Атмосферные оптические линии связи

_{О преимуществах и достоинствах системы передачи информации по ВОЛС, её физических и технических характеристиках, в настоящее время, имеются достаточных материалов, как теоретически, так и прикладного характера. Основные преимущества и принципы работы с ВОЛС, отражены на страницах многочисленных литературных источников}

_{оптический связь сцинтилляция юстировка}

_{В основе беспроводных оптических систем лежат технологии организации высокоскоростных каналов связи посредством инфракрасного излучения. Лазерная связь двух объектов осуществляется посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу.}

_{Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу. На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом, чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации.}

_{Рис. 1}

_{Организация и использование технология FSO}

_{Сама технология FSO - Free Space Optics (в разных источниках также встречаются аббревиатуры, АОЛС, АОСП - Атмосферные Оптические (Линии) Системы Передачи данных, БОКС - Беспроводные Оптические Каналы Связи, ЛАЛ - Лазерные Атмосферные Линии) основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной (или видимой) части спектра через атмосферу и их последующим детектированием оптическим фотоприёмным устройством. При этом в качестве излучателя обычно используются инфракрасные лазеры класса 1 или 1M (к лазерам 1-го класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи), для низкоскоростных коммуникаций на небольшие расстояния могут использоваться светодиоды. В качестве приёмника используются лавинные или кремниевые фотодиоды.}

_{Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.}

_{Однако внедрение проводных технологий (например, прокладка оптического волокна) подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна. На сегодняшний день существует несколько основных беспроводных решений - это использование широкополосных радиоканалов WiFi / WiMax, радиорелейных линий (РРЛС) или атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Однако беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам (в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов), повышенным энергопотреблением. Кроме того, при эксплуатации РРЛС приходится решать вопросы, связанные с получением разрешений на использование рабочих частот, что на сегодняшний день представляет большую проблему. В тоже время применение лазерных средств снимает эти сложные вопросы.}

_{FSO рассматривается в качестве решения в следующих условиях:}

_{Высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровых потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок (BER - bit error rate) всего 10-12, что невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий.}

_{Высокая защищённость канала от несанкционированного доступа и скрытность. Ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. А отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена. Поэтому лазерные системы применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные организации.}

_{Высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSO-оборудование невосприимчиво к радиопомехам и само их не создаёт.}

_{Возможность установить лазерную атмосферную линию там, где затруднительно проложить проводную линию связи. Например, в плотной городской застройке, через железную дорогу или автомагистраль, через природные преграды (реки, озёра, горную местность и т.д.).}

_{Скорость и простота развёртывания FSO-сети.}

_{Благодаря своим преимуществам АОЛС-технология позволяет решать проблемы «последней мили», развивать городские сети передачи данных и голоса, осуществлять подключение домашних сетей или офисов к сети Интернет, а также организовывать резервные каналы связи или расширять существующие каналы при высокой степени защищённости. Кроме того, технология используется для коммуникаций между космическими аппаратами.}

_{Ранее специалисты выделяли две основные проблемы - малое время наработки на отказ (показатель MTBF) излучающего элемента (лазерного диода или светодиода) и сильная зависимость расстояния передачи сигнала от погодных условий. С первой проблемой производителям лазерных диодов на сегодняшний день удалось справиться - многие из них, мощностью до 100 мВт уже способны обеспечить MTBF, равное 150 тыс. часов (практически 15 лет работы). В FSO-системах также нашли применение схемы APC (Adaptive Power Control), которые управляют мощностью излучения в зависимости от атмосферных условий (например, в ясную погоду мощность излучения минимальная). Такие схемы позволяют продлить срок жизни лазерных устройств и повысить их надежность. Вторая проблема снижения доступности канала связи при уменьшении метеорологической дальности видимости (МДВ) до 100-200 м остается актуальной. Основной «виновник» перебоев в связи АОЛС это туман. При МДВ менее 100 метров затухание в тумане достигает 170 дБ/км для 780 нм (ближний инфракрасный спектр) и 320 дБ/км для 555 нм (зелёный спектр). Самая современная АОЛС имеет энергетический запас около 60дБ. В дождливую погоду FSO-системы работают лучше, чем радиорелейные линии связи (РЛС), использующие радиодиапазон 18-64 ГГц. «Сильный ливень (уровень осадков 75 мм/час) не мешает лазерной системе передавать данные на расстояния до 1.5 км и со скоростью до 1Гбит/с, в то время как в каналах связи на основе РЛС скорость передачи может упасть до нескольких мегабит в секунду. Но РЛС оказываются на высоте при густых туманах, способных иногда полностью прерывать работу беспроводных оптических систем.}

_{Факторы влияющие на лазерную связь}

_{Работа канала связи FSO системы прежде всего зависит от климатических условий и физических характеристик места установки. В целом, погодные условия и параметры установки, воздействующие на видимость, оказывают влияние и на качество связи FSO системы. Типичная FSO система работоспособна на расстоянии в два-три раза превышающем расстояние прямой видимости в любых условиях окружающей среды. Главные факторы воздействующие на ее работу включают атмосферное поглощение, сцинтилляцию, потери на оконных стеклах, наклоны или движение здания, солнечная засветка и перекрытие прямой видимости.}

_{Затухание в атмосфере}

_{Ослабление в атмосфере обычно связывается с туманом, но может быть также вызвано низкой облачностью, дождем, снегом, мелкими частицами и их различными комбинациями. Влияние тумана на качество и дальность видимости можно увидеть на Рис. 1, который представляет ряд фотографий, полученных в Денвере, Штате Колорадо. Высокое здание на переднем плане (справа) находится приблизительно в 300 м . от камеры. Первый снимок сделан в условиях с дальностью видимости больше 2 км , как было измерено нефелометром, установленным рядом с камерой. Это соответствует 6.5 Дб/км в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн и 5% контрастности в соответствии со стандартом Всемирной Метеорологической организации ( WMO ). На снимке видны даже горы при том, что они находятся за много километров. На втором снимке виден туман, в котором измеренная дальность видимости составляет приблизительно 113 м . (115 Дб/км). Ближнее здание на расстоянии 300 м . еще видно, тогда как остальные здания и другие наземные ориентиры уже не видны. На третьем снимке, в условиях с дальностью видимости приблизительно 75 м . (173 Дб/км), ближнее здание полностью скрыто}

_{Сцинтилляция}

_{Атмосферная сцинтилляция может быть определена как временное и пространственное изменение интенсивности излучения в плоскости приемника, который обнаруживает сигнал от удаленного передатчика. Уровень принимаемого сигнала колеблется в результате температурных изменений показателя преломления воздуха на пути прохождения излучения. Эти изменения связаны с тем, что атмосфера воздействует на свет подобно ряду маленьких линз, которые отклоняют часть излучения, направляя его как наружу, так и внутрь канала передачи. Временной масштаб данных флуктуаций имеет порядок миллисекунд, что приблизительно равно времени, который требуется объему воздуха, соразмерному с поперечным размером луча, пересечь линию связи и, следовательно, определяется скоростью ветра.}

_{Сцинтилляция может изменяться больше чем порядок величины в течение дня, будучи максимальной в полдень, когда температура наиболее высока.}

_{Некоторые эксперименты показали что, в зависимости от атмосферных условий на пути изучения, амплитуда сцинтилляционных колебаний достигает максимума, который не возрастает с увеличением расстояния.}

_{В целом, сцинтилляция вызывает быструю флуктуацию принимаемой мощности и, в самом плохом случае, приводит к высокому уровню ошибок FSO систем. Однако, на расстояниях меньше чем 1 км , большинство FSO систем имеют достаточный динамический диапазон или запас, чтобы компенсировать воздействие сцинтилляции. Кроме того, FSO системы, обеспечивающие 99.9 % или лучшую доступность, обычно имеют достаточный запас, чтобы компенсировать сильное ослабление в атмосфере и, таким образом, имеют более чем достаточный запас для компенсации сцинтилляции. Для больших дистанций связи с меньшим уровнем готовности, существенное снижение влияния сцинтилляции может быть обеспечено конструктивными решениями приемопередатчиков, такими как использование нескольких лазерных передатчиков.}

_{Потери на окнах}

_{Одно из преимуществ FSO систем - то, что они позволяют осуществлять связь через окна помещений без необходимости установки антенн на крыше. Это особенно выгодно для заказчиков, которые не имеют доступ к крыше здания.}

_{Хотя окна пропускают оптический сигнал, они все его ослабляют. Стеклянные окна без покрытий обычно уменьшают сигнал на 4 % на каждой поверхности, из-за отражения. Это означает, что совершенно чистое окно с двойным стеклом уменьшает уровень всех оптических сигналов по крайней мере на 15 % (четыре поверхности, каждая с отражением 4 %). Окрашенные стекла и стекла с покрытием могут иметь намного большее ослабление, и его величина обычно сильно зависит от длины волны.}

_{Для установки FSO систем с высоким уровнем доступности внутри помещений рекомендуется предварительно провести измерения фактического ослабления окон, что позволит точно рассчитать качество связи. Кроме того, при планировании инсталляции на высоких зданиях необходимо соотносить влияние низкой облачности на систему установленную на крыше с уменьшением уровня сигнала, вызванным поглощением в окне, расположенным значительно ниже. Во многих случаях, ослабление окна может иметь меньший эффект на доступность линии связи}

_{Юстировка}

_{Один из основных проблем FSO систем - поддержание заданного направления оси приемопередатчика.}

_{Приемопередатчики передают узконаправленные пучки излучения, которые должны попадать в приемную апертуру приемопередатчика на противоположном конце линии связи. Типичный приемопередатчик передает один или несколько световых пучков, каждый из которых составляет 5- 8 cm в диаметре непосредственно на передатчике и обычно расширяется примерно до 1- 5 м . в диаметре на расстоянии 1 км .}

_{В добавление к этому, FSO приемники имеют ограниченный угол зрения, который может быть представлен как “конус приема” приемника и подобен конусу света, проецируемому передатчиком.}

_{Для работы FSO системы очень важно согласование передаваемого пучка и угла зрения приемника с теми же параметрами приемопередатчика на противоположной стороне линии связи.}

_{Несмотря на общепринятые представления, здания фактически находятся в постоянном движении. Это движение - результат ряда факторов, включая тепловое расширение, влияние ветра, и вибрации. Из-за узкой направленности излучения и ограниченного угла зрения приемника движение зданий может влиять на юстировку приемопередатчика и нарушать связь. Это влияние обычно упоминается как “движение опоры ” В большинстве обстоятельств, угловые движения (по азимуту и склонению), в противоположность прямолинейному движению, составляют основную проблему для юстировки приемопередатчика. Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное. Низкочастотное - это движение с периодом колебаний от минут до месяцев и определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Среднечастотное движение имеет период масштаба секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Высокочастотные колебания с периодом меньше чем 1 с, обычно называемые вибрацией, вызываются работой крупного оборудования (например, больших вентиляторов), деятельностью человека (ходьба, закрытие дверей). Каждый из перечисленных типов колебаний обсужден более подробно ниже.}

_{Низкочастотные колебания}

_{Температурные градиенты приводят к изгибу и скручиванию зданий. Амплитуда этих деформаций очень сильно зависит от размеров здания, их формы и конструкции. Это движение настолько малое и медленное, что идет незаметно для жителей зданий. Была показана корреляция, существующая между низкочастотным движением и ежедневными температурными изменениями. Как и ожидалось, отклонение имеет тенденцию к увеличению с высотой здания и может быть существенно для оборудования, установленного на крыше даже для невысоких зданий. Кроме того отмечено, что данные отклонения влияют больше на углы возвышения, чем на азимутальные углы.}

_{Колебания средних частот}

_{Данные виды колебаний вызываются ветром и могут быть весьма существенны для высоких зданий. К счастью, устойчивость зданий при сильных ветрах - обычно основная цель при проектировании небоскребов. Таким образом, данные колебания могут быть вызваны только очень сильным ветром и, вероятно, только на высоких зданиях. Прерывание связи у FSO систем по данной причине будет кратковременным, поскольку по прекращении порыва ветра здание возвращается в исходное положение. Приемопередатчики с достаточно широким пучком, а также с достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения способны компенсировать даже эти редкие и сильные отклонения без прекращения связи.}

_{Высокочастотные колебания}

_{Заключение}

_{Последние несколько лет технология атмосферных оптических линий связи активно развивается и завоёвывает всё большую популярность в телекоммуникационном секторе. К сожалению, в других странах мира продвижение её на рынок идёт существенно более быстрыми темпами, чем в России (причём это относится не только к таким технологически продвинутым регионам, как западная Европа и США, но и ко многим развивающимся странам). Основная причина востребованности этой технологии заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях в нелицензируемом диапазоне длин волн (свыше 400 ГГц), существенно снижая таким образом административные издержки. Среди всемирно известных операторов и разработчиков телекоммуникационных сетей, принявших на вооружение беспроводную оптическую технологию - Vodafone, Sprint, Nextel, Verizon, Вымпелком, Motorola, Siemens.}

_{Но кроме неоспоримых преимуществ технология FSO имеет и свои недостатки, главный из которых - зависимость доступности канала связи от погодных условий (а именно, от метеорологической дальности видимости). Решить эту проблему призваны беспроводные гибридные телекоммуникационные системы на базе лазерной и радио- технологий. На их основе как операторы связи, так и другие потребители могут создавать скоростные каналы связи с надежностью более 99,99% на трассах в несколько километров.}

_{Библиографический список}

_{1. В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, Широкополосные беспроводные сети передачи информации, «Техносфера», Москва, 2005.}

_{10. Журнал «Открытые системы», номер 5, 1997 г.}

_{11. JOURNAL OF OPTICAL NETWORKING, Vol. 2, No. 6 June 2003.}

_{Размещено на Allbest.ru}