CC BY
441
ВОЛКОВ1 Виктор Генрихович, доктор технических наук
беспроводные оптические системы связи
Рассматриваются лазерные и светодиодные беспроводные системы связи. Описываются конкретные типы систем, их основные параметры, и характеристики, возможности и особенности применения.
The lasers and lightdiodes wireless optical communications systems are presented. The concrete types of systems, their ground parameters and references, possibilities and applications peculiarities are described.
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 внутри-объектовой 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 по-грузочно-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-
' — ФГУП «Альфа», ведущий научный сотрудник.
обзор
a
б
в
Фото 1. Различные варианты исполнения внешних блоков БОСС (а - в) системы ЛтШпк, а также БОСС МОСТ 100/500 (г)
Г
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 трассу 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:
Л установить антенны снаружи или внутри офиса;
12 установить блоки-преобразователи и соединить их с антенной оптоволоконным кабелем;
13 нацелить антенны с помощью специального устройства;
14 подключить стандартный сетевой кабель Ethernet или Е1 (витая пара) и электрическое питание (для временного канала хватит и аккумуляторной батареи).
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
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-пе-редающие 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-передаю-щий 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 ЯТЯ — 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
10%
Р4
W
PQ §
И а>
В 3 я
и &
л
В
0
1 §
&с
5Г PQ
1%
0,1%
0,01%
МОСТ 100/500 FE МОСТ 100/500
500 1000 1500 2000 2500 3000 Длина линии связи, м
3500
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
4 х 2,048 Мбит/с
2 х 2,048 Мбит/с High Density
2 х 2,048 Мбит/с
Условные обозначения
Приемопередающий модуль
■<=* Устройство внешнего интерфейса ЕЭ Коммутатор (Switch)
Лазерная связь
Витая пара
Кабели внутреннего интерфейса
Телефонная станция
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 ЯТЯ 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.).
«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,
Фото 2. Светодиодная БОСС
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 светоди-одов «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
Литература
1. Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы, связи. — М.: Салон-Пресс, 2004. — 272 с.
2. Эффективное и универсальное оборудование для. надежной беспроводной оптической связи. Проспект ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации». - Екатеринбург, 2008.
3. Системы, оптической связи. Каталог продукции ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации». — Екатеринбург, 2008.
4. Оборудование атмосферной оптической лазерной связи (FSO-Technology). Проспект Государственного Рязанского приборного завода и ООО «Мостком». — Рязань, 2008.
5. Атмосферная, оптическая линия, связи МОСТ 100/500. Проспект Государственного Рязанского приборного завода. — Рязань, 2003.
6. Система беспроводной оптической связи STS. Проспект ООО «Подсолнечник Технологии» и ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева». — М., 2008.
7. Беспроводные инфракрасные дуплексные системы, связи. Проспект ФГУП «ОКБ МЭИ», — М., 2009.
8. Product Brochure. Проспект фирмы. «PAVData Systems Ltd». — США, 2009.
9. Атмосферные оптические линии связи. Проспект фирмы. «Квантово-оптические системы». — М., 2008.
10. Оптическая, система связи ОСС. Проспект ООО НПП «Лазерные технологии».— Екатеринбург, 2009.
11. Атмосферные лазерные передающие системы. ЛПС-Е1, ЛПС-Е2, ЛПС-Е3, ЛПС-10Е, ЛПС-100Е. Проспект НИИ «Полюс». — М., 2008.
12. Атмосферные лазерные передающие системы. ТВ ТЕС Laser LINK. Проспект фирмы. «Quarta Telecom». — М., 2008.
13. Система лазерная, атмосферная. 10 Мбит. СЛА-10М «Ирис». Проспект ФГУП «Воронежский НИИ связи». — Воронеж, 2009.
14. Оборудование бесперебойной оптической связи серий SkyCell, SkyCom, SkyNet. — США, 2009.
15. Laser Based. Friee Spase Optical Communication System.. Проспект фирмы. «Laser Bit Communication». — Венгрия, 2008.
Таблица 1. Основные параметры типичных лазерных беспроводных оптических систем связи (по данным проспектов фирм)
Страна, фирма Модель Дальность связи, км/ динамический диапазон по оптической мощности, Дбм Скорость передачи информации, Мбит/с Рабочая длина волны, мкм/ мощность излучения лазера, мВт Масса, кг Габариты, мм Энергопотребление, Вт Рабочий диапазон температур, °С Примечание
Россия, ООО «МОСТКОМ» Ml 0,9 - 5/35 300 0,785/(17) <14 (ППМ) <2 (УВИ) 555x475x225 230x120x55 20 -40...+ 50
Россия, ООО «МОСТКОМ» М2 1,2 - 4/52 200 1,55/(25) <6 (ППМ) <6 (УВИ) 490x290x300 19" 1 U 40 -40...+ 50
Россия, ГРПЗ МОСТ 100/500 1,5 4x2,048 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+ 50 встроенный мультиплексор на 4 канала
Россия, ГРПЗ МОСТ 100/500 FE 7,2 4x2,048 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+ 50 полнодуплексная передача East Ethernet DODH
Россия, ГРПЗ МОСТ ЕЕ 1 1,4 2,048/10 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+ 50 программная установка шлейфов, встроенный дальномер, измерение ошибки в канале DODH
Россия, ГРПЗ МОСТ ЕЕ 1-2N 2,8 2,048/10 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+ 50 программная установка шлейфов, встроенный дальномер, измерение ошибки в канале DODH
Россия, ГРПЗ МОСТ 2FE 4,5 2x100 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+ 50 передача 2 каналов East, программная установка шлейфов, встроенный дальномер, измерение ошибки в канале DODH
Россия, ГРПЗ МОСТ 2FE-2N >10 2x100 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+ 50 СПС, удаленный контроль по IP-сети
Россия, ГРПЗ МОСТ Е 1 (Preliminary) 9,4 2,048 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+50 протокол исправления ошибок BER 10-12, программная установка шлейфов, встроенный дальномер, измерение ошибки в канале DODH
Россия, ГРПЗ МОСТ Е 1-2N (Preliminary) >10 2,048 0,785/- 16 355x475x225 30 -40...+50 СПС, удаленный контроль по IP-сети
Россия, ГРПЗ МОСТ-М (Preliminary) 1 100 0,785/- 10 520x365x200 5 -40...+50 облегченная модель для полнодуплексной передачи East Ethernet на короткие дистанции
Россия, ООО « Подсолнечник технологии», ОАО «КЗ им. С.А. Зверева» STS 0,015 - 0,8 100 - 155 0,785/ 7x2 1,1 225x165x45 5,5 0-40
Россия, «Квантово- оптические системы» КС-100 до 1 -/30 3 (внешн.) + 6 (внутр.) 230x160x180 25 -50...+50 полнодуплексная передача и прием информации — через один объектив
Россия, «Квантово- оптические системы» КС-200, КС-210 до 3 -/30 12 450x230x300 50 -50...+50
Россия, «Квантово- оптические системы» КС-300 до 3 -/200 21 500x410x410 90 -50...+50 модульное построение
Россия, «Квантово- оптические системы» КС-500 до 5 -/200 21 500x410x410 90 -50...+50 система автоподстройки и встроенная видеокамера
Россия, ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации» ОСС1-FMUX до 1/25-40 2-100 0,8-0,87/ 100 до 6 -50...+50 полнодуплексный режим передачи, мультиплексирование в один канал связи до 16 потоков Е1 и канал Ethernet
Россия, ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации» ОСС1-Ethernet 100 POD до 2,5/25-40 100 0,8-0,87/ 100 до 6 -50...+50 имеется резервный радиоканал
Россия, ЗАО «Лазерные информационные телекоммуникации» ОСС 1,5 2-100 -/10 10 -50...+50
Россия, НИИ «Полюс», «Quarta Telecom» ЛПС-Е1 ЛПС-Е2 ЛПС-ЕЗ ЛПС-Ethernet 10 ЛПС-Ethernet 10 3 3 2 3 2 2,048 8,448 34,364 10 100 0,85±0,02/ 20 350x180x170 <60 -40...+50
Россия, ФГУП «Воронежский НИИ связи» СЛА-10М «Ирис» 5-8 10 6 (ППМ) 3 (УВИ) 100 макс. модульное исполнение; среднегодовое нерабочее время на максимальной дальности не более 5x10"3; передача информации — по стандарту RS-232 или Ethernet
Венгрия, «Laser Bit Communication» LB-0150E 10 0,15/>40 10 0,785/30 11 500x280x200 50 -40...+ 85 или -25...+ 60
Венгрия, «Laser Bit Communication» LB-0400E 10 0,4/>40 10 0,785/50 11 500x280x200 50
Венгрия, «Laser Bit Communication» LB-1200E 10 l,2/>40 10 0,785/ 2x70 12 500x280x200 50
Венгрия, «Laser Bit Communication» LB-2500E 10 2,5/>40 10 0,785/ 4x70 26,5 820x445x305 50
Венгрия, «Laser Bit Communication» LB-5000E 10 5/>40 10 0,785/ 1x100 26,5 820x445x305 50
США, «Micro Max Computer Intelligence Inc.» Sky Cell El-2000 до 2 2 0,9-0,92/ 100 13 340x180x550 20 -50...+ 65
США, «Micro Max Computer Intelligence Inc.» Sky Cell El-4000 до 4 2 0,9-0,92/ 300 (3 лазера) 18 340x360x550 38 -50...+ 65
США, «Micro Max Computer Intelligence Inc.» Sky Com STM1-4000 до 4 155 0,9-0,92/ 300 (3 лазера) 18 340x360x550 38 -50...+ 65
США, «Micro Max Computer Intelligence Inc.» Sky Com STM4-500 до 0,5 622 0,9-0,92/ 300 (3 лазера) 13 340x180x550 20 -50...+ 65
США, «PAV Data Systems Ltd.» Sky Net 300 300-331 0,5 10 0,86-0,92/ 12 13 340x180x550
США, «PAV Data Systems Ltd.» Sky Net 300 300-332 1,2 10 0,86-0,92/ 12 13 340x180x550
США, «PAV Data Systems Ltd.» Sky Net 2000 2000-170 2 10 0,86-0,92/ 100 18 340x180x550
США, «PAV Data Systems Ltd.» Sky Net 4000 4000-170 4 10 0,86-0,92/ 100 18 340x360x550
США, «PAV Data Systems Ltd.» Sky Net 6000 6000-170 6 10 0,86-0,92/ 100 340x360x550
Примечания: ППМ - приемо-передающий модуль; УВИ - устройство внешнего интерфейса.
