Атмосферные оптические линии связи с повышенной помехоустойчивостью

АВТОРЕФЕРАТ

Автор: Михайлов И.В.

Актуальность темы

Одной из основных проблем при построении современных цифровых сетей передачи данных (это могут быть ЛВС, стационарные телефонные сети, сети операторов сотовой связи и т.д.) является проблема выбора каналообразующего оборудования. Один из перспективных, но в то же время малоисследованных вариантов - использование технологии беспроводной связи — АОЛС (атмосферных оптических линий связи, или FSO – Free Space Optics). В пользу технологии АОЛС свидетельствуют следующие характеристики:

• скорость передачи данных может достигать нескольких Гбит/с
• частота появления ошибочных битов (BER) от 10e-10 до 10e-9
• ни в одной из стран не требуется лицензия на использование диапазона частот, используемых в системах АОЛС
• практически стопроцентная защищенность от помех радиодиапазона (помехи могут воздействовать только непосредственно на оконечное оборудование)
• небольшое (порядка нескольких часов) время развертывания
• меньшая, по сравнению с другими аналогичными по пропускной способности решениями, стоимость

Недостатком существующих АОЛС является высокий нижний предел стоимости системы. Самая дешевая на сегодняшний момент АОЛС  БОКС-10МЛ (50 – 250м, 10Мб/c) имеет стоимость $1200. Если говорить о зарубежных аналогах, то там цены на порядок выше.(Flight Path 20/200, до 200м, до 20 Мбит/c, $24000). Это объясняется тем, что на данный момент большинство АОЛС позиционируются именно как магистральные средства.

 Другим сдерживающим фактором является степень недоверия к АОЛС, что объясняется новизной технологии и зависимостью от погодных условий. Для его преодоления необходимо использовать различные методы повышения надежности АОЛС, в частности использовать алгоритмы помехозащищенной передачи данных, криптографическую защиту и т.д.

Таким образом стоит вопрос о разработке надежной и функциональной, но в тоже время дешевой АОЛС.

Обзор существующих решений

Построение всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Следует отметить, что с ужесточением требований к качеству канала дальность связи снижается. Вторые обеспечивают существенно меньшую дальность передачи, хотя по мере развития технологии дальность и скорость связи возрастают.

Главное преимущество полупроводниковых диодов заключается в высоком времени наработки на отказ. Кроме того, такие каналы менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере. Форма сечения луча от полупроводниковых диодов практически круглая.

Недостатки полупроводниковых диодов и, соответственно преимущества лазерных, заключаются в том, что из-за широкой полосы излучения существуют теоретические сложности в передаче высокоскоростного сигнала. Передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. Лазерные диоды как раз и обладают такими свойствами, но чем уже полоса сигнала, тем больше потенциальная вероятность того, что сигнал попадет в атмосфере в резонансную полосу поглощения какого-нибудь газа и качество сигнала снизится.

Форма сечения луча от лазерных диодов - эллиптическая. Для борьбы с этим недостатком применяют различные методы: от использования призматических линз до ограничения апертуры оптической системы при потере части мощности.

Существует еще и промежуточная группа устройств, в которых для передатчиков используются лазерные диоды VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser -- лазер с вертикальным эмитированием через полость в поверхности). Эти устройства обладают узкой полосой излучения и высоким временем наработки на отказ, а также круглой формой сечения луча. Однако на данном уровне развития технологии мощность их излучения не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих одновременно, что осложняет синхронизацию между ними.

Возможно также создание резервного радиоканала. В этом случае существенно повышается дальность передачи, т.к. не существует  погодных условий, препятствующих работе одновременно обоих каналов, т.о. возможно использование АОЛС и радио устройств практически на предельной дальности, не создавая запас мощности на случай плохих метеоусловий.

ТАБЛИЦА: Зарубежные и отечественные системы АОЛС

На данный момент на рынке существует большое количество зарубежных и отечественных (в основном российских) решений. К их недостаткам следует отнести высокую стоимость, что делает невозможность их применения для построения для построения недорогих (и как правило коротких) каналов, в которых возникает необходимость при создании районных и кампусных сетей, для связи сегментов ЛВС с “труднопроходимым” (дорога, река, железная дорога) участком между ними.

Т.е. необходимо подчеркнуть, что на данный момент ни отечественными, ни зарубежными производителями продукты в нише недорогих (до $500) АОЛС не представлены.

Другим недостатком существующих ОАЛС является отсутствие каких либо  алгоритмических систем повышения помехоустойчивости в большинстве АОЛС. Т.е. АОЛС представляют собой продолжение проводного канала. Хотя плюсом данного решения является то, что оно обеспечивает полную прозрачность для сетевых протоколов даже наиболее низкого канального уровня, что позволяет легко встраивать АОЛС в структуру любой сети с последовательной передачей данных по каналу связи.

В итоге, можно подчеркнуть следующие перспективные направления развития АОЛС:

• разработку дешевых АОЛС
• разработка алгоритмов повышения помехозащищенности с сохранением прозрачности канала АОЛС для сетевых канальных протоколов. Их эффективная реализация с учетом минимизации стоимости готовой АОЛС.

Использование АОЛС в качестве оборудования “последней мили”

Проблема “последней мили” заключается в следующем – организациям, предоставляющим услуги доступа к Internet (или другой вычислительной) конечным пользователям  (такие организации часто именуют ISP - Internet Service Provider) необходимо организовать каналы связи многих территориально разобщенных пользователей с единой точкой доступа. Причем распределение пользователей на местности может быть таково, что каждому из них может потребоваться свой индивидуальный канал доступа. Обычно в этом случае применятся доступ по телефонным каналам (dial-up) и проводным выделенным линиям. Технология АОЛС предлагает альтернативную схему подключения (рис.2.1).

• Пользователи могут располагаться на большом расстоянии от точки доступа, поэтому необходима большая дальность связи (порядка нескольких километров)
• Ширина канала ограничена потребностями одного пользователя, поэтому, поэтому возможно применение относительно низкоскоростных устройств (до 1 Мбит/c).
• Требования к доступности канала могут колебаться в больших пределах, но, как правило, доступность канала порядка 98% - 99% времени вполне устраивает пользователя. Это позволяет увеличить дальность связи, что прекрасно согласуется с п.1.

Использование АОЛС для связи сегментов ЛВС

Типичный случай – объединение пользователей внутри здания с помощью проводных технологий (витой пары, коаксиального кабеля) а связь между зданиями организуется с помощью АОЛС

Требования к АОЛС каналу в этом случае:

• Основное требование – высокое быстродействие. Т.е. решения, не обеспечивающие скорость хотя бы 10 Мбит/с не находят применения в данной нише. Оптимальным является использование каналов 100 Мбит/c или 1 Гбит/c.
• Необходимая дальность связи может достаточно сильно колебаться (от 10 метров до нескольких километров), но, как правило, не превышает 1 км.
• Требования к доступности канала также не очень жесткие, что в сочетании с небольшой дальностью дает возможность использовать маломощные передатчики с высокой расходимостью луча.

В частности, как средства для связи сегментов ЛВС позиционируются устройства МОСТ 100/500 FE и 2FE, SONABEAM 155-M, 155-S и 155-E, PL-100/155/1TX PD, хотя они и имеют достаточно высокую стоимость для активного применения в данном сегменте.

Создание магистральных каналов на основе АОЛС

В этом случае к калам предъявляются очень жесткие требования:

• Максимально высокая скорость передачи (порядка нескольких Гбит/c)
• Высокая надежность – доступность канала должна быть более 99,999%
• Высокая дальность связи (порядка десятков километров)

Очевидно, здесь невозможен компромисс между дальностью передачи и доступностью канала. В этом случае необходимо применять мощные передатчики и высокочувствительные приемники или резервирование с помощью другого канала. Например, в качестве резерва для высокоскоростной АОЛС может использоваться более медленный проводной канал.
Другим эффективным решение является дублирование АОЛС с помощью радиоканала. В этом случае существенно повышается дальность передачи, т.к. не существует  погодных условий, препятствующих работе одновременно обоих каналов, т.о. возможно использование как АОЛС так  и радиоустройств практически на предельной дальности, не создавая запас мощности на случай плохих метеоусловий (для АОЛС наихудшими условиями является туман, для радио – дождь. Причем одновременное их появление невозможно).
Данный класс АОЛС представлен наиболее широко. Некоторые существующие решения: SONABEAM 1250-M, PL-1G/3TX и др.

Цель исследований и разработок

Выдвигаются следующие требования к разрабатываемой аппаратуре АОЛС:

1. Стоимость АОЛС не должна превышать $1000. Оптимальной является стоимость порядка $200 - $500
2. Дальность связи 200 – 300 м. Возможно до 1 км.
3. Скорость передачи данных 10 – 100 Мбит/c. В отдельных случаях достаточно скорости 1 – 2 Мбит/c.
4. Необходимо обеспечить одно из основных преимуществ всех современных АОЛС - прозрачность для сетевых протоколов канального уровня. Это обеспечит наиболее простой способ введения АОЛС в структуру сети – включение оптической системы в разрыв проводного канала.
5. Терминальные устройства АОЛС должны иметь выделенный структурно блок согласования с параметрами проводного канала. В этом случае можно не меняя реализацию остальной части АОЛС, но предлагая различные варианты блока согласования можно реализовать интерфейсы с различными проводным последовательными каналами (10BASE-T, 100BASE-T, 10BASE-FL, RS-232, USB и др.)

Отдельно стоит вопрос об исследовании различных методов повышения помехоустойчивости АОЛС, в частности помехоустойчивого кодирования и контроля над целостностью передаваемых данных.

Структура аппаратных средств АОЛС

Была разработана следующая структура терминального устройства (ТУ) канала АОЛС

Модуль помехоустойчивого кодирования выполняет логическое преобразование данных. Конструктивно МПК может быть выполнен как микроконтроллер или FPGA.

Интерфейсный модуль предназначены для согласования сетевых сигналов с шиной модуля кодирования. В этом случае для использования АОЛС в сетях с различным типом среды передачи (виатя пара, коаксиальный кабель, оптоволокно и т.д.) достаточно перепроектирования только интерфейсного модуля.

Модулятор предназначен для управления излучателем световых волн в соответствии с сигналами, поступающими от модуля кодирования.

Для контроля за состоянием и работой АОЛС введен модуль контроля.

Возможны различные варианты отображения логической структуры ТУ на физическую. Основные варианты следующие:

1. компоновка ТУ в виде единого блока


2. размещение МО, МК и интерфейсных модулей в одном блоке, а оптических модулей, модулятора и усилителя – в другом.  Этот вариант может применяться, когда необходимо защитить МО и МК от воздействия внешней среды, или если проводная линия связи с ТУ проходит вне офиса фирмы или банковского филиала (например, при размещении ТУ на крыше здания) и необходимо предотвратить перехват информации. В этом случае информация по проводному каналу связи с ТУ передается уже закодированная. Подобную компоновку использует большинство существующих промышленных устройств.


3. размещение в выносном блоке исключительно оптической системы, сигнал к (и от) которой передается по световоду от основного блока. Этот вариант, в дополнение к преимуществам, получаемым в п.2, позволят полностью устранить влияние электромагнитного излучения на проводную линию связи с выносным устройством, минимизировать стоимость выносного оборудования, обеспечить максимальную электрическую развязку (что весьма важно для защиты от молний), позволяет избежать подвода питания к выносному устройству.

Выводы и результаты

Т.о. был проанализирован рынок цифровых каналов связи и доказана экономическая эффективность АОЛС. Также была выделена ниша применения АОЛС, для которой на данный момент не представлено промышленных АОЛС. Это относительно дешевые АОЛС для связи сегментов сети в сетях микрорайонов и кампусов. В связи с этим был сделан вывод о возможности и перспективности разработки АОЛС для данной ниши и были сформулированы четкие требования к подобным АОЛС: легкость монтажа и обслуживания, надежность, небольшая дальность, но высокая скорость передачи, низкая стоимость. Была разработана структура аппаратных и программных средств АОЛС. Доказана целесообразность применения алгоритмов повышения помехоустойчивости, в том числе в данном классе АОЛС. Выдвинуты ряд требований к алгоритмам повышения помехоустойчивости, определены пути их дальнейшего исследования и разработки. Результатом работы так же явилось создание тестовой АОЛС, которую планируется использовать для тестирования эффективности алгоритмов повышения помехоустойчивости.

Список источников:

1. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере.-М.: Советское радио, 1970.
2. Атмосферная спектроскопия, http://spectra.iao.ru
3. ООО "МОСТКОМ", http://www.moctkom.ru/
4. “fSONA Communications Corporation”, http://www.fSONA.com/
5. Николаев А.Ю. Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи. Информост - Средства связи, 2001, 4(17), с. 26-27.
6. Милинкис Б., Петров В. Атмосферная лазерная связь. Информост - Радиоэлектроника и Телекоммуникации №5(18), 2001
7. PAV Data Systems, http://www.pavdata.ru/
8. Проект “Optolink”,  http://www.openhardware.ru/
9. Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. Вестник связи, 2001, № 4, с. 154-157.
10. Николаев А. Технико-экономические показатели цифровых радиотелефонных сетей на основе атмосферных оптических линий связи. Информост - радиоэлектроника и телекоммуникации, № 5(18), 2001
11. “Лазерная связь на 115200 Бит/c”, http://www.an500.narod.ru/