Беспроводная оптическая связь. Мифы и реальность

1186
1186

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

444
444

Основная причина востребованности этой технологии заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях1) в инфракрасном диапазоне длин волн далеко за принятым диапазоном радиочастот (до 400 ГГц), существенно снижая таким образом административные издержки. Среди всемирно известных операторов и разработчиков телекоммуникационных сетей, принявших на вооружение беспроводную оптическую технологию — Vodafone, Sprint, Nextel, Verizon (в прошлом Bell Atlantic), Вымпелком, Motorola, Siemens. Некоторые операторы уже развернули по несколько сотен оптических систем в своих сетях. Только за последний год одна из самых успешных компаний-производителей в этой отрасли PAV Data Systems поставила в одну лишь Англию оборудования на сумму свыше 1.5 миллионов долларов США, несмотря на то, что в этой стране весьма тяжелые погодные условия для атмосферной передачи данных (частые туманы). В абсолютных значениях для всей телекоммуникационной отрасли это немного, но для зарождающегося направления это весьма заметная величина.

1) Доступные в настоящее время скорости передачи коммерческих беспроводных оптических систем составляют от 2 до 622 Мбит/с с применением всех распространенных интерфейсов локальных вычислительных сетей и цифровых сетей передачи данных. Опытные установки доказали возможность передачи данных с уплотнением по длине волны со скоростью 10 Гбит/с.

В чем же дело, в чем причина такого недоверия у нас? Разве мы находимся на другой планете, или туманы у нас гуще, чем в Англии, а снег идет сильнее, чем в Канаде? На наш взгляд, причина недоверия кроется в мифах, опутывающих технологию беспроводной оптической связи. Основной миф состоит в широко бытующем (но, как мы покажем далее, необоснованном) мнении, что качество оптических каналов находится под якобы неприемлемо сильным влиянием погодных условий. На самом деле, работа оптических каналов действительно зависит от состояния атмосферы, как, впрочем, и работа радиосистем. Но правильно рассчитанные и установленные оптические системы обеспечивают качество канала не хуже, а в условиях высоких радиопомех значительно лучше, чем радиосистемы. Это подтверждается опытом работы большого количества действующего оборудования и, как результат, интенсивным внедрением оптических систем связи в мире.

Мифы возникают не на пустом месте. Многие производители и продавцы этого оборудования, стремясь продать свой товар во что бы то ни стало, обещают невозможное — рабочие дистанции, на которых оптические каналы оказываются неработоспособными при плохих погодных условиях просто в силу физических законов. Объясняется это тем, что большинство компаний-производителей и тем более продавцов данного оборудования не имеют достоверных методик расчета качества оптического канала. В лучшем случае в спецификациях приводится допустимая рабочая дистанция для некоторых величин затуханий сигнала в атмосфере. В большинстве случаев вообще указывается только дистанция для хороших погодных условий. С практической точки зрения это слишком мало для проектировщиков. Ведь нужно иметь представление о том, как сопоставить эти величины затуханий с реальными погодными условиями в данном регионе.

Для того, чтобы прогнозировать поведение беспроводных оптических каналов с хорошей достоверностью, необходимо учесть весь комплекс конструктивных особенностей оборудования и использовать общепризнанную модель атмосферы. Сочетая опыт в области физики атмосферы с опытом в области телекоммуникаций, специалисты MicroMax Computer Intelligence, Inc. решили данную задачу, создав компьютерную программу моделирования инфракрасных систем.

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

Для примера рассмотрим энергетический запас Рэ оптического канала:
Рэ = Рпер — Рпр где: Рпер – уровень мощности излучения передатчика
    Рпр – уровень мощности излучения на входе приемника

Этот параметр для систем с интерфейсом G.703/Е1, как наиболее востребованных на российском рынке телекоммуникаций, представлен в Таблице 1.

Таблица 1
Система Рпер, дБм Рпр, дБм Рэ, дБ
SkyCell E1-T6000 24,8 -60.0 84,8
SkyCell E1-T4000 24,8 -45,0 69,8
SkyCell E1-T338 20,0 -45,0 65,0
SkyCell E1-T456 14,8 -45,0 59,8

Надо отметить, что блоки SkyCell E1-T6000 и SkyCell E1-T4000 обладают уникальными характеристиками, существенно превосходящими остальные системы, и не только от PAV. Подавляющее большинство существующих систем имеют выходную мощность не выше 50 мВт (17 дБм), а чувствительность приемника около -43 дБм. При этом производители обещают рабочие дистанции намного выше 1 км для средней полосы России. Остается только узнать — так ли это? А главное — достаточно ли энергетического запаса оптической системы в Рэ=60 дБ для работы на дистанциях выше 1 километра? Постараемся ответить на этот вопрос.

Суммарные потери Рп в канале можно оценить по формуле:
Рn = Ропт + Ратм + Рппр где: Ропт – потери оптического согласования
    Ратм – затухание сигнала в атмосфере
    Рппр – потери в приемнике

Из всех составляющих только величина Рппр не зависит от расстояния между оптическими блоками и для большинства систем находится в диапазоне от 1 до 2 дБ. Две остальные величины, кроме прямой зависимости от расстояния, зависят от телесного угла, в котором распространяется поток, размера линзы приемника (для Ропт), и от физических характеристик атмосферы (для Ратм).

В первом приближении Ропт можно определить из простого соотношения площади пятна от луча на стороне приемника к площади линзы этого приемника, т.е. это величина постоянная для каждой конкретной дистанции.

Естественное желание некоторых производителей уменьшить Ропт путем уменьшения угла расхождения луча иногда не знает меры. При очень малых углах расхождения системы становятся чувствительными к дрожанию атмосферы в жаркий период и к стабильности положения опор. Например, при допустимом уходе положения здания в 1,5 минуты (0,43 мрад) при смене сезонов, и учитывая, что допуск на точность позиционирования систем составляет около 30 секунд (0,15 мрад), на здания можно устанавливать системы с полным углом расхождения только более 1,16 мрад. Если для компенсации нестабильности опор можно применить системы автокоррекции положения, то избавиться от влияния дрожания атмосферы можно только расширяя луч. Таким образом, оптимальная величина этого угла лежит в пределах от 2 до 10 мрад. При слишком большом угле расхождения резко увеличиваются потери Ропт.

Для нормальной работы канала необходимо, чтобы:
Рэ > Рп

Посмотрим, какой величиной Ратм располагает типовая оптическая система на дистанции, например, в 1,5 километра. Принимая угол расхождения луча в 2 мрад как минимально приемлемый и диаметр входной линзы в 100 мм, путем несложных вычислений получим Ропт = 29,5 дБ. Тогда для Рэ = 60 дБ и Рппр = 2 дБ:

Ратм < Рэ — Ропт — Рппр = 60 — 29,5 — 2 = 28,5 дБ
Или: Ратм < 19 дБ/км

Что же означают величины Ратм с практической точки зрения? Совершенно очевидно, что чем больше допустимая величина Ратм, тем более суровые погодные условия может преодолеть оптическая система. Однако, пользователям само это значение говорит только о возможностях конкретной системы по сравнению с другими. В то же время, запас в 28,5 дБ на дистанции 1,5 км может оказаться мал для хорошей работы канала в Москве и вполне достаточен для Астрахани. Сложность задачи состоит в том, чтобы выяснить соответствие этой величины конкретным погодным условиям.

Выражение для Ратм слишком просто на первый взгляд:
Ратм = W • L где: L – расстояние в км
    W – удельное затухание сигнала в атмосфере дБ/км

Однако вычисление параметра W и составляет основную проблему, потому что в расчетах необходимо учитывать химический состав атмосферы, наличие аэрозолей, спектральные характеристики атмосферы. Необходимы специальные алгоритмы для описания различного типа осадков (дождя, снега, тумана) и других полупрозрачных сред (пыльные бури, смог). И все это с учетом конкретного региона, высот установки и еще огромного числа параметров, влияющих на конечное значение W. Значения W лежат в очень широком диапазоне от 0,2 дБ/км (для отличной погоды) до 350 дБ/км (для самых густых туманов).

Обладая необходимым набором инструментов для расчета, можно точно показать возможности систем уже в «прикладной плоскости». Расчеты показывают, что затуханию 19 дБ/км для типового полупроводникового DFB-лазера с длиной волны 890 нм соответствует легкий туман с видимостью 920 метров. Такие погодные условия, например, в районе аэропорта Шереметьево могут быть до 90 часов в году. Нетрудно посчитать, что коэффициент готовности канала в этом случае будет ниже 99%. Для операторов связи в Москве это неприемлемая величина, если нет резервных каналов.

Таким образом, можно сделать вывод, что уже на дистанции 1,5 км оптические системы с энергетическим запасом в Рэ = 60 дБ в Московском регионе не соответствуют требованиям операторов к качеству канала связи. Увеличить этот диапазон можно, улучшая чувствительность приемника и повышая выходную мощность систем. Среди систем SkyCell только системы начального уровня (Е1-Т456), позиционирующиеся на дистанцию до 1 км, имеют близкий к 60 дБ с энергетический запас. Все остальные его существенно превосходят.

Вообще, возможности оборудования SkyCell очень велики, а двух старших моделей просто уникальны. Они не имеют аналогов среди оптических систем других производителей.

Для примера приведем графики стойкости систем SkyCell к туману и дождю в зимнее время и вне мегаполисов (чтобы уменьшить влияние примесей в атмосфере):


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


График 2. Максимальные рабочие дистанции в зависимости от интенсивности дождя.
Где: Distance – расстояние между приемо-передатчиками в метрах
  Visibility – метеорологическая видимость в условиях тумана в метрах
  Precipitation – интенсивность осадков в мм/час

Области, находящиеся под линиями на графиках, определяют рабочие зоны оптических систем. Сами же линии означают границу, когда уровень ошибок в канале становится BER=1.0E-9.

Из Графика 1 становится очевидным, что установленная на дистанции 2000 метров система SkyCell E1-T6000 способна нормально работать при метеорологической видимости в туман около 709 метров. А как будет вести себя канал передачи вблизи этой границы? При ухудшении погодных условий сначала будет увеличиваться уровень ошибок. Значения BER ниже 1.0Е-3 будут означать, фактически, отказ канала передачи. Дальнейшее ухудшение видимости приведет к полной блокировке канала. Реально канал будет сохранять работоспособность вплоть до падения видимости до 640 метров. Поведение систем SkyCell E1-T6000 можно проиллюстрировать Графиком 3.


График 3. Уровень ошибок в канале в туман на дистанции 2 км.

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

Для получения же самого "практического" параметра — коэффициента готовности канала, необходимо иметь статистику погоды в конкретном регионе. Опыт работы MicroMax показывает, что метеослужбы с пониманием относятся к подобным запросам и оперативно на них реагируют. Зная стойкость систем ко всем вероятным на месте установке погодным явлениям, можно с высокой достоверностью прогнозировать этот параметр и гарантировать эффективную работу системы передачи данных.

Подведем же итог вышесказанному. На этапе проектирования канала атмосферной оптической связи необходимо задать четкие требования к качеству канала (определяемому коэффициентом готовности и допустимым уровнем ошибок). Исходя из таковых требований, а также анализируя статистику погоды в конкретном регионе, где планируется установка канала, и, возможно, прочие особенности объекта, квалифицированный специалист способен (и должен) помочь заказчику в правильном и тщательном выборе подходящего оборудования. Весь набор технических характеристик оборудования должен быть рассмотрен в комплексе, но, пожалуй, наиболее важным, как было показано выше, является энергетический запас системы. При таком подходе не будет последующих разочарований, а миф о нежизнеспособности атмосферных оптических систем связи развеется сам собою.

 

Статья была опубликована в журнале "Технологии и средства Связи".

 

 


 
494
494

28 февраля 2001 Г.

194
1195
1195

iXBT TV

  • Обзор корпуса Thermaltake View 71 TG RGB со стеклянными стенками

  • Обзор роликового массажера Gochu HPM-600 с инфракрасным прогревом

  • Обзор робота-пылесоса iBoto Easy Home X410

  • Настоящий титан, машинное обучение для камеры, «игровой Оскар» 2017

  • Обзор струйного МФУ Canon Maxify MB5440 с широкими возможностями для небольшого офиса

  • Обзор рожковой кофеварки Kitfort KT-703 с полуавтоматическим приготовлением капучино и латте

  • Обзор видеорегистратора с радар-детектором и GPS-модулем Slimtec Phantom A7

  • Взлом macOS, покемоны-вредители, сверхскоростной стандарт HDMI 2.1

  • Выбор системы хранения данных бюджетного игрового компьютера: HDD/SSD/Optane Memory

  • Обзор беззеркальной камеры Sony α6500 премиального класса с сенсором APS-C

  • Обзор OLED-телевизора Sony Bravia KD-55A1 на платформе Android TV

  • Обзор гладильного пресса MIE Romeo II для глажения постельного белья и одежды простых форм

456
456
997