3. Передача информации по средствам открытых лазерных каналов



Скачать 71.84 Kb.
Дата14.07.2019
Размер71.84 Kb.
3. Передача информации по средствам открытых лазерных каналов

Будем рассматривать передачу информации на Земле и в космосе, так как здесь имеется принципиальное отличие – в космосе нет атмосферы, т.е. межзвездный газ настолько разряжен, что рассеивание по сравнению с земным практически не происходит, да и о погоде не приходится говорить. Для передачи информации оптический сигнал модулируют и передают специальной установкой, в свою очередь в месте назначения приемник улавливает сигнал. Если канал имеет большую протяженность имеет смысл ретранслировать передающий сигнал. Схема установки приведена на рис.



http://cenja.narod.ru/ri1.gif

         Модуляция - это изменение параметров светового луча в зависимости от управляющего (модулирующего) сигнала, несущего информацию, при этом различают две основные формы модуляции: внешнюю и прямую При внешней модуляции поляризованный световой луч проходит вне источника света в модулятор, в котором в такте передаваемого сигнала изменяется амплитуда или фаза излучения. Модулятор работает, в общем, на основе электрооптического эффекта при прямой модуляции излучение модулируется непосредственно за счет возбуждения источника света, т.е. источник света сам излучает модулированный свет (рис. 14). Прямая модуляция может быть реализована только в светодиодах и инжекционных лазерах, что достигается путем модуляции тока накачки. 



Приемники 
   Обнаружение модулированного излучения при одновременной демодуляции, т.е. воспроизведение передаваемой информации, осуществляется с помощью оптоэлектронных приемников (детекторов). Применяемые фотодетекторы должны иметь следующие характеристики:
- высокую чувствительность в спектральном диапазоне применяемого источника света;
- высокое временное разрешение;
- малые шумы;
- нечувствительность к температуре;
- простую возможность соединения со световодом;
- большой срок службы;
- низкую стоимость.
      Применяются специальные фотодиоды, которые наиболее полно удовлетворяют этим требованиям. Ретрансляторы. 
      Из-за потерь и дисперсии в световоде возникает ослабление и искажение распространяющегося импульса, так что после определенного расстояния необходима регенерация импульса. Эта регенерация осуществляется в ретрансляторе. Задача этого устройства состоит в том, чтобы осуществить усиление, а также формирование (регенерацию) импульса. Принцип действия такого устройства состоит в том, что приходящий оптический сигнал в приемнике преобразуется в электрические импульсы, а затем происходит их усиление, а также формирование в электронном усилителе.
     Регенерированный и усиленный сигнал служит затем в качестве управляющего сигнала в источнике света передатчика, который снова передает сигнал по следующей волоконно-оптической линии. Регенерация импульсов должна повторяться через определенное расстояние в линии передачи. Допустимое максимальное расстояние между двумя ретрансляторами зависит от параметров системы, в частности от скорости передачи двоичных единиц информации, источника света и применяемого типа световода.

3.1 Атмосферные оптические линии связи (FSO)

Для передачи информации широко используются оптико-волоконный способ (см. раздел 1.1) Сегодня не меньший интерес в мире вызывает атмосферные оптические линии связи (АОЛС), которые чаще называют FSO – Free Space Optics. Преимуществами такой системы как и ВОЛС являются:


- высокая пропускная способность 
- не чувствительность к помехам радиоволн 
- высокая защита канала от несанкционированного доступа 
- экологическая безопасность
- не требует лицензирования
В отличие от ВОЛС для канала АОЛС не нужно обслуживание и срок их службы не ограничен. По сравнению с ВОЛС установка и использование АОЛС дешевле. Недостатками же являются высокие потери лазерного излучения, как следствие низкая протяженность без ретранслятора и зависимость от погодных условий. Атмосферную оптическую линию связи на сегодняшний момент используют в локальных сетях, когда не рентабельно получение лицензированного радиоканала, а создание ВОЛС дорого или технически невозможно. Некоторые фирмы используют АОЛС, в виду того, что другие виды связи просто недоступны или заняты конкурентами.http://cenja.narod.ru/ri2.jpg

3.3 Создание оптической атмосферной связи

       Эксперименты с передачей данных при помощи лазерного луча начались еще в 60-х годах (причем в России), но прошли без успеха, и направление было надолго, и в общем обоснованно заброшено. С появлением новых технологий (и как следствие снижения цен на комплектующие) интерес к атмосферным лазерам появился вновь. Как в России, так и зарубежом появились установки, предназначенные для работы на расстояние до нескольких километров с приемлемым уровнем надежности. Как классический пример можно привести серию "МОСТ" государственного Рязанского Приборостроительного Завода (рис..) Тип излучающего элемента - лазер, приемного элемента - pin фотодиод, излучаемая оптическая мощность - 500мВт. Плюс к этому дорогая и сложная многолинейная оптическая система.

          Первой волной явился выпуск в чем-то похожих моделей, применяя автонастройку лазера, точную оптику, и т.п. меры. Это позволило "вытянуть" линии до 5 км, но стоимость систем оказалась неприемлемой. И это при весьма средней надежности, более годной для резервного, а не основного канала. Кстати, как ни странно, именно в резервировании по принципиально нетрадиционной технологии особо критичных проектов лазеры в основном и применялись.

        В общем, подобные мощные и совершенные системы делаются и сейчас - но в очень ограниченном количестве, и интереса для Ethernet-провайдеров явно не представляют. Второй волной были любительские системы. В России бум совпал с появлением "лазерных" указок, использовавших недорогие полупроводниковые излучатели (лазерами их назвать сложно). Устройства имели простую компоновку (отдельные приемник и передатчик), сравнительно небольшую дальность работы. Но они стоили дешево и оказались вполне рабочим решением. 

        Фактически по той же схеме были налажены несколько небольших, но все же промышленных конструкций атмосферных лазеров. При разумной (менее $1000 за комплект) стоимости они пользуются небольшим спросом там, где нужен полностью "легальный" канал, но нельзя проложить провод. Решения на основе радио в России слишком сложно узаконить. По крайней мере для единичной линии лазерная связь обходится дешевле. Однако там, где есть возможность обойтись без полной легальности, radio-ethernet безусловно и полностью выигрывает, так как стоит примерно в 10 раз дешевле. В конце концов до "лазерной" технологии добрались китайские производители. Они убрали из лазерной "головки" практически всю электронику, оставив там только линзы и... 

       Световод из удаленного блока. По сути, они сделали атмосферный преобразователь на обычный оптоволоконные медиаконвертер. Это позволило резко снизить стоимость, поднять надежность и вандалоустойчивость конструкции. И наконец сделать атмосферные лазеры рентабельными для передачи данных на маленькие расстояния.



3.4 Технология Оптической атмосферной связи

      В системах FSO используются инфракрасные лазеры, которые генерируют свет в диапазоне около 200 TГц, что соответствует длине волны порядка 1 мкм. Такой диапазон не требует лицензирования не только в России, но и во всем мире. Имеющееся на рынке оборудование работает на одной из двух длин волн – 850 или 1550 нм. Лазеры, излучающие длину волны 850 нм, намного дешевле, чем для волн 1550 нм, и поэтому предпочтительны для связи на дистанции до 100 м. 

      Однако если речь идет о более дальних расстояниях, мощном и в то же время безопасном для глаз излучении, то на первый план выходят длинноволновые лазеры. Инфракрасное излучение на длине волны 1550 нм поглощается роговицей глаза и не доходит до сетчатки. Нормами допускается мощность почти на два порядка больше, чем для 850-нанометровых лазеров. Это позволяет увеличить длину канала примерно в 5 раз при сохранении устойчивой связи, а при использовании на коротких расстояниях – значительно повысить скорость передачи данных. 

     Как и всякая технология, беспроводная оптика имеет сильные и слабые стороны. Нужно признать, что на устойчивость и производительность канала существенное влияние оказывают и состояние окружающей атмосферы, и особенности распространения в ней инфракрасного луча (см. таблица 2) Данные приведенные для длинны волны 850 нм таблица 2.



Погодные условия

Общий коэффициент затухания к*10-9

Затухания (Дб/км)

Ясная погода

0,027

0-3

Слабый дождь

0,108

3-6

Сильный дождь

0,162

6-17

Снег

0,189

6-26

Легкий туман

0,216

20-30

Густой туман

0,291

50-100

Облачность

0,406

300-400

Дальность связи определяется следующим соотношением:

http://cenja.narod.ru/ri3.gif

где Pt и Pr - мощность лазерного излучателя и пороговая мощность фотоприемного устройства, Sr - площадь апертуры фотоприемного устройства, a - угол расходимости лазерного излучения t - суммарный коэффициент потерь лазерного излучения за счет поглощения и рассеяния в атмосфере, оптических системах и других элементах канала.Существует несколько способов повышения уровня надежности беспроводной оптической связи:


- увеличение мощности передатчика или чувствительности приемника;
- уменьшение угловой расходимости светового пучка;
- сокращение расстояний, на которых осуществляется беспроводная связь

3.5 Основные характеристики лазерных приемопередатчиков

Для наглядности технические характеристики некоторых оптических систем, как лазерных, так и светодиодных, сведены в таблице. Данные приведены из доступных автору источников: материалов компаний, описаний устройств, приведенных на сайтах производителей. Среди оборудования, производимого отечественными предприятиями, можно отметить новую разработку ведущего российского производителя беспроводных оптических устройств компании "Катарсис" (Санкт-Петербург) -- устройство БОКС-Е1-1500. В нем была изменена элементная база, что позволило повысить энергетику канала и, как следствие, максимальную дальность с 12 до 30 км. При сохранении рабочих дистанций работа канала стала более устойчивой.



Для того, чтобы прогнозировать поведение беспроводных оптических каналов с хорошей достоверностью, необходимо учесть весь комплекс конструктивных особенностей оборудования и использовать общепризнанную модель атмосферы. Сочетая опыт в области физики атмосферы с опытом в области телекоммуникаций, специалисты MicroMax Computer Intelligence, Inc. решили данную задачу, создав компьютерную программу моделирования инфракрасных систем. В России MicroMax предлагает своим клиентам услугу по прогнозированию параметров оптических каналов как рекомендуемую и бесплатную, продвигая оборудование PAV Data Systems (серии SkyCell, SkyNet). Для примера рассмотрим энергетический запас Рэ оптического канала: Рэ = Рпер - Рпр где: Рпер - уровень мощности излучения передатчика Рпр - уровень мощности излучения на входе приемника. Этот параметр для систем с интерфейсом G.703/Е1, как наиболее востребованных на российском рынке телекоммуникаций, представлен в таблице .

Система

Рпер, дБм

Рпр, дБм

Рэ, дБ

SkyCell E1-T6000

24.8

-60.0

84.8

SkyCell E1-T4000

24.8

-45.0

69.8

SkyCell E1-T338

20.0

-45.0

65.0

SkyCell E1-T456

14.8

-45.0

59.8

Блоки SkyCell E1-T6000 и SkyCell E1-T4000 обладают уникальными характеристиками, существенно превосходящими остальные системы, и не только от PAV. Подавляющее большинство существующих систем имеют выходную мощность не выше 50 мВт (17 дБм), а чуствительность приемника около -43 дБм. При этом, производители обещают рабочие дистанции намного выше 1 км для средней полосы России. Остается только узнать - так ли это? А главное - достаточно ли энергетического запаса оптической системы в Рэ=60 дБ для работы на дистанциях выше 1 километра? Постараемся ответить на этот вопрос. Суммарные потери Рп в канале можно оценить по формуле: Рn = Ропт + Ратм + Рппр где: Ропт - потери оптического согласования, Ратм - затухание сигнала в атмосфере, Рппр - потери в приемнике. Из всех составляющих только величина Рппр не зависит от расстояния между оптическими блоками и для большинства систем находится в диапазоне от 1 до 2 дБ. Две остальные величины, кроме прямой зависимости от расстояния, зависят от телесного угла, в котором распространяется поток, размера линзы приемника (для Ропт), и от физических характеристик атмосферы (для Ратм).

В первом приближении Ропт можно определить из простого соотношения площади пятна от луча на стороне приемника к площади линзы этого приемника, т.е это величина постоянная для каждой конкретной дистанции. Естесственное желание некоторых производителей уменьшить Ропт путем уменьшения угла расхождения луча иногда не знает меры. При очень малых углах расхождения системы становятся чуствительными к дрожанию атмосферы в жаркий период и к стабильности положения опор. Например, при допустимом уходе положения здания в 1.5 минуты (0.43 мрад) при смене сезонов, и учитывая, что допуск на точность позиционирования систем составляет около 30 секунд (0.15 мрад), на здания можно устанавливать системы с полным углом расхождения только более 1.16 мрад. Если для компенсации нестабильности опор можно применить системы автокоррекции положения, то избавиться от влияния дрожания атмосферы можно только расширяя луч. Таким образом, оптимальная величина этого угла лежит в пределах от 2 до 10 мрад. При слишком большом угле расхождения резко увеличиваются потери Ропт.

Для нормальной работы канала необходимо, чтобы: Рэ > Рп Посмотрим какой величиной Ратм располагает типовая оптическая система на дистанции, например, в 1.5 километра. Принимая угол расхождения луча в 2 мрад, как минимально приемлемый, и диаметр входной линзы в 100 мм, путем несложных вычислений получим Ропт = 29.5 дБ. Тогда для Рэ = 60 дБ и Рппр = 2 дБ: Ратм < Рэ - Ропт - Рппр = 60 - 29.5 - 2 = 28.5 дБ Что же означают величины Ратм с практической точки зрения? Совершенно очевидно, что чем больше допустимая величина Ратм, тем более суровые погодные условия может преодолеть оптическая система. Однако, пользователям само это значение говорит только о возможностях конкретной системы по сравнению с другими. В то же время, запас в 28.5 дБ на дистанции 1.5 км может оказаться мал для хорошей работы канала в Москве и вполне достаточен для Астрахани. Сложность задачи состоит в том, чтобы выяснить соответствие этой величины конкретным погодным условиям.

Выражение для Ратм слишком просто на первый взгляд: Ратм = W • L, где: L - расстояние в км, W - удельное затухание сигнала в атмосфере дБ/км Однако, вычисление параметра W и составляет основную проблему, потому что в расчетах необходимо учитывать химический состав атмосферы, наличие аэрозолей, спектральные характеристики атмосферы. Необходимы специальные алгоритмы для описания различного типа осадков (дождя, снега, тумана) и других полупрозрачных сред (пыльные бури, смог). И все это с учетом конкретного региона, высот установки и еще огромного числа параметров, влияющих на конечное значение W. Значения W лежат в очень широком диапазоне от 0.2 дБ/км, для отличной погоды, до 350 дБ/км, для самых густых туманов. Обладая необходимым набором инструментов для расчета, можно точно показать возможности систем уже в «прикладной плоскости» . Расчеты показывают, что затуханию 19 дБ/км для типового полупроводникового DFB-лазера с длиной волны 890 нм соответствует легкий туман с видимостью 920 метров. Такие погодные условия, например, в районе аэропорта Шереметьево могут быть до 90 часов в году. Нетрудно посчитать, что коэффициент готовности канала в этом случае будет ниже 99%. Для операторов связи в Москве это неприемлемая величина, если нет резервных каналов.

Таким образом, можно сделать вывод, что уже на дистанции 1.5 км оптические системы с энергетическим запасом в Рэ = 60 дБ в Московском регионе не соответствуют требованиям операторов к качеству канала связи. Увеличить этот диапазон можно улучшая чувствительность приемника и повышая выходную мощность систем. Среди систем SkyCell только системы начального уровня (Е1-Т456), позиционирующиеся на дистанцию до 1 км, имеют близкий к 60 дБ с энергетический запас. Все остальные его существенно превосходят Вообще, возможности оборудования SkyCell очень велики, а двух старших моделей просто уникальны. Они не имеют аналогов среди оптических систем других производителей. Для примера приведем графики (см.рис.23) стойкости систем SkyCell к туману и дождю в зимнее время и вне мегаполисов (чтобы уменьшить влияние примесей в атмосфере): 

http://cenja.narod.ru/ri4.gif

http://cenja.narod.ru/ri5.gif

Где: D - расстояние между приемо-передатчиками в метрах


V - метеорологическая видимость в условиях тумана в метрах
P - интенсивность осадков в мм/час

Области, находящиеся под линиями на графиках, определяют рабочие зоны оптических систем. Сами же линии означают границу, когда уровень ошибок в канале становится BER=1.0E-9. Из Графика 1 становится очевидным, что установленная на дистанции 2000 метров система SkyCell E1-T6000, способна нормально работать при метеорологической видимости в туман около 709 метров. А как будет вести себя канал передачи вблизи этой границы? При ухудшении погодных условий сначала будет увеличиваться уровень ошибок. Значения BER ниже 1.0Е-3 будут означать, фактически, отказ канала передачи. Дальнейшее ухудшение видимости приведет к полной блокировке канала. Реально канал будет сохранять работоспособность вплоть до падения видимости до 640 метров. Поведение систем SkyCell E1-T6000 можно проиллюстрировать рисунок.



http://cenja.narod.ru/ri6.gif

Приведенные выше результаты расчетов подтверждаются данными испытаний и опытной эксплуатации систем как в России, так и зарубежом. Для получения же самого «практического» параметра - коэффициента готовности канала, необходимо иметь статистику погоды в конкретном регионе. Опыт работы MicroMax показывает, что метеослужбы с пониманием относятся к подобным запросам и оперативно на них реагируют. Зная стойкость систем ко всем вероятным на месте установке погодным явлениям, можно с высокой достоверностью прогнозировать этот параметр и гарантировать эффективную работу системы передачи данных. На этапе проектирования канала атмосферной оптической связи необходимо задать четкие требования к качеству канала (определяемому коэффициентом готовности и допустимым уровнем ошибок).

Исходя из таковых требований, а также анализируя статистику погоды в конкретном регионе, где планируется установка канала, и, возможно, прочие особенности объекта, квалифицированный специалист способен (и должен) помочь заказчику в правильном и тщательном выборе подходящего оборудования. Весь набор технических характеристик оборудования должен быть рассмотрен в комплексе, но, пожалуй, наиболее важным, как было показано выше, является энергетический запас системы. При таком подходе не будет последующих разочарований, а миф о нежизнеспособности атмосферных оптических систем связи развеется сам собою.

3.5 Технические характеристики оборудования

Введем следующую классификацию, условно разделим все устройства оптической связи по атмосферному каналу по дальности действия на следующие группы:


сверхмалая дальность — до 30м.
малая дальность — до 250м.
средняя дальность — до 1000м.
большая дальность — 1000-10000м.
сверхбольшая дальность — свыше 10км

Согласно этой классификации составим сравнительные таблицы для описанных систем оптической атмосферной связи (смотрите приложение ) . Систем сверхбольшой дальности среди них нет. Такие системы очень дороги в построении, если они есть, то искать их надо среди опытных образцов различных лабораторий. Примером таких систем может служить система лазерной межспутниковой связи. Выводы по данному обзору: систем сверхмалого и малого радиуса действия очень мало, наиболее выгодным приобретением исходя из стоимости может быть БОКС-10МЛ; для работы в основном используется оптического излучения диапазона 800-980нм; на больших расстояниях, для увеличения мощности оптического излучения используется увеличение количества излучающих элементов, в данном случае нет систем, использующих более 4-х источников; для больших скоростей передачи данных используется лазерный диод, излучающий диод используется до скоростей 155Мб/с, связано это очевидно с большой входной емкостью СИД; в качестве приемных элементов большее предпочтение отдается лавинным фотодиодам (APD), чем PIN-фотодиодам. Это вызвано тем, что APD более чувствительны и более скоростные по своим характеристикам, однако для их работы необходимо напряжение 80-150В.



Система передачи данных по оптическому каналу начального уровня может иметь следующие характеристики: Расстояние — до 250м; Скорость — до 10Мб/с; Излучающий элемент — лазер, СИД; Приемный элемент — PIN-фотодиод; Излучаемая мощность — 10мВт;

Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница