Перспективы развития и области применения атмосферно-оптических линий связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Перспективы развития и области применения атмосферно-оптических линий связи



Введение

радиорелейный атмосферный оптический связь

В связи с быстрым развитием информационных технологий вопрос простых, дешевых, защищенных систем передачи данных не отходит на второстепенный план, а наоборот, приобретает все большую актуальность в связи с ростом количества вычислительной техники, вовлеченной в производственный процесс, увеличением информационного рынка, внедрением систем распределенных вычислений. Системы беспроводной передачи данных имеют ряд преимуществ перед так называемыми системами с закрытым каналом, что обеспечивает их конкурентоспособность на рынке. Среди беспроводных систем для оптических систем передачи данных остается свободное место, ниша, в пределах которой эта технология не имеет, и вряд ли будет иметь конкурентов. Совместно с увеличением распространенности других беспроводных технологий, оптические каналы передачи данных оказываются все более и более востребованными.

Радиорелейные и атмосферно-оптические системы связи применяются как альтернатива проводным (медным или оптоволоконным) системам там, где прокладка кабеля невозможна или экономически невыгодна и там, где требуется развернуть связь в короткие сроки.

Целью курсовой работы является изучение радиорелейных и атмосферных оптических линий связи, областей их применения и освоение методик проектирования.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи: изучить принципы построения, архитектуру, технологии радиорелейных и атмосферных оптических линий связи, выполнить их сравнительный анализ, ознакомиться с методиками их расчета и проектирования.



1. Общие сведения о радиорелейных линиях связи

Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости. Ретрансляторы осуществляют прием сигнала, усиление его, обработку и передачу на следующий ретранслятор. Общая протяженность РРЛ может достигать тысяч километров.

До недавнего времени РРЛ использовали диапазоны частот от 2 до 8 ГГц и представляли собой монументальные дорогостоящие структуры. Применялись сложные и дорогие антенные опоры: мачты или башни. Громоздкая аппаратура располагалась на станциях в специальных зданиях с собственной электростанцией и жилыми помещениями для обслуживающего персонала. Такие структуры существуют и строятся в настоящее время при организации магистральных систем связи. В 1993 г. введена в строй магистральная цифровая РРЛ Санкт-Петербург - Москва, а в 1997 г. - Москва - Хабаровск. Запланировано строительство еще нескольких магистральных систем.

Однако, в последние годы, новейшие технологии и освоение диапазонов частот выше 10 ГГц, коренным образом изменили структуры и оборудование радиорелейных линий связи. Габариты и вес оборудования уменьшились в десятки и сотни раз. В типовом исполнении современная радиорелейная аппаратура состоит из наружного и внутреннего модулей, соединенных кабелем. Наружный модуль выполняется в виде моноблока весом в несколько килограмм, состоящего из приемопередатчиков и антенны. Пример конструкций наружных блоков современной отечественной аппаратуры показан на рис. 1, а на рис. 2 наружный блок зарубежной аппаратуры MINI-LINK, которая достаточно широко распространена в России.



Рис. 1 аппаратура Бист и Sandra

Рис. 2 наружный блок аппаратуры MINI-LINK

Наружный блок устанавливается на простой антенной опоре или на здании, дымовой трубе и прочих возвышенных местах. Внутренний модуль располагается в помещении, удаленном от наружного модуля на расстояние до 300 - 400 м и представляет собой настольную или настенную компактную конструкцию. Такие устройства получают массовое распространение в мире и позволяют организовывать радиорелейные линии и сети связи, передавая информацию:

· между населенными пунктами,

· внутри населенных пунктов, между отдельными предприятиями или зданиями,

· между базовыми станциями сотовой связи,

· между компьютерными центрами.

Кроме того, подобные устройства могут применяться для:

· обеспечения телекоммуникационными каналами индивидуальных пользователей,

· оперативной организации связи при различных стихийных бедствиях и катастрофах,

· организации вставок в действующие и строящиеся телекоммуникации.

Современное оборудование обладает очень высокой надежностью. На аппаратуру ведущих фирм дается время наработки на отказ до 25-30 лет. Условия распространения сигнала на интервалах РРЛ значительно отличаются от условий свободного пространства. Во-первых, электромагнитные волны могут отражаться от поверхности Земли и приходить вместе с прямой волной на вход приемника. Во-вторых, на вход приемника может приходить волна, отраженная от неоднородностей атмосферы. Взаимодействие прямой и отраженных волн приводит к изменениям уровня сигнала в приемной антенне, другими словами - к замираниям. Это обстоятельство усугубляется тем, что радиоволны распространяются по кривым траекториям, зависящим от состояния атмосферы (времени года, времени суток, погоды и пр.). Следовательно, замирания на трассе РРЛ являются случайной величиной. Помимо этих явлений, на распространение сигнала в диапазонах волн выше 8-10 ГГц, сильное влияние оказывают дождь, снег, туман, смог. Несмотря на эти дестабилизирующие факторы современные технологические решения позволяют обеспечивать надежную и эффективную связь по интервалам РРЛ. В труднодоступных местах и для специальных целей находят применение тропосферные радиорелейные линии (ТРЛ), которые работают на расстояниях значительно превышающих прямую видимость. Передача сигнала идет за счет рассеяния электромагнитной энергии в тропосфере. Вследствие того, что уровни рассеянных сигналов очень малы, мощности передающих устройств в ТРЛ составляют до 10 киловатт, применяются громоздкие антенны с размерами до 30х30 м и сложные малошумящие приемники. Протяженность одного интервала может быть 200 - 400 км. Радиорелейные каналы связи получили широкое распространение во всем мире. По сравнению с традиционными наземными медными или оптоволоконными линиями. [1]

Системы сотовой связи по своей природе являются распределенными телекоммуникационными объектами. Наибольший географический разброс по своей специфике получили элементы системы базовых станций (BSS/UTRAN), а именно сами базовые станции (BTS, NodeB). Это связано с тем, что задача базовых станций обеспечивать покрытие сигналом сотовой связи на как можно большей территории. Одним их ограничивающих факторов быстрого разворачивания сети сотовой связи является необходимость организации транспортных потоков между базовыми станциями и контроллером базовых станций. Для строительства кабельных сооружений (электрических или оптических) может потребоваться длительное время: от нескольких месяцев, до нескольких лет. Если речь идет о горной, болотистой либо другой труднопроходимой местности, то строительство кабельной линии связи может оказаться практически невозможным. Кроме того, строительство проводной линии связи требует больших финансовых затрат, что может оказаться экономически невыгодным, если требуется организовать интерфейс лишь до одной-двух базовых станций. Удобное решение в подобной ситуации предлагают радиорелейные линии связи. Строительство пролета РРЛ занимает не более нескольких дней с учетом времени необходимого на настройку и запуск. Также разворачивание радиорелейного пролета требует гораздо меньших финансовых затрат, а максимальная протяженность может достигать 50 км и более.

Рассмотрим принцип организации связи с помощью радиорелейных систем передачи. На каждом из двух концов должен быть установлен комплект оборудования для организации связи, который обычно включает в себя внутренний блок, внешний модуль и излучающая параболическая антенна. Внутренний модуль устанавливается в аппаратной, в непосредственной близости к телекоммуникационному оборудованию, либо в специальный термоизоляционный контейнер. Он выполняет задачи коммутации и мультиплексирования нескольких сигналов в один, модуляцию сигнала на промежуточную частоту, управление внешним модулем, а также отвечает за переключение на резерв, если это предусмотрено конструкцией РРЛС. Внутренний модуль может обслуживать от одного до нескольких комплектов внешнего оборудования (внешний модуль + антенна) Структура радиорелейного пролёта указана на рис. 3. Внешний модуль представляет собой преобразователь, который переносит сигнал с промежуточной частоты, полученный от внутреннего модуля на основную частоту, лежащую в пределах 6-38 ГГц. Это его главная функция. Внутренний и внешний модули соединяются, обычно, коаксиальным кабелем. После перемодуляции сигнала во внешнем модуле сигнал излучается через параболическую антенну. С противоположной стороны должен быть установлен аналогичный комплект оборудования. Обычно все современные РРЛ являются дуплексными, т.е. и передавать, и принимать сигнал они могут через один и тот же комплект оборудования.

Рис. 3 Структура радиорелейного пролета

При настройке РРЛС должна быть обеспечена прямая видимость между обеими антеннами. Сам процесс настройки носит название «юстировка». При этом путем изменения направления излучения основного лепестка для обеих антенн добиваются максимально возможного уровня приема сигнала на каждой стороне. Чем выше будет уровень принимаемого сигнала, тем более устойчив будет радиорелейный пролет к внешним метеоусловиям. Кроме того, уровень сигнала может повлиять на емкость системы, т.к. оборудование некоторых производителей предусматривает снижение емкости РРЛС при достижении некоторого минимального уровня.

Предельная дальность современных РРЛ, как правило, ограничена 50 км. Благодаря цифровому способу передачи и помехоустойчивому кодированию, они могут противостоять неблагоприятным метеоусловиям. Однако обычно для длинных пролетов вводятся некоторые ограничения: пролет должен быть максимально «чистым», т.е. между антеннами не должно быть ни каких препятствий. Кроме того, должна быть использована минимальная частота и максимальный диаметр параболической антенны. Также обычно эти РРЛС имеют уменьшенную емкость. На практике чаще используются менее длинные пролеты (протяженностью до 30 км).

В настоящее время на рынке телекоммуникационного оборудования представлено множество вариантов различных производителей, как по емкости, так и по стоимости. Существуют РРЛ, которые позволяют передавать до 500 Мбит/сек и поддерживают транспортные потоки 2хSTM-1, Fast и Gigabit Ethernet. Однако данные системы достаточно дорогие и на практике большее распространение нашли РРЛС емкостью 16 и 64 E1 потоков. Хотя системы радиорелейных линий связи и предусматривают помехоустойчивое кодирование и резервирование, они обладают меньшей надежностью, чем кабельные линии связи. Поэтому на важных интерфейсах, например BSC-MSC, RNC-MGW, RNC-SGSN и т.п., обычно применяются кабельные линии связи. Однако высокая скорость реализации и низкая стоимость позволяют говорить, что РРЛ будут и в дальнейшем применятся при строительстве систем базовых станций (BSS/UTRAN) [2].

Основные преимущества радиорелейных линий связи перед проводной связью

Благодаря своей многофункциональности, радиорелейные линии связи способны обеспечить доступ к широкополосному выходу в Интернет и к цифровой телефонии, объединять собеседников в видеоконференции и поддерживать электронный документооборот.

Там, где прокладка ВОЛС затруднена (интенсивная городская застройка или удаленная от магистральной связи сельская местность), преимущество РРЛС особо актуально. Стоит отметить, что бесспорным плюсом радиорелейных линий связи является возможность передавать сигнал над водными объектами и транспортными магистралями.

Неоспоримым преимуществом РРЛС является менее затратная установка оборудования, высокая эксплуатационная рентабельность, при этом время на развертывание уходит гораздо меньше, чем ВОЛС. Простота сооружения радиорелейных линий связи при невысоких затратах на эксплуатацию и строительство, а также возможностью оперативного разрешения проблем развития и реконструкции сети без дополнительных капитальных затрат позволяют с уверенностью сказать, что качество передачи информации по таким линиям связи практически не уступает ВОЛС. [3]

Основные недостатки радиорелейных линий связи

Принято считать, что основным недостатком радиорелейных линий связи является их относительно невысокая надежность по сравнению с ВОЛС.

Тем не менее нельзя не упомянуть о недостатках, сопровождающих установку и эксплуатацию ЦРЛС. Как известно, радиочастотный ресурс ограничен, поэтому иногда достаточно сложно получить разрешение на эксплуатацию радиорелейной линии из-за условий обеспечения отсутствия помех другим станциям. На небольших расстояниях оптимальным вариантом является использование более высокочастотного оборудования, поскольку с повышением частоты снижается дальность связи, и уже при меньшей удаленности ЦРЛС друг от друга взаимное влияние исключается.

Другой минус - замирания. Их можно свести к минимуму грамотным проектированием линии связи, применением эффективных антенн и оборудования. Еще один и, возможно, главный недостаток - достаточно высокая цена на оборудование. Однако не следует забывать, что дальнейшие расходы на эксплуатацию ЦРЛС незначительны, в отличие от других способов связи, где необходимо выделять средства для обеспечения сохранности кабельных или оптоволоконных линий связи либо оплату аренды цифровых каналов. К недостаткам так же можно отнести: ограниченную дальность одного сегмента, не превышающую 100 км не только из-за энергетики, но и из-за влияния кривизны земли на обеспечение прямой видимости (исключение - ТРЛ), зависимость качества связи от времени года и времени суток. [4]

Характеристика радиорелейных систем передачи прямой видимости

Радиосистема передачи, в которой сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретрансляционных станций, называется радиорелейной системой передачи РРСП. Цепочка радиорелейных станций образует радиорелейную линию связи РРЛС. Сигналы от первой станции принимаются второй, усиливаются и передаются далее к третьей станции, там вновь усиливаются и передаются к четвертой станции и т.д.

Станции, которые устанавливают на конечных пунктах РРЛС и предназначенные для введения и выделения передаваемых сигналов электросвязи, называют оконечными радиорелейными станциями ОРС, станции ретрансляции называются промежуточными радиорелейными станциями ПРС. На отдельных станциях осуществляется ответвление части сигналов для передачи в другом направлении или частичное выделение сигналов для передачи потребителям. Такие станции называются узловыми радиорелейными станциями УРС.

Аппаратура РРСП состоит из каналообразующей аппаратуры КОА, радиопередатчиков, радиоприемников и антенно-фидерных трактов. Один приемопередающий комплекс обычно может пропустить несколько сотен, а в ряде случаев и тысяч телефонных сигналов, или один телевизионный. В тех случаях, когда РРСП предназначена для передачи большего числа сигналов, она образуется несколькими приемопередающими комплексами, работающими в одном направлении на различных частотах. Каждый из таких комплексов сверхвысокочастотных приемопередатчиков принято называть стволом. На ОРС с помощью КОА формируется группой сигнал из нескольких исходных сигналов. Он является модулирующим для несущей частоты f1. Модулированный радиосигнал с выхода радиопередатчика через разделительно-полосовой фильтр РПФ подводится к антенне и излучается в сторону ближайшей РПС. Без РПФ обойтись нельзя, так как на одну антенну, как правило, работают одновременно несколько радиопередатчиков разных стволов.

Радиосигнал, принятый антенной ПРС, вновь поступает на РПФ, который теперь выполняет функцию распределения сигналов каждого радиопередатчика на вход «своего» радиоприемник. Радиосигнал, пройдя РПФ, усиливается в радиоприемнике и радиопередатчике. При этом осуществляется преобразование частоты радиосигнала f1 в частоту f2. После преобразования радиосигнал излучается антенной в направлении следующей станции. На УРС между радиоприемниками и радиопередатчиками включается КОА, позволяющая выделить или дополнительно ввести часть сигналов.

Процесс приема радиосигналов на ОРС не отличается от рассмотренного на ПРС или УРС. С выхода радиоприемника групповой сигнал поступает на вход каналообразующей аппаратуры, которая осуществляет разделение сигналов для соответствующих потребителей. Ими обычно являются междугородная телефонная станция, телецентр, междугородная вещательная аппаратная. По пропускной способности различают следующие РРЛС: многоканальные, с числом каналов ТЧ свыше 300; средней емкости - от 60 до 300 каналов ТЧ; малоканальные - меньше 60 каналов ТЧ. По области применения РРЛС делятся на магистральные, протяженностью 10… 12 тысяч км, зоновые - республиканского и областного значения, местные. Магистральные РРЛС являются многоканальными, зоновые имеют среднюю емкость, а местные - малоканальные. По способу разделения каналов РРЛС могут быть с частотным и временным разделением каналов, а по диапазону используемых частот - дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Радиорелейные системы передачи прямой видимости

Чтобы обеспечить радиорелейную связь в пределах прямой видимости, необходимо поднять антенны над уровнем земли на башнях или мачтах. Высоты антенных опор в зависимости от длины и профиля каждого пролета между соседними станциями могут достигать 100… 120 м. Когда станция расположена на естественной возвышенности, антенны могут быть установлены на крыше здания, в котором находится приемопередающая аппаратура.

Длина пролета между соседними РРС обычно 30… 70 км. В диапазонах частот выше 8 ГГц это значение может уменьшаться с повышением частоты. В отдельных случаях длина может быть уменьшена до 20… 30 км из-за необходимости размещения РРС в заданном пункте, а также когда на трассе РРЛ имеется препятствия.

Коэффициент усиления ретранслятора ПРС с учетом запаса на замирания сигнала составляет 160… 200 дБ (при коэффициенте усиления каждой из двух антенн 30…46 дБ). Мощность передатчика РРС 0,3… 10 Вт, коэффициент шума приемника 7…10 дБ (в варианте с малошумящим усилителем 3… 5 дБ). Наибольшее распространение получили магистральные РРСП в диапазонах частот 4 и 6 ГГц и внутризоновые в диапазонах 2 и 8 ГГц. Магистральные РРСП - многовольтные, число дуплексных радиостволов, организуемых на участке РРЛ, в одном диапазоне частот достигает восьми. Для автоматического резервирования стволов обычно используют несколько рабочих (2… 7) и один резервный стволы.

Радиорелейные системы передачи прямой видимости формируются с помощью комплексов оборудования, называемых радиорелейными станциями связи прямой видимости РРСС. В состав РРСС входят: антенно-фидерные устройства; приемопередающая аппаратура; оконечная аппаратура телефонных, телевизионных и цифровых радиостволов; аппаратура систем автоматического резервирования стволов; аппаратура служебной связи, телесигнализации и телеуправления; оборудование систем гарантированного электропитания и оборудование жизнеобеспечения РРС.

Радиорелейные системы передачи служат для создания типовых каналов и трактов между сетевыми станциями и узлами связи. Совокупность РРСП или линейных трактов, действующих на определенной трассе и использующих одни и те же антенные опоры, станционные сооружения, первичные источники электроэнергии и вспомогательные устройства, называется радиорелейной линией связи. На РРЛ действуют не только системы передачи, но и отдельные линейные тракты, связанных с особенностью передачи телефонных сигналов, для которых преобразовательная аппаратура должна располагаться на междугородной телефонной станции. Линейный тракт может быть чисто радиорелейным, когда он образован с помощью телефонного ствола и пассивных кабельных соединительных линий, либо комбинированным, когда кроме радиорелейного тракта включают кабельные линейные тракты большой протяженности.

В отличие от телефонного ствола, телевизионный ствол в совокупности с пассивными кабельными линиями образует систему передачи, включающую преобразовательную аппаратуру и линейный тракт.

Структурная схема РРСП прямой видимости не отличается от РСП других типов.

С помощью РРСП обычно передают очень широкополосные сигналы, например телевизионные или большие группы телефонных сигналов. Качественная передача таких сигналов возможна только в диапазонах дециметровых и более коротких волн. Известно, что радиоволны этих диапазонов могут устойчиво распространяться лишь в пределах прямой видимости между пунктами передачи и приема. Если наземные станции размещаются одна относительно другой на расстоянии прямой видимости между антеннами этих станций, то такая система называется РРСП прямой видимости. При высоте антенны 40… 50 м расстояние между станциями обычно не превышает 40… 50 км.

Ограниченность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как сугубо отрицательный фактор. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между РРСП внутри одной страны или разных стран.

Кроме того, следует подчеркнуть, что в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Возможность создания антенн с очень узкой диаграммой направленности позволяет использовать в этих диапазонах радиопередатчики малой емкости.

Тропосферные радиорелейные системы передачи

Тропосфера - это нижняя часть атмосферы Земли. Ее верхняя граница находится на высоте примерно 10… 12 км. В тропосфере всегда есть локальные объемные неоднородности, вызванные различными физическими процессами, происходящими в ней. Радиоволны диапазона 0,3… 5 ГГц способны рассеивать этими неоднородностями. Учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте, нетрудно представить, что рассеянные ими радиоволны могут распространяться на сотни километров. Это дает возможность расположить станции на расстоянии 200 400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости.

Тропосферной радиорелейной системой передачи ТРРСП называется такая РРСП в которой используется рассеяние и отражение радиоволн в нижней области тропосферы при взаимном расположении станций за пределами прямой видимости. Линии связи, оборудованные ТРРСП, подобно РРЛС прямой видимости состоит из ряда станций ОРС, ПРС, УРС. Такие линии строятся, как правило, в труднодоступных и удаленных районах страны, где сложно и дорого строить РРЛС прямой видимости. Значительные расстояния между ПРС, безусловно, выгодны при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако специфика образования электромагнитного излучения в точке приема такова, что приходится сталкиваться с рядом трудностей в процессе приема радиосигналов. Во-первых, в процессе распространения радиоволн возникают глубокие замирания радиосигнала, что объясняется неустойчивостью пространственно-временной структуры тропосферы и многолучевостью радиосигнала (в одну точку приема приходят лучи от многих неоднородностей). Во-вторых, радиосигнал в точке приема очень ослабленный - ведь антенна улавливает только ничтожную долю энергии, рассеянной на неоднородностях. Ослабление сигнала компенсируется использованием мощных радиопередатчиков и радиоприемников с высокой чувствительностью. С глубокими замираниями бороться сложнее.

Наиболее часто применяемый способ это так называемый разнесенный прием. Различают пространственное и частотное разнесения. При пространственном разнесении прием ведется на две антенны, установленные на некотором расстоянии друг от друга. Антенны разносятся в направлении, перпендикулярном трассе линии. Частотное разнесение осуществляется за счет одновременной передачи сигналов электросвязи на двух частотах. Одновременная реализация пространственного и частотного разнесения получила название счетверенного приема. Характер замираний радиосигналов на разных частотах неодинаков. Другими словами, если на одной частоте наблюдаются замирания, то на другой их может и не быть.

Несмотря на применение столь сложной схемы приема, полностью избавиться от замираний и искажений передаваемых сигналов не удается. Особенно затруднена качественная передача широкополосных сигналов, например, телевизионных. Число телефонных каналов, образуемых по ТРРСП, не превышает 120.

Использование мощных радиопередатчиков, чувствительных радиоприемников в сочетании со сложной схемой разнесенного приема, в целом, повышает стоимость оборудования отдельных станций. Однако общая стоимость тропосферных РРЛС зачастую даже ниже по сравнению с РРЛС прямой видимости благодаря сокращению в 5-10 раз числа промежуточных станций.

Наряду со счетверенным приемом для борьбы с замираниями в последнее время используют специальные комплексы по обработке сигналов[5].

2. Общие сведения об атмосферных оптических линиях связи

Система FSO

FSO (Free Space Optics) \ АОЛС (Атмосферная Оптическая Линия Связи) \ Wireless Optic - такой вид оптической связи, при котором электромагнитные волны оптического диапазона (свет) передаются через атмосферу или даже вакуум. На Рис. 4. Показано использование оптической сети для подключения к сети Интернет.

Рис. 4 Использование оптической сети для подключения к Интернету

Назначение оптических сетей - соединить беспроводным способом две точки в сеть и передавать данные на высокой скорости между ними. Поэтому существует множество вариантов использования АОЛС, среди которых:

· создание локальной сети доступа к Интернету;

· построение «последней мили» в сетях широкополосного доступа;

· телефония - соединение телефонных станций;

· соединение центров обработки данных для передачи информации;

· соединение серверов с автоматически управляемыми производственными комплексами на предприятиях;

· соединение серверов видеонаблюдения с конечной видеоаппаратурой (в т.ч. HDTV);

· соединение базовых станций в сетях мобильной связи и т.д.

Оптические системы отлично подходят для развертывания Интернет-сетей, в том числе для построения «последней мили», которая является головной болью многих провайдеров. Некоторые операторы используют для борьбы с проблемой «последней мили» технологию Ethernet, радиосвязь, коаксиально-кабельную сеть и проч. Но все эти варианты имеют свои существенные минусы. В последнее время провайдеры стали все чаще обращаться к технологии АОЛС / FSO, которая позволяет соединить провайдерское оборудование с конечным пользователем эффективно и надежно. [6]

Факторы окружающей среды

Работа канала связи FSO системы прежде всего зависит от климатических условий и физических характеристик места установки. В целом, погодные условия и параметры установки, воздействующие на видимость, оказывают влияние и на качество связи FSO системы. Типичная FSO система работоспособна на расстоянии в два-три раза превышающем расстояние прямой видимости в любых условиях окружающей среды. Главные факторы воздействующие на ее работу включают атмосферное поглощение, сцинтилляцию, потери на оконных стеклах, наклоны или движение здания, солнечная засветка и перекрытие прямой видимости.

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. 5, 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.

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.

(а)	(б)	(в)

Рис. 5. Денвер, Колорадо. Влияние тумана. (а) - 113 dB/k km (б) - 6.5 dB/km (в) - 173 dB/km

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.

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

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.

Низкочастотные колебания

Температурные градиенты приводят к изгибу и скручиванию зданий. Амплитуда этих деформаций очень сильно зависит от размеров здания, их формы и конструкции. Это движение настолько малое и медленное, что идет незаметно для жителей зданий. Была показана корреляция, существующая между низкочастотным движением и ежедневными температурными изменениями. Как и ожидалось, отклонение имеет тенденцию к увеличению с высотой здания и может быть существенно для оборудования, установленного на крыше даже для невысоких зданий. Кроме того отмечено, что данные отклонения влияют больше на углы возвышения, чем на азимутальные углы.

Колебания средних частот

Данные виды колебаний вызываются ветром и могут быть весьма существенны для высоких зданий. К счастью, устойчивость зданий при сильных ветрах - обычно основная цель при проектировании небоскребов. Таким образом, данные колебания могут быть вызваны только очень сильным ветром и, вероятны, только на высоких зданиях. Прерывание связи у FSO систем по данной причине будет кратковременным, поскольку по прекращении порыва ветра здание возвращается в исходное положение. Приемопередатчики с достаточно широким пучком, а также с достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения способны компенсировать даже эти редкие и сильные отклонения без прекращения связи.

Высокочастотные колебания

Высокочастотные колебания вызываются вибрацией, имеют частоту выше нескольких герц и сильно зависят от способа установки терминала FSO. Установка на этаже, стене или крыше (то есть на поверхности кровли или парапетной стенки) может дать весьма различающиеся уровни колебаний. На Рис. 6 представлены графики спектральной плотности мощности вибрации для нескольких зданий, включая два крепления на крыше (поверхности кровли), два высоких административных здания (крепление на этаже), и невысокое деревянное здание (крепление на этаже). Кривые показывают большой разброс в амплитудах вибрации от здания к зданию. Кроме того, величина вибрации зависит от действий жителей (например, ходьба, закрытие дверей) и может сильно меняться в течение некоторого времени для одного здания. Интересно отметить, что почти все интегрированное движение находится в пределах полосы частот ниже 10 Гц. Измерения показали, что максимум углового отклонения из-за вибрации с частотой выше 1 Гц, редко превышает 1 мрад, и во многих случаях редко приблизится к половине этого значения. Однако, установка оборудования должна быть тщательно спланирована таким образом, чтобы не усиливать колебания, испытываемые FSO терминалом.

Ухудшение связи из-за колебаний опоры

Движение опоры может вызывать прекращение связи двумя способами: за счет увеличения геометрических потерь при ошибке прицеливания и / или большими потерями на поглощение в приемной системе, вызванными неверным наведением. Геометрические потери - это оптические потери на пути от апертуры передатчика в апертуру приемника. Ошибки наведения лазерного луча в приемную апертуру противоположного терминала (пространственный угол связи) увеличивают геометрические потери. Потери на приемнике - это отношение мощности сигнала в плоскости приема к мощности, попадаемой в активную зону приемника. Потери данного типа растут по мере смещения пятна принимаемого излучения от центра приемника и могут выражаться как ошибка наведения. По достижении ошибки наведения величины, равной половине угла зрения приемника, эти потери резко возрастают.

Имеются два подхода к компенсации влияния колебаний опоры: системы без наведения и системы с автоматическим определением направления и наведением. При проектировании системы без наведения стремятся оптимизировать угол расходимости передатчика для уменьшения геометрических потерь и согласования с углом зрения приемника, чтобы отработать движение опоры. Системы с автоматическим наведением (автотрекингом) могут в значительной степени компенсировать колебания опоры до того, как они скажутся в ошибках наведения. Это дает возможность иметь малые геометрические потери (за счет узконаправленных передатчиков), а также низкий уровень потерь на приеме (даже при малых углах зрения приемника). В связи с тем, что системы с автотрекингом значительно более сложны и дорогостоящи, выбор между ними и системами без автонаведения заставляют пользователя выбирать между качеством связи и стоимостью решения.

Рис. 6. Спектральная плотность мощности измеренной вибрации

В целом, ошибки наведения и прицеливания должны определяться комбинированным движением опоры (как описано выше) с использованием таких критериев как исходное поле ошибок отклонения (для систем без автонаведения), ошибки соосности и тепловой дрейф.

В Таблице 1 приведены бюджеты ошибок наведения и слежения для FSO - терминалов без автонаведения и с ним. Движение опоры, которое должно быть компенсировано системой наведения рассматривается как функция от частоты перемещения опоры. Колебания разных частот не являются независимыми. Следовательно, бюджет, напрямую добавляемый к компонентам движения опоры можно использовать как увеличение низкочастотных колебаний при малом уровне колебаний средней и высокой частоты.



Таблица 1. Бюджет ошибок наведения и слежения для FSO - терминалов

Источник ошибок	Ошибки наведения	Ошибки слежения
	Без автотрекинга	С автотрекингом	Без автотрекинга	С автотрекингом
Исходная расстройка	0.2	Отсутствует	0.2	Отсутствует
Несоосность приемника и передатчика	0.2	0.05	Отсутствует	Отсутствует
Температурный дрейф	0.1	0.02	0.1	0.02
Низкочастотные колебания	1.5	0.01	1.5	0.01
Колебания средней частоты	0.5	0.02	0.5	0.02
Высокочастотные колебания	0.5	0.05	0.5	0.05
Всего	3	0.15	2.8	0.1

Перечисленные виды нестабильности опоры можно суммировать в некоторые правила, позволяющие оценить в каких случаях возможно влияние данных факторов:

*Низкие (меньше 3 этажей) каменные здания обычно движутся меньше чем высокие здания или деревянные сооружения.

* Перемещение приемопередатчика может быть более существенным, чем движение здания.

* Меньше 15% зданий отклоняются более чем на 4-мрад за годовой период.

* Менее 5% зданий отклоняются более чем на 6-мрад за годовой период.

* Менее 1% зданий отклоняются более чем на 10-мрад за годовой период.

Влияние Солнца

В FSO - системах используются высокочувствительный приемник в сочетании с линзами большой апертуры. В результате естественное освещение может потенциально воздействовать на прием сигнала. Это особенно сказывается в случае высокой интенсивности фонового излучения за счет солнечных лучей. В некоторых случаях прямое солнечное излучение может вызвать перерывы связи на период до нескольких минут, когда Солнце попадает в поле зрения приемника. Однако такие случаи легко предсказуемы. В том случае, когда не удается избежать прямой засветки, работа системы может быть улучшена за счет сужения угла зрения, а также применения узкополосных световых фильтров. Важно также помнить о возможном воздействии солнечных лучей, отраженных от различных стеклянных поверхностей.

Конструкция приемопередатчика

Оптимальная конструкция FSO систем сильно зависит от требуемой стоимости также как и от дистанции, доступности и скорости передачи для конкретного приложения. Не смотря на установленные ограничения, зависящие от приложения, командой разработчиков должны быть приняты фундаментальные решения, серьезно влияющие на конструкцию приемопередатчиков. Эти фундаментальные решения включают характеристики передатчиков, определение необходимости наличия автотрекинга, выбор одно - или многоапертурных приемников и передатчиков, способы согласования излучения.

Характеристики передачи излучения

Как правило, все современные коммерческие FSO - системы работают в ближнем инфракрасном диапазоне волн от 750 до 1600 нм, единицы систем работают на 10,000 нм. Физические свойства оптического излучения и его прохождение через атмосферу практически одинаковы для видимого и ближнего инфракрасного диапазона длин волн., однако есть ряд серьёзных факторов, влияющих на выбор длины волны разработчиками.

Атмосферные окна прозрачности

Важно отметить, что, не смотря на высокую прозрачность атмосферы в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, определенные длины волн (или даже полосы) имеют сильное поглощение. Поглощение в ближней ИК области обусловлено в основном частицами воды (т.е. влаги) всегда присутствующими в атмосфере даже в ясную погоду. Вклад абсорбции газами (CO x или NO x) в общее поглощение можно не учитывать в силу того, что их коэффициенты поглощения значительно меньше чем у воды. В то же время в длинноволновой ИК области (>2000 нм) газовая абсорбция может доминировать. Рис. 7 показывает поглощение в атмосфере в ясную погоду (дальность видимости больше 10 миль) для различных длин волн в ближнем ИК диапазоне (от 0.7 до 1.5 мкм), полученное с помощью программы MODTRAN, разработанной для исследования пропускания атмосферы. Существует несколько «окон прозрачности» (имеющих поглощение менее 0.2 дБ/км) в диапазоне 700-10000 нм. Эти участки волн включают определенные длины волн на которых работает подавляющее большинство FSO - систем: 780-850 нм и 1520-1600 нм.

780-850 нм. Эти длины волн подходят для работы FSO - систем и целый ряд производителей предлагает мощные лазеры, работающие в этом диапазоне длин волн. На длине волны 780 нм работают лазеры, использующиеся в CD - приводах, однако при проектировании систем необходимо учитывать срок службы данных лазеров (к примеру, работа лазеров на мощности, значительно меньшей максимально допустимой позволяет существенно увеличить срок их службы). В районе 850 нм широко распространены высокоскоростные приемные и передающие компоненты, обычно используемые в сетях и передающем оборудовании. В этом диапазоне могут быть использованы высокочувствительные кремниевые лавинные фотодиоды (APD) и лазеры с вертикальной излучающей поверхностью (VCSEL). Возможным недостатком является возможность перехвата излучения с помощью приборов ночного видения, однако демодуляция сигнала с помощью этой техники невозможна.



Рис. 7 Расчетная (с помощью MODTRAN) зависимость затухания излучения в атмосфере в ясную погоду

1520-1600 нм. Эти длины волн хорошо подходят для FSO - применений и к настоящему времени доступны высококачественные компоненты для приема и передачи излучения. Сочетание малого затухания и высокого качества электронных компонентов для данного диапазона позволяет создавать FSO - системы с волновым мультиплексированием (WDM). Однако указанные компоненты стоят дороже, приемники обладают меньшей чувствительностью малыми размерами приемной площадки по сравнению с кремниевыми ЛФД-приемниками, работающими на 850 нм. Как уже было сказано, этот диапазон длин волн применяется в волоконно-оптических системах при работе на большие расстояния и много компаний работает над снижением стоимости и увеличением скорости компонент в области 1200-1600 нм. Кроме того, на этих длинах волн работают эрбиевые усилители (EDFA), что очень важно для создания мощных (>500 мВт) и высокоскоростных (> 2.5 Гбит/с) систем. В заключение отметим, что в диапазоне 1520-1600 нм по сравнению с диапазоном 780-850 нм, может быть передано в 50-65 раз больше мощности для того же класса лазерной безопасности, ввиду меньшего поглощения человеческим глазом излучения для этих длин волн.

10000 нм (10 мкм). Этот диапазон длин волн относительно нов для коммерческих FSO - систем и планируется к применению вследствие меньшего поглощения данного излучения дымными средами. Сейчас широко обсуждается эффективность данного явления, поскольку оно очень сильно зависит от вида дыма и его протяженности. На рынке присутствуют компоненты для построения систем на 10 мкм, но они обычно не используются в телекоммуникационном оборудовании. Кроме того излучение 10 мкм не проходит через стекло и поэтому невозможна установка данного оборудования внутри помещений. С другой стороны, слабое пропускание стеклом означает невозможность его концентрации оптическими приборами (например, биноклями), что позволяет работать с большими мощностями без ограничений по безопасности. Далее, следует рассмотреть скорость работы FSO - систем с точки зрения атмосферного распространения излучения разных длин волн в условиях сильного задымления. До недавнего времени считалось, что чем больше длина волны, тем больше возможная дистанция связи. Однако, недавние исследования показали, что свыше 780-1600 нм поглощение за счет сильного задымления практически постоянно и, фактически, нет никаких преимуществ вплоть до миллиметрового диапазона. В то же время, огромное количество исследований показывает, что излучение 10 мкм распространяется лучше в условиях тумана и сильного дыма. Однако данные условия обычно не составляют проблем для качественно спроектированных передатчиков FSO - систем на дистанциях, типичных для их коммерческого применения. Следовательно, реальное улучшение сильно зависит от типа дыма и его протяженности. Стандартные модели атмосферного рассеяния, использующие теорию Ми или различные расчетные средства, такие как MODTRAN не показывают улучшения работы на 10 мкм. Даже когда центр распределения радиусов частиц дыма меньше 5 мкм, вклад верхней части распределения (когда рассеяние пропорционально квадрату радиуса частиц) не показывает какого либо преимущества на данной длине волны.

Передатчики

Источник модулированного света, которым обычно является лазер или светодиод (LED), обеспечивает передачу оптического сигнала и определяет все передающие свойства системы. Только приемное устройство вносит столь же важный вклад в качество системы. Для телекоммуникационных приложений, при частоте модуляции от 20 Мбит/с до 2,5 Гбит/с только лазеры отвечают требованиям, предъявляемым рынком. Кроме того важен способ модуляции и уровень мощности модулированного излучения. Лазеры, работающие в спектральных диапазонах 780-925 нм и 1550-1580 нм отвечают частотным требованиям и широко представлены на рынке. Хотя излучатели на других длинах волн также используются в коммерческих FSO - системах, наше рассмотрение будет посвящено лазерам, работающим на длинах волн 850 и 1520 нм. Работающие в этом диапазоне FSO - системы должны иметь следующие характеристики:

* Высокие уровни мощности излучения (важно для FSO - систем на длинных дистанциях);

* Высокоскоростная модуляция (важно для высокоскоростных систем);

* Небольшие габариты и потребляемые мощности (важно для общего проектирования систем и их эксплуатации);

* Возможность работы в широком температурном диапазоне без существенного ухудшения параметров связи (для систем внешнего исполнения);

* Среднее время наработки на отказ (MTBF) не менее 10 лет.

Для удовлетворения перечисленным требованиям, производители FSO - систем обычно используют лазеры с вертикальным резонатором (VCSELs) для ближней ИК области и лазеры с резонатором Фабри-Перо или с распределенной обратной связью для дальней ИК-области длин волн. Другие типы лазеров, как правило, не подходят для использования в высокоскоростных системах.

VCSEL лазеры

VCSEL - лазеры (850 нм) активно развиваются благодаря их применению в телекоммуникациях и имеют много притягательных особенностей. Эти лазеры вызвали революцию на рынке передающих компонентов благодаря их невысокой стоимости и преимуществам, недоступным ранее применявшимся технологиям. Основные преимущества - способность работать на высоких скоростях при среднем уровне мощности несколько милливатт и высоких значениях срока службы. Доступность связи определяется именно средним, а не пиковым значением мощности излучения. Поскольку на длинах волн 850 нм VCSEL лазеры дешевле их альтернатив, именно этот диапазон длин волн доминирует в недорогих FSO - системах, поскольку в коммерческих системах требуемые скорости передачи не превышают 1 Гбит/с. Благодаря высокой эффективности этих лазеров не ставится вопрос о рассеянии тепла и не требуется активное охлаждение. Кроме того, их излучение имеет круговую, а не эллиптичную форму. Такая форма пучка прекрасно согласуется с оптическим волокном, что упрощает процедуру согласования излучения с волокном и существенно повышает его эффективность. Успех VCSEL лазеров настолько велик, что многие производители уже сейчас могут поставить лазерные структуры на 850 нм с прямой модуляцией на частоте, достигающей 3 Гбит/с. Продемонстрирована возможность модуляции до 10 Гбит/ c, есть коммерческие решения для ОС-48 (STM -16) и 10-Гигабит Ethernet.

Лазеры с резонатором фабри-перо и распределенной обратной связью

Лазеры данного типа, представляющие собой полупроводниковые структуры InGaAs / InP и работающие на длинах волн в области 1550 нм, были разработаны специально для волоконно-оптических телекоммуникаций ввиду малого поглощения оптическим волокном излучения в данном диапазоне. Эти лазеры отличаются высокой частотой модуляции, стабильностью длины волны излучения и большим сроком службы. Сегодня маломощные лазеры с распределенной обратной связью продемонстрировали прекрасные частотные характеристики и удовлетворяют самым строгим требованиям телекоммуникационной индустрии.