiết lập và duy trì một kết nối đủ mạnh. Thêm vào đó, trên mặt đất phải có một cổng thu nhận tín hiệu có thể liên tục theo dấu và bắt kết nối từ các vệ tinh - giống như hệ thống LLGT của NASA nói trên. Facebook cần phải tìm ra cách để khiến các vệ tinh kết nối với nhau qua đó tạo ra một mạng lưới Internet luôn có sẵn trên bầu trời.

Trường hợp thứ 2: Đối với những nơi có mật độ dân cư đông hơn, chẳng hạn như thành thị, Facebook sẽ dùng các máy bay không người lái để truyền dữ liệu. Các máy bay sẽ bay ở độ cao 20.000 m, có thể bay vòng vòng trên trời suốt cả tháng và có thể truyền tín hiệu xuống dân cư bên dưới.

Để giải quyết 2 vấn đề trên, Facebook dùng tia laser để kết nối giữa các vệ tinh và máy bay. Đây là giao tiếp Free Space Optical hay FSO. FSO thực chất là một công nghệ được NASA và quân đội Hoa Kỳ phát triển. Tương tự như hệ thống LLCD, FSO cũng cần 2 thiết bị đầu cuối để gởi nhận dữ liệu.

1. Dữ liệu đầu vào được điều chế (Modulation) chuyển đổi thành các xung ánh sáng không thấy được (Facebook dùng tia laser phổ hồng ngoại của dải quang phổ) thể hiện giá trị 1 và 0 > 2. Thiết bị truyền dẫn sẽ chiếu các xung ánh sáng được định hướng chính xác vào không khí > 3. Thiết bị thu nhận sẽ đón các xung ánh sáng bằng thấu kính hoặc gương (như trường hợp của LLCD là các kính thiên văn) > 4. Tín hiệu nhận được được khuếch đại, giải điều chế (Demudulation) và được truyền ngược trở lại trên cùng một đường đi.

Facebook cho rằng công nghệ này rất hứa hẹn bởi nó cho phép tăng tốc độ kết nối Internet lên đáng kể, băng thông lớn hơn, dung lượng cao hơn và có thể so sánh ngang bằng với các hệ thống mạng cáp sợi quang trên mặt đất nhưng tiêu thụ ít năng lượng hơn bởi bạn có thể khiến chùm tia hẹp hơn, tăng độ tập trung của năng lượng vào đúng nơi cần đến.

Ngoài ra, công nghệ FSO cũng tăng cường chất lượng tín hiệu được gởi từ Trái Đất lên quỹ đạo sau đó được truyền đi giữa các vệ tinh. Công nghệ tiềm năng cũng tăng tốc độ kết nối Internet trên mặt đất được cung cấp bởi vệ tinh. Nếu một thiết bị thu nhận tia laser được gắn tại một địa điểm, một vệ tinh phát tia laser có thể truyền dữ liệu đến nó. Nói tới đây, có thể thấy cách thức thiết lập của Free Space Optics rất giống với phương pháp của NASA.

Tuy nhiên, FSO cũng tồn tại nhiều điểm yếu. Các chùm tia quang học hẹp rất khó để có thể định hướng và cần được chiếu chính xác vào điểm thu nhận. Độ chính xác cần thiết tương đương với việc chiếu chùm tia laser vào một đồng xu từ khoảng cách 16 km. Thêm vào đó, kết nối laser sẽ bị hạn chế nếu trời nhiều mây và các điều kiện thời tiết xấu khác, do đó FSO vẫn cần đến một hệ thống dùng sóng vô tuyến để dự phòng. Internet.org vẫn đang ở giai đoạn đầu và Facebook cần nhiều thời gian để giải quyết tất cả vấn đề để sau cùng có thể phổ cập Internet cũng như Facebook đến mọi người dân trên thế giới.