Публикации >> Беспроводные оптические системы связи

Беспроводные оптические системы связи

Назначение, применение, преимущества
Типы устройств
Технические характеристики оборудования

Назначение, применение, преимущества

Технология беспроводной оптики (Free Space Optics-- FSO) известна достаточно давно: первые эксперименты по передаче данных с помощью беспроводных оптических устройств были проведены более 30 лет назад. Однако ее быстрое развитие началось с начала 1990-х гг. с появлением широкополосных сетей передачи данных. Первые системы производства компаний A.T.Schindler, Jolt и SilCom обеспечивали передачу данных на расстояния до 500 м и использовали инфракрасные полупроводниковые диоды. Прогресс подобных систем сдерживался в основном из-за отсутствия надежных, мощных и "скорострельных" источников излучения.

В настоящее время такие источники появились. Современная технология FSO поддерживает соединения до уровня ОС-48 (2,5 Гбит/c) с максимальной дальностью до 10 км, а некоторые производители заявляют о скорости передачи данных до 10 Гбит/с и расстояниях до 50 км. При этом на показатель реальной максимальной дальности оказывает влияние доступности канала, то есть процента времени, когда канал работает.

Скорости передачи данных, обеспечиваемые системами FSO, примерно такие же, как и у волоконно-оптических сетей, поэтому они наиболее востребованы в широкополосных приложениях на участке "последней мили". Беспроводные оптические системы используют диапазон инфракрасного излучения от 400 до 1400 нм.

Идеология построения систем беспроводной оптики основана на том, что оптический канал связи имитирует отрезок кабеля. Такой подход не требует дополнительных протоколов связи или их модификации.

Можно говорить о следующих возможных областях применения беспроводных оптических систем:

  связь на участках, где между двумя точками в пределах прямой видимости имеются различные препятствия (водная преграда, железнодорожные пути, автострады, парки и т.п.);
  срочная организация резервного канала в случае аварий на основном канале связи, создание временных каналов;
  связь между двумя узлами внутри крупного комплекса при наличии больших объемов трафика;
  объединение сегментов высокоскоростных локальных сетей;
  передача трафика Интернета, IP-телефонии, видеоконференц-связи;
  видеонаблюдение.

Появление оборудования, поддерживающего связь на больших дистанциях, расширяет область его применения и на магистральные сети.

Необходимо отметить, что в среднем дальность связи в городских условиях колеблется от 1 до 5 км. При таких расстояниях современное оборудование обеспечивает довольно высокое качество связи: по разным оценкам время неблагоприятных для связи погодных условий составляет 0,01--0,001% от общего времени работы. При этом ухудшение погодных условий не приводит к перерывам в работе канала, в ряде случаев наблюдается лишь уменьшение скорости информационного обмена за счет повторной передачи информации.

Оптическим системам присущи определенные характеристики, которые делают их довольно востребованными на рынке:

  хорошая защищенность канала от несанкционированного доступа. Несанкционированный съем передаваемой информации возможен только тогда, когда приемник сигнала размещается непосредственно перед передатчиком, что неизбежно приводит к перерывам связи в основном канале и регистрации такой попытки. Оптические системы можно использовать при организации канала для приложений, требующих высокого уровня безопасности (в военные целях, в банковской сфере и.т.д.);
  значительные информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с) обеспечивают возможность устойчивого криптографирования с высоким уровнем избыточности;
  высокая помехозащищенность канала. В отличие от радиоустройств и модемов для выделенных линий оптические системы не восприимчивы к помехам и электромагнитному шуму; для организации канала не требуется получение разрешений на частоту, что существенно удешевляет и ускоряет создание сети. Для применения таких устройств достаточно гигиенического сертификата, а в случае их использования в сетях общего пользования -- еще и сертификата системы "Электросвязь".

Типы устройств

Построение всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Следует отметить, что с ужесточением требований к качеству канала дальность связи снижается. Вторые обеспечивают существенно меньшую дальность передачи, хотя по мере развития технологии дальность и скорость связи возрастают.

Главное преимущество полупроводниковых диодов заключается в высоком времени наработки на отказ. Кроме того, такие каналы менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере. Форма сечения луча от полупроводниковых диодов практически круглая.

Недостатки полупроводниковых диодов и, соответственно преимущества лазерных, заключаются в том, что из-за широкой полосы излучения существуют теоретические сложности в передаче высокоскоростного сигнала. Передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. Лазерные диоды как раз и обладают такими свойствами, но чем уже полоса сигнала, тем больше потенциальная вероятность того, что сигнал попадет в атмосфере в резонансную полосу поглощения какого-нибудь газа и качество сигнала снизится.

Форма сечения луча от лазерных диодов - эллиптическая. Для борьбы с этим недостатком применяют различные методы: от использования призматических линз до ограничения апертуры оптической системы при потере части мощности.

Существует еще и промежуточная группа устройств, в которых для передатчиков используются лазерные диоды VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser -- лазер с вертикальным эмитированием через полость в поверхности). Эти устройства обладают узкой полосой излучения и высоким временем наработки на отказ, а также круглой формой сечения луча. Однако на данном уровне развития технологии мощность их излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих одновременно, что осложняет синхронизацию между ними.

В недалеком прошлом работа оптических систем передачи существенно зависела от погодных условий, но в современных системах применяются методы коррекции, значительно повышающие устойчивость связи. Основными источниками естественных помех являются:

  фоновые засветки за счет солнечного излучения, рассеянного атмосферой и отраженного поверхностями в пределах поля зрения фотоприемного устройства, приводящие к увеличению шума фотодетектора;
  туманы, дым, ослабляющие сигнал;
  турбулентность атмосферы, вызванная перемещением воздушных масс, изменениями температуры и плотности воздуха, являющаяся причиной паразитной модуляции сигнала.

Именно в силу этих естественных помех максимально возможное расстояние и рекомендованное рабочее расстояние гарантированной работы оптического канала существенно различаются.

Правильная установка оборудования снижает вероятность фотонной засветки приемника. В средних широтах ориентация системы приблизительно с юга на север почти исключает попадание солнца на линию канала связи. На практике вероятность засветки канала крайне низка. Для этого место установки должно быть единственно возможным и крайне неудачно ориентированным на восток-запад. Почти всегда есть возможность сместить приемник (повернуть канал) на несколько метров, что-либо вообще исключает возможность засветки, либо сводит ее время до 1--1,5 мин.

Наиболее негативное влияние на качество связи с помощью беспроводных оптических систем оказывает туман, который вызывает рассеяние луча во всех направлениях. В результате этого эффекта приемника достигает лишь небольшой процент переданного сигнала, то есть мощность излучения падает. Дождь является меньшей помехой за счет того, что дождевые капли крупнее капель воды тумана, поэтому вызванное дождем затухание сигнала в 100 раз меньше, чем при тумане.

Снег также приводит к рассеянию сигнала, однако, степень его влияния определяется содержанием в нем воды. Реальное затухание сигнала, вызванное снегом, находится внутри границ диапазона затухания для дождя и тумана.

Все перечисленные атмосферные явления приводят к уменьшению соотношения "сигнал/шум" и, как следствие, к увеличению вероятности ошибок при передаче информации.

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.

Технические характеристики оборудования

Для наглядности технические характеристики некоторых оптических систем, как лазерных, так и светодиодных, сведены в таблице. Конечно, здесь далеко не все модели систем и не все производители, общая номенклатура таких линий связи значительно шире. Только в США, по оценкам специалистов, она составляет более 70 наименований. 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.

В настоящее время компанией запущена новая линейка оборудования, которая рассчитана на приложения, требующие повышенной надежности связи. Дальность связи для них несколько ниже -- до 900 м при максимальной дистанции также до 30 км.

В заключение необходимо отметить, что данное направление телекоммуникационного оборудования быстро развивается, что подтвердила и прошедшая выставка "Связь-Экспокомм--2003", где оптические системы были широко представлены.

Сравнительные характеристики некоторых оптических систем