Беспроводные оптические системы связи

В настоящее время оптические системы связи (ОСС) находят все большее применение в современной технике.

При этом различают:

• □    проводные лазерные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), широко используемые в спецтехнике, в особенности для дальней и внутриобъектовой связи [1];

• □    беспроводные ОСС (БОСС) [2 - 15]. В данной статье остановимся только на БОСС. Среди них получили наибольшее распространение лазерные БОСС. По сравнению с радиорелейными системами связи лазерные БОСС обладают более высокой скоростью передачи информации – до 1...10 Гб/с [2]. БОСС позволяют осуществить монтаж для связи с удаленными объектами от 50 м до 4 км [3, 4] в рекордно короткие сроки (до 3 ч). Нет необходимости ни рыть траншеи, ни устанавливать столбы. Остается только доставить прибор на место, настроить и включить его. Энергопотребление терминала – не более

10 Вт. Это позволяет БОСС длительное время работать от аккумуляторной батареи. По сравнению с радиорелейными системами связи БОСС обладают большой надежностью, высокой степенью защищенности от электрических промышленных помех и от атмосферного электричества. Особенности конструкции передающего модуля исключают повреждение электрооборудования даже при прямом попадании молнии. Лазерный луч недоступен для перехвата информации.

БОСС решают следующие проблемы [2]:

• □    внутристанционную связь (передача данных телеметрии, видеонаблюдения) на сортировочных железных дорогах и в логистических центрах без дорогостоящих строительных работ;

• □    оперативную организацию внутрикорпоративных каналов связи между объектами и офисами клиента, расположенными в разных зданиях, в том числе через водные преграды,

искусственные сооружения (мост, эстакада, магистрали), оживленные улицы без необходимости прокладки кабеля;

• □    организацию стационарного и временного канала связи между погрузочно-разгрузочными терминалами, складами и диспетчерскими пунктами без дорогостоящих строительных работ;

• □    реализацию конфигурации сети типа «кольцо» и «кольцо-звезда» со скоростью передачи данных 100 Мб/с. Преимуществами проекта в городских условиях являются экологическая безопасность, защищенность клиента от шумов, наводки и перехвата информации, мобильность и возможность переконфигурации сети в зависимости от потребностей заказчика. «Лазерное кольцо» позволяет передавать информацию одновременно в нескольких направлениях. Это удобно для сообщения с абонентами в разных зданиях и обеспечивает мно-

• гократное резервирование канала связи в случае повреждения одного из участков сети. Проекты городских сетей с использованием БОСС разработаны в Лондоне, Торонто, Сиднее, Хьюстоне.

Обычным возражением против применения БОСС являются сложные метеоусловия. Но реально БОСС работают как в дождь, так и при воздействии атмосферного электричества, при воздействии любых радиопомех и вблизи высоковольтных линий электропередач. Работе БОСС может помешать только туман. Но сильный туман бывает сравнительно редко – несколько часов в году. К тому же он чаще возникает в низинах (3 – 5 этажи в городе). Лазерные БОСС обычно ставят на крышу высоких зданий. Это сводит вероятность потери связи к минимуму. Для обеспечения бесперебойной связи в самых неблагоприятных условиях оптический канал дублируется радиоканалом. Лазерный луч трудно перехватить. Для перехвата нужно как минимум определить трасcу распространения излучения на высоте 10 – 50 м, установив на пути лазерного луча полупрозрачное зеркало с точностью установки, меньшей угла расходимости лазерного излучения (а это 15'') и попробовать расшифровать записанную на физическом уровне передаваемую информацию. Для установки сигнала такой связи не требуется специальных разрешений, лицензирования и регулирования рабочих частот. Стоимость БОСС сравнительно невысока. Кроме того, не требуется вносить арендную плату за землю, столбы, существующую линию связи и за выделение частот [3].

Лазерная БОСС – это две однотипные системы, устанавливаемые в зоне прямой видимости. Для обеспечения связи необходимо:

• 1    установить антенны снаружи или внутри офиса;

• 2    установить блоки-преобразователи и соединить их с антенной оптоволоконным кабелем;

• 3    нацелить антенны с помощью специального устройства;

• 4    подключить стандартный сетевой кабель Ethernet или Е1 (витая пара) и электрическое питание (для временного канала хватит и аккумуляторной батареи).

  
  
  
  
  
  

a

в

Фото 1. Различные варианты исполнения внешних блоков БОСС (а – в) системы ArtLink, а также БОСС МОСТ 100/500 (г)

БОСС может работать автономно или под управлением персонального компьютера со специализированным программным обеспечением для анализа динамики параметров канала связи в процессе измерения. Мониторинг через IP-сети допускает определение состояния оборудования из любой точки сети Ethernet и дистанционный контроль состояния линии. Встроенный служебный канал позволяет обмениваться информацией между терминалами БОСС, не используя основной канал. Установка резервного радиоканала (Wi-Fi РРЛ) активностью не более

б

г

• 14    в год дает возможность увеличить дальность действия системы до 7 км и более при обеспечении надежности не хуже 99,99% [4].

На фото 1 представлены варианты исполнения внешних оптических блоков лазерной БОСС [4, 5]. Масса блоков не превышает 5 – 6 кг. Рабочий диапазон температур от –40... –50 до +50...+60 °С. Предусмотрена встроенная система автонаведения (автотрекинга), антиобледенения, аэродинамической защиты оптики. В системе используется полупроводниковый лазер с длиной волны

1,55 мкм. Класс лазерной безопасности – 1м. Лазерная многоцелевая оптическая система для телекоммуникаций (МОСТ), в частности, модель МОСТ 100/500 [5], используется для организации телекоммуникационных сетей интегрированного обслуживания, при организации локальных вычислительных сетей, для обеспечения доступа в Интернет, для соединения АТС между собой и пр. Ее приемо-передающие модули устанавливаются на противоположных концах трассы на высоте не менее 2,5 м. При этом минимально допустимая угловая нестабильность места установки должна быть не более 1', а погрешность установки направления связи – не более 30''. Выполнение этих требований обеспечивает в условиях средней полосы России ориентировочную дальность связи систем серии МОСТ 100/500 в соответствии с графиком рис. 1 . На рис. 2 – 5 представлены наглядные примеры применения БОСС МОСТ 100/500. Основные параметры типичных лазерных БОСС представлены в табл.1 .

Лазерная БОСС работает следующим образом [6]. Сигнал от источника информации через интерфейс (ВОЛС или «витая пара») поступает через электронный блок первого терминала, преобразуется в приемо-передающем модуле в лазерное излучение, которое модулируется в соответствии с передаваемой информацией и через атмосферу передается в приемо-передающий модуль второго терминала, далее во второй электронный блок и через интерфейс – в локальную сеть или к другому потребителю информации. Аналогичным образом сигнал передается в противоположном направлении. В лазерных БОСС угловая расходимость лазерного излучения составляет 0,5 – 5 мрад [15]. Время наработки на отказ может достигать от 104 [11, 12] до 105 ч [14]. Вероятность ошибки на бит не превышает 10-6 [13]. Точность поддержания направления связи может составлять 0,03 – 0,08 мрад [4].

По заявлению [6], лазерная БОСС STS – единственная в мире БОСС, приспособленная для установки за окнами со стеклом низкого оптического качества, в том числе когда по стеклу стекает дождевая вода и (или) оно покрыто каплями воды. За счет

Длина линии связи, м

Рис. 1. График обеспечения дальности связи с помощью БОСС МОСТ 100/500

Рис. 2. Объединение ЛВС Fast Ethernet, разделенных трудно проходимыми препятствиями (ЛЭП, автострады, железные дороги и пр.), с помощью БОСС МОСТ 100/500FE

Рис. 3. Обеспечение магистральных соединений в распределенных компьютерных сетях (100 Мбит/с) с помощью БОСС МОСТ 100/500

Рис. 4. Телефонизация отдельно стоящего жилого дома или офиса без прокладки кабеля через зону отчуждения железной дороги с потоком 2,048 Мбит High density с помощью БОСС МОСТ 100/500

Фото 2. Светодиодная БОСС

Условные обозначения

Приемопередающий модуль

Устройство внешнего интерфейса

Коммутатор (Switch)

Рис. 5. Создание телефонной сети с использованием БОСС МОСТ 100/500 в качестве ретранслятора и мультиплексора

сравнительно большой расходимости лазерного излучения (2,2; 4,4 или 5,5 мрад) система STS не чувствительна к сильной атмосферной турбулентности, вызванной нагревом предметов, над которыми проходит лазерный луч (например, нагретая солнцем крыша, индустриальные газы, система кондиционирования воздуха и пр.).

Лазерная связь

Витая пара

Кабели внутреннего интерфейса

«Тонкая» структура пропускания реальной атмосферы имеет целый ряд очень узких спектральных полос поглощения с шириной несколько десятков нм. Это соизмеримо с шириной спектра полупроводникового лазерного излучателя. Если с ней произойдет совпадение спектральной полосы поглощения атмосферы, то пропускание лазерного излучения а атмосфере может быть ослаблено в несколько, а то и в сотни раз. Это может произойти даже и при достаточно высоком среднем пропускании атмосферы в рабочей области спектра без учета «тонкой» структуры ее пропускания. Данную проблему можно решить за счет применения вместо полупроводниковых лазерных полупроводниковых светодиодных излучателей [7]. Поскольку ширина спектра излучения светодиодов в сотни раз больше ширины «тонкой» структуры полос поглощения и ширины спектра лазерного излучения, то указанные потери не будут превышать их среднего значения для данных погодных условий. Излучение светодиодов «просачивается» между узкими полосами поглощения. Поскольку излучение светодиодов некогерентно, то отсутствует интерференция, вызывающая пульсации сигнала. Угловая расходимость излучения светодиодных модулей достаточно высока (порядка 1°) и имеет равномерную диаграмму направленности. Поэтому при рассогласовании взаимного углового наведения и при «блуждании» угла прихода луча на апертуру приемного модуля из-за влияния турбулентности

атмосферы все равно обеспечивается устойчивость связи.

Светодиодные излучатели значительно дешевле лазерных, являются экологически чистыми и безвредными для человека некогерентными источниками излучения [7]. В ОКБ МЭИ [7]

создана светодиодная БОСС с дальностью действия до 7,5 км. Фирма Data Systems Ltd. [8] разработала светодиодную БОСС Model 500 – 520 с дальностью действия 0,25 км для рабочей области спектра 0,86 – 0,92 мкм при мощности излучения светодиодного излучателя 12 мВт, его угловой расходимости 11 мрад, скорости передачи 100 Мб/с, габаритах 340х180х550 мм и массе 13 кг. Однако для создания БОСС с большей дальностью действия предпочтительно применение лазерных излучателей ■