Анализ возможностей организации связи в полевом районе с помощью атмосферных оптических линий связи

Исторически связь зарождалась как средство общения между собой вначале лишь нескольких близко живущих абонентов. Со временем число абонентов увеличивалось, так же как и расстояние между ними. В наши дни на десятки-сотни километров связь осуществлялась по воздушным проводам в виде телеграфной, телефонной связи, по оптоволокну и другим каналам передачи данных.

Связь в полевом районе является важнейшим составляющим компонентом управления в современных условиях. Из всех способов организации связи в полевом районе помимо всех выше перечисленных технологий передачи данных особое внимание заслуживает технология «Беспроводной оптической связи». 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 [1].

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 [1].

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, 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 [2].

Появление оборудования, поддерживающего связь на больших дистанциях, расширяет область его применения и на магистральные сети. Значительный рост числа абонентов сотовой связи приводит к необходимости расширения сети, уплотнению распределения базовых станций. Активно развиваются корпоративные сети, системы телеконференций, растет потребность в широкополосном доступе.

Цифровые атмосферные оптические линии связи (АОЛС) позволяют решить проблемы, препятствующие развитию местных и сельских телефонных сетей:

- полностью отказаться от кабелей, соответственно исключив расходы на строительство телефонной канализации и обслуживание кабелей;

- обеспечить одновременно создание дешевых линий связи;

- до минимума сократить сроки и затраты на проектирование [2].

Ввиду всех перечисленных особенностей оптических линий связи по атмосферному каналу, их применение для связи между объектами полевого района весьма обоснованно: во-первых, если в пределах заданного района (около 1-1,5 км) необходимо срочно и без особых затрат организовать связь прямой видимости, то лучше способа просто не найти. Во-вторых простота монтажа аппаратуры не требует особых затрат и навыков, специального установочного оборудования и специально обученного персонала. В-третьих, атмосферный оптический канал – это превосходный резервный канал связи. Так же, нельзя не отметить то, что с помощью АОЛС легко можно преодолеть различные природные препятствия вызванные особенностями рельефа местности, будь то реки, каналы, лесные массивы и др. Простой пример: два пункта управления расположенные на двух концах года между которыми еще вдобавок протекает не большая речка. Разумеется, в данной ситуации прокладывать кабель канал дорого и проблематично по техническим причинам, радиоканал требует бронирования отдельных радиочастот, да и к тому же радиоканал особо подвержен влиянию множества помех. А атмосферно-оптический канал является наиболее выгодным, дешевым, и простым в реализации способом решения этой проблемы.

Для проведения аналитических оценок и определения потенциальных возможностей различных вариантов построения АОЛС можно рассмотреть понятие эквивалентного ресурса терминала TER, определяемое следующим соотношением:

(1)

где: Р_прд - выходная мощность лазерного передатчика в милливаттах; D_прм - эквивалентный диаметр антенны лазерного приемника в метрах; β_прд - угловая расходимость луча передатчика в миллирадианах; Р_прм- пороговая чувствительность приемника в пиковаттах/(Гц)1/2; t_прд , tпрм- коэффициенты пропускания передающего и приемного тракта соответственно [1].

Можно показать, что с учетом введенного понятия уравнение передачи цифровой АОЛС в атмосфере примет вид:

(2)

где S_k-метеорологическая дальность видимости (МДВ); L - дальность связи в километрах; C - скорость передачи информации в Мбит/с; k - вероятность ошибки на бит информации.

Основные параметры атмосферного канала представлены на рисунке 1.

Рис. 1 - Диаграмма направленности пучков лазерного излучения

противоположного ППМ.

Имея зависимость TER от дальности связи и S_k, можно найти вероятность связи. Значение S_k имеет случайный характер и существенно зависит от времени рассмотрения (обычно это месяц). Как любая случайная величина S_k имеет функцию распределения вероятностей F(S_k), зная которую можно найти зависимость вероятности связи Р_св от состояния атмосферы [2].

Из уравнения передачи следует, что каждому значению дальности связи L соответствует минимальная метеорологическая дальность видимости S_k*. Тогда вероятность связи будет определяться условием:

Р_св = Р(S_k > S_k*),

где S_k - произвольное значение МДВ; S_k* - значение МДВ, вероятность непревышения которого равна F(S_k*) [2].

При этом вероятность связи и функция распределения вероятностей МДВ связаны соотношением Р_св = 1 - F(S_k*).

Таким образом, зная закон распределения вероятностей МДВ, можно определить вероятность связи. Одним из способов определения закона распределения S_k является измерение и статистическая обработка полученных значений.

Основные положительные особенности АОЛС

Во-первых 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 второе 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 [3].

В-третьих, 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 2008 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. 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 линии. Это, как правило 1, 2⁰ или 5, 10 метров.

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.

Возможные варианты использования АОЛС

1. Установка в полевых районах, где другими средствами либо невозможно, либо чрезвычайно дорого обеспечить передачу информации (такие участки могут располагаться в городе, где ограничены радиоканалы, а кабельную линию проложить дорого; в сельских районах проблема может быть связана с наличием поблизости мощных радио излучателей и трудностью отвода земли для прокладки кабельной линии);

2. Размещение этого оборудования в климатическом регионе, отличающимся стабильно хорошей погодой, где среднее значение S_m 10 км, а дисперсия этого значения в разное время года невелика [2];

3. Установка таких линий связи на участках длиной не более 1-1,5 км. На этой дистанции при динамическом диапазоне 50-60 Дб можно обеспечить уровень доступности 99,9% даже в регионах с плохими климатическими условиями;

4. АОЛС остается единственным вариантом при необходимости обеспечения высокоскоростного канала связи в местах, где сложно или дорого построить оптоволоконную линию.

В заключении необходимо еще раз отметить, что технология обеспечения беспроводного доступа - атмосферные лазерные системы передачи информации, несмотря на принципиальный недостаток этой технологии - существенную зависимость работоспособности линии связи от состояния погоды и наличия преград, её преимущества остаются неоспоримы (высокие скорости передачи, отсутствие частотного лицензирования, быстрота организации канала и т.д.) и позволяют ей занять свое место в полевом районе.

Литература:

1. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. – С-Пб.: Наука, 2003г. – 152с.

2. Милютин Е.Р. Статистическая теория атмосферного канала оптической информационной системы. – М.: Радио связь, 2002. – 253с.

3. Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу / Под. ред. Р.А. Казаряна. – М.: Радио и связь, 1985. – 208с.