Организация транспортной сети с использованием системы FSO

Таким образом, сложившаяся структура рынка отводит чистой FSO-технологии сегменты предприятий, решения ограниченного круга задач на малых дистанциях у операторов связи, а также применения в виде временных, резервных и аварийных каналов. Этот рынок является розничным и требует больших затрат на организацию сбытовой сети. При малом объеме выпуска продукции это сильно отражается и на цене решения. Тем не менее, данный сегмент существует и даже растет. Основными притягательными факторами являются отсутствие необходимости получать разрешения и высокая скорость канала.

Основной вектор развития FSO технологии лежит в области повышения доступности беспроводного канала. Это достигается за счет введения в состав оборудования ралиоканала для нелицензируемого диапазона. Тем более, при росте требований к скорости передачи информации только FSO и MMW системы могут обеспечивать беспроводную передачу информации на уровне гигабитных скоростей.

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

Экономическая целесообразность «гибридизации» оптической системы наступает только для продвинутых оптических систем, которые сами по себе могут обеспечивать неплохую надежность на трассах в несколько километров. В случае системы со вторым каналом построенным на технологии Wi-Fi это позволяет минимизировать время работы радиоканала и тем самым увеличить среднюю пропускную скорость и скрытность гибридного канала. При использовании MM , требования к FSO также высоки так как этот канал должен обеспечивать надежную работу системы в сильный дождь, когда не работает радиотракт.

Основываясь на этом, Государственный Рязанский приборный завод (изготовитель) и ООО МОСТКОМ (разработчик) представляют, возможно одну из лучших отечественных FSO-систем под торговой маркой ARTOLINK типа М1-FE-2N. Она оптимизирована для работы как в сетях Fast Ethernet на уровне предприятия, так и в сетях операторов различного уровня с надежностью канала свыше 0,9999 при длине соединения до нескольких километров. Это достигается следующими техническими решениями.

Объективным критерием качества FSO-соединения является время недоступности канала, которое определяется двумя главными факторами: затуханием излучения на трассе и расстройкой оптической линии. Как показывает практика для систем без автотрекинга доля времени недоступности из-за разъюстировки линии равна или даже превышает время перерыва связи из-за тумана. Наличие автотрекинга в оборудовании ARTOLINK позволяет устанавливать его на любые, даже нестабильные опоры, например на металлические вышки. После чего можно забыть о проблеме разъюстировки.

Оборудование имеет многоапертурную приемо-передающую систему, исключающую замирание сигнала на длинных пролетах. Бюджет линии более 50 дБ и малый угол расходимости излучения передатчиков обеспечивают высокую энерговооруженность системы. Устройства ARTOLINK имеют систему автоматического регулирования мощности передатчиков, которая расширяет динамический диапазон линии и увеличивает ее долговечность и безопасность. Совокупность этих решений минимизирует время перерывов оптической связи на трассах до нескольких километров.

С использованием доступной статистики, на рис. 2 приведены результаты расчета надежности оптического беспроводного канала для двух случаев. Верхняя кривая демонстрирует возможности оборудования ARTOLINK для условий его применения в центральной России. Нижняя кривая построена для этого же оборудования, но при его установке в засушливых районах, например, в Лас-Вегасе (США). Заметим, что по статистике прозрачность атмосферы на территории России значительно хуже, чем в большинстве столиц мира. Поэтому кривые для Москвы и Лас-Вегаса можно считать граничными значениями доступности канала. Реальная кривая надежности будет проходить между ними в большинстве стран мира, включая и южные районы России, .

Как видно из рисунка, в решениях уровня предприятия, по критерию надежности канала свыше 99% оборудование в условиях России может устанавливаться для доставки трафика на расстояние почти 2,5 километра . Если в качестве критерия взять среднюю надежность медных кабельных соединений (по данным Deutsch Telecom), то FSO оборудование Artolink обеспечивает соединение почти до 1,5 км , а в засушливых районах и значительно дальше - более 5 километров . Реально установленные образцы работают на трассах от 300 метров до 4,5 километров во всех климатических зонах России и за ее пределами.

Рис. 6. Номограмма недоступности канала FSO-оборудования ARTOLINK

Оборудование ARTOLINK комплектуется специально разработанным для беспроводной оптики интерфейсом с сетевым стыком 100 BASE-TX . Он обеспечивает надежную полнодуплексную передачу трафика Fast Ethernet на трассах любой длины с относительной цифровой ошибкой в период доступности канала 10Е-10 -10Е-11 . Дополнительно, он реализует такие функции как:

* интегрированный служебный канал между терминалами линии. Данные служебного канала передаются вне полосы основного сигнала и не загружают информационную магистраль;

* встроенный измеритель качества оптического канала. Используя данные служебного канала производиться постоянное автоматическое измерение ошибок в оптическом канале с частотой 8000 раз в секунду;

* широкие сервисные возможности. Программная установка шлейфов, измерение и расчет ошибок, управление параметрами сетевых соединений, встроенная память событий на 1 сутки, сигнализация.

Оборудование ARTOLINK обеспечивает возможность организации второго канала через различные устройства Fast Ethernet. В зависимости от решаемой задачи это могут быть радиорелейные линии, Wi-Fi , волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) и другие. Например, при использовании в качестве второго канала ВОЛС это позволяет организовывать эффективные решения по дублированию основной линии передачи. Для этого в оборудовании имеется функция программной установки приоритета каналов - основного или резервного.

Подключение беспроводного радиооборудования ко второму каналу позволяет реализовать полноценную гибридную систему связи (рис.2). Это резко улучшает показатели доступности канала до требований операторской надежности.

Трафик между каналами переключается по критерию качества оптического соединения. В зависимости от скорости передачи данных, которую обеспечивает второй канал, допускается настройка параметров переключения. При этом используется специальная технология плавного снижения скорости, которая позволяет улучшить алгоритмы взаимодействия оборудования с подключаемыми сетевыми устройствами. Для расширения круга решаемых задач на сигнальный стык второго каналы выводится питание ( PoE ). Параметрами его включения можно также программно управлять.

Наилучшим решением по соотношению цена-качество обладает система с резервным каналом Wi-Fi . Как каналообразующее, может быть использовано любое Wi-Fi оборудование. Однако наилучшие результаты (отраженны в табл.2) дает использование специально откалиброванного для работы с ARTOLINK оборудование класса preWi-Max типа RAPIRA.

Таблица 2. Параметры оборудования ARTOLINK различной конфигурации

Совместная калибровка позволяет решить несколько задач конфигурации гибридного канала связи.

Обычная точка доступа Wi - Fi ориентирована на сетевые, многоточечные приложения, поэтому ее программное обеспечение выполняет множество задач не нужных в конфигурации "точка-точка". Это приводит к снижению полезной пропускной способности до 6-8 Мбит/с. Специально откалиброванное оборудование RAPIRA обеспечивает полнодуплексную скорость не менее 20 Мбит/с (при канальной скорости 108 Мбит/с).

При использовании оборудования Wi-Fi в качестве холодного резерва (без излучения) время перехода на второй канал оказывается весьма существенным - до нескольких десятков секунд. Это время входит в период недоступности канала. При использовании RAPIRA используется специальный метод плавного снижения скорости и практически отсутствует время переключения между каналами.

3.3 Модернизация АОЛС серии "МОСТ"

Развитие систем "МОСТ" шло по четырем направлениям повышение потенциала излучения в зоне приема;

упрощение требований к конструкции крепления изделия на зданиях и сооружениях;

повышение защищенности оптики от воздействия самых неблагоприятных погодных условий;

расширение информационного обеспечения операторов связи о состоянии системы.

В основе первых двух направлений лежит общее техническое решение-сжатие диаграмм направленности лазерных передатчиков и включение системы автонаведения (или автотрекинга). По сравнению с традиционными решениями сужение луча до размеров 0,5 м на расстоянии 1 км повышает плотность мощности в десятки раз. Но данная схема не может функционировать без системы автоматического наведения. В то же время наличие автотрекинга упрощает способы крепления оборудования. Так, в рамках эксперимента два изделия "МОСТ" у одного из потребителей были установлены на фанерных ящиках и обеспечивали связь на расстоянии 7 км.
Работы по третьему направлению - повышение защищенности оптики от воздействия неблагоприятных погодных условий (в том числе защита от пыли и песка - завершились созданием пассивного аэродинамического кожуха, и теперь внешний вид системы "МОСТ" заметно отличается от других аналогичных изделий. Конструкция кожуха имела ряд доработок с учетом как эксплуатационных данных, так и экспериментов по аэродинамическому моделированию. В настоящее время в конструкцию добавлены электрические подогреватели экранов, которые предотвращают налипание мокрого снега на экран. Новый кожух обеспечивает непрерывное движение воздушных потоков вблизи оптических поверхностей, которые создают надежную защиту оптики от механического повреждения частицами из окружающей среды. После расширения сервисных возможностей АОЛС "МОСТ" стало возможным контролировать состояние системы не только по электрическим, но и по оптическим параметрам. Введение датчика оси диаграммы направленности позволило определять отклонение оси прибора от нужного направления (при отсутствии системы автоматического наведения) и вовремя принимать оперативные меры по устранению разъюстировки АОЛС. Внутренний служебный канал позволяет контролировать удаленный блок. Благодаря функции IP-мониторинга можно следить за работой всей системы через Интернет из центра управления.

3.4 Оборудование АОЛС - "вездеход последней мили"

Технология передачи информации через открытый атмосферный канал посредством оптической несущей (технология FSO ) в последнее время получила достаточно широкую известность среди операторов связи. Этому способствовали труды более чем 30 российских и зарубежных фирм-изготовителей, предлагающих решения на такой основе широкому кругу потребителей.

С другой стороны промышленное освоение оптического беспроводного диапазона по сравнению с другими видами связи относительно новое явление. В связи с этим еще не накоплен достаточный опыт эксплуатации этого оборудования и, соответственно, не реализованы достаточно полные технические решения в конструкции предлагаемых на рынке изделий.

Атмосфера, по сравнению с оптоволокном, является крайне неблагоприятной средой распространения световых волн. Наряду с большим затуханием, например, в случае тумана, что стало уже общим мнением, и при ясной погоде в ней присутствуют такие явления, как турбулентность, неоднородность плотности, пролетающие непрозрачные предметы, сильные посторонние засветки и другие «неприятные» факторы. Поэтому любая АОЛС должна иметь в своем составе специально адаптированный к этим условиям оптический интерфейс, обеспечивающий исключительно пакетный режим передачи информации в канале связи для всех видов потоков данных. К счастью, атмосферные неоднородности имеют не чисто случайный характер, а выраженно стохастический, что позволяет подобрать параметры интерфейса под эту среду. Большинство представленных на рынке систем имеет оптические интерфейсы, позаимствованные из кабельных технологий. Их слепой перенос в FSO -технологию приводит к серьезным проблемам при передаче информации, особенно для плезиохронных и синхронных потоков.

Второй обязательный атрибут АОЛС - система стабилизации направления связи (автотрекинг). Свои замечательные свойства, высокую скрытность и малогабаритность АОЛС получают из-за присущей только им крайне узкой диаграммы направленности излучения, составляющей у некоторых моделей всего 1-2 угловые минуты. Обратной стороной этого свойства является существенно более высокие требования к опоре, на которую крепится изделие. Это, например, делает невозможным использование таких систем на металлических вышках операторов связи и ограничивает выбор мест закрепления, особенно в условиях построения сети.

И, наконец, учитывая пространственную разнесенность блоков АОЛС, обязательной опцией в составе изделия является возможность удаленного контроля. Причем этот контроль должен отражать не столько аварийные состояния изделия, сколько оценивать состояние трассы и выдавать служебную информации о направлении связи. В этом случае можно обойтись без системы автоматической системы стабилизации связи, поскольку возможно использование «членов профсоюза» для упреждающей подстройки линии. Однако, как показывает опыт эксплуатации систем серии МОСТ, подобный подход не исключает отдельные перерывы связи, например, из-за резкого перепада температуры в выходные дни.

Наряду с этим в составе системы должны присутствовать такие сервисные функции, как оценка уровня ошибок, возможность локализации места неисправности, т.е. программное замыкание шлейфов. Кроме того желательно наличие встроенного дальномера для предварительной оценки надежности связи.

И, наконец, цена вопроса. При всех видимых достоинствах систем FSO -технологии их стоимость должна коррелировать с альтернативными решениями по организации линии связи такой же длины. Только при этом условии возможна их эффективная продажа и отсутствие нареканий со стороны потребителей.

Глава 4. Проблемы и их решения

4.1 Затухание в атмосфере

Ослабление в атмосфере обычно связывается с туманом, но может быть также вызвано низкой облачностью, дождем, снегом, мелкими частицами и их различными комбинациями. Влияние тумана на качество и дальность видимости можно увидеть на Рис. 1, который представляет ряд фотографий, полученных в Денвере, Штате Колорадо. Высокое здание на переднем плане (справа) находится приблизительно в 300 м . от камеры. Первый снимок сделан в условиях с дальностью видимости больше 2 км , как было измерено нефелометром, установленным рядом с камерой. Это соответствует 6.5 Дб/км в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн и 5% контрастности в соответствии со стандартом Всемирной Метеорологической организации ( WMO ). На снимке видны даже горы при том, что они находятся за много километров. На втором снимке виден туман, в котором измеренная дальность видимости составляет приблизительно 113 м . (115 Дб/км). Ближнее здание на расстоянии 300 м . еще видно, тогда как остальные здания и другие наземные ориентиры уже не видны. На третьем снимке, в условиях с дальностью видимости приблизительно 75 м . (173 Дб/км), ближнее здание полностью скрыто

4.2 Сцинтилляция

Атмосферная сцинтилляция может быть определена как временное и пространственное изменение интенсивности излучения в плоскости приемника, который обнаруживает сигнал от удаленного передатчика. Уровень принимаемого сигнала колеблется в результате температурных изменений показателя преломления воздуха на пути прохождения излучения. Эти изменения связаны с тем, что атмосфера воздействует на свет подобно ряду маленьких линз, которые отклоняют часть излучения, направляя его как наружу, так и внутрь канала передачи. Временной масштаб данных флуктуаций имеет порядок миллисекунд, что приблизительно равно времени, который требуется объему воздуха, соразмерному с поперечным размером луча, пересечь линию связи и, следовательно, определяется скоростью ветра.
Сцинтилляция может изменяться больше чем порядок величины в течение дня, будучи максимальной в полдень, когда температура наиболее высока. 
Некоторые эксперименты показали что, в зависимости от атмосферных условий на пути изучения, амплитуда сцинтилляционных колебаний достигает максимума, который не возрастает с увеличением расстояния.

Рис. 7. Денвер, Колорадо. Влияние тумана.

В целом, сцинтилляция вызывает быструю флуктуацию принимаемой мощности и, в самом плохом случае, приводит к высокому уровню ошибок FSO систем. Однако, на расстояниях меньше чем 1 км , большинство FSO систем имеют достаточный динамический диапазон или запас, чтобы компенсировать воздействие сцинтилляции. Кроме того, FSO системы, обеспечивающие 99.9 % или лучшую доступность, обычно имеют достаточный запас, чтобы компенсировать сильное ослабление в атмосфере и, таким образом, имеют более чем достаточный запас для компенсации сцинтилляции. Для больших дистанций связи с меньшим уровнем готовности, существенное снижение влияния сцинтилляции может быть обеспечено конструктивными решениями приемопередатчиков, такими как использование нескольких лазерных передатчиков.

4.3 Потери на окнах

Одно из преимуществ FSO систем - то, что они позволяют осуществлять связь через окна помещений без необходимости установки антенн на крыше. Это особенно выгодно для заказчиков, которые не имеют доступ к крыше здания, а также должны оплачивать монтаж необходимой

Хотя окна пропускают оптический сигнал, они все его ослабляют. Стеклянные окна без покрытий обычно уменьшают сигнал на 4 % на каждой поверхности, из-за отражения. Это означает, что совершенно чистое окно с двойным стеклом уменьшает уровень всех оптических сигналов по крайней мере на 15 % (четыре поверхности, каждая с отражением 4 %). Окрашенные стекла и стекла с покрытием могут иметь намного большее ослабление, и его величина обычно сильно зависит от длины волны.

Для установки FSO систем с высоким уровнем доступности внутри помещений рекомендуется предварительно провести измерения фактического ослабления окон, что позволит точно рассчитать качество связи. Кроме того, при планировании инсталляции на высоких зданиях необходимо соотносить влияние низкой облачности на систему установленную на крыше с уменьшением уровня сигнала, вызванным поглощением в окне, расположенным значительно ниже. Во многих случаях, ослабление окна может иметь меньший эффект на доступность линии связи

4.4 Юстировка

Один из основных проблем FSO систем - поддержание заданного направления оси приемопередатчика.

Приемопередатчики передают узконаправленные пучки излучения, которые должны попадать в приемную апертуру приемопередатчика на противоположном конце линии связи. Типичный приемопередатчик передает один или несколько световых пучков, каждый из которых составляет 5- 8 cm в диаметре непосредственно на передатчике и обычно расширяется примерно до 1- 5 м . в диаметре на расстоянии 1 км .

В добавление к этому, FSO приемники имеют ограниченный угол зрения, который может быть представлен как “конус приема” приемника и подобен конусу света, проецируемому передатчиком.

Для работы FSO системы очень важно согласование передаваемого пучка и угла зрения приемника с теми же параметрами приемопередатчика на противоположной стороне линии связи.

Несмотря на общепринятые представления, здания фактически находятся в постоянном движении. Это движение - результат ряда факторов, включая тепловое расширение, влияние ветра, и вибрации. Из-за узкой направленности излучения и ограниченного угла зрения приемника движение зданий может влиять на юстировку приемопередатчика и нарушать связь. Это влияние обычно упоминается как “движение опоры ” В большинстве обстоятельств, угловые движения (по азимуту и склонению), в противоположность прямолинейному движению, составляют основную проблему для юстировки приемопередатчика. Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное. Низкочастотное - это движение с периодом колебаний от минут до месяцев и определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Среднечастотное движение имеет период масштаба секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Высокочастотные колебания с периодом меньше чем 1 с, обычно называемые вибрацией, вызываются работой крупного оборудования (например, больших вентиляторов), деятельностью человека (ходьба, закрытие дверей). Каждый из перечисленных типов колебаний обсужден более подробно ниже.

Заключение

Последние несколько лет технология атмосферных оптических линий связи активно развивается и завоёвывает всё большую популярность в телекоммуникационном секторе. К сожалению, в других странах мира продвижение её на рынок идёт существенно более быстрыми темпами, чем в России (причём это относится не только к таким технологически продвинутым регионам, как западная Европа и США, но и ко многим развивающимся странам). Основная причина востребованности этой технологии заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях в нелицензируемом диапазоне длин волн (свыше 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, Вымпелком, Motorola, Siemens.

Но кроме неоспоримых преимуществ технология FSO имеет и свои недостатки, главный из которых - зависимость доступности канала связи от погодных условий (а именно, от метеорологической дальности видимости). Решить эту проблему призваны беспроводные гибридные телекоммуникационные системы на базе лазерной и радио- технологий. На их основе как операторы связи, так и другие потребители могут создавать скоростные каналы связи с надежностью более 99,99% на трассах в несколько километров.

Целью данной работы являлось создание научных методов исследования гибридных FSO-RF-систем передачи данных и определения их основных характеристик производительности, основываясь на принципах математического и имитационного моделирования. Следует отметить, что данная работа не предполагает выбора каких-то конкретных характеристик телекоммуникационной системы, в том числе выбора какой-то определённой технологии радиопередачи для использования в резервном канале связи.

В заключении стоит добавить, что экономическая целесообразность «гибридизации» оптической системы наступает только для продвинутых лазерных систем, которые сами по себе могут обеспечивать неплохую надежность на трассах в несколько километров. В случае системы со вторым каналом, построенным на технологии Wi-Fi, это позволяет минимизировать время работы радиоканала и тем самым увеличить среднюю пропускную скорость и скрытность гибридного канала. При использовании MMW требования к FSO также высоки, так как этот канал должен обеспечивать надежную работу системы в сильный дождь, когда не работает радиотракт.

Можно с уверенностью сказать, что беспроводные гибридные радио-оптические телекоммуникационные системы в силу своих преимуществ уже сейчас пользуются вниманием у операторов связи, и будут в значительной степени востребованы в ближайшем будущем.

Список использовавшихся источников

В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, Широкополосные беспроводные сети передачи информации, «Техносфера», Москва, 2005.

В. Вишневский, С. Кузнецов, Д. Лаконцев, С. Поляков, Гибридное оборудование на базе радио- и лазерной технологий // Первая миля, 2007, № 1.

Поляков С.Ю., Кузнецов С.Н., Беспроводная связь - вопросы выбора // Технологии и средства связи, 2007, №3, часть 2.

Кирилл Дыхов, Андрей Максимов, АОЛС - технология будущего // Вестник связи № 2 / 2006

С.Кузнецов, Б.Огнев, С.Поляков, «4,5 километра FSO-соединения с операторской надёжностью. Практические результаты» // Технологии и средства связи, №6/2008.

Ramaswami V.A. A stable recursion for the steady state vector in Markov chains of M/G/1 type // Commun. Statist.-Stochastic Models. 1988. Vol.4. P. 183-188.

Семенова О.В. Устойчивый алгоритм расчета стационарного распределения системы обслуживания BMAP|SM|1 с марковским потоком сбоев и двумя режимами работы // Автоматика и вычислительная техника. 2004. №1. С. 75-84.

Fricker C., Jaibi R. Monotonicity and stability of periodic polling models // Queueing Systems. 1994. Vol. 15. P. 211-238.

Cinlar E. Introduction to stochastic processes. New Jersey: Prentice-Hall, 1975. 400 p.

Н.А. Вязовик, Программирование на Java - Курс лекций // Интернет-Университет Информационных технологий, Москва, 2003

Scott Bloom, Eric Korevaar, John Schuster, Heinz Willebrand, Принципы работы FSO-систем // June 2003 / Vol. 2, No. 6 / JON

Приложение 1

Список интернет - источников, использовавшихся при обзоре рынка FSO-оборудования

Размещено на Allbest.ru