Беспроводная оптическая связь

Введение

Системы телекоммуникационного применения получили свое развитие лишь к 1998г, когда уровень развития лазерной технологии позволил освоить в массовом производстве лазерные полупроводниковые диоды мощностью 100мВт и более, с высоким показателем параметра наработки на отказ (MTBF), а именно более 50000 часов – тот минимальный уровень, который требуется для надежного функционирования телекоммуникационной коммерческой системы.

Актуальность данной работы состоит в том , что несмотря на исключительно широкий диапазон изученных к настоящему времени электромагнитных волн все они имеют общие свойства. Однако в проявлениях этих свойств у волн разной длины имеется и своя специфика. С древних времен люди хорошо знали благотворную силу тепла или, говоря научным языком, инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение занимает в спектре электромагнитных волн участок между красным концом спектра видимого излучения (760 нм) и началом спектра миллиметровых волн коротковолнового радиодиапазона (1-2 мм). Человеческий глаз не в состоянии видеть в этой части спектра, но мы можем чувствовать тепло. Инфракрасные лучи были открыты в 1800 году английским физиком Уильямом Гершеле. Подразделяют три области инфракрасного излучения в зависимости от длины волны: ближняя (0,75—1,5 микрометров), средняя (1,5 – 5,6 мкм) и дальняя (5,6—100 мкм). Так же здесь описывается о том, как инфракрасное излучение используется в телекоммуникациях, в каких диопозонах оно раотает, при каких погодных условия.

Задача работы заключается в изучении инфракрасных систем связи в телекоммуникационных системах связи, в каких диапозонах работает инфракрасное излучение и при каких погодных условиях

Вопросы рассмотренные в данной работе:

Инфракрасное излучение, источники инфракрасного излучения, методы обнаружения и измерения инфракрасного излучения, оптические свойства веществ в инфракрасной области спектра, применение инфракрасного излучения. Второй рассмотренный вопрос это инфракрасные системы связи. Третий рассмотренный вопрос это беспроводная оптическая связь.

1 Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, расположенное в электромагнитном спектре перед красным концом видимых лучей.

Рисунок 1 – Структура электромагнитного спектра

Инфракрасное излучение занимает полосу частот электромагнитного спектра от 50-100 ГГц до 400 ТГц. В соответствии с этим оптические характеристики рассматриваемого излучения значительно отличаются от тех же характеристик видимых лучей. Слой воды толщиной несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения. И, наоборот, пластинки германия и кремния для него прозрачны. Инфракрасное излучение легко проходит от солнца до земли. Однако в атмосфере оно быстро ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Излучение поглощается парами воды (снег, дождь), этим, при передаче инфракрасного излучения через специальные световоды, указанные помехи отсутствуют. Важно, что рассматриваемое излучение защищено от многих электромагнитных помех.

Полоса частот – часть спектра синусоидальных колебаний электромагнитных излучений, лежащая в определенных пределах.

Электромагнитный спектр определяет полосы частот, используемые для передачи звука, радиоизлучения, инфракрасного излучения, света. Внутри этих, основных, диапазонов выделяются полосы, используемые в применяемых технологиях передачи данных.

Рисунок 2 – Схема выделения логических каналов

Полосы делятся на две группы: узкие и широкие. Узкой называют полосу, ширина которой не превышает речевую полосу. Последняя принята равной 3000 Гц (от 300 до 3330). Такую полосу используют узкополосные каналы. Широкой именуют полосу, частота которой превышает (и часто, во много раз) звуковую. Как правило, широкая полоса включает в себя множество узких полос. Канал, пропускающий широкую полосу называют широкополосным каналом.

При создании беспроводных сетей возникает проблема распределения в эфире полос электромагнитного спектра. Поэтому каждое государство разделяет спектр на полосы, выделяемые для определенных целей. Для использования полосы необходимо брать лицензию. Исключение составляет так называемая Промышленная, научная, медицинская полоса ISM. В Европе для указанной цели служит диапазон не лицензируемых частот 2,4-2,5 ГГц, а в США - диапазоны (ГГц): 5725-5850; 2400-2485; 0,902-0,928. Кроме этого в США не лицензируется персональный коммуникационный сервис, работающий в полосе 1830-1990 МГц. Указанные полосы выделяются межгосударственными и правительственными организациями. Так, в США предоставление услуг электронной связи регламентирует Федеральная комиссия связи FCC.

Инфракрасное излучение (ИК-излучение, ИК-лучи) - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной полны l, ок. 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (l~1-2 мм). Верх, граница ИК излучения определяется чувствительностью человеческого глаза к видимому излучению, а нижняя - условна, т. к. ИК-диапазон перекрывается радиодиапазоном длин волн. ИК-область спектра обычно делят на ближнюю (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далёкую (50-2000 мкм). ИК излучение подчиняется всем законам оптики и относится к оптическому излучению. ИК излучение не видимо глазом, но создаёт ощущение тепла и поэтому часто называют тепловым. Спектр ИК излучения может состоять из отд. линий, полос или быть непрерывным в зависимости от испускающего его источника.

Рисунок 3 - Инфракрасный спектр излучения ртути. 1-12 - спектральные линии, длины волн которых в мкм равны: 1 - 1,014; 2 - 1,129; 3 - 1,357; 4 - 1,367; 5 - 1,395; 6 - 1,530; 7 - 1,692; 8 - 1,707 и 1,711; 9 - 1,814; 10 - 1,970; 11 - 2,249;

Линейчатые ИК спектры испускают возбуждённые атомы или ионы при переходах между близко расположенными электронными уровнями энергии. Полосатые ИК спектры наблюдаются в спектрах испускания возбуждённых молекул, возникающих при переходах между колебательные и вращательные уровнями энергии, - колебательные и вращательные спектры. Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены гл. обр. в средней, а чисто вращательные - в далёкой ИК области. Непрерывный ИК-спектр излучают нагретые твёрдые и жидкие тела. Абсолютная и относительная, доля ИК излучения нагретого твёрдого тела зависит от его температуры. При температурах ниже 500 К излучение почти целиком расположено в ИК области (тело кажется тёмным). Однако полная энергия излучения при таких температурах мала. При повышении температуры доля излучения в видимой области увеличивается, тело становится тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при температурах выше 5000 К белым; при этом вместе с полной энергией излучения растёт и энергия И. п. Строгая зависимость энергии излучения нагретых тел от температуры существует только дляабсолютно черного тела. Тепловое излучение всех диапазонов длин волн реальных тел меньше, чем излучение абсолютно чёрного тела той же температуры, и может носить селективный характер. Напр., излучение накалённого вольфрама в ИК области отличается от излучения чёрного тела больше, чем в видимой области спектра. Излучение Солнца близко к излучению абсолютно чёрного тела с температурой около 6000 8К, причём около 50% энергии излучения расположено в ИК области. Распределение энергии излучения человеческого тела в ИК области близко к распределению энергии чёрного излучения с максимумом при l~9,5 мкм.

Рисунок 4 - Кривые излучения абсолютно чёрного тела Л и вольфрама В при температуре 2450 °К. Заштрихованная часть - излучение вольфрама в ИК области; интервал 0,4-0,74 мкм - видимая область.

1.1 Источники ИК излучения

Наиболее распространённые источники ИК излучения - лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью до 1 кВт, 70-80% излучаемой энергии которых приходится на ИК-диапазон (они используются, напр., для сушки и нагрева), а также угольная электрическая дуга, газоразрядные лампы, электрической спирали из нихромовой проволоки. Для ИК-фотографии и в некоторых ИК-приборах (напр., приборах ночного видения) для выделения ИК излучения применяют ИК светофильтры. В научных Исследованиях применяют различные специальные источники ИК излучения в зависимости от области спектра. Так, в ближней ИК области (l=0,76-2,5 мкм) источником ИК излучение. служит ленточная вольфрамовая лампа, в средней ИК области (2,5-25 мкм) - штифт Нернста и глобализация в области l~20 -100 мкм - платиновая полоска, покрытая тонким слоем окислов некоторых редкоземельных металлов; в далёкой ИК области (100-1600 мкм) - ртутная кварцевая лампа высокого давления. Источниками ИК излучения являются некоторые ИК лазеры: лазер на ниодимовом стекле (l=1,06 мкм), гелий-неоновый лазер (l=1,15 мкм и 3,39 мкм), СО лазер (l~5,08-6,66 мкм), СО₂-лазер (l~9,12-11,28 мкм), лазер на парах воды (l~118,6 мкм), HCN-лазер (l~773 мкм), хим. лазер на смеси Н₂ и С1₂(l~3,7-3,8 мкм), полупроводниковые лазеры на GaAs (l~0,83-0,92 мкм), InSb (l~4,8-5,3 мкм), (Pb, Sn) Те (l~6,5-32 мкм) и др. Многие ИК лазеры могут работать в режиме перестраиваемой частоты излучения.

1.2 Методы обнаружения и измерения ИК излучения

Методы обнаружения и измерения ИК излучения. основаны на преобразовании энергии ИК излучения в другие виды энергии, методы регистрации которых хорошо разработаны. В тепловых приёмниках поглощённое ИК излучение вызывает повышение температуры термочувствительности. элемента, которое тем или иным способом регистрируется. Тепловые приёмники могут работать практически во всей области ИК излучения. В фотоэлектрических приёмниках поглощённое ИК излучение приводит к появлению или изменению электрического тока или напряжения. Такие приёмники в отличие от тепловых селективных, т. е. чувствительны лишь в определённой ИК-области спектра. Мн. фотоэлектрические приёмники ИК излучения особенно для средней и далёкой ИК-области спектра работают лишь в охлаждённом состоянии. В качестве приёмников ИК излучения также используются приборы, основанные на усилении или тушении люминесценции, под действием ИК излучения., а также т. н. антистоксовы люминофоры непосредственно преобразующие ИК излучение в видимое (люминофор с ионами Yb и Еr преобразует излучение неодимого лазера l=1,06 мкм в видимое с l=0,7 мкм). Спец. фотоплёнки и пластинки - инфрапластинки - также чувствительны к И. н. (до l=1,3 мкм). Существуют также специальные приборы, которые позволяют путём регистрации собств. теплового ИК излучения получить распределение температуры по поверхности объекта, т. е. его тепловое (или температурное) изображение. Это тепловое изображение можно преобразовать в видимое изображение, в котором яркость видимого изображения в отд. точках пропорциональна темп-ре соответствующих точек объекта. Изображение, полученное в этих приборах, не является ИК-изображением в обычном смысле, т. к. даёт лишь картину распределения темн-ры на поверхности объекта. Приборы визуализации ИК излучения делятся на несканирующие и сканирующие. В первых Ик излучениях регистрируется непосредственно на фотоплёнке или люминесцентном экране, а также на экране с помощью электроннооптических преобразователей (ЭОП) или эвапорографов. К сканирующим приборам относятся тепловизоры или термографы с оптико-механическим сканированием объекта. Область чувствительности ЭОП определяется чувствительностью к ИК излучение. фотокатода и не превышает l=1,3 мкм. Эвапорографы и тепловизоры могут быть использованы в средней ИК-области, и потому они позволяют получать тепловое изображение низкотемпературных тел. Существуют также методы параметрич. преобразования ИК излучения в видимое излучение при смешивании ИК излучения с когерентным лазерным излучением в оптически нелинейных кристаллах

1.3 Оптические свойства веществ в ИК области спектра

Оптические свойства веществ в ИК области спектра (прозрачность, коэффициент отражения, коэффициент преломления), как правило, значительно отличаются от оптических свойств в видимой и УФ областях спектра. Многие вещества, прозрачные в видимой области, оказываются непрозрачными в некоторых областях ИК излучения, и наоборот.

Рисунок 5 - Отражение инфракрасного излучения от щёлочно-галоидных кристаллов.

Поглощение ИК излучения для большинства веществ в тонких слоях носит селективный характер в виде относительно узких областей - полос поглощения. Некоторые монокристаллы, даже при толщине до нескольких см прозрачны в достаточно больших определённых диапазонах ИК спектра. В таблице приведена длинноволновая граница l пропускания некоторых материалов, применяемых в ИК области спектра для изготовления призм, линз, окон и оптических деталей (материалы, помеченные звёздочкой, гигроскопичны). Полиэтилен, парафин, тефлон, алмаз прозрачны для l>100 мкм (пропускание более 50% при толщине 2 мм). Отражательная способность для ИК излучения у большинства металлов значительно больше, чем для видимой области, и возрастает с увеличением l ИК излучение. Например, коэффициент отражения Al, Au, Ag, Сu в области l=10 мкм достигает 98%. Жидкие и твёрдые неметаллические вещества обладают в ИК области селективным отражением, причём положение максимумов отражения зависит от хим. состава вещества. У некоторых кристаллов коэффициент отражения в максимуме селективного отражения достигает больших значений (до 80%), и поэтому пластинки из таких кристаллов могут служить отражательными фильтрами для выделения определенных областей ИК излучения.

Рисунок 6 - Кривая пропускания атмосферы в области l=0,6-14 мкм. "Окна" прозрачности в области l2,0-2,5 мкм; 3,2-4,2 мкм; 4,5-5,2 мкм; 8,0-13,5 мкм. Полосы поглощения с максимумами при l0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74; 6,3 мкм принадлежат парам воды; при l=2,7, 4,26 и 15,0 мкм – углекислому.

Достигает больших значений (до 80%), поэтому пластинки из таких кристаллов могут служить отражательными фильтрами для выделения определенных областей ИК излучения). Прозрачность земной атмосферы для Ик излучения (так же как и для видимого и УФ излучения) играет большую роль в процессе теплового радиационного обмена между излучением Солнца, падающим на Землю, и ИК излучение Земли в мировое пространство, а также существенна при практическом использовании И. и. (для связи, в ИК фотографии, для применения Ик излучения в военном деле.). Проходя через земную атмосферу, Ик излучение ослабляется в результате рассеяния так как атмосфера служит теплоизолирующей оболочкой, препятствующей охлаждению Земли. Наличие в атмосфере частиц дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) приводит к дополнит, ослаблению Ик излучения. в результате рассеяния на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны Ик излучения

1.4 Применение ИК излучения

ИК излучение находит широкое применение в научных исследованиях, при решении большого числа практических задач, в военном деле и пр. Исследование спектров испускания и поглощения веществ в ИК области является дополнением к исследованиям в видимой и УФ областях и используется при изучении структуры электронной оболочки атомов, определения структуры молекул, а также для качеств, и количеств спектрального анализа. Широкое применение для изучения структуры атомов и молекул Н элементного состава вещества нашли ИК лазеры. Благодаря особенностям взаимодействия ИК излучения с веществом ИК-фотография имеет ряд преимуществ перед фотографией в видимом излучении. Так, в результате меньшего ослабления ИК излучения вследствие рассеяния при прохождении через дымку и небольшой туман и при использовании инфраплёнок и ИК светофильтров удаётся получить ИК фотографии предметов, удалённых на расстояние в сотни км. Фотографии одного и того же объекта, полученные в ИК излучении и в видимом свете, вследствие различия коэффициентов отражения и пропускания объекта могут значительно различаться, и на ИК фотографии можно увидеть детали, невидимые на обычной фотографии и непосредственно глазом, что используется при фотографировании земной поверхности со спутников Земли, в ботанике, медицине, криминалистике, аэрофоторазведке и т. д. На ИК фотографиях отд. участков неба часто можно увидеть большее число звёзд, туманностей и др. объектов, чем на обычных фотографиях. Фотографирование в И. и. можно производить и в полной темноте при облучении объектов ИК излучения. В промышленности ИК излучение используются для сушки (в т. ч. локальной) различных материалов и изделий. На основе электронно-оптических преобразователей, чувствительных к ИК излучению, созданы различного рода приборы ночного видения (бинокли, прицелы и др.), позволяющие при облучении наблюдаемых объектов ИК излучения от специальных источников со светофильтрами вести наблюдение или прицеливание в полной темноте. Эвапорографы и тепловизоры применяются в промышленности для обнаружения перегретых участков машин или электронных приборов, для получения температурных карт местности и т. д. Создание высокочувствительных приёмников ИК излучения позволило построить теплопеленгаторы для обнаружения и пеленгации объектов, температуpa которых выше температуры окружающего фона (нагретые трубы кораблей, двигатели самолётов и др.), по их собственному тепловому ИК излучению. Созданы также системы самонаведения на цель снарядов и ракет. ИК локаторы и дальномеры позволяют обнаружить в темноте любые объекты и измерять расстояния до них. ИК лазеры используются также для наземной и космической связи

Инфракрасные системы связи

Большая часть беспроводных сетей, развертываемых в России и за

рубежом, использует радиоволны, а решения, основанные на оптических технологиях, пока остаются на вторых ролях. Между тем развитие последних стимулируется как достижениями в проектировании и производстве твердотельных лазеров, так и возрастающими потребностями пользователей в защищенных высокоскоростных каналах связи. Системы, функционирующие в инфракрасном (ИК) диапазоне, имеют целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками.

Во-первых, как ранее отмечалось, за счет перехода в оптическую область длин волн такие системы не претендуют на какую-либо часть радиодиапазона, не создают помех в РЧ спектре и сами не чувствительны к подобным помехам. Для их эксплуатации не нужно получать разрешений на использование дефицитного радиочастотного ресурса. Во-вторых, как прежде отмечалось, инфракрасные каналы связи обеспечивают высокую защищенность пересылаемой информации. Передаваемые по ним потоки не могут быть просканированы анализаторами спектра или контрольным оборудованием радиосетей. К тому же они, как правило, кодируются с помощью патентованных алгоритмов. В-третьих, сами по себе беспроводные оптические системы не накладывают никаких принципиальных ограничений на скорость транспортировки данных. Наконец, немаловажным фактором является малое время их развертывания.

В последние годы инфракрасные системы передачи информации вызывают все больший интерес у операторов, Internet-провайдеров и корпоративных заказчиков. К возможным вариантам их применения относятся формирование физических соединений в корпоративных сетях передачи данных (Ethernet/Fast Ethernet, ATM, FDDI) и магистральных сетях операторов наземной связи (SDH, PDH), создание резервных каналов, построение каналов доступа для решения проблемы «последней мили», обеспечение соединений с базовыми станциями и их контроллерами в сетях мобильной связи, развертывание временных сетей на период модернизации основной кабельной инфраструктуры или в районах стихийных бедствий, передача данных от систем видеонаблюдения и телеметрии при невозможности прокладки кабеля.

Прежде всего отметим, что основной принцип внедрения ИК систем связи состоит в замене определенного участка физической линии (которую зачастую попросту невозможно проложить) беспроводным каналом. Этот принцип имеет два важных следствия:

· ИК системы позволяют устанавливать только соединения типа «точка—точка», причем приемник и передатчик должны находиться в зоне прямой видимости;

· ИК системы формируют транспортную среду физического уровня и никак не влияют на протоколы, относящиеся к канальному, сетевому и более высоким уровням модели OSI.

Последнее обстоятельство означает, что беспроводные инфракрасные (оптические) каналы могут служить для связи самых разных сетевых инфраструктур.

Общими свойствами всех перечисленных систем являются высокая энерговооруженность лазерного луча (средняя мощность 300 мВт, уровень ИК излучения 7 Вт/м²) и значительное время наработки на отказ (для лазеров оно составляет 130 тыс. часов, т.е. без малого 15 лет). Мощность, потребляемая каждым из устройств, равна примерно 20 Вт, поэтому даже при сбое в сети электропитания приемопередатчик может работать от бесперебойного источника в течение нескольких часов.

Особенностью ИК оборудования является быстрота его развертывания: среднее время, затрачиваемое на инсталляцию, не превышает 4 ч. Отсутствие привязки к кабельной инфраструктуре обеспечивает возможность многократного использования одной и той же системы путем ее демонтажа и установки на новом месте. Еще важнее высокая ремонтопригодность данного оборудования. Оно спроектировано так, что замена передатчика, сопровождающаяся переходом на новую длину волны из диапазона 860—920 нм, не требует модернизации приемника (ибо последний работает с длинами волн от 750 до 950 нм).

Инфракрасная связь предусматривает наличие передатчика и приемника. При подключении к компьютеру внешнего устройства требуется специальный приемник инфракрасных лучей (трансивер, адаптер), находящийся в прямой видимости с устройством. Он подключается к Инфракрасному порту компьютера, который должен быть предусмотрен на материнской плате.

Стандарт IrDA имеет несколько базовых уровней: инфракрасный канал физического уровня (IrDA Serial Infrared Physical Layer Link, IrDA SIR), протокол доступа по инфракрасному каналу (IrDA Infrared Link Access Protocol, IrLAP), протокол управления инфракрасным каналом IrDA (Infrared Link Management Protocol, IrLMP), а также необязательные транспортные протоколы IrDA (Transport Protocols IrTP и Tiny TP).

Стек протоколов IrDA имеет три базовых слоя: физический слой IrDA SIR, IrLAP и IrLMP. Данные могут передаваться IrLMP напрямую от приложений через прикладной программный интерфейс API или через дополнительный транспортный протокол стека (IrTP).

На физическом уровне базовый инфракрасный интерфейс использует характеристики универсального асинхронного приемника/передатчика (UART) в COM-порту. Такой порт имеется практически на всех компьютерах. UART имеет несколько темпов передачи данных в диапазоне от 2400 бит/c до 115 Кбит/c.

Оборудование IrDA-SIR состоит из нескольких компонентов для приема и передачи: кодировщика/декодировщика для кодировки инфракрасного сигнала при передаче и декодировки при приеме, инфракрасного преобразователя в составе драйвера вывода и инфракрасного излучателя для передачи, а также приемника/детектора. Кодировщик/декодировщик имеет интерфейс с UART. При передаче приемопередатчики IrDA передают сигнал в поток ввода/вывода последовательного порта. Данные поступают передатчику IrDA через последовательный интерфейс c UART. И вместо того, чтобы посылать сигнал по медной проволоке, как это имеет место при передаче по проводам, он извергает фотоны в воздух в направлении инфракрасного приемника.

Устройства IrDA превращают данные в свет: биты преобразуются в инфракрасный сигнал, при этом вспышка соответствует "0", а отсутствие сигнала - "1". ЦПУ на принимающем конце даже не подозревает о том, что данные передаются в виде света. Оно видит, что и всегда, так как кодирование осуществляется передатчиками IrDA на передающем конце и детектором на принимающем конце инфракрасного канала. Вся инфракрасная передача происходит в инфракрасном диапазоне от 850 нанометров до 880 нанометров.

Беспроводная оптическая связь

Пожалуй, ни одна технология беспроводной связи в нашей стране не обросла таким количеством мифов и не сопровождается таким недоверием, как технология беспроводной оптической (инфракрасной) связи. Вместе с тем, в других странах мира продвижение ее на рынок телекоммуникаций идет существенно более быстрыми темпами. Причем это относится не только к таким технологически продвинутым регионам и странам, как западная Европа, США, Южная Африка, но и ко многим развивающимся странам, например, Египет, Малайзия, Кувейт, Китай, Танзания и прочие.

Основная причина востребованности этой технологии заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях в инфракрасном диапазоне длин волн далеко за принятым диапазоном радиочастот (до 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 (в прошлом Bell Atlantic), Вымпелком, Motorola, Siemens. Некоторые операторы уже развернули по несколько сотен оптических систем в своих сетях. Только за последний год одна из самых успешных компаний-производителей в этой отрасли PAV Data Systems поставила в одну лишь Англию оборудования на сумму свыше 1.5 миллионов долларов США, несмотря на то, что в этой стране весьма тяжелые погодные условия для атмосферной передачи данных (частые туманы). В абсолютных значениях для всей телекоммуникационной отрасли это немного, но для зарождающегося направления это весьма заметная величина.

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).

Важно отметить, что MicroMax осознанно выбрал системы SkyCell и SkyNet для продвижения в России после анализа всего спектра доступного в мире оборудования атмосферной оптической передачи. Именно энергетические характеристики канала передачи, построенного на оборудовании PAV, обусловили этот выбор.

Для примера рассмотрим энергетический запас Р_э оптического канала:

Р_э = Р_пер – Р_{пр (1)}

где Р_пер – уровень мощности излучения передатчика
Р_пр – 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 1.

Таблица 1.

Система	P_пер, дБм	P_пр, дБм	P_э, 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

Надо отметить, что 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 Р_э=60 дБ для работы на дистанциях выше 1 километра? Постараемся ответить на этот вопрос.

Суммарные потери Р_п в канале можно оценить по формуле:

Р_n = Р_опт + Р_атм + Р_{ппр (2)}

где Р_опт – потери оптического согласования
Р_атм – затухание сигнала в атмосфере
Р_ппр – потери в приемнике

Из всех составляющих только величина Р_ппр 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 Р_опт), и от физических характеристик атмосферы (для Р_атм).

В первом приближении Р_опт 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.

Естественное желание некоторых производителей уменьшить Р_опт путем уменьшения угла расхождения луча иногда не знает меры. При очень малых углах расхождения системы становятся чувствительными 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 Р_опт.

Для нормальной работы канала необходимо, чтобы:

Р_э > Р_п

Посмотрим какой величиной Р_атм 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

Р_опт = 29.5 дБ. Тогда для Р_э = 60 дБ и Р_ппр = 2 дБ:

Р_атм < Р_э – Р_опт – Р_ппр = 60 – 29.5 – 2 = 28.5 дБ

Или: Р_атм < 19 дБ/км

Что же означают величины Р_атм с практической точки зрения? Совершенно очевидно, что чем больше допустимая величина Р_атм, 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 Р_атм слишком просто на первый взгляд:

Р_атм = W • L (3)

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 Р_э = 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 стойкости систем SkyCell к туману и дождю в зимнее время и вне мегаполисов (чтобы уменьшить влияние примесей в атмосфере):



График 1 - Максимальные рабочие дистанции в зависимости от метеорологической видимости в туман.


График 2 - Максимальные рабочие дистанции в зависимости от интенсивности дождя.

Области, находящиеся под линиями на графиках, определяют рабочие зоны инфракрасных (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 Графиком 3.

График3 - Уровень о шибок в канале в туман на дистанции 2 км

Приведенные выше результаты расчетов подтверждаются данными испытаний и опытной эксплуатации систем как в России, так и за рубежом.

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.

Подведем же итог вышесказанному. 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.

Инфракрасные линии связи в последнее время являются объектом пристального внимания операторов связи и администраторов корпоративных сетей. Эволюция систем беспроводной передачи данных идет в направлении постоянного увеличения пропускной способности. И, как в свое время волоконная оптика разрешила проблемы высокоскоростной передачи в кабельных сетях, так в настоящее время в беспроводных сетях уже можно констатировать свершение новой технологической революции. Интересным фактом здесь является то, что системы БОЛС (беспроводных оптических систем) со скоростью передачи 622 Мбит/с в коммерческом исполнении появились раньше радиочастотных систем. О сравнении максимальных скоростей передачи, полученных в опытных установках, даже говорить нескромно. Применение беспроводных оптических систем на «традиционных» скоростях (2-100 Мбит/с) стало уже обыденностью из-за несоизмеримо меньших организационных издержек при установке каналов.

Однако предметом самых горячих дискуссий в отношении инфракрасных систем является их применение в регионах со сложными погодными условиями. Здесь было сломано немало копий. Производители отечественные и иностранные, создавая оборудование, а дистрибьюторы, продавая его, слабо представляли то, на каких дистанциях и в каких условиях системы обеспечат нормальную работу. В результате, информацию об этом получали путем экспериментов над первыми пользователями, и эксперименты эти продолжаются до сих пор. Несомненно, это оказывает медвежью услугу новой технологии, и некоторые операторы связи «поставили на ней крест». Сейчас, наконец-то, производители и дистрибьюторы стали обращать внимание на необходимость расчетов перед тем, как рекомендовать системы заказчику.

Первые попытки расчета, как и предполагалось, вышли «комом». Несмотря на уже солидную историю развития оптических систем, расчет лазерных беспроводных систем представляет достаточно сложную задачу и под силу только специалистам, освоившим вопросы физики атмосферы. Те же, кто применяет только различные интегральные характеристики, такие как метеорологическая дальность видимости (МДВ), в моделях расчета ЛАЗЕРНЫХ систем, могут попасть под гипноз результатов такого расчета и сильно обмануться в реалиях.

Не будем голословны, пора рассмотреть эти самые реалии.

Итак, у кого-то есть данные о МДВ. Есть даже экспериментальные графики зависимости коэффициента пропускания атмосферы от длины волны, которые обычно приводятся в справочниках. Что это дает? Да, в общем-то, слишком мало! Когда речь идет о пропускании через атмосферу ЛАЗЕРНОГО излучения, необходимо говорить не только о конкретной частоте, но и конкретном типе лазерного излучателя и его характеристиках, конкретном состоянии атмосферы в регионе, с учетом погодных условий (туман, дождь и т.п.).

Приведем пример типичного спектра излучения лазерного диода. Причем, спектр этот сильно зависит не только от модели полупроводникового лазера, но и от режима его работы. Главное, что надо отметить, это то, что спектр состоит из узких полос шириной около 0.2 нм, а общая ширина его не превышает 4 нм.

Теперь посмотрим на график пропускания атмосферы, снятый с низким разрешением. Можно увидеть, что в диапазоне длин волн 690-700 нм относительно широкополосный сигнал практически не ослабляется. А теперь посмотрим на тот же диапазон, снятый с высоким разрешением (см. Рис. 3).

Рисунок 7 - Спектр атмосферного поглощения, записанный с высоким разрешением. (По оси абсцисс указана длина волны в нм)

Становится, очевидно, что при работе с очень узким спектром излучения, то пропускание будет кардинально зависеть от взаимного расположения полос излучения лазера и поглощения атмосферы, несмотря на высокий средний уровень пропускания. И существует такое их взаимное расположение, когда пропускание может снизиться в несколько, а то и сотни раз. Сдвиг в сторону всего на несколько нанометров из-за технологического разброса характеристик диода может привести к фатальным результатам. Поэтому, расчет какой-либо атмосферной лазерной системы необходимо делать с учетом всего диапазона рабочих длин волн, заявленных производителем и, обязательно, с высоким разрешением пропускания атмосферы.

Можно было бы поставить точку в вопросе расчета инфракрасных систем только на основе различных интегральных параметров (МДВ и т.п.). Вопрос этот оказался значительно сложнее и несоизмеримо более емким (в том числе, по усилиям процессоров компьютеров), чем могло показаться с первого взгляда, т.к. расчеты обязательно надо вести с учетом спектральных характеристик атмосферы и лазерных диодов. Вообще, при проектировании беспроводных оптических (инфракрасных) систем есть очень много нюансов, игнорирование или незнание которых приводит к тому, что системы оказываются неработоспособными. В то же время, учет этих особенностей позволяет создавать оборудование, которое прекрасно работает. И радует то, что те, кому был сделан правильный расчет и корректная установка этого оборудования, довольны эксплуатацией и приобретают новые. Есть операторы, в сетях которых уже установлено до 350 систем (Vodafone). Стараются не отставать и отечественные операторы. В постоянной эксплуатации находятся системы в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, на Дальном Востоке, Сибири и Урале.

Заключение

В данной работе мы рассмотрели следующее:

Инфракрасное излучение (ИК-излучение, ИК-лучи) - электромагнитное

излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной полны l, ок. 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (l~1-2 мм).

Инфракрасные соединения станут вскоре неотъемлемой частью локальных сетей благодаря высокой цене, жизнеспособным отраслевым стандартам и высокой скорости передачи данных

Список используемых источников

1. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей.-М.: 1996.

2. Инфракрасное излучение, пер. с франц., М., 1958.

3. Соловьев С. М., Инфракрасная фотография, М., I960.

4. Оптические материалы для инфракрасной техники. [Справочник], М., 1965.

5. Xадсон Р., Инфракрасные системы, пер. с англ., М., 1972; Ллойд Д ж., Системы тепловидения, пер. с англ., М., 1978.

6. Козелкин В. В., Усольцев И. Ф., Основы инфракрасной техники, 3 изд., М., 1985.

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 1073; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!