Организация транспортной сети с использованием системы FSO

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева

специальность 5B071900 - «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

Организация транспортной сети с использованием системы FSO

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Койшибаев Алишер Толегенович

Астана 2014



Задание на выполнение дипломного проекта

Евразийский национальный университет имени Л.Н.Гумилева

Физико-технический факультет

Кафедра «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

Специальность	5В071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Группа	РЭТ-42

Задание на выполнение дипломного проекта

Обучающийся Койшибаев Алишер Толегенович

Тема работы Организация транспортной сети с использованием системы FSO

Утверждена приказом РГП на ПХВ Евразийский национальный университет им.Л.Н.Гумилева

№ ________ от « » декабря 2014 г.

Перечень подлежащих разработке в дипломном проекте вопросов или краткое содержание дипломной работы

Актуальность системы FSO.

Основные задачи поставленные на технологию FSO.

Принцип работы системы FSO

3.1. Условия создания системы АОЛС;

3.2. Компании разрабатывающие технологию FSO и оборудования данной системы;

4. Сравнительный анализ технологии FSO радиочастотной системы;

4.2. Влияние погодных условий на дальность оптической связи;

4.3. Коэффициент доступности гибридного канала связи;

5. Исследование модели гибридной системы передачи данных, основанной на базе лазерной и радио- технологий

5.1. Математическое моделирование;

5.2 Имитационное (машинное) моделирование;

Консультанты по работе с указанием относящихся к ним разделов работы

Раздел	Консультант (Ф.И.О.)	Кафедра	Подпись
Теоретическая часть	Сейлов Ш.Ж.	РЭТ
Практическая часть	Сейлов Ш.Ж.	РЭТ
Технико-экономическое обоснование дипломного проекта	Сейлов Ш.Ж.	РЭТ
Мероприятия по охране труда	Сейлов Ш.Ж.	РЭТ

Дата выдачи задания «27 » декабря 2014 г.

Заведующий кафедрой ____________ Саутбеков С.С.

Руководитель работы ____________ Сейлов Ш.Ж.

Задание принял к исполнению ____________ Койшибаев А.Т.

Срок сдачи законченной работы « 5 » апреля 2014 г.



Содержание

Введение

Глава 1. Обзор современного состояния технологии FSO. Перспективы и развития

1.1 Краткая историческая справка и развития технологии FSO

1.2 Принцип работы системы FSO

1.3 Организация и использование технология FSO

1.3.1 Анализ технологии и оборудования FSO

1.3.2 Сравнительный анализ технологии FSO радиочастотной системы

Глава 2. Постановка задачи и описание модели

2.1 Постановка задачи

2.2 Описание модели гибридной радио-оптической телекоммуникационной системы

Глава 3. Гибридное оборудование на базе радио- и лазерной технологий

3.1 Технико-экономические характеристики гибридного оборудования

3.2 Гибридное отечественное оборудование на базу FSO Artolink и РЭС «Рапира»

3.3 Модернизация АОЛС серии "МОСТ"

3.4 Оборудование АОЛС - "вездеход последней мили"

Глава 4. Проблемы технологии FSO

4.1 Затухание в атмосфере

4.2 Сцинтилляция

4.3 Потери на окнах

4.4 Юстировка

Заключение

Список литературы

Приложение 1



Введение

гибридная модель телекоммуникационная оборудование

Актуальность темы. Современные растущие уровня развития телекоммуникационной системы требуют более качественные передаваемых сигналов, с широким полосы предаваемых частот и высокой скорости передачи данных и прочих. В настоящее время, эти требования, в основном, удовлетворяются благодаря стремительной внедрений в информационные сети волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Процесс передача информации по оптоволокну имеет целый ряд достоинств, перед традиционных системы передачи (например, медному кабелю).

О преимуществах и достоинствах системы передачи информации по ВОЛС, её физических и технических характеристиках, в настоящее время, имеются достаточных материалов, как теоретически, так и прикладного характера. Основные преимущества и принципы работы с ВОЛС, отражены на страницах многочисленных литературных источников, например [1-7]. В частности, к основным достоинствам ВОЛС в [1] отмечены следующие:

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Терабит в секунду.

Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более. Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных. Рассмотрение волоконно-оптических сенсорных систем выходит за рамки материала данной книги.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом.

В настоящее время естественной альтернативой ВОЛС, в этом случае, являются беспроводные оптические линии связи (БОЛС), т.е. атмосферных оптических линий связи (АОЛС) или общепринятая названия технология FSO (Free Space Optics). Интерес к данной технологии (FSO) растут год с годом, прежде всего благодаря, усовершенствованию и развития технологии передача, обработки и приёма оптического сигнала.

Поэтому, рассматриваемы в рамках настоящей дипломной работе, принципы организация транспортной сети с использованием системы FSO, безусловно, является актуальным.

Цель. Основной целью настоящей дипломной работы является научные исследования принципов организации транспортной сети с использованием технологии FSO.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

исследования (обзор) современного состояния и перспективы развития технология FSO;

теоретический анализ принципов работы технологии FSO;

создание модели системы организации транспортной сети с использованием технологии FSO;

оценка характеристики производительности системы FSO;

Научная новизна. Проведенные научные исследований, в частности, теоретический анализ принципов организации системы FSO, оценка основных параметров современных систем FSO, сравнительный анализ, а также проведенные конкретные теоретические расчёты, составляют новизны настоящей дипломной работы.

Практическая значимость. Результаты, полученные в рамках настоящей дипломной работы, могут иметь большой практический интерес при организации и применении технологии FSO, а также оптимизации и выбор необходимых параметров FSO.



Глава 1 Обзор современного состояния технологии FSO. Перспективы и развития

1.1 Краткая историческая справка и развития технологии FSO

История возникновения беспроводной (атмосферной) оптической системы передачи информации берёт своё начало с далёкий 1880 год, когда впервые А. Белл (США) запатентовал фототелефон, в котором солнечный луч, отражённый от зеркальца, модулировался голосом, передавался через атмосферное пространство и поступал на твёрдотельный детектор. Так родилась идея возникновения современных атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Однако отсутствия должного уровня развития технологии оптических приёма-передающих устройств, в тех времён, не позволяли дальнейшего усовершенствованию, развития и распространению технологии АОЛС. Идея технологии АОЛС возродился и начал развиваться, только 60-70-х годов прошлого столетия, после изобретение оптических квантовых генераторов (лазеров). Первый лазер, работающий в оптический видимым диапазоне длин волн (на смеси гелия и неона - He-Ne -лазер) быль изобретён в 1960 году.

Таким образом, после открытие лазеров начался новая эпоха возрождения АОЛС. Была разработана, первая экспериментальная АОЛС в 1965 году в ЦНИИС МС СССР (г. Москвы) длиной 4,5 км, которая соединила между собой АТС МГУ и АТС на Зубовской площади. Сразу же, спустя нескольких лет, были построены ещё 4 АОЛС в Красногорске (17,5 км), Ереване (28км), Куйбышеве (5 км), Клайпеде (1,6 км). Результаты опытной эксплуатации АОЛС в течение 3-х лет показали, что коэффициент готовности (КГ) АОЛС составлял от 0,72-0,73 (28 км) до 0,96-0,97 (1,6 км). Основной причиной отказов были сильные туманы и, частично, сильные снегопады. Полученные в начале 70-х гг. результаты по величине КГ АОЛС не могли удовлетворить связистов. Необходимо было осмыслить полученные результаты, найти как пути увеличения КГ АОЛС, так и их место на сети связи, где АОЛС оказались бы эффективными. Однако, сложившаяся к этому времени ситуация не позволила этого сделать. В начале 90-х годов, с появлением Интернета, цифрового телевидения и, как следствие, потребности в широкополосных каналах, ограниченных по протяженности, ученые опять подумали об АОЛС всерьез.

На сегодняшний день прогресс в разработках позволил перейти технологии FSO из сферы узкоспециализированных приложений в сектор телекоммуникационных решений для организации действительно широкополосных (до 10 Гбит/c) защищенных подключений точка-точка.

Основные современные области применения FSO являются места, в которых прокладка оптико-волоконных сетей или организация радио-каналов не целесообразны с экономической точки зрения или в принципе не возможны.

По степени конфиденциальности передачи данных, в настоящее время, ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. Наличие лазерных лучей нельзя определить с помощью различных сканеров. Также используются разнообразные собственные протоколы передачи данных, что обеспечивают дополнительную конфиденциальность. Лазерные системы уже применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и вое В линиях FSO, как и в волоконно-оптических линиях связи, информация передается с помощью модулированных световых волн. Однако средой для распространения световых колебаний служит не оптическое волокно, а открытая атмосфера в пределах прямой видимости. В этом смысле линии FSO похожи на радиорелейные линии связи, где электромагнитные волны СВЧ-диапазона тоже распространяются в открытой атмосфере.

В настоящее время системы FSO могут быть классифицированы по двум категориям в зависимости от операционной длины волны. Имеющееся на рынке оборудование работает на одной из двух длин волн - 850 или 1550 нм. Лазеры, излучающие длину волны 850 нм, намного дешевле, чем для волн 1550 нм. По нормам допускается мощность, почти на два порядка превышающая показатель для 850-нанометровых лазеров, что дает возможность увеличить длину канала примерно в пять раз, сохранив при этом устойчивую связь, а при использовании на коротких расстояниях значительно повысить скорость передачи данных [8] .

Как и всякая технология, беспроводная оптика имеет свои сильные и слабые стороны. На устойчивость и производительность канала существенно воздействуют как состояние окружающей атмосферы, так и особенности распространения в ней инфракрасного луча.

Важная особенность линий FSO -- отсутствие необходимости получать разрешение на частоты при их установке и эксплуатации в отличие от радиорелейных линий связи. Кроме того, обеспечивается возможность передавать и получать сигнал через окна. Следовательно, систему атмосферной оптической связи можно устанавливать прямо за окном здания, не затрачивая время и средства на «отвоевывание» места на крыше.

Большой интерес у специалистов вызывают новые сервисы на базе современных технологий FSO. Системы оптической атмосферной связи отличает множество привлекательных особенностей, прежде всего низкие стартовая цена и эксплуатационные расходы, быстрое развертывание, а также характеристики, близкие к показателям оптоволоконных систем. Они совместимы с широким диапазоном приложений и технологий, достаточно гибки, что упрощает их реализацию и адаптацию под самые различные архитектуры. Именно эти преимущества повышают рейтинг систем и заметно увеличивают объемы продаж. Тем не менее оборудование FSO -это совокупность сложных устройств, работа с которыми требует профессионального, сбалансированного подхода. Знание проблем, которые встают перед инженером оптической системы атмосферной связи, позволяет ему понять различия между представленными на рынке решениями. В настоящее время спрос на ИК системы обусловлен следующими факторами:

поставщики услуг нуждаются в быстром, эффективном и надежном решении для доступа своих потребителей в сети передачи данных;

волоконно-оптические каналы не доступны или невыгодны среднему и малому бизнесу;

только 3% мирового бизнеса использует волоконно-оптические каналы связи 75% потребителей находятся в километре от точки доступа к волоконно-оптическим каналам связи 90% зданий находятся на расстоянии менее 500 метров друг от друга 98% зданий находятся на расстоянии менее 1000 метров друг от друга.

В первую очередь одна из причин скачка в развитии технологии FSO и её внедрению на массовый рынок это то, что оборудование FSO работает в диапазоне ~400 ТГц, а значит, не требует лицензирования и процедуры выделении частот (согласно Женевской конвенции, лицензированию подлежат частоты до 400 ГГц, а частоты FSO на 3 три порядка выше). Для использования подобных систем достаточно гигиенического сертификата, а в случае использования в сетях общего пользования - ещё и сертификата в системе «Электросвязь». Кроме того, беспроводные оптические системы не создают взаимных помех и не чувствительны к электромагнитному шуму (вследствие малой расходимости светового луча). Они не оказывают влияния на работоспособность радиооборудования, и потому для их установки не требуется никаких согласований. Множество каналов беспроводной связи можно устанавливать в непосредственной близости друг от друга(до 1-5 метров). За счет этого в густонаселенных районах можно достигать большой плотности покрытия без проблем с помехами от одновременной работы нескольких систем.

К основным преимуществам FSO также отнести следующие:

инфракрасный диапазон свободен для использования, и не требует лицензирования;

инфракрасный диапазон мало подвержен воздействию атмосферных явлений;

отсутствие влияния электромагнитных шумов и взаимовлияние расположенных рядом каналов связи;

высокая скорость инсталляции - от двух часов до одного дня;

высокая скорость передачи - от сотен Мбит/c в коммерческих системах и до сотен Гбит/с в лабораторных.

высокая скрытность (конфиденциальность) передачи данных;

экономичность (относительно низкая стоимость за канал передачи);

имеет доступность сопоставимую с волоконной оптикой - не хуже 99.7 - 99.9%.

Основные недостатки применения технологии FSO

Ранее специалисты выделяли две основные проблемы - малое время наработки на отказ (показатель MTBF) излучающего элемента (лазерного диода или светодиода) и сильная зависимость расстояния передачи сигнала от погодных условий. С первой проблемой производителям лазерных диодов на сегодняшний день удалось справиться - многие из них, мощностью до 100 мВт уже способны обеспечить MTBF, равное 150 тыс. часов (практически 15 лет работы). В FSO-системах также нашли применение схемы APC (Adaptive Power Control), которые управляют мощностью излучения в зависимости от атмосферных условий (например, в ясную погоду мощность излучения минимальная). Такие схемы позволяют продлить срок жизни лазерных устройств и повысить их надежность. Вторая проблема снижения доступности канала связи при уменьшении метеорологической дальности видимости (МДВ) до 100-200 м остается актуальной. Основной «виновник» перебоев в связи АОЛС это туман. При МДВ менее 100 метров затухание в тумане достигает 170 дБ/км для 780 нм (ближний инфракрасный спектр) и 320 дБ/км для 555 нм (зелёный спектр). Самая современная АОЛС имеет энергетический запас около 60дБ. В дождливую погоду FSO-системы работают лучше, чем радиорелейные линии связи (РЛС), использующие радиодиапазон 18-64 ГГц. «Сильный ливень (уровень осадков 75 мм/час) не мешает лазерной системе передавать данные на расстояния до 1.5 км и со скоростью до 1Гбит/с, в то время как в каналах связи на основе РЛС скорость передачи может упасть до нескольких мегабит в секунду. Но РЛС оказываются на высоте при густых туманах, способных иногда полностью прерывать работу беспроводных оптических систем.

Таким образом, к главным недостаткам технологии FSO относятся:

зависимость доступности канала связи от погодных условий (такие погодные условия как туман, дождь, снег значительно снижают эффективный диапазон работы FSO-систем);

необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приёмником;

ограниченная дальность связи.

Принцип работы системы FSO.

Как выше было отмечено, в основе беспроводных оптических систем лежат технологии организации высокоскоростных каналов связи посредством инфракрасного излучения, которые делают возможной передачу данных (текстовые, звуковые, графические данные) между объектами через атмосферное пространство, предоставляя оптическое соединение без использования стекловолокна. Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу. На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод(или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом, чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее, сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода. Ключевой принцип FSO основан на компромиссе: чем большую продолжительность простоев вследствие неблагоприятных погодных условий (туманов) допускает заказчик, тем протяженнее будет канал связи.

Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Однако внедрение проводных технологий (например, прокладка оптического волокна) подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна. На сегодняшний день существует несколько основных беспроводных решений - это использование широкополосных радиоканалов WiFi / WiMax, радиорелейных линий (РРЛС) или атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Однако беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам (в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов), повышенным энергопотреблением. Кроме того, при эксплуатации РРЛС приходится решать вопросы, связанные с получением разрешений на использование рабочих частот, что на сегодняшний день представляет большую проблему. В тоже время применение лазерных средств снимает эти сложные вопросы.

FSO рассматривается в качестве решения в следующих условиях:

когда прокладка кабеля невозможна (промзоны, горная местность, железная дорога) или стоимость этой прокладки превышает нормативных расходов;

когда необходимо срочно организовать канал связи (процесс согласований для прокладки кабеля 3-6 мес., а для организации радио- канала необходимо получать соответствующие разрешение;

когда требуется закрытый канал связи, не восприимчивый к радиопомехам и не создающий их (аэропорты, близость военных РЛС, линий электропередач) и другие.

В настоящее время осуществлена успешная передача оптического (лазерного) сигнала на расстояние нескольких сотен тысяч километров. В частности, рекордным достижением в этом смысле является прием лазерного сигнала с автоматической станции MESSENGER. Сигнал бортового лазерного излучателя (инфракрасный диодный неодимовый лазер) был успешно принят земным приемником на расстоянии 24 млн. км.

Рынок технологии FSO расширяется год с годом. На современном рынке FSO присутствуют компании (РФ): «Оптические ТелеСистемы», г. Санк-Петербург (системы с адаптивно изменяемой скоростью «ЛАНтастИКа»); «Мостком», г. Рязань (системы «Artolink»); «Лазерные Информационные Телекоммуникации», г. Екатеринбург, (системы «ОСС») и другие. С дальнего зарубежа наиболее известны следующие производители FSO-систем: Canon (Япония), LightPointe Communications Inc. (США), MRV Communications Inc. (США), fSona Communications Corp. (Канада), PAV Data Systems Ltd.(Великобритания), Optel Optical Communication GmbH (Германия), GeoDesy (Венгрия). География применения FSO ограничивается не только такими технологически продвинутыми регионами и странами, как западная Европа, США, Канада, Япония, но и включает развивающиеся страны, например, такие, как Египет, Малайзия, Кувейт, Танзания и прочие.



1.2 Организация и использование технология FSO

Сама технология FSO - Free Space Optics (в разных источниках также встречаются аббревиатуры, АОЛС, АОСП - Атмосферные Оптические (Линии) Системы Передачи данных, БОКС - Беспроводные Оптические Каналы Связи, ЛАЛ - Лазерные Атмосферные Линии) основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной (или видимой) части спектра через атмосферу и их последующим детектированием оптическим фотоприёмным устройством. При этом в качестве излучателя обычно используются инфракрасные лазеры класса 1 или 1M (к лазерам 1-го класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи), для низкоскоростных коммуникаций на небольшие расстояния могут использоваться светодиоды. В качестве приёмника используются лавинные или кремниевые фотодиоды.

При организации использовании технология FSO, как выше было отмечено учитываются основные его преимущества, а именно:

Высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровых потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок (BER - bit error rate) всего 10-12, что невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий.

Высокая защищённость канала от несанкционированного доступа и скрытность. Ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. А отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена. Поэтому лазерные системы применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные организации.

Высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSO-оборудование невосприимчиво к радиопомехам и само их не создаёт.

Возможность установить лазерную атмосферную линию там, где затруднительно проложить проводную линию связи. Например, в плотной городской застройке, через железную дорогу или автомагистраль, через природные преграды (реки, озёра, горную местность и т.д.).

Скорость и простота развёртывания FSO-сети.

Благодаря своим преимуществам АОЛС-технология позволяет решать проблемы «последней мили», развивать городские сети передачи данных и голоса, осуществлять подключение домашних сетей или офисов к сети Интернет, а также организовывать резервные каналы связи или расширять существующие каналы при высокой степени защищённости. Кроме того, технология используется для коммуникаций между космическими аппаратами.

1.3 Анализ технологии и оборудования FSO.

Увеличение пропускной способности канала связи. По данной критерии, несомненно, лидирует американская компания «MRV», которая в этом году выпустила модель TereScope10GE (рис. 1) с максимальной скоростью передачи данных 10 Гбит/с. Пока это единственное подобное FSO-решение на рынке.

Рисунок 1. 10-Гбитная FSO-система TereScope10GE (MRV), США.

Увеличение максимальной рабочей дистанции. В этой области преуспела компания «fSONA» (Канада). Она выпускает FSO-системы с максимальной рабочей дистанцией 7.7 километра при скорости передачи данных 52 Мбит/с, 6.4 километра при 155 Мбит/с, и 5.3 километра при скорости канала 1250 Мбит/с.

Выпуск более дешёвых моделей для использования в корпоративных сетях небольших организаций. Например, компания «LightPointe» выпускает несколько серий относительно недорогих моделей, имеющих небольшие рабочие дистанции и предназначенных для корпоративных локальных сетей (продуктовые линейки AireLite, FlightLite).

Увеличение коэффициента доступности канала и повышение надёжности связи. Для достижения этого производители используют такие методы как:

- выпуск оборудования с несколькими параллельно работающими излучающими лазерами (обеспечивает защиту от пролетающих птиц, снегопада). Например, компании «fSONA», «LightPointe» и «CBL» производят модели с четырьмя излучающими лазерами;

- использование систем пространственной стабилизации (также называемых как системы автотрекинга - auto tracking systems), которые автоматически поддерживают направление оптической связи в пространстве (отказы оптической линии из-за её разъюстировки зачастую превышают время неработоспособности вследствие плохих погодных условий). Введение автотрекинга позволяет устанавливать приёмо-передающие модули на нестабильных основаниях - деревянных крышах, вышках сотовой связи и т.д., сохраняя при этом надёжность линии связи. Системы автотрекинга реализованы в оборудовании от компаний «Мостком», «LightPointe», «Canon»;

- реализация в FSO-системах резервного радиоканала, что позволяет не прерывать передачу данных при плохих погодных условиях (сильный туман, снегопад и т.д.). Системы с резервным радиоканалом выпускают компании «Мостком», «Лазер Ай-Ти-Си», «LightPointe», «MRV», «CBL», «AirLinx».

Основные технические характеристики FSO-оборудования от разных производителей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Обзор FSO-оборудования разных производителей

Торговая марка	Макс. скорость передачи	Макс. рабочая дистанция	Кол-во излуч. лазеров	Авто-трекинг	Резерв. радио-канал
Artolink	100 - 1000 Мбит/с	400 - 7000 м	1 - 3	есть	есть
БОКС (ЛАНтастИКа)	8 - 1000 Мбит/с	600 - 1800 м	1 - 2	нет	нет
ОСС	2 - 1250 Мбит/с	400 - 2500 м	1	нет	есть
SONAbeam	50 - 1600 Мбит/с	2600 - 7700 м	2 - 4	нет	нет
FlightStrata, FlightLite, AireLite, FlightExpress, FlightSpectrum	8 - 1485 Мбит/с	200 - 5600 м	1 - 4	есть	есть
Canobeam	156 - 1485 Мбит/с	500 - 2000 м	1	есть	нет
TereScope	100 Мбит/с - 10 Гбит/с	350 - 4000 м	1 - 3	нет	есть
AirLaser, LaserLink	8 - 1250 Мбит/с	300 - 2000 м	1 - 4	нет	есть
SkyCell, SkyNet, PAVLight, PAVExpress	2 - 1000 Мбит/с	200 - 4000 м	1	нет	нет
CableFree	100 - 1500 Мбит/с	200 - 4000 м	1	нет	нет
TeraOptic	125 Мбит/с	1000 м	1	нет	нет
UniFSO	100 - 155 Мбит/с	250 - 3000 м	1	нет	есть

Сравнительный анализ технологии FSO радиочастотной системы.

Таблица 2. Сравнение FSO/АОЛС и радиочастотной системы

Как известно, особые погодные условия, такие как дождь, снег, туман, а также песчаная пыль, городской смог и различные виды аэрозолей, могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50-100 дБ/км (см. рис. 2). Поэтому, чтобы достичь операторских (или хотя бы близких к ним) показателей надежности беспроводных оптических телекоммуникационных систем, необходимо прибегать к использованию гибридных решений.

Рис. 2: Влияние погодных условий на дальность оптической связи

Гибридные радио-оптические системы основываются на использовании резервного радиоканала в связке с оптическим каналом. В случае наступления неблагоприятных погодных условий (туман, снегопад и т.п.), когда атмосферный оптический канал становится недоступным (или уровень битовых ошибок в канале достигает критического значения), система переключается на резервный радиоканал и использует его до тех пор, пока оптический (основной) канал вновь не станет доступен. При этом в качестве технологии резервного канала обычно используются либо широкополосные Wi-Fi сети (семейство стандартов IEEE 802.11), работающие в частотном диапазоне 2.4 - 5.8 ГГц, либо радиорелейные MMW-линии, работающие в миллиметровом диапазоне. Основное достоинство таких FSO-RF-систем передачи данных заключается в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях (см. рис. 3).

Рис. 3: Коэффициент доступности гибридного канала связи

Среди рассмотренных в предыдущей части производителей лазерного телекоммуникационного оборудования шесть компаний имеют в своих продуктовых линейках модели гибридного типа (FSO-RF) - это «Мостком», «Лазер Ай-Ти-Си» (отечественные), «LightPointe», «MRV», «CBL» и «AirLinx» (зарубежные).

В таблице ниже приведены технические характеристики существующих на данный момент на рынке моделей гибридного радио-оптического оборудования:

Производитель	Модель оборудования	Скорость оптического канала	Скорость радио-канала	Тип радио-канала	Макс. рабочая дистанция
Мостком	ARTOLINK M1 FE-R	100 Мбит/c	6 - 28 Мбит/c	Wi-Fi (5.2 - 5.8 ГГц)	7000 м
Лазер Ай-Ти-Си	ОСС1-Ethernet 100 РОД	100 Мбит/c	100 Мбит/c	MMW (75 ГГц)	2500 м
LightPointe	FlightStrata 100 XA	100 Мбит/c	72 Мбит/с (Half Duplex)	Wi-Fi (5.47 - 5.85 ГГц)	5000 м
MRV	TereScope Fusion	100 Мбит/с 1000 Мбит/c	10 - 20 Мбит/c	Wi-Fi (2.4 ГГц)	4000 м
CBL	AirLaser IP 100	125 Мбит/c	4.5 Мбит/c	в спец-ции не указано	2000 м
AirLinx	UniFSO100/155	100 Мбит/c 155 Мбит/c	5 - 20 Мбит/c	Wi-Fi	3000 м

Таблица 2: Обзор представленных на рынке моделей гибридных

FSO-RF-систем

Из представленных выше гибридных решений наибольшую пропускную способность резервного радиоканала - 100 Мбит/c - имеет модель компании «Лазер Ай-Ти-Си». В то же время, ввиду использования миллиметрового радиодиапазона, данное решение имеет относительно небольшую для гибридов максимальную рабочую дистанцию - всего 2500 м, а его стоимость увеличивается (по сравнению с обычными FSO-системами) почти в два раза. При этом само оборудование представляет собой два раздельных устройства - отдельно оптический блок, и отдельно радиорелейный, что усложняет монтаж всей системы.

Остальные же модели-гибриды, основанные на Wi-Fi технологии, имеют относительно невысокую скорость резервного канала, обычно не превосходящую 20 Мбит/c. Особого внимания заслуживает гибридная система ARTOLINK M1 FE-R производства компании «Мостком», в которой используется специально откалиброванное оборудование на базе Wi-Fi радиомаршрутизаторов RAPIRA (диапазон 5.2 - 5.8 ГГц) со специализированным программным обеспечением. Такое решение обеспечивает полнодуплексную скорость передачи данных в резервном канале до 28 Мбит/с (при канальной скорости 108 Мбит/с), а также возможность плавного снижения скорости и практически отсутствующее время переключения между каналами.

Но в любом случае таких пропускных способностей недостаточно для резервирования высокоскоростного (например, гигабитного) оптического канала связи, что делает проблематичным использование данных решений требовательными операторами связи.

Глава 2. Постановка задачи и описание модели

2.1 Постановка задачи

Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что, ввиду неоспоримых преимуществ использования гибридных радио-оптических систем передачи данных, разработка таких систем является весьма перспективным направлением в телекоммуникационном секторе - как с технической точки зрения, так и с точки зрения маркетинговой. Тем не менее, на данный момент на рынке представлено лишь небольшое количество моделей гибридного FSO-RF-оборудования, в то время как существующие модели не всегда могут продемонстрировать технические показатели операторского уровня - а именно высокую пропускную способность резервного канала при относительно больших рабочих дистанциях и коэффициенте доступности канала связи.

Это открывает огромный простор для деятельности разработчиков и производителей телекоммуникационного оборудования (в том числе оборудования, основанного на АОЛС-технологии). Одним из первых этапов разработки любой системы передачи данных является модельное исследование этой системы с целью теоретического определения основных технических характеристик будущего телекоммуникационного оборудования. И данная работа затрагивает именно эту проблему.

В работе предлагается описать и исследовать модель гибридной системы передачи данных, основанной на базе лазерной и радио- технологий. При этом предлагается использовать два принципиально разных метода моделирования, а именно:

? математическое моделирование - с использованием методов теории массового обслуживания, а также известных алгоритмов из теории цепей Маркова;

? имитационное (машинное) моделирование - посредством написания специализированной компьютерной программы, имитирующей информационные процессы, происходящие в телекоммуникационной системе.

Целью данного моделирования является определение основных характеристик производительности исследуемой системы, таких как коэффициент доступности канала связи, средняя пропускная способность, доля времени использования резервного канала, средняя длина очереди и среднее время пребывания заявки (пакета данных) в системе, а также выявление зависимостей этих показателей от параметров модели.

2.2 Описание модели гибридной радио-оптической телекоммуникационной системы

Исследуемая модель гибридной радио-оптической системы передачи данных представляет собой систему массового обслуживания (СМО) с двумя возможными скоростями обслуживания (см. рис. 4). Иными словами, система может использовать два режима работы: первый режим () - когда передача данных осуществляется по оптическому (основному) каналу, и второй режим () - передача данных осуществляется по резервному радиоканалу.

Входящий поток заявок в систему - стационарный пуассоновский с параметром . Число мест для ожидания - неограниченно. При использовании k-й скорости (k-го режима) время обслуживания заявки распределено экспоненциально с параметром , . При этом , то есть пропускная способность оптического канала заведомо больше пропускной способности радиоканала.

Рис. 4: Модель гибридного канала связи

Время использования k-режима определяется погодными условиями (а именно, метеорологической дальностью видимости - МДВ) в некоторой конкретной местности, где планируется установка исследуемой телекоммуникационной системы. Далее будем полагать, что время использования k-й скорости ограниченно и характеризуется абсолютно непрерывной величиной , имеющей плотность распределения

,

представляющего собой частный случай гиперэкспоненциального распределения. Такая модель изменения погодных условий была предложена в [5] и основана на опытных наблюдениях, полученных после шести месяцев испытаний в реальных условиях гибридного радио-оптического оборудования модели ARTOLINK М1 FE-2А-R. (Конечно, такие условия, как дальность видимости, изменчивы, тем не менее, общие сезонные тенденции определяются климатической зоной, широтой и другими известными географическими параметрами местности, где планируется установка оборудования.)

Если время первого режима завершается (оптический канал становится недоступным), текущее обслуживание заявки (передача пакета) прерывается и система переходит на второй режим работы (использование резервного радиоканала). Сразу после перехода на второй режим обслуживания передача пакетов не производится. Система должна выждать время , и если за это время второй режим работы не завершился , то по истечении времени начинается обслуживание заявки (передача пакета) на второй скорости (по радиоканалу). При этом предполагаем, что заявка, обслуживание которой по оптическому каналу было прервано, обслуживается заново.

По истечении времени работы второго режима (оптический канал вновь становится доступным) система, продолжая обслуживать заявки во втором режиме (т.е. продолжая передавать пакеты по радиоканалу), отслеживает доступность оптического канала. И если оптический канал доступен в течение некоторого времени , то по завершении этого времени система начинает использовать первый режим (оптический канал). При этом заявка, в ходе обслуживания которой произошла смена режима, обслуживается заново на новой скорости.

Описанная выше модель включает в себя следующие допущения:

? экспоненциально распределенное время передачи пакета;

? пакеты при переходе с оптического канала на радиоканал не теряются;

? при смене скорости передачи пакета (смене канала передачи данных) текущая передача пакета прерывается и стартует заново на новой скорости.

Также следует отметить, что данная модель не предполагает выбора какой-то конкретной технологии радиопередачи для использования в резервном канале связи - это может быть, например, 802.11a, 802.11g, 802.11n, MMW-стандарты или любая другая технология передачи данных по радиотракту.



Глава 3. Гибридное оборудование на базе радио- и лазерной технологий

Системы связи на основе открытых атмосферных оптических линий (FSO) уже достаточно давно и активно используются в телекоммуникациях на участках "первой мили". Однако ряд присущих им недостатков не позволяет развиваться этому направлению столь интенсивно, чтобы обеспечить пропорциональное другим связным технологиям снижение цен. Казалось бы, оснащение таких систем резервным каналом только увеличивает цену - как барьер к их массовому применению. Однако это не всегда верно, что убедительно демонстрируют авторы, причем на примере отвечественного оборудования - гибридной системы с FSO и радиотрактом (Wi-Fi).

На рубеже 2000 годов многие авторитетные аналитические агентства прогнозировали большое будущее системам на базе технологии открытых оптических каналов FSO (Free space optics). К концу 2005 года общий объем этого сегмента рынка прогнозировался на уровне порядка 2 млрд. долларов. Однако жизнь внесла свои коррективы. К началу 2006 года общемировой объем продаж FSO по разным источникам оценивался от 400 до 900 млн. долларов, хотя рынок и продолжает расти с темпом 15-20% в год. Основная причина столь существенной разницы - несмотря на то, что FSO системы являются наиболее скоростными беспроводными устройствами, они обеспечивают операторскую надежность канала связи только на малых расстояниях. А из-за относительно малого объема производства цена на них остается достаточно высокой.

На пролетах, где применение FSO систем становиться экономически оправданным, надежность таких каналов связи составляет 99,9 % - 99 %. Это каналы связи длиной 0,5- 3 км , так называемая «последняя миля» телекоммуникационных сетей. Основной причиной низкой надежности является туман в котором волны инфракрасного диапазона имеют чрезвычайно высокое затухание, до 350 дБ/км. Туман, хотя и редкое, но характерное явления для большинства районов мира, за исключением нескольких особо засушливых регионов, например Лас-Вегаса. В результате основным потребителем таких систем выступает корпоративный сектор. На нем реализуется по разным данным от 65 до 80% оборудования FSO. Основные его применения: соединение офисов и корпусов большого предприятия, построение кампусных сетей. Эффективно также применение таких систем при организации скоростного доступа в Интернет. При этом необходимо только разовое вложение средств при полном отсутствии рентных платежей за аренду канала и/или частотного ресурса. Окупаемость FSO-решения на рынке США в сравнении с другими способами доступа занимает около года (рис. 5).

Рис. 5. Возврат инвестиций от различных технологий скоростного доступа по данным компании fSona.

Операторскую надежность связи любое FSO-оборудование обеспечивает на трассах короче 500 метров, поэтому на постоянной основе их можно устанавливать только на коротких пролетах, число которых не велико. Это могут, например, быть задачи по соединению базовых станций сотовой связи в густонаселенных районах, или проход через труднодоступный участок типа магистрали, водной преграды или железной дороги.

С другой стороны, поскольку на применение FSO-систем не нужно лицензии, беспроводная оптика позволяет в рекордные сроки разворачивать высокоскоростные каналы связи на участках последней мили. А уже затем, как постоянное решение, подводится волоконно-оптический кабель. Такой подход позволяет в кратчайшие сроки развернуть сеть доступа, получив тем самым конкурентные преимущества. Например, связать базовые станции сотовой связи соединительными линиями, подключить новых абонентов и дальнейшее развитие сети вести уже за счет абонентских платежей. FSO-оборудование после подведения постоянных каналов легко переносится на новое место для использования в других проектах. В результате оператору нужно ограниченное число устройств. Поэтому их рынок является по существу рынком розничных, разовых продаж.

Для увеличения объемов потребления FSO систем они должны иметь применения в постоянных сетевых решениях операторов, как оптовых потребителей оборудования связи. Например в России рассматриваются несколько проектов наложенных высокоскоростных городских сетей. Эта тема становится особенно актуальной в связи с перспективой перехода на NGN (Next Generation Network) решения - мультисервисные сети с пакетной коммутацией. Они требуют наличия широкополосных соединительных линий со скоростью передачи как минимум 100 Мбит/c при дальностях передачи в несколько километров. Для решения этих задач необходимо, чтобы беспроводное оптическое оборудование имело операторскую надежность канала не ниже 0,9999. Такие значения надежности канала FSO связи на участках первой мили могут быть достигнуты за счет применения гибридных решений. Идея состоит во введении в оптическое оборудование параллельного радиоканала. Для сохранения главных преимуществ FSO систем - отсутствия лицензирования и широкополосности, радиоканал также должен работать в диапазоне частот не требующем лицензирования и иметь высокую скорость передачи информации. В последнее время изготовители FSO оборудования начали предлагать подобные гибридные устройства. Основное их достоинство в том, что это высокоскоростное беспроводное оборудование операторского класса надежно функционирующее в любых погодных условиях.

Существует два подхода к созданию таких систем. Первый из них - использование в качестве второго канала оборудования широкополосного доступа Wi-Fi стандарта IEEE 802.11 a/b/g, работающего в разрешенных частотных диапазонах 2,4, 5,2 и 5,8 ГГц. Другой путь - применение радиорелейных систем миллиметрового диапазона в диапазоне 60 ГГц (MMW), где также не требуется разрешение.

Первый подход позволяет получить желаемую высокую надежность канала 0,9999 на трассах длиной четыре и более километров, но со снижением скорости передачи информации в плохих погодных условиях. Эффективная скорость передачи данных оборудования Wi - Fi как правило не превышает 10-15 Мбит/с. Поэтому целевой функцией при построении таких систем является уменьшение времени работы радиоканала, что определяется уже качеством FSO оборудования и длиной соединения. Преимущество такого решения - высокая экономическая эффективность повышения надежности связи. Системы Wi-Fi широко представлены на рынке и, как следствие, относительно недороги. Поэтому суммарная цена решения FSO+Radio возраствет не существенно.

Подход с использованием оборудования MMW позволяет реализовать полностью сбалансированные каналы без падения скорости передачи до скоростей 1 Гбит/с и более. Но в силу большого затухания волн диапазона 60 ГГЦ в атмосфере, особенно в дождь (существенно более частое явление чем туман), дальность связи таких гибридных систем при надежности 0,9999 ограничена 1,3- 1,5 км . Причем такой уровень надежности само FSO оборудование демонстрирует на дальностях 200- 300 метров , а 60 ГГц MMW устройства - на трассах не более 400- 500 метров . Большими недостатками таких гибридов является их цена, более чем в два раза превышающая «чистые» FSO решения, а также их ограниченная дальность.

3.1 Технико-экономические характеристики гибридного оборудования

С начала активного развития FSO технологии, пришедшегося на середину 90-х годов прошлого века, на рынке прозвучали имена более 30 фирм работающих в этом направлении. Только в России заявляли о себе около десятка различных организаций. Сегодня на рынке FSO-технологии процессы консолидации практически завершены. Основными игроками являются несколько крупнейших компаний: fSona (Канада), LightPointe, MRV, Canon (все США), PAV Data System (Великобритания), LaserBit Communication (Венгрия-США) и CBL (Германия). По нашим оценкам эти 7 компаний контролируют до 90 % мирового рынка FSO систем.

В производственной программе перечисленных компаний присутствуют модели оборудования для скоростей передачи от одного потока Е1(Т1) до 1250 Мбит/с ( Gigabit Ethernet ). Анализ динамики развития модельного ряда представляемых ими на рынке FSO -систем показывает, что общая тенденция развития оптической технологии идет по пути увеличения скорости передачи данных и «гибридизации» оборудования. На острие этих процессов находятся модели для работы в сетях Ethernet . Очевидно, это связано с активным внедрением сетей NGN с технологией коммутации пакетов. Ценовые ориентиры за единичные поставки оборудования ведущими мировыми фирмами приведены в таблице 1. Она включает в только старшие модели работающие по протоколу Fast Ethernet (100 Мбит/с), поскольку по экономическим соображениям только их и целесообразно подвергать «гибридизации».



Таблица 1. Цены на полнодуплексное FSO-оборудование ведущих производителей со скоростью передачи 100 МБит/с.

Производитель	Цена	Резервный канал	Автотрекинг	Дальность, м
fSona	» $27 . 000	no	no	up to 3000
LightPointe	$36.390	Wi-Fi	yes	up to 5000
CBL	$19.700	Wi-Fi	no	up to 2000
MRV	$22.500-25000	Wi-Fi	no	up to 3000
Canon	» $30 . 000	no	yes	up to 3000
PAV	$14 . 000	no	no	up to 2000
LaserBit	$12 . 000	no	no	up to 2500

В табл.1 отражено наличие в составе оборудования системы угловой стабилизации - автотрекинга. Она обеспечивает работоспособность канала при установке оборудования FSO на реальных опорах, которые всегда имеют угловую нестабильность. Отказы оптической линии из-за ее разъюстировки зачастую превышают время ее неработоспособности вследствие плохих погодных условий. Как видно из таблицы, введение автотрекинга заметно увеличивает дальность связи. С другой стороны это отражается и на цене.