Разработка и исследование системы связи для ведомственных служб на основе Атмосферной Оптической Линии Связи



Выводы к главе II

Рассмотрены основные схемы исполнения атмосферных оптических линий связи, а также установлено, что предпочтительно применение активной схемы АОЛС, где источник и приемник излучения находятся внутри приемопередающего оптического блока. Активная схема АОЛСимеет большую площадь фотоприемника, что в свою очередь, увеличивает угол поля зрения, а это благоприятно сказывается на уменьшении энергетических потерь и требований к угловым перемещениям приемопередающих оптических блоков друг относительно друга.

Рассмотрены современные источники излучения применяемые в АОЛС, характеристики и принципы действия. В качестве источника излучения целесообразно использовать лазерные диоды с длиной волны 1310нм, мощностью излучения 1,5 мВт, марки ЛТ-53. Данный лазерный диод позволяет передавать информацию со скоростью до 1 Гб/с.

Рассмотрены современные приемники излучения применяемые в АОЛС, характеристики и принципы действия. В качестве приемника излучения целесообразно использовать p-i-n фотодиод марки (ДФД-70), со спектральной чувствительностью 0,85 А/Вт при длине волны 1330 нм, с размером площадки до 70 мкм. Это обусловлено следующими его свойствами.P-I-N фотодиод обеспечивает требуемый динамический диапазон и быстродействие до 1 Гб/с. Зависимость характеристик фотодиода от изменений окружающих условий (температуры, вибраций) минимальна. Спектральная характеристика согласована с длиной волны излучателя. Кроме того, фотодетектор имеет малые габариты и массу, отвечает условиям совместимости с оптоволокном и электронными устройствами, потребляет малую энергию.

Глава Ш. Разработка АОЛС на примере ЛВС ведомственной службы

3.1Структура сети на основе АОЛС для связи сегментов ЛВС ведомственной службы

Типичный случай - объединение пользователей внутри здания с помощью проводных технологий (витой пары, коаксиального кабеля) а связь между зданиями организуется с помощью АОЛС (рис.3.1.)

Рис. 3.1. Использование АОЛС для связи сегментов ЛВС

Требования к каналу АОЛС:

- Основное требование, высокое быстродействие. Т.е. решения, не обеспечивающие скорость хотя бы 10 Мбит/с не находят применения. Оптимальным является использование каналов 100 Мбит/c или 1 Гбит/c.

- Необходимая дальность связи может достаточно сильно колебаться (от 10 метров до нескольких километров), но, как правило, не превышает 1 км.

- Высокая надежность - доступность канала должна быть более 99,999%

- Система юстировки и автонаведения, дрейф опорных конструкций (домов, столбов, мачт) под действием ветра, нагрева и других природных факторов слабо сказывается на уходе оптического луча от оптимального направления.Угловые колебания зданий практически всегда лежат в пределах около 0,5 мрад.

Канал АОЛС реализует физическую среду передачи данных и прозрачен для программного обеспечения (далее ПО) станций сети. Это позволят использовать любое ПО, обеспечивающее передачу данных по тому типу сегмента сети, в которую включен канал АОЛС. Однако необходимо разработать программу мониторинга параметров АОЛС, которая будет с оборудованием АОЛС, получать информацию о ее состоянии и управлять ее параметрами в соответствии с командами пользователя. Для этого в оборудовании АОЛС должен быть предусмотрен отдельный интерфейс. Очевидно, при использовании АОЛС невозможен компромисс между дальностью передачи и доступностью канала. В этом случае необходимо применять мощные передатчики и высокочувствительные приемники или резервирование с помощью другого канала. Например, в качестве резерва для высокоскоростной АОЛС может использоваться более медленный проводной канал [23].

Другим эффективным решение является дублирование АОЛС с помощью радиоканала. В этом случае существенно повышается дальность передачи, т.к. не существует погодных условий, препятствующих работе одновременно обоих каналов, т.о. возможно использование как АОЛС так и радиоустройств практически на предельной дальности, не создавая запас мощности на случай плохих метеоусловий (для АОЛС наихудшими условиями является туман, для радио - дождь. Причем одновременное их появление невозможно).

Структура аппаратных и программных средств для реализации канала АОЛС.

Рассмотрим схему подключения канала АОЛС к ЛВС или отдельной ЭВМ. Один из возможных вариантов представлен на рис.3.2.

Рис. 3.2. Один из вариантов подключения канала АОЛС между двумя подсетями

При простейшей реализации канала АОЛС он прозрачен на физическом уровне и представляет собой просто “удлинитель” среды передачи, т.е. передатчик АОЛС выполняет только простейшее преобразование сигналов (например, напряжение в мощность оптического сигнала), не затрагивая даже способ кодирования. Приемник выполняет обратное преобразование. Т.о. обеспечивается минимальная задержка в распространении сигнала (порядка нескольких битовых интервалов), а весь контроль корректности и защиты передачи ложится на узлы сети. В этом случае канал АОЛС может совсем не иметь цифровых схем и представлять аналоговый модулятор (передатчик) и усилитель (приемник) с соответствующим оптическим оборудованием [24]. В более сложном случае канал АОЛС обеспечивая прозрачность на физическом уровне, дополнительно выполняет некоторые интеллектуальные функции:

- Перекодировка сигнала. Представление последовательного сигнала, поступающего на вход передатчика, в другом коде с повышения надежности передачи и снижения требования к пропускной способности канала

- Повышение надежности передачи за счет перекодирования в код с большей избыточностью или за счет повторной отправки поврежденных пакетов

- Шифрование информации

- Мультиплексирование нескольких каналов

В этом случае задержка, вносимая каналом, существенно возрастает.

Еще один вариант, это реализация канала АОЛС на канальном уровне или сетевом уровне. В этом случае устройства АОЛС реализуют функции коммутатора или маршрутизатора. Это увеличивает сложность оборудования АОЛС, но позволяет более гибко управлять передачей. Очевидно, что задержка, вносимая каналом в этом случае, максимальна.

Структура аппаратных средств АОЛС

Была разработана следующая структура терминального устройства (ТУ) канала АОЛС (рис. 3.3.).

Рис. 3.3. Структурная схема ТУ канала АОЛС

Модуль обработки (МО) выполняет логическое преобразование данных. Конструктивно МО может быть выполнен как микроконтроллер или FPGA.

Интерфейсные модули ИМ1, ИМ2, ИМ3 предназначены для согласования сетевых сигналов, сигналов к модулятору и от усилителя с шиной МО. Введение в схему структурно выделенных интерфейсных модулей обусловлено требованиями универсальности. В этом случае возможна замена принимающего или передающего оптоэлектронного блока или интерфейса с проводной сетью не затрагивая остальные модули системы, а только заменяя относительно простые интерфейсные модули ИМ3, ИМ2 и ИМ1 соответственно. Это позволит на общей аппаратной базе разработать ряд продуктов, охватывающих больший сегмент рынка.

Модулятор предназначен для управления излучателем световых волн в соответствии с сигналами, поступающими от МО через ИМ2. Оптический передатчик ОП представляет собой устройство для создания светового потока и в зависимости от конструкции может включать в себя набор лазерных элементов или светодиодов, оптическое устройство фокусировки и т.д.

Оптический приемник ОПР выполняет прием оптического сигнала. Может выполнять его преобразование в электрический сигнал.

Усиление сигнала от ОПР перед вводом его МО через ИМ3 выполняется отдельным усилителем.

Для контроля за состоянием и работой АОЛС введен модуль контроля МК. Он выполняет следующие функции:

осуществляет прямой мониторинг исправности узлов ТУ

осуществляет прием от МО информации о логическом состоянии оптического канала - количества ошибок, времени недоступности канала и т.д.

получает от ОП и ОПР информацию о физическом состоянии оптического канала - уровне фоновой засветки, мощности сигнала от другого ТУ, отклонении светового потока и.п.

получает от датчиков информацию о температуре, влажности, атмосферном давлении, на основании которой осуществляет коррекцию мощности излучателя

осуществляет обмен информацией сдругим ТУ

активирует в случает неработоспособности канала АОЛС резервный канал

осуществляет взаимодействие с внешним управляющим устройством через специальный порт или через сетевой интерфейс (например, доступ к МК может осуществляться по TCP/IP протоколу).

Технологически МК может реализовываться как отдельный модуль или совместно с МО.

Возможны различные варианты отображения логической структуры ТУ на физическую. Основные варианты следующие:

компоновка ТУ в виде единого блока

размещение МО, МК и интерфейсных модулей в одном блоке, а оптических модулей, модулятора и усилителя - в другом. Этот вариант может применяться, когда необходимо защитить МО и МК от воздействия внешней среды, или если проводная линия связи с ТУ проходит вне офиса фирмы или банковского филиала (например, при размещении ТУ на крыше здания) и необходимо предотвратить перехват информации. В этом случае информация по проводному каналу связи с ТУ передается уже закодированная. Подобную компоновку использует большинство существующих промышленных устройств.

размещение в выносном блоке исключительно оптической системы, сигнал к (и от) которой передается по световоду от основного блока. Этот вариант, в дополнение к преимуществам, позволят полностью устранить влияние электромагнитного излучения на проводную линию связи с выносным устройством, минимизировать стоимость выносного оборудования, обеспечить максимальную электрическую развязку (что весьма важно для защиты от молний), позволяет избежать подвода питания к выносному устройству.

3.2 Особенности работы АОЛС

Отличительной особенностью АОЛС, является зависимость прохождения оптического излучения от состояния атмосферы. В данном случае основное негативное влияние на работоспособность лазерных линий могут оказывать такие факторы, как флуктуации из-за неоднородностей плотности воздуха и ослабление мощности излучения при рассеянии на частицах аэрозолей (например, в тумане).

Флуктуации

Наличие флуктуации приводит к тому, что в плоскости приемной антенны образуется спекл-структура - хаотичная и нестационарная совокупность ярких и темных пятен. Если уровень мощности сигнала на приемной антенне при попадании на нее темного пятна оказывается меньше допустимого, связь прерывается: в линиях Ethernet происходит значительное снижение скорости связи, а в плезиохронных и синхронных сетях это означает отсутствие канала.

Для борьбы с флуктуациями применяется некогерентное сложение излучения нескольких лазеров и усреднение приемной антенной: при достаточной площади антенны в апертуру попадает большое количество ярких и темных пятен и уровень мощности усредняется. Отметим, что наличие в системе нескольких передатчиков еще не означает, что на дальнем конце линии связи происходит усреднение и снижается влияние флуктуации. Влияние флуктуации зависит от конструктивных особенностей оборудования, распределения температур, скорости ветра и других факторов, поэтому скажем лишь, что почти во всех существующих системах на рекомендованных дистанциях воздействие этого эффекта минимизировано. Тем не менее, всегда полезно запрашивать у поставщика данные о потерях на флуктуации (D_fl) для каждой модели и дистанции.

Молекулярное поглощение

Влияние линий резонансного молекулярного поглощения, вызванных наличием примесей газов, паров воды, в современной аппаратуре можно не учитывать, поскольку эти линии общеизвестны специалистам и применяются передатчики, работающие в так называемых "окнах прозрачности", где нет сколько-нибудь заметных линий поглощения.

Геометрические потери

В ВОЛС благодаря полному внутреннему отражению в волокне вся мощность передатчика, за вычетом поглощаемой в материале волокна, попадает в приемник. В АОЛС излучение из передающих антенн выходит с некоторой угловой расходимостью, поэтому в плоскости приемных антенн, удаленных на длину линии связи, пятно излучения имеет размер, как правило, значительно превышающий размер приемной антенны. Часть энергии, которая не попадает на приемную антенну и теряется, называется геометрической потерей [25].

Наличие таких потерь приводит к уменьшению мощности сигнала на приемнике (на 15-40 дБ) и увеличению зависимости работоспособности линии от погодных условий.

Ослабление мощности излучения

Ослабление сигнала вследствие рассеяния излучения в тумане остается основным фактором ограничения дальности работы АОЛС. Надежность оптических линий связи напрямую зависит от энергетических характеристик оборудования, речь о которых пойдет ниже.

Технические характеристики

В качестве источников излучения в АОЛС применяются лазеры или светодиоды. Полупроводниковый лазер, или лазерный диод, - тот же светодиод, только грани кристалла которого тщательно o6pa6oтаны и являются резонатором. Такое преимущество светодиодных систем, как отсутствие влияния флуктуации, сегодня практически осталось в прошлом. Недостатком светодиодных систем по сравнению с лазерными являются гораздо большие геометрические потери (до 40 дБ!) и, следовательно, большая зависимость от погодных условий.

Поэтому во всем мире производители рекомендуют светодиодные системы к использованию на дистанциях не более 400-500 м. В остальном все системы аналогичны, и к ним одинаково применимы все характеристики, перечисленные ниже:

средняя мощность передатчиков на выходе из передающей антенны, P_tr. При модулировании цифрового сигнала передатчик излучает сигнал со средней мощностью, примерно в 2 раза меньшей, чем пиковая. Далее излучение проходит через передающую оптику, потери мощности в которой тоже надо учитывать;

эффективная ширина диаграммы направленности передатчиков, &phi0. Этот параметр с допустимой точностью можно считать равным ширине на уровне 0,5 от максимального значения в пересчете на круговую диаграмму. Значение ?&phi ?_0 определяет величину геометрических потерь и требования к стабильности установки и наведения оборудования. Угловые колебания зданий практически всегда лежат в пределах около 1 мрад, поэтому при ?&phi ?_0 = 1 мрад (пятно излучения диаметром 1 м на дистанции 1 км) и менее система работоспособна только при наличии функции автонаведения.

Однако во всем мире автонаведение является пока экзотикой, и об успешном опыте эксплуатации еще не известно. Принято иметь полуторный запас, то есть?&phi ?_0 не менее 1,5 мрад. Существенное значение имеет форма диаграммы направленности. Разные модели лазеров имеют различные формы диаграммы, отличающиеся соотношениями осей эллипса, поэтому удобнее их приводить к общей, среднеквадратичной величине. При наличии заметных провалов в огибающей графика распределения мощности по углу малейшие колебания терминалов могут приводить к пропаданию сигнала на приемнике и разрыву связи;

минимально допустимый уровень сигнала на входе в приемную антенну ?Pr?_min при уровне ошибок BER<?10?^(-9) зависит от характеристик приемника, связанных также со скоростью передачи информации, и потерь в приемном оптическом тракте. Применяются два типа приемников: pin-диод и лавинный фотодиод (ЛФД). Чувствительность ЛФД близка к предельной величине, определяемой квантовым шумом сигнала, и примерно в 100 раз лучше, чем у pin-диода. Поэтому оборудование с pin-диодами реально применяется на дистанциях не более 500 м;

максимально допустимый уровень сигнала на входе в приемную антенну ?Pr?_max при уровне ошибок BER<?10?^(-9). Высокие энергетические характеристики передающего тракта, мощные передатчики и низкие геометрические потери ,приводят к повышению приходящей на приемник мощности. В условиях прозрачной атмосферы мощность может превысить ?Pr?_max , происходит насыщение приемника и связь прерывается. Если у аппаратуры отсутствует автоматическая регулировка уровня мощности сигнала в диапазоне 10-20 дБ, требуется установка ослабителей или расширение диаграммы направленности, что приводит к снижению энерговооруженности и надежности канала связи;

площадь приемных антенн S_r. С помощью этого параметра определяются геометрические потери и устойчивость к флуктуациям. Можно считать, что существующие лазерные системы с S_r<?10?^2 м^2 устойчивы к флуктуациям на дистанциях до 1 км.

Энергетические характеристики

При установке оборудования на дистанции L геометрические потери D_геом равняются отношению площади пятна излучения в плоскости приемной антенны к ее площади:



Максимальная (при отсутствии потерь в атмосфере) мощностьP_maxпопадающая в приемную антенну, равна:

D_L = ?Pr?_max-D_геом, дБм (3.2.)

Динамический диапазон

При условии P_max<?Pr?_max запас на потери мощности в атмосфере D_Lравен:

? D?_L= ?Pr?_max - ?Pr?_min - D_геом - D_fl, дБ(3.3.)

Если P_max>?Pr?_max то запас на потери D_L ? ?Pr?_max - ?Pr?_min - D_геом - D_fl не превышает динамический диапазон приемника. В этом случае необходимо уточнять у производителя, каким образом происходит снижение мощности на приемнике и каким остается значение D_L. Величина D_Lимеет различные названия в разных источниках: динамический диапазон, запас на затухание, запас на потери мощности, бюджет линии, энергетический потенциал и др. При правильной форме диаграммы направленности передатчиков и правильной установке оборудования именно величина D_Lоднозначно и полностью описывает энергетику линии, поскольку включает в себя все основные технические характеристики оборудования и дальность линии связи. Эта величина также однозначно и полностью определяет устойчивость линии к погодным условиям. АОЛС работоспособнатолько при условии превышения D_L над потерями в атмосфере. Удобным и наглядным является использование величины D_L на дистанции 1 км приведенного динамического диапазона D_1. При D_fl=0 (3.3.) запас на потери D_L выглядит так: D_L = D_1 - 20 lg(L), где L в км (3.4.)

На сегодняшний день значения приведенного динамического диапазона D_1 находятся в интервале от 17 дБ для светодиодных систем до 45-50 дБ для лазерных.Интересно отметить, что мощность и количество передатчиков не являются определяющими в энергетике АОЛС так же, как и площадь приемных антенн. Удвоение количества или мощности передатчиков приводит к увеличению динамического диапазона системы всего на 3 дБ. Гораздо большее значение имеет применение высокочувствительных приемников (+20 дБ), выбор оптимальной диаграммы направленности и некоторые другие технические решения.

Доступность канала связи

Доступность канала связи определяется отношением времени бесперебойной работы линии к общему времени эксплуатации. По сути, это основной параметр, характеризующий потребительские свойства системы при заданном интерфейсе. Например, значение доступности 99,9% означает, что работоспособность линии связи будет нарушаться в течение 8,5 часов за год, а 99,8% - 17 часов в год и т.д. Из чего следует, что изменение показателя доступности на десятые доли процента приводит к изменению времени отсутствия связи в разы. Поэтому повышение показателя доступности даже на десятые и сотые доли процента является важнейшей задачей.

Мировая и отечественная практика показывает, что приемлемые значения доступности АОЛС должны находиться в диапазоне от 99,0% (при объединении сегментов локальных сетей) до 99,5-99,8% (для передачи голоса в телефонных сетях общего пользования и сетях мобильной связи). Для IP-приложений требуется доступность 99,2-99,5%.

Для определения доступности линии связи с заданной длиной необходимо знать вероятность того, что величина потерь мощности сигнала, вызванная аэрозольным рассеянием, не превысит значение динамического диапазона D_L системы. Такой расчет выходит за рамки настоящей статьи, поэтому отметим лишь основные моменты.

Дальность видимости

Вследствие сложной структуры аэрозолей в реальной атмосфере расчет потерь излучения с приемлемой точностью чрезвычайно затруднен и на практике обычно используют интегральную характеристику пропускания атмосферы - видимость или метеорологическую дальность видимости (МДВ, S_m). В настоящее время МДВ измеряется метеослужбами путем пропускания эталонного излучения на калиброванной трассе, поэтому эта величина напрямую связана с характеристикой оптической прозрачности атмосферы и представляет собой ее условное выражение. МДВ, S_m - это расстояние, на котором видимое излучение источника света уменьшается в 20 раз (в 50 раз по определению видимости) по отношению к первоначальной величине. Пересчет для длин волн 0,78-0,86 мкм не требуется, поскольку в этом диапазоне ослабление излучения практически не зависит от длины волны.

Для каждой конкретной модели АОЛС и определенной дальности связи можно рассчитать минимальное, или критическое, значение МДВ - S_min, при котором ослабление мощности сигнала в атмосфере при ухудшении погодных условий превышает динамический диапазон системы и происходит нарушение работоспособности канала АОЛС.

S_min = 13L/D_L(3.5)

Если реальное значение МДВ на трассе становится меньше или равно S_min, уровень ошибок при передаче данных превышает допустимый уровень и линия прекращает работу до момента превышения значения МДВ надS_min.

На дистанции 1 км типичная диодная система с D_1=17 дБ имеет S_min= 0,76 км, лазерная с D_1 = 50 дБ имеет S_min = 0,26 км. Вероятность наблюдения МДВ в диапазоне 760 м и ниже многократно больше, чем в 260 м, поэтому и доступность системы с меньшим динамическим диапазоном будет значительно ниже - соответственно 98 и 99,9% для условий Москвы. Потери в атмосфере экспоненциально зависят от значения МДВ, поэтому снижение S_min существенно повышает доступность на любой дистанции. Кроме того, для каждого значения МДВ можно определить предельную дальность связи для конкретной модели оборудования. Таким образом, зная распределение вероятности наблюдения определенного значения МДВ в данном регионе за длительный период времени (5-10 лет), можно оценить среднюю доступность конкретной линии связи или выдать рекомендации по устройству такой линии с требуемой доступностью. Другим способом теоретически рассчитать параметр доступности невозможно.

3.3 Расчет дистанции АОЛС с заданным коэффициентом готовности

Проектирование систем АОЛС требует учета климатических особенностей географического региона (ГР), где будет проходить трасса АК связи. Необходимо выполнить согласование интегральной функции распределения километрического затухания (ИФР-КЗ) инфракрасного (ИК) излучения в атмосфере данного географического региона (ГР) с энергетическим ресурсом использованной аппаратуры АОЛС для определения протяженности атмосферного канала с требуемым коэффициентом готовности.

Энергетические характеристики аппаратуры АОС являются паспортными данными изделия и сообщаются изготовителем. Определение ИФР-КЗ ГР - сложная задача, для решения которой требуется усреднение экспериментальных данных по метеорологической дальности видимости (МДВ,S_МДВ) в определенном ГР. Экспериментальные данные по МДВ ГР должны охватывать длительный период времени (минимум 3-5 лет).

Без положительного разрешения вопроса определения ИФР-КЗ ГР ни о каком широком внедрении АОЛС не может быть и речи.

На основании статистики метеорологической дальности видимости, предоставленной городским аэропортом г.Ташкента, определим интегральную функцию распределения километрического затухания для г.Ташкента для длин волн, на которых работает современная аппаратура атмосферной оптической связи, а также рассмотрим технические характеристики современной аппаратуры атмосферной оптической связи и рассчитаем дистанцию, на которой способна работать данная аппаратура с учетом требований к коэффициенту готовности атмосферного канала в г.Ташкента;

Метод определения дистанции атмосферного канала связи с заданным коэффициентом готовности.

На рис.3.4. приведен ход лучей от передатчика до приемника в системе АОЛС. Принята следующая система обозначений: L_АК - протяженность атмосферного канала связи, ф_РАСХ - угол расходимости лазерного излучения, d_ПРИЕМ- диаметр линзы приемного устройства.

Рис. 3.4. Ход лучей от передатчика до приемника в системе атмосферной оптической связи

При прохождении через атмосферу оптический сигнал ослабевает по мощности из-за рассеивания и поглощения света атмосферой на величинуP_1, дБ

Выбор величины километрического затухания на трассе необходимо осуществлять по интегральной функции распределения километрического затухания географического региона, где будет эксплуатироваться проектируемая система атмосферной оптической линии передачи с учетом требуемого оператором коэффициента длины волны л. Детально этот вопрос будет рассмотрен ниже. Таким образом, справедлива зависимость:

=f (, л) =,л (3.7.)

Анализируя рис. 3.4.,можно выделить второй вид потерь, обусловленный расходимостью излучения. На рис. 3.4. видно, что лишь часть оптической мощности попадает на линзу приемного устройства. Потери за счет расходимости (P_2, дБ) можно определить из следующих соотношений:

=10Lg = 10Lg=20Lg(3.8.)

Диаметр «оптического пятна» (d_ПЯТНА) на приемной стороне может быть получен из простого геометрического соотношения:

= (3.9.)

Формула справедлива при величине угла расходимости излучения порядка нескольких мрад. Диаметр приемной линзы сообщается в техническом паспорте оборудования. Из (3.8.) и (3.9.) получаем:

= 20Lg (3.10.)

Общие энергетические (P_ОБЩ) потери на трассе длинной L_АК составляют сумму потерь, обусловленных рассеиванием и поглощением света (P_1), и потерь за счет расходимости (P_2)

Раскрывая каждое слагаемое в (3.11.), получаем следующее соотношение:

где А - энергетический ресурс аппаратуры ОАЛС.

Энергетический ресурс аппаратуры АОЛС определяется как разность между мощностью передатчика (P_S) и чувствительностью приемника (P_R), которые являются паспортными данными аппаратуры:

Если передающая установка состоит из нескольких излучающих лазеров (светодиодов),мощность передатчика определяется как сумма их мощностей. В случае использования однотипных источников излучения P_S определяется

где N - количество излучателей в передатчике.

Анализируя современную аппаратуру АОЛС, можно сказать, что количество излучателей в передатчике лежит в пределах от 1 до 3.

Если выполняется соотношение (3.17.), система АОЛС работает. В противном случае наблюдается перерыв связи.

Километрическое затухание оптического излучения в атмосфере г является переменной величиной и изменяется в широких пределах: от нескольких десятых дБ/км до сотен дБ/км.

Зависит от климатических условий региона, где проектируется трасса АОЛС и носит вероятностный характер. Вероятность того, что величина г не превысит некоторого порогового значения, при котором соотношение (3.17.) не выполняется, можно определить, используя интегральную функцию распределения километрического затухания.

Для определения ИФР-КЗ ГР (интегральная функция распределения километрического затухания географического региона) предлагается использовать статистику по МДВ, полученную с аэропорта, находящегося в данном географическом регионе (ГР).

Статистика метеорологической дальности видимости (МДВ) г.Ташкента предоставлена городским аэропортом. В табл. 3.1. представлены обработанные статистические данные, охватывающие период измерения МДВ за 10 лет.



Таблица 3.1.

Статистика метеорологической дальности видимости

, км	<0.1	<0.2	<0.4	<0.6	<0.8	<1	<1.5	<3	<5
Процент времени	0.1	0.2	0.4	0.5	0.7	0.8	1.3	3.5	7.7

Метеорологические данные в аэропортах и на метеостанциях ведутся на длине волны:

л = 0.55 мкм. Актуальным становится вопрос пересчета статистики МДВ на длине волны

л = 0.55 мкм (далее?ИФРМДВ?_0,55) в ИФР-КЗ на любой другой длине волны л ? 0.55 мкм.

Как правило, АОЛС в инфракрасном диапазоне в пределах от 0.78 до 1.6 мкм. Наиболее распространены источники с длинами волн 0.785 мкм, 0.83 мкм, 0.85 мкм, 0.98 мкм, 1.06 мкм, 1.55 мкм. Учитывая вышесказанное, целесообразно вести следующий пересчет:

?ИФРМДВ?_0,55 > ?ИФР-КЗ?_(0.78ч1.6)

Для определения ИФР-КЗ на основе данных метеослужбы аэропорта необходимо провести пересчет S_МДВ в километрическое затухание г [дБ/км] в АК на л = 0.78ч1.6 мкм в соответствии с известной в метеорологии аналитической зависимостью [2]:

(S,) = , (3.18.)

где С =13 дБ = const;

q(S_МДВ) - показатель степени, являющийся функцией МДВ;

л - длина волны, на которой определяется величина г.

Выражение (3.6.) справедливо для л = 0.55ч1.6 мкм.

Значение показателя степени q(S_МДВ) исследовались и уточнялись учеными в течение длительного времени. В результате чего можно использовать график q(S_МДВ), приведенный на рис. 3.5.

Рисунок 3.5. Зависимость q = f (S_МДВ)

Расчет ИФР-КЗ для г. Ташкент можно провести, основываясь на выражении (3.18.), графике, представленном на рис. 8 и данных табл. 3.1.

В качестве примера расчета рассмотрим случай: S_МДВ = 0.2 км, л = 0.785 мкм. В соответствии с рис. 3 q (S_МДВ) = 0.129. Подставляя соответствующие значения величин в выражение (11), получаем:

(0,785;0,2) = = 62,40

(0,785;0,4) = = 29,25 ,

Аналогично выполняются расчеты для других длин волн. Результаты проведенных расчетов помещены в табл.3. 2.



Таблица 3.2.

Расчет для г. Ташкента

	Процент времени/ длина волны, мкм	0,1	0,2	0,4	0,5	0,7	0,8	1,3	3,5	7,7
Затухание,дБ/км	0,785	>125,12	>62,40	>29,25	>18,80	>13,80	>10,84	>6,95	>3,20	>1,81
	0,83	>123,67	>61,75	>28,60	>18,42	>13,49	>10,53	>6,72	>3,03	>1,69
	0,85	>122,91	>61,43	>28,50	>18,20	>13,33	>10,40	>6,61	>2,98	>1,66
	0,91	>121,67	>60,91	>27,97	>17,74	>12,91	>10,11	>6,45	>2,73	>1,54
	0,98	>121,03	>60,45	>27,33	>17,12	>12,51	>9,75	>6,07	>2,65	>1,44
	1,06	>120,07	>59,80	>26,68	>16,69	>12,03	>9,36	>5,77	>2,48	>1,33
	1,55	>119,56	>56,88	>23,82	>14,32	>10,09	>7,67	>4,60	>1,79	>0,91

На основании данных табл. 3.2., условия (3.17.) и технических характеристик аппаратуры АОЛС [31,32,33,34,35],приведенных в табл. 3.6.,3.7.,3.8. выполним расчет дистанции связи, на которой способна работать аппаратура в г.Ташкенте с заданным коэффициентом готовности. Результаты расчета поместим в табл. 3.3., 3.4., 3.5.

Таблица 3.3.

Дистанция АОЛС с заданным коэффициентом готовности для г. Ташкента модельного ряда PAV DATA SYSTEMS (Англия)

Тип интерфейса	Коэффициент готовности
	= 0,999	= 0,998	= 0,997
1	2	3	4
PAVExpress100	<210	<350	<600
PL-1G/1TX	<340	<610	<1100
PL-100/155/1TX	<310	<550	<1000
PL-100/155/1 TX PD	<250	<420	<750
PL-155/3 TX	<350	<600	<1100
PL-622/1 TX	<350	<630	<1100
PL-622/3 TX	<370	<650	<1200
SC 2E1-2000/L	<250	<420	<750
SC 2E1-4000/L	<350	<600	<1100
SC 4E1-2000	<310	<550	<1000
SC 4E1-2000/L	<250	<420	<750
SC 4E1-4000	<350	<600	<1100
SC4 E1-4000/L	<350	<480	<850
SC E1-2000	<320	<420	<750
SC E1-4000	<350	<480	<870
SN ET-500	<320	<420	<750
SN ET-4000	<350	<600	<1100
SN FET-500	<320	<420	<750
SN FET-2000	<310	<550	<1000
SN FET-4000	<350	<600	<1100

Таблица 3.4.

Дистанция атмосферного канала с заданным коэффициентом готовности для г. Ташкента модельного ряда «МОСТКОМ» (Россия)

Тип интерфейса	Коэффициент готовности
	= 0,999	= 0,998	= 0,997
1	2	3	4
M1 FE-S	<170	<280	<470
M1 GE-S	<180	<290	<480
M1 FE-A	<300	<520	<950
M1 FE-2R	<310	<550	<1000

Таблица 3.5.

Дистанция атмосферного канала с заданным коэффициентом готовности для г.Ташкента модельного ряда торговой марки БОКС (Россия)

Тип интерфейса	Коэффициент готовности
	= 0,999	= 0,998	= 0,997
1	2	3	4
БОКС 100М-АС1	<300	<550	< 1000
БОКС 100М-АС2	<500	<900	<1800

Выводы к главе III

1.Приведена структура сети, на основе АОЛС для связи сегментов локальной вычислительной сети ведомственной службы. Сформулированы требования, которым должна отвечать спроектированная сеть АОЛС. Приведена структура аппаратных и программных средств для реализации канала АОЛС, а также структурная схема терминального устройства канала АОЛС.

2.Приведены особенности работы АОЛС и установлено, что основной отличительной чертой АОЛС являются: зависимость прохождения оптического излучения от состояния атмосферы. В данном случае основное негативное влияние на работоспособность лазерных линий могут оказывать такие факторы, как флуктуации из-за неоднородностей плотности воздуха и ослабление мощности излучения при рассеянии на частицах аэрозолей (например, в тумане). Также приведено физическое пояснение процессов влияющих на работоспособность АОЛС и методы снижения негативного влияния этих последствий.

3.Приведен расчет дистанции АОЛС с заданным коэффициентом готовности.Рассмотрен инженерный подход к проектированию атмосферных оптических линий передач с заданным коэффициентом готовности. В качестве примера выбран г. Ташкент. Результаты работы могут быть полезны местным операторам связи при установке аппаратуры атмосферной оптической связи на местных широкополосных сетях доступа с учетом требований к коэффициенту готовности атмосферного канала. Приведенная методика определения дистанции атмосферного канала носит универсальный характер и может быть использована для других географических регионов нашей страны и за рубежом.



Заключение

1. Рассмотрены особенности технологии Wi-Fi и установлено, что основными отличительными свойствами технологии Wi-Fi являются: обеспечение связи на небольшой территории и внутри помещений; обеспечение высокоскоростной (до 74 Мбит/с) передачи данных и простота принципов построения и функционирования сети. Приведены характеристики и режимы работыWi-Fi.

2. Рассмотрены особенности технологии WiMAXи установлено, что основными отличительными свойствами технологии WiMAX являются: обеспечение доступа в Интернет со скоростями и зоной покрытия, существенно большими, чем у современных сетей WiFi. Приведены характеристики и режимы работыWiMAX.

3. Рассмотрены предпосылки создания АОЛС, которые обусловлены стремительным развитием информационных технологии. Резкое увеличение числа абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема "последней мили", то есть подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю. Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.

4.Рассмотрены особенности технологии АОЛСи установлено, что основными отличительными свойствами технологии АОЛС являются:физическое ограничение АОЛС по скорости передачи определяютсятолько собственной частотой несущей электромагнитной волны(… Гц); нечувствительность к помехам радиодиапазона, что позволяет использовать оптические линии в местах с большой насыщенностью радиосистем.Приведены характеристики и диапазоны длин волн используемых АОЛС.

5.Рассмотрены основные схемы исполнения атмосферных оптических линий связи, а также установлено, что предпочтительно применение активной схемы АОЛС, где источник и приемник излучения находятся внутри приемопередающего оптического блока. Активная схема АОЛС имеет большую площадь фотоприемника, что в свою очередь, увеличивает угол поля зрения, а это благоприятно сказывается на уменьшении энергетических потерь и требований к угловым перемещениям приемопередающих оптических блоков друг относительно друга.

6. Рассмотрены современные источники излучения применяемые в АОЛС, характеристики и принципы действия. В качестве источника излучения целесообразно использовать лазерные диоды с длиной волны 1310 нм, мощностью излучения 1,5 мВт, марки ЛТ-53. Данный лазерный диод позволяет передавать информацию со скоростью до 1 Гб/с.

7. Рассмотрены современные приемники излучения применяемые в АОЛС, характеристики и принципы действия. В качестве приемника излучения целесообразно использовать p-i-n фотодиод марки (ДФД-70), со спектральной чувствительностью 0,85 А/Вт при длине волны 1330 нм, с размером площадки до 70 мкм. Это обусловлено следующими его свойствами.P-I-N фотодиод обеспечивает требуемый динамический диапазон и быстродействие до 1 Гб/с. Зависимость характеристик фотодиода от изменений окружающих условий (температуры, вибраций) минимальна. Спектральная характеристика согласована с длиной волны излучателя. Кроме того, фотодетектор имеет малые габариты и массу, отвечает условиям совместимости с оптоволокном и электронными устройствами, потребляет малую энергию.

8.Приведена структура сети, на основе АОЛС для связи сегментов локальной вычислительной сети ведомственной службы. Сформулированы требования, которым должна отвечать спроектированная сеть АОЛС. Приведена структура аппаратных и программных средств для реализации канала АОЛС, а также структурная схема терминального устройства канала АОЛС.

9.Приведены особенности работы АОЛС и установлено, что основной отличительной чертой АОЛС являются: зависимость прохождения оптического излучения от состояния атмосферы. В данном случае основное негативное влияние на работоспособность лазерных линий могут оказывать такие факторы, как флуктуации из-за неоднородностей плотности воздуха и ослабление мощности излучения при рассеянии на частицах аэрозолей (например, в тумане). Также приведено физическое пояснение процессов влияющих на работоспособность АОЛС и методы снижения негативного влияния этих последствий.

10. Приведен расчет дистанции АОЛС с заданным коэффициентом готовности. Рассмотрен инженерный подход к проектированию атмосферных оптических линий передач с заданным коэффициентом готовности. В качестве примера выбран г. Ташкент. Результаты работы могут быть полезны местным операторам связи при установке аппаратуры атмосферной оптической связи на местных широкополосных сетях доступа с учетом требований к коэффициенту готовности атмосферного канала. Приведенная методика определения дистанции атмосферного канала носит универсальный характер и может быть использована для других географических регионов нашей страны и за рубежом.



Список литературы

I.Законы Республики Узбекистан

1. Закон Республики Узбекистан «О связи». Ведомости Верховного Совета Республики Узбекистан, 1992г., № 3, ст.159; Ведомости ОлийМажлиса Республики Узбекистан, 1998 г., №3,ст. 38; 2000 г., №5-6, ст. 153; 2003 г., №5, ст. 67. 2.Закон Республики Узбекистан «О телекоммуникациях». Ведомости ОлийМажлиса Республики Узбекистан, 1999 г., №9, ст. 219; Собрание законодательства Республики Узбекистан, 2004 г., №37, ст. 408; 2005 г., №37-38, ст. 279; 2006 г., №14, ст. 113, 2007 г., №35-36, ст. 353; 2011 г., №52, ст. 557. 3. Закон Республики Узбекистан «О радиочастотном спектре». Ведомости ОлийМажлиса Республики Узбекистан, 1999 г., №1, ст. 16; 2003 г., №5, ст. 67. 4.Закон Республики Узбекистан «Об информатизации». Ведомости ОлийМажлиса Республики Узбекистан, 2004 г., №1-2, ст. 10

II. Указы и постановления Президента Республики Узбекистан, Постановления Кабинета Министров

5. Постановление Президента Республики Узбекистан «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационно-коммуникационных технологий». 21 марта 2012 г., №13, ст. 139. 6. Программа дальнейшего внедрения и развития информационно-коммуникационных технологий в Республики Узбекистан на 2012-2014 годы. Постановление Президента от 21.03.2012 г., №ПП-1730.



III. Произведения Президента Республики Узбекистан И.А. Каримова

7. Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана / И.А. Каримов. - Т.: Узбекистан, 2009 г. - 48 с. 8. Каримов И.А. Обеспечить поступательное и устойчивое развитие страны - важнейшая наша задача. - Т. «Узбекистан» - 2009 г. - 187 с.

IV. Основная литература

9. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. -М., Техносфера, 2005.

10. Пролетарский А.В., Баскаков И.В., Чирков Д.Н. Федотов Р.А., Бобков А.В., Платонов В.А. Беспроводные сети Wi-Fi. БИНОМ. - 2007

11.В.Вишневский, С.Портной, И.Шахнович. Энциклопедия WiMAX.Путь к 4G. - М: Техносфера, 2009. - 472с.

12. В.С. Сюваткин, В.И. Есипенко, И.П. Ковалев, В.Г. Сухоребров. WiMAX - технология беспроводной связи: теоретические основы, стандарты, применение. - М: Эко-Трендз. - 2005. - 368с.

13. Кобзев В. В., Милинкис Б.М., Емельянов Р. Г. Применение оптических квантовых генераторов для целей связи. М., Связь, 1965, 120 с. 14. Пратт В. Лазерные системы связи. М., 1972.

15. Гауэр Д. Оптические системы связи. М., 1989.

16. Фокин В.Г., Оптические системы передачи и транспортные

сети. Учебное пособие. - М., 2008, c. 235.

17. Шредер, Г. Техническая оптика / Г. Шредер, Х. Трайбер. - М, 2006, с. 410

18. Ишанин, Г.Г. Источники и приемники излучения : учеб.пособие / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков. - СПб: Политехника, 1991, с 86.

19.Ишанин, Г.Г. Источники излучения : учеб.пособие / Г.Г. Ишанин, В.В. Козлов. - СПб: СПБГУ ИТМО, 2005, с. 241

20. Гридин В.Н., Дмитриев В.П., Дмитриев М.В., Оптоэлектронные приборы, системы и сети; Центр информ. технологий в проектировании РАН. - М., 2007, с 215.

21. Бахаревский А., Оптические транспортные сети - М, 2008, с.95

22.Никульский И.Е., Оптические интерфейсы цифровых коммутационных станций и сети доступа. -М, 2006, с. 169.

23. Яременко Ю.И. Теоретические основы построения и применения средств связи оптического диапазона. - СПб.: Военная академия связи, 1992.

V. Периодические издания, статистические сборники и отчеты

оптический связь излучение приемник

24. Ю.В. Писецкий, К.-И.М. Мавлянов. Особенности применения атмосферных оптических линий связи. Ташкент, Вестник ТУИТ 4/2011 с.51

25. Павлов Н.М. Аппаратура атмосферных оптических линий передачи и методы ее классификации // Фотон-Экспресс. 2006. №6. Октябрь, спец. вып. С. 9-13.

Размещено на Allbest.ru

...