|
|
|
Публикации в прессе
Особенности применения атмосферных оптических линий связи*
Т.К.Кулик, Филиал Главного
авиаметеорологического центра, Домодедово В последнее время появилось много публикаций рекламного и аналитического характера по описанию параметров атмосферных оптических систем передачи информации. При этом называются они по-разному: "безволоконное оптическое оборудование", "инфракрасный мост", "атмосферный оптический линейный тракт", "беспроводной оптический канал", "оборудование беспроводной оптической связи" и т.д. По-видимому, целесообразно ввести единое понятие, например, по аналогии с ВОЛС (волоконно-оптические линии связи) - "атмосферные оптические линии связи (АОЛС)". Несмотря на некоторый скепсис, вызванный неудачами первых разработок АОЛС, сейчас уже ни у кого не возникает сомнения в том, что среди средств связи появилась новая технология. Десятки фирм объявили о серийном производстве устройств атмосферной лазерной связи, среди них такие гиганты, как "Lucent", "Nortel Networks" и др. Тысячи устройств уже находятся в практической эксплуатации. Интерес к коммерческому использованию АОЛС вызван общими тенденциями развития рынка услуг связи и передачи данных. По-прежнему остро стоит проблема "последней мили". Значительный рост числа абонентов сотовой связи приводит к необходимости расширения сети, уплотнению базовых станций. Активно развиваются корпоративные сети, системы телеконференций, растет потребность в широкополосном доступе. Широкомасштабная эксплуатация АОЛС показала, с одной стороны, их несомненную перспективность, но, с другой стороны, выявила определённые отличия от традиционной технологии. У пользователей появилась потребность корректного анализа возможностей таких систем и объективного сравнения продукции различных производителей. Предлагаемая статья знакомит с основными особенностями работы лазерных АОЛС и предложенной методикой сравнительной оценки работоспособности различных систем атмосферных оптическх линий связи в зависимости от погодных условий. В качестве примера рассматривается сертифицированное в России оборудование, производимое фирмой "PAV Data Systems", Великобритания, Информационно-технологическим центром (Новосибирск) и НИИ прецизионного приборостроения (Москва). Необходимо отметить, что надежность АОЛС, с точки зрения наработки на отказ, практически у всех производителей достаточно высока. Основной элемент, вызывавший ранее наибольшие проблемы по ресурсу работы, - лазерный излучатель - обладает сейчас ресурсом, исчисляемым сотнями тысяч часов. Используются мощные одномодовые и одночастотные полупроводниковые лазеры ближнего ИК-диапазона, массовое производство которых вызвано потребностями рынка устройств для чтения компакт-дисков (0,7-1 мкм) и оптоволоконных систем связи (0,8-0,9 и 1,3-1,6 мкм). В отдельных случаях для передачи информации на коротких дистанциях используются мощные светоизлучающие диоды, работающие в диапазоне 0,8-0,9 мкм. Такие фирмы, как "PAV Data Systems" и "Proteon", производят эти линии для дистанций 200-300 м. Ресурс светодиодов тоже достаточно велик.
Основные положительные особенности АОЛС Во-первых, это практически неограниченные скоростные возможности. Физические ограничения АОЛС по скорости передачи определяются только собственной частотой несущей электромагнитной волны (1015 - 1016 Гц), т.к., в отличие от ВОЛС, среда передачи (атмосфера) не вносит временной дисперсии сигналов. Этот фактор является во многих случаях определяющим при выборе средства передачи. Уже началось практическое освоение больших скоростей, в частности, фирма "Lucent" заявила в этом году о создании коммерческих устройств АОЛС со скоростью передачи 2,5 Гбит/с и в ближайшее время планирует выпускать аппаратуру на 10 Гбит/с. Во многих случаях потребителей привлекает отсутствие необходимости согласования частотного диапазона, поскольку оптический диапазон не регламентирован. И существенно важно, что причин для введения частотных ограничений фактически нет, что связано с чрезвычайно узкой диаграммой направленности излучения лазерных передатчиков и отсутствием боковых лепестков диаграммы направленности оптических антенн. Достаточным условием отсутствия влияния двух близко расположенных линий является угловое или линейное расстояние между диаграммами направленности излучения передатчиков этих линий, при котором излучение одной линии не попадает на приемники другой. Это, как правило, 1 - 20 или 5 - 10 метров. Существенным достоинством АОЛС является нечувствительность к помехам радиодиапазона. Это позволяет использовать оптические линии в местах с большой насыщенностью радиосистем. С узкой диаграммой оптических антенн связано также другое значительное преимущество АОЛС - защищенность канала связи от несанкционированного доступа. По этому критерию данная технология является уникальной. Во всех остальных случаях (волоконные и медные кабели, радиолинии) для защиты информации требуется использование специальных кодов. В открытой оптической линии защита обеспечивается за счет узкой диаграммы направленности излучения. С помощью внешних ИК-приборов можно обнаружить наличие канала связи, но для перехвата информации необходимо установить приемник непосредственно в канал связи, что практически неосуществимо. Многие производители отмечают в качестве достоинства АОЛС быстроту организации линии связи. Действительно, кроме общих временных затрат, связанных с оформлением аренды мест установки аппаратуры, например, крыши здания и подвода необходимых коммуникаций, время на инсталляцию канала при отработанной технологии исчисляется часами.
Влияние погодных условий Но все эти весьма привлекательные для потребителя качества технологии лазерной связи сопровождаются главным ее недостатком - зависимостью пропускания атмосферой оптического излучения от состояния погоды. Эта специфика устройств АОЛС является основной причиной, сдерживающей их широкомасштабное внедрение. Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается двумя существенными для лазерной связи процессами:
Остальными процессами, такими как резонансное поглощение, молекулярное рассеяние и аэрозольное поглощение, при правильном выборе длины волны можно пренебречь.
Флуктуации. После прохождения через турбулентную атмосферу лазерное излучение, изначально имеющее плавный профиль распределения интенсивности в поперечном сечении пучка, приобретает пятнистую структуру. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен. Поперечный размер и частота "мерцания" пятен зависит от расстояния между источником излучения и экраном и характера атмосферной турбулентности, т.е. состояния погоды. В каждой точке мишени при этом могут наблюдаться флуктуации сигнала с глубиной до 100% и частотой от десятков герц до нескольких килогерц. Практически это выражается в том, что возникают т.н. замирания оптического сигнала на входе в фотоприёмник. Связь становится неустойчивой, появляются ошибки 10-6 - 10-3. Этот эффект проявляет себя наиболее сильно в ясную погоду при слабом ветре в любое время года, но особенно - в жаркие летние месяцы. Самым простым способом уменьшения влияния турбулентной рефракции на качество канала связи, которым пользуются разработчики, является увеличение размера приемной оптической антенны. При этом происходит осреднение флуктуаций излучения, пришедшего на отдельные участки этой апертуры в фокальной плоскости антенны, где установлен фотоприемник. Вторым методом является некогерентное сложение в одном информационном канале излучения нескольких лазеров.
Аэрозольное рассеяние. К аэрозолям относятся дисперсные системы, состоящие из твердых частиц и капель жидкости, находящихся во взвешенном состоянии. В данном случае это туманы, смог, дождь, снег. Как известно, при распространении в рассеивающей среде согласно закону Бугера мощность излучения уменьшается экспоненциально по длине трассы. Поэтому увеличение расстояния для лазерной связи является серьезной проблемой, требующей значительного наращивания энергетического потенциала. Вследствие сложной структуры аэрозолей в реальной атмосфере расчет потерь излучения с приемлемой точностью чрезвычайно затруднен, и на практике используют интегральную характеристику пропускания атмосферы - видимость или метеорологическую дальность видимости - МДВ (Sm). По определению МДВ представляет собой наибольшее расстояние, на котором днем видны крупные темные предметы. Однако метеослужбами метеорологическая дальность видимости уже давно определяется путем измерения пропускания эталонного излучения на калиброванной трассе. Поэтому она однозначно связана с характеристикой оптической прозрачности атмосферы и представляет собой её условное выражение. Для каждой конкретной аппаратуры АОЛС и дальности связи можно рассчитать минимальное, или критическое, значение МДВ - Smin, при котором при ухудшении погодных условий происходит нарушение работоспособности канала АОЛС. Тогда, зная метеорологическую статистику конкретной местности, например, используя данные метеослужб, можно с определенной точностью предсказать доступность канала связи. Другим способом теоретически рассчитать параметр доступности невозможно. Именно поэтому прогноз погоды до сих пор не удается обеспечить с приемлемой точностью. Здесь необходимо отметить еще одну особенность работы лазерной линии связи. Как известно, количество ошибок на бит информации определяется уровнем превышения сигнала над всеми шумами на приемнике. При увеличении уровня сигнала на фотоприемнике в два раза уровень ошибок снижается с 10-6 до 10-10, а весь располагаемый динамический диапазон изменения сигнала - 103-106.
Это свойство АОЛС проявляется в том, что при нормальной погоде качество передачи очень хорошее (если решена проблема флуктуаций сигнала) до момента, когда за счет ухудшения погодных условий сигнал на приемнике уменьшается до порогового значения. Линия может работать длительное время идеально в снег или дождь, туман средней интенсивности, а затем, если туман сгущается до критической МДВ, за несколько минут канал полностью прерывается. В это время число ошибок возрастает от 10-10-10-12 до 1. Так же быстро нормальная работа линии восстанавливается при улучшении погодных условий.
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. Поэтому большинство производителей в своих рекламных материалах приводят параметр доступности в первую очередь. И вот тут-то начинается такой разнобой... Например, "максимум хорошей доступности от 99 до 99,99% при всех атмосферных условиях". Или "99,99% на рабочей дистанции". Но увеличение рабочей дистанции с одного до двух километров за счет расходимости излучения даст потерю мощности сигнала на фотоприёмнике в 4 раза, а экспоненты аэрозольного рассеяния (допустим, в снег с МДВ = 0,8 км) - в 40 раз. Таким образом, сигнал на приемнике упадет в 160 раз! Т.е. если до этого линия в такой снег работала, а при вдвое большей дистанции - нет, то как доступность может не измениться? И наоборот, при уменьшении дистанции динамический потенциал линии резко возрастает и, соответственно, уменьшается критическая МДВ(Smin) и повышается доступность. Как вариант приводятся результаты испытаний оборудования в реальных условиях с определенной протяженностью линии. Все выглядит вполне убедительно, если не обращать внимание на ограниченный срок таких испытаний и на то, что погода в данный период могла очень сильно отличаться от средней. Например, если представить результаты таких испытаний по двум неделям из месяца, причем по тем, на которые пришелся антициклон и не было снежных зарядов или туманов, доступность может быть и 100%. Но в среднем за месяц и год будут совсем другие цифры. Иногда встречаются графики, по которым, приложив линейку, можно буквально "на глаз" определить доступность при заданном расстоянии. И хотя такой подход возможен, остаётся вопрос - при каких погодных условиях эта зависимость является верной? Вообще говоря, доступность канала связи определяется значением Smin для заданного расстояния, которая, в свою очередь, зависит от динамического потенциала АОЛС. Если имеющиеся статистические данные позволяют с необходимой точностью определить вероятность появления в данном месте погоды с Sm < Smin, то только в этом случае можно говорить о величине доступности этой линии. Однако практически это очень сложно сделать. Распределение МДВ носит случайный характер и существенно зависит от времени года, климатического региона, конкретного места нахождения линии связи. Поэтому говорить можно о средней доступности для данного региона за несколько лет. В настоящее время в НИИ ПП ведутся работы по сбору и анализу статистики в различных точках московского региона за 5-10 лет. Даже при дистанции 500 м обеспечить 100-процентную надежность работы линии невозможно, т.к. в природе встречаются погодные явления (например, аномально плотные туманы или снежные заряды) с Sm < 50-100 м. Такие явления классифицируются как стихийные бедствия, и предсказать вероятность их появления чрезвычайно сложно. А некоторые производители, тем не менее, гарантируют для таких дистанций доступность 99,999%. Если учесть, что продолжительность погодных явлений с аномально низким значением МДВ обычно не менее 10 минут, эти пять "девяток" доступности означают, что гарантируется отсутствие такой погоды в течение двух лет подряд. Теоретически это не исключено даже в средней полосе России, но гарантии, что так и будет, нет никакой. Обычно такие явления наблюдаются ежегодно. Опыт эксплуатации АОЛС показал, что дожди, дымки и снег средней интенсивности мало влияют на работоспособность линий, обладающих достаточным динамическим потенциалом. Основной причиной нарушения работоспособности последних являются туманы. Кроме того, ухудшение видимости менее 1000 метров при метелях, снегопадах, дождях и моросях имеет повторяемость не более 5-10%, остальные 90-95% приходятся на туманы. Вероятность образования тумана, его характер, интенсивность и продолжительность существенно зависят от широты места, географических особенностей, сезона года, характера атмосферных процессов. Из практики известно, что в одних случаях туман сплошь застилает значительную территорию, в других - возникает местами, то есть имеет большую пространственно-временную изменчивость. Наличие в непосредственной близости от АОЛС водоема также может повлиять на количество возникающих туманов, а значит, и на доступность линии. В Московском регионе максимальная повторяемость туманов наблюдается осенью и приходится на октябрь-ноябрь, минимальная отмечается зимой, весной и в первую половину лета. Поэтому если линия имеет среднегодовую доступность, например, 99,8%, то обычно осенью может быть 99%, а зимой 99,9%. Еще больше ситуацию осложняет невозможность спрогнозировать метеорологическую обстановку на ближайший год, месяц, даже зная статистику распределения МДВ за предыдущие 5-10 лет. Период октября-декабря 2000 года с аномально большим для Московского региона количеством туманов показал, что отклонения вероятности от средней величины могут превышать среднее значение в 3-5 раз. Наблюдалось образование туманов, редких даже для лета и совершенно не характерных для осенних месяцев - перемещающийся туман клочками через 2-3 часа после восхода солнца. В среднем на каждый из осенних месяцев в Москве приходится 3-4 тумана. В октябре 2000 года отмечалось 10 дней с туманом, в ноябре - 6. Декабрь, обычно один из самых благоприятных месяцев для работы АОЛС с большим динамическим диапазоном, в 2000 году имел совершенно нетипичный характер погодных условий. Поэтому доступность линий связи в эти месяцы и за 2000 год в целом оказалась значительно ниже, чем средняя за несколько лет. Таким образом, единственным объективным критерием работоспособности оборудования остаётся динамический потенциал линии, который не зависит от погоды и места расположения АОЛС.
Динамический диапазон Итак, для обеспечения работоспособности линии связи на требуемой дистанции с определенным уровнем надежности связи (или доступности канала) необходимо иметь достаточный динамический запас энергетического потенциала линии или диапазон допустимого затухания мощности сигнала на приемнике, при котором линия сохраняет работоспособность. Верхняя граница динамического диапазона определяется геометрическими потерями и флуктуациями, т.е. это максимальная величина сигнала на приемной антенне, которая реализуется при отсутствии потерь на пропускание атмосферы. Нижняя граница обусловлена чувствительностью приемника и определяет уровень работоспособности системы при плохих погодных условиях. В рекламных материалах производители часто приводят верхнюю и нижнюю границу чувствительности и диаметр приемных антенн, мощность передатчика и ширину диаграммы его излучения. Этих параметров, в принципе, достаточно, чтобы вычислить динамический диапазон линии связи. Проблемой для независимой оценки различного оборудования является то, что приводятся не совсем сопоставимые данные. Например, иногда указывается пиковая мощность лазеров, иногда средняя (без уточнения). Чувствительность приемника в одних случаях приводится с учетом пропускания оптики и скорости информационного потока, в других - нет. Для точности расчетов нужно еще знать, по какому уровню от осевой интенсивности определялась ширина диаграммы направленности излучения. Как правило, диаграмма имеет распределение по углу, близкое к гауссовому. Чаще всего определяется ширина диаграммы направленности по уровню половины максимальной интенсивности. Внутри этого пятна распространяется половина всей мощности, излучаемой антенной. В другом случае используют уровень 1/е, т.е. 0,366 максимальной интенсивности. В этом угле сосредоточено 63,5% мощности излучения. Некоторые разработчики считают угловую ширину пучка излучения по уровню 1/е2 от осевой интенсивности, что соответствует 86,5% полной мощности. Еще интересно, что если достоинством данной аппаратуры считается широкий угол диаграммы, то в рекламе указывается угол по минимальному значению мощности, т.е. максимальная величина, и наоборот.
Пример расчета динамического диапазона и минимальной МДВ для различных моделей оборудования АОЛС на дистанции 1-5 км Для простоты возьмём самый распространенный случай - поток Е1. Данные получены из рекламных материалов или непосредственно от производителей, используемые значения приведены к сопоставимым величинам.
5. Отношение чувствительности приемника к максимальной мощности по п.3 определяет максимально допустимое поглощение атмосферы, при которой линия остаётся работоспособной. Из формулы аэрозольного рассеяния получаем значение минимальной или критической МДВ - Smin для данной дистанции.
Результаты расчета динамического диапазона и
минимальной МДВ
Результаты расчетов приведены в таблице. Имеющиеся данные позволили обеспечить точность расчетов ± 3Дб для динамического диапазона или ± 5 % Smin.
Зная распределение вероятности МДВ в конкретном месте организации АОЛС, динамический диапазон и критическое МДВ - Smin, можно с некоторой точностью определить вероятную среднегодовую доступность. Если Smin=0,3 км, а вероятность того, что МДВ будет меньше 0,3 км, равна 0,001, то можно ожидать доступность 99,9%. Если данное оборудование устанавливается на большей дистанции и Smin становится равным, допустим, 0,7 км, а вероятность того, что МДВ будет меньше 0,7 км, равна 0,01, то доступность уменьшится до 99,0%. Заметим, что при изменении Smin даже на 50-100 м вероятность отсутствия связи изменяется в несколько раз, что существенно меняет доступность канала связи. Таким образом, при выборе оборудования АОЛС следует обратить внимание на динамический диапазон работы линии на конкретной дистанции. Для обеспечения максимальной доступность канала связи необходимо выбирать оборудование, имеющее предельное значение этого параметра. Мы полагаем, что для удобства потребителей можно ввести понятие "динамический диапазон, приведённый на 1 км - D1". В этом случае для того, чтобы пересчитать динамический диапазон на другую дистанцию, достаточно из D1 просто вычесть двадцать десятичных логарифмов от длины дистанции, выраженной в километрах (DL = D1 -20 lg L). К сожалению, большинство производителей в своих рекламных материалах не приводят точное значение этого параметра или достаточной информации для его расчета.
Выводы На рынке средств связи появилась еще одна технология обеспечения беспроводного доступа - атмосферные лазерные системы передачи информации. Несмотря на весьма неудобное свойство этой технологии - существенную зависимость работоспособности линии связи от состояния погоды, заманчивые преимущества (высокие скорости передачи, отсутствие частотного лицензирования, быстрота организации канала и т.д.) позволяют ей занять свое место на рынке. Возможные варианты использования АОЛС:
* По материалам доклада на семинаре ЛАС "Лазеры в связи, информационных системах и экологическом мониторинге" 5.04.2001г. |
|
