Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Принципы построения оптической атмосферной линии связи 11
1.1 Основные положения 11
1.2 Влияние атмосферных факторов 15
1.3 Проблемы увеличения дальности связи 17
1.4 Факторы, которые мало влияют на работу ОАК 20
1.5 Обзор зарубежной и отечественной аппаратуры лалс 26
1.6 Практика использования аппаратуры ЛАЛС 32
1.6.1 Аппаратура ЛАЛС «МОСТ» производства ООО «Мостком» (г.Рязань) 32
1.6.2 Аппаратура ЛАЛС СЛА-10М «Ирис» производства ООО Воронежского НИИ связи 39
1.7 Целесообразность применения оак 41
1.8 Эффективность внедрения оак в вычислительные сети 42
1.9 Выводы 47
1.9.1 Определение хода дальнейшего исследования 47
1.9.2 Постановка требований к ОАК с малой длиной трассы 49
ГЛАВА 2. Оптико-механическая модель ОАК 51
2.1 Расчет построения оптической системы для безаберрационной оптики и идеальной среды 51
2.2 Описание алгоритма расчета 54
2.3 Определение параметров оак с малой длиной трассы 55
2.4 Подсистемы оак 58
2.4.1 Подсистема формирования ИК излучения 58
2.4.2 Подсистема преобразования ИК излучения в электрические импульсы 59
2.4.3 Подсистема управления работой ППМ. 59
2.4.4 Подсистема «трансивер» 60
2.4.5 Интерфейсная подсистема 60
2.4.6Подсистема «управляющая ЭВМ» 61
2.5 Разработка конструктивной схемы и рабочих чертежей оптико-механических узлов ОАК 63
2.5.1 Разработка способов борьбы с паразитной засветкой ОАК 64
2.5.2 Расчет энергетики наведенного излучения 67
2.5.3 Оценка возможности введения излучения со стороны 69
2.6 Прочие факторы, влияющие на работу ОАК 71
2.6.1 Малозначащие факторы 71
2.6.2 Учет влияния погодных условий 72
2.6.3 Учет отклонения луча от нормали 73
Глава 3. Основы расчета ОАК 74
3.1 Анализ работы ид в разных эксплутационных условиях 74
3.1.1 Согласование уровней сигналов 74
3.1.2 Влияние изменений температуры окружающей среды на работу излучающих диодов 75
3.1.3 Влияние деградационныхявлений на излучательные характеристики ИД. 87
3.2 Быстродействие ид 97
3.3 Ослабление мощности оптического сигнала атмосферой 101
3.3.1 Релеевское рассеяние оптического сигнала в атмосфере 101
3.3.2 Аэрозольное ослабление 103
3.3.3 Влияние молекулярного поглощения 104
3.3.4 Водяной пар 106
3.3.5 Углекислый газ 107
3.3.6 Озон 107
3.3.7 Кислород 108
3.3.8 Закись азота 108
3.3.9 Метан 108
3.3.10 Окись углерода 108
3.4 Распространение оптического сигнала в атмосфере 110
3.4.1 Влияние турбулентности ПО
3.4.2 Фоновые помехи от посторонних источников в атмосфере 111
3.5 ВЫВОДЫ 113
ГЛАВА 4. Техническая реализация ОАК 114
4.1 Практическая реализация OAK 114
4.1.1 Разработка принципиальных электрических схем OAK . 114
4.1.2 Приемник OAK. 115
4.1.3 Передатчик OAK. 118
4.1.4 Силовой коммутатор излучающего ИК-диода. 121
4.2.Использование конструктивных решений для уменьшения стоимости OAK 125
4.2.1 Блоки и узлы OAK подлежащие модернизации 125
4.2.2 Выбор интерфейса для OAK 126
4.2.3 Применение USB интерфейса 128
4.3 Автоматический контроль параметров АОК 131
4.4 Методология испытаний аппаратуры ЛАЛС 140
4.4.1 Общие положения 140
4.4.2 Методика испытаний канала в составе ЛВС 142
4.4.3 Трасса испытания и выбор позиций для установки ЛАЛС 145
4.5 Результаты испытаний 146
4.5.1 Испытания аппаратуры ЛАЛС «МОСТ» производства ООО «Мостком» (г.Рязань) 146
4.5.2 Испытания аппаратуры ЛАЛС СЛА-10М «Ирис» производства ООО Воронежского НИИ связи 147
4.5.3 Выводы и рекомендации 148
4.5.4 Предложения об оснащении аппаратурой ЛАЛС различных объектов в г. Москве с учетом технико-экономических параметров 148
4.5.5 Установка аппаратуры ЛАЛС «МОСТ» на монтажной площадке 151
4.5.6 Журнал испытаний с 31 января по 4 марта 2005 г 153
Выводы и результаты работы 159
Литература
- Факторы, которые мало влияют на работу ОАК
- Определение параметров оак с малой длиной трассы
- Влияние изменений температуры окружающей среды на работу излучающих диодов
- Разработка принципиальных электрических схем OAK
Введение к работе
Рост спроса на широкополосные услуги требует внедрения прогрессивных сетевых технологий на участке абонентского доступа. Оптимальным механизмом предоставления информации является применение беспроводных систем. Использование в качестве носителя информации оптического излучения, а среды передачи - открытых каналов -атмосферы, является быстроразвивающимся и перспективным направлением оптоэлектроники. Наиболее распространенными стандартами беспроводных сетей сейчас являются IEEE 802.11b и 802.1 lg. Оборудование по этим стандартам работает в диапазоне 2,4 ГГц и способно передавать данные с максимальной скоростью 11 и 54 Мбит/с, соответственно. Очень часто системные интеграторы и телекоммуникационные компании отказываются от беспроводного решения проблемы последней мили из-за невозможности в силу ряда причин применить оборудование радиосвязи. Происходит это из-за того, что далеко не все специалисты имеют доступ к информации о технологии беспроводной передачи информации, которая не использует излучение в радиодиапазоне, а порой имеют о ней весьма искаженные представления.
В настоящее время существует две области применения беспроводной инфракрасной технологии связи:
связь "точка-точка" между кабельными системами (компьютерными и телефонными сетями), находящимися в разных зданиях на расстояниях до 10 км;
связь между приборами внутри одного помещения (беспроводные LAN, связь между компьютерами и периферией и пр.).
В перечисленных областях связи существуют решения, использующие радиодиапазон. И в радио-, и в инфракрасных технологиях есть плюсы и минусы. Чтобы в конкретной ситуации сделать адекватный выбор той или
иной технологии, необходимо знать достоинства и недостатки каждого метода.
В России, для использования любого радиопередающего устройства, мощность излучения которого превышает 50 мВт и с частотой излучения вплоть до 100 ГГц, необходимо зарегистрировать его в соответствующих государственных органах. Кроме этого, для использования любого излучающего в радиодиапазоне устройства, необходимо получить разрешение в Госкомитете по радиочастотам и других государственных и муниципальных органах, что влечет за собой дополнительные затраты средств, времени и нервов. В отличие от России, в большинстве развитых стран существуют диапазоны частот, для использования которых не требуется никаких разрешений. Большой спектр беспроводных устройств связи, выпускаемых за рубежом, рассчитан на работу именно в этих диапазонах. В данном аспекте уникальность инфракрасных технологий беспроводной связи заключается в том, что мощность излучения передатчика не превышает 50 мВт. В системах инфракрасной беспроводной связи отсутствуют радиоизлучающие устройства. Несмотря на это, устройства для беспроводной оптической связи, как и любое оборудование связи, должны иметь сертификат Министерства связи РФ.
Другими важными достоинствами инфракрасных (ИК) технологий беспроводной связи являются:
практически полная неподверженность электромагнитным помехам;
высокая защищенность канала связи от несанкционированного доступа.
Ниже приведена краткая таблица предельных характеристик обоих методов.
Таблица 1.1 Сравнительная таблица характеристик
В настоящее время, из недорогих решений для организации устойчивой связи на 500 метров и скорость 10 Мбит/с, существует только кабельная система. Стоимость оборудования, не считая кабельной системы, при использовании технологии xDSL, составит не более чем 400$ США. Срок развертывания сети по такой технологии составит от 1 дня. Необходимо также учесть возможность прокладки кабельной сети.
Применение радиомодемов на такие короткие расстояния не оправдывает себя из-за стоимости оборудования, которая начинается от 3500$ США.
Применение технологии Wi-Fi, которая рассчитана на потребителя, не дает необходимой надежности связи. Так, например, при стоимости оборудования в 1000$, процент ошибочных пакетов при PDU 1000 байт составляет 8%.
Все перечисленные недостатки существующего оборудования устранены в OAK на малые дистанции. При ориентировочной стоимости комплекта оборудования в 800$ США, можно развертывать надежные линии связи за короткие сроки введения в эксплуатацию.
Основываясь на неоспоримых положительных сторонах РЖ-излучения в современном мире, а также на перечисленных существующих проблемах стандартных средств связи на такие расстояния, тематика проводимых в диссертационной работе исследований и полученные результаты являются актуальными и имеют важное практическое значение.
Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке недорогого, быстроинсталлируемого, ориентированного на конечного пользователя, устройства связи на расстояние до 500 метров, использующее инфракрасное излучение, внедрение которого внесет значительный вклад в развитие экономики страны.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Исследование существующих OAK и их параметров;
Разработка оптического атмосферного канала (OAK), рассчитанного для работы на малые расстояния;
Снижение стоимости оконечного оборудования за счет введения новых конструктивных решений.
Методы исследований. В процессе решения поставленных задач использовались методы системного анализа, методы структурного синтеза и программирования, ключевые положения трудов отечественных и зарубежных ученых, посвященных теории передачи сигналов с использованием OAK, публикации по рассматриваемой проблеме, а также
данные полученные автором путем теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Оценена эффективность внедрения OAK в вычислительные сети;
Представлен алгоритм расчета параметров OAK для безаберрационной оптики;
Разработана модель ИД, работающего в переключательном режиме;
Разработана методика расчета ослабления оптического сигнала в атмосфере при наличии фоновых помех;
Предложены схемотехнические решения для снижения стоимости OAK;
Разработано программное обеспечение для автоматического контроля параметров OAK.
Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
использовать инфракрасную систему связи широким кругом пользователей в связи с ее низкой стоимостью;
повысить конкурентоспособность разработок отечественных оптических атмосферных каналов связи;
обеспечить возможность практического применения OAK.
Реализация и внедрение результатов исследований. Научно-
исследовательские работы по созданию оптоэлектронного атмосферного
канала проводились на основании федеральной целевой научно-технической
программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития науки и техники" на 2002-2006 годы - "Интегрированные системы
хранения и обработки информации для обеспечения научных исследований,
культуры и образования".
Результаты диссертационной работы были использованы при написании отчетов НИР: "Интегрированные системы хранения и обработки
информации для обеспечения научных исследований, культуры и образования" (5-й, 6-й, 7-й, 8-й этапы НИР по государственному контракту № 37.053.11.0054) федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы. Блок 2 - "Поисково-прикладные исследования и разработки" и "Интегрированные системы хранения и обработки информации для обеспечения научных исследований, культуры и образования" ( 9-й, 10-й, 11-й, 12-й этапы НИР по государственному контракту № 37.053.11.0054) федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы. Блок 2 - "Поисково-прикладные исследования и разработки".
Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность и обоснованность результатов, приведенных в работе, подтверждается сходимостью данных, полученных автором в результате макетных и натурных испытаний.
Апробация работы. Основные теоретические и практические научные
результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на
научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых
специалистов МИЭМ.(Москва, 2003); Научно-технической конференции
студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, 2004);
INFORMATION AND TELECOMMUNICATION TECHNOLOGIES IN
INTELLIGENT SYSTEMS Proceedings of International Conference
Barcelona, Spain May 22-29, 2004; Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых преподавателей МИЕМ (Москва, 2005); Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых преподавателей МИЕМ (Москва, 2007). Данные выступления являлись одновременно и апробацией работы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в российских и зарубежных изданиях, тезисы докладов на отраслевых и международных конференциях и совещаниях, а также 2 отчета по НИР.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 75 наименований, приложения. Основная часть работы содержит 157 страниц машинописного текста.
II Глава 1. Принципы построения оптической атмосферной линии связи
1.1 Основные положения
Конструктивно линия связи инфракрасного диапазона представляет собой два одинаковых блока, находящихся в климатических защитных кожухах для установки вне помещений. Каждый блок имеет разъемы для непосредственного подключения к кабельной сети здания через стандартные интерфейсы (от V.35 до АТМ-155). В каждом блоке находится приемник и передатчик. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода (иногда обычного светодиода). В связи с этим инфракрасные беспроводные линии связи чаще называются лазерными атмосферными линиями связи (ЛАЛС). Однако мы будем рассматривать линии связи, излучатель в которых является инфракрасным диодом - оптические атмосферные каналы (OAK), в импортной литературе FSO - Free Space Optics.
Рис. 1.1 Вариант исполнения аппаратуры ЛАЛС
Приемник в большинстве случаев имеет в своей основе скоростной р-і-п-фотодиод или лавинный фотодиод. И приемник, и передатчик снабжены мощными объективами, благодаря чему луч обладает малым углом расходимости. В отличие от мощных лазеров, полупроводниковый светодиод не является истинно когерентным излучателем. И как следствие, излучение
происходит не строго в одном направлении. Угол расходимости излучения полупроводникового диода достигает 20, поэтому и необходим объектив, собирающий лучи в узкий пучок. Приемопередатчики осуществляют двустороннюю связь, то есть два параллельных луча распространяются в противоположных направлениях от передатчиков к приемникам. Передача и прием в каждом приемо-передающем блоке осуществляются одновременно и независимо. Излучение происходит в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны от 780 до 950 нм в зависимости от конкретной модели). Атмосферная оптическая связь осуществляется аналогично связи по оптическому волокну, отличаясь лишь средой распространения луча.
Другое отличие от волоконно-оптических линий заключается в том, что мощность излучателя при атмосферной связи гораздо больше (в некоторых моделях пиковая мощность достигает 2 Вт), а длительность импульса излучения составляет малую часть такта передачи данных, что делается с целью уменьшения средней излучаемой мощности. В результате средняя мощность излучения большинства моделей не превышает 20 мВт.
Еще одно важное отличие ИК-связи от оптоволоконной - применение нестандартного кодирования информации. Производители OAK, как правило, применяют собственные методы кодирования, поэтому приемо-передающие блоки разных моделей не совместимы друг с другом.
Для обеспечения прямой видимости между абонентами приемопередающие блоки устанавливаются вне помещений, например, на крышах зданий, балконах последних этажей и т. п. Оптические линии обычно рассчитаны на функционирование при температуре окружающей среды от -40 до +50С. (Существуют отечественные модели, работающие в интервале температур от -60 до +50С.)
Устанавливаются блоки OAK таким образом, чтобы оптические оси двух соседних приемопередатчиков совпадали. Сложность монтажных работ по установке и настройке OAK зависит от конкретной модели устанавливаемой линии, (которые производители снабжают свои изделия
рядом сервисных функций, облегчающих монтаж). Однако, существует закономерность, которая не зависит от марки оборудования: чем больше расстояние между связываемыми зданиями, тем сложнее настройка оборудования. В целом, время, затрачиваемое на установку и настройку, OAK варьируется от 30 минут до нескольких часов. Основную сложность представляет юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5 град. Разумеется, точность юстировки должна соответствовать этим значениям. Для облегчения точной настройки все OAK устанавливаются на специальных котировочных платформах, позволяющих плавно изменять угол наклона корпуса приемо-передающего блока. Большинство OAK, кроме этого, снабжаются специальным оптическим прицелом для облегчения наведения на противоположный приемо-передающий блок.
Устанавливая приемо-передающие блоки, следует учитывать, что направление линии связи не должно совпадать с горизонтальным направлением с запада на восток. Иначе говоря, солнечный диск не должен попадать в конус обзора приемников, так как солнечные лучи, будучи сфокусированными объективом, могут сжечь фотоприемное устройство. К счастью, избежать этого не трудно, поскольку приемники в большинстве случаев имеют такие же узкие углы обзора, что и передатчики, то есть менее 0,5 град.
После установки приемо-передающих блоков необходимо подключить их к существующим кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей OAK с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от производителей оборудования радиосвязи, производители OAK придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия атмосферной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). То есть для всех устройств, участвующих в кабельной сети связываемых объектов, эта линия не видна, не
накладывает никаких ограничений на оборудование, не вносит никаких дополнительных протоколов связи или изменений и дополнений к протоколам связи.
Рис. 1.2 Соединение компьютерных сетей
На иллюстрациях представлены наиболее распространенные варианты топологий с использованием OAK:
Рис. 1.3 Соединение компьютерных сетей (вар. 2)
Некоторые модели имеют совмещенные интерфейсы на Ethernet и поток Е1. В результате одна линия связи соединяет LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.
Важнейшим свойством OAK является высокая степень защиты канала от несанкционированного доступа. Защищенность канала является
следствием самой природы OAK, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно в силу острой направленности луча и уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. По оценкам
специалистов, вероятность перехвата информации составляет 10'. Тем не менее, для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах, как-то: обращение волнового фронта, анализ характера изменения принимаемого сигнала и пр., что еще больше повышает защищенность канала связи.
1.2 Влияние атмосферных факторов
Одним из основных факторов, определяющих возможность применения OAK, является устойчивость связи при воздействии помех различного происхождения как естественного, так и искусственного, в частности, снега, тумана, дыма и других явлений, снижающих прозрачность атмосферы.
Анализ экспериментальных данных показал следующее. В условиях отсутствия факторов, снижающих прозрачность атмосферы, вероятность
О Q
ошибки передачи составляет в зависимости от модели OAK от 10" до 10". При постепенном ухудшении погодных условий или задымлении воздуха вероятность ошибки передачи плавно растет до 10"6, а затем происходит резкое увеличение вероятности ошибки, и связь рвется (это относится к случаям, когда расстояние между приемо-передающими блоками составляет несколько километров). После улучшения атмосферных условий связь восстанавливается.
На рис. 1.4 показана зависимость вероятности отказов канала из-за погодных условий (снег - сильный дождь, доступность канала и число минут неработоспособности за год). Если требуется 100% эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.
Время неработоспособности в минутах за год
99,99
2000 Расстояние [и]
Рис. 1.4 Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погоды
Таким образом, характеристикой воздействия атмосферы на связь можно считать средний процент нерабочего времени, то есть периода, в течение которого связь отсутствовала. В частности, для линии, рассчитанной на дальность связи 3 км и при длине волны излучателя 820 нм, влияние естественных помех практически не ощущается, то есть линия функционирует при любых погодных условиях. С увеличением расстояния возрастают помехи, и на дальности 10 км неблагоприятные для связи условия наблюдаются в течение срока, длительность которого составляет 1,5-2% от общего времени работы за год. Причем снегопад является виновником отсутствия связи в половине всех случаев, на долю тумана приходится 30% и дыма - 20%.
Особо следует отметить тот факт, что дождь не оказывает серьезных помех для связи в ИК-диапазоне, тогда как для радиорелейных линий,
работающих на высоких частотах (десятки ГГц), дождь является вредным фактором. Связано это с тем, что распространение в атмосфере инфракрасного и СВЧ-излучения происходит по разным физическим законам. Это можно описать следующим образом. ИК-излучение подчиняется, в основном, законам оптики. Капли дождя, как и тумана, рассеивают видимый свет и ИК-излучение путем отражения части луча от поверхности капли и преломления луча внутри капли. Однако во время дождя на единицу объема приходится значительно меньше капель, чем во время тумана, поэтому дождь существенно меньше рассеивает ИК-излучение. Во время же распространения СВЧ-волн происходит примерно следующее. При дожде в атмосфере распределена в виде капель масса воды. Являясь проводником, она создает своего рода экран, который препятствует распространению электромагнитных волн. Кстати, во время тумана количество воды, взвешенной в воздухе, гораздо меньше, чем при дожде, поэтому туман не оказывает помех распространению радиоволн.
1.3 Проблемы увеличения дальности связи
Вероятно, самым главным недостатком беспроводной оптической связи является небольшая дальность. Так, при сохранении конкурентоспособной цены (по сравнению с другими методами) можно организовать высокоскоростную связь (от нескольких единиц до нескольких десятков мегабит в секунду) на расстоянии, не превышающем 1-2 км. А при попытке увеличить дальность связи возникают сложности:
в уменьшении пороговой чувствительности приемника;
в увеличении пиковой мощности излучения;
в увеличении диаметра линзы приемника;
в уменьшении коэффициента потерь в атмосфере;
в уменьшении угла расходимости излучения.
Пороговая мощность приемника является характеристикой фотоприемного устройства и напрямую зависит от современного состояния элементной базы.
Увеличение пиковой мощности приводит к увеличению средней мощности излучения, что грозит двумя неприятными последствиями:
если средняя мощность излучения превысит 50 мВт, то неизбежна сертификация оборудования, а также получение разрешения уполномоченных органов;
при увеличении средней мощности излучения повышается тепловыделение диода, в результате чего излучатель перегревается и срок его службы значительно уменьшается.
Можно установить более мощный диод или составить излучатель из линейки диодов, однако подобный путь ведет лишь к удорожанию системы и не решает первую проблему. Поэтому увеличивать пиковую мощность излучения можно только с одновременным уменьшением длительности импульса диода. В результате можно ожидать, что средняя мощность излучения останется на прежнем уровне.
В связи с этим всплывает проблема увеличения скорости передачи данных. Увеличить скорость связи можно только увеличив частоту импульсов излучения, что приведет к увеличению средней мощности излучения, так как на тот же отрезок времени будет приходиться больше импульсов. То есть уменьшение длительности импульсов излучателя позволяет либо увеличить пиковую мощность излучения и тем самым добиться увеличения дальности связи, либо увеличить частоту импульсов и тем самым поднять скорость связи. Иными словами, при одинаковой длительности импульсов излучателя произведение скорости связи на дальность связи есть величина постоянная. Дальность связи можно увеличить за счет уменьшения скорости или путем уменьшения длительности импульсов. То же справедливо и для скорости связи.
Повысить дальность связи можно и путем увеличения диаметра линзы. В большинстве моделей OAK установлены линзы диаметром около 10 см, то есть уже довольно дорогие. Дальнейшее их увеличение приводит к еще большему удорожанию системы. Существуют модели OAK, использующие линзы Френеля достаточно большого диаметра, однако они весьма чувствительны к запылению.
Еще один способ увеличения дальности связи - уменьшение коэффициента потерь в атмосфере. Варьировать значение этого коэффициента можно путем изменения длины волны излучения. Атмосферные помехи по-разному воздействуют на излучение в разных частях спектра. С увеличением длины волны влияние атмосферных помех уменьшается, а на длинах волн около 1800 нм наблюдается так называемое окно прозрачности атмосферы. Связано это с тем, что длина волны света становится сравнима с размерами капель тумана и частичек пыли и поэтому распространяющаяся волна в меньшей степени рассеивается препятствиями и огибает их благодаря дифракции. То есть в этой области спектра туман не создает серьезных помех для распространения света. Тем не менее, в настоящее время не существует моделей OAK, использующих излучение с длиной волны более 950 нм.
Последний, из отмеченных в начале раздела, метод увеличения дальности - уменьшение угла расходимости луча передатчика. Уменьшение этого параметра связанно со следующими негативными моментами:
чем меньше угол расходимости луча, тем сложнее настройка и юстировка OAK и, соответственно, дороже работы по монтажу системы;
все здания в течение суток совершают небольшие колебания, обусловленные изменением температуры окружающей среды и состояния фундамента. Углы наклона при таких колебаниях составляют до 0,1 соответственно, угол расходимости луча передатчика должен быть заведомо больше этой величины, иначе
связь в течение суток будет периодически нарушаться из-за отклонения луча от нужного направления. С другой стороны, при установке OAK на высоких зданиях (а именно крыши высоких зданий обычно используются для монтажа блоков OAK) из-за суточных колебаний здания происходят смещения приемопередающего блока и выход его из области приема. На очень высоких зданиях эти сдвиги могут достигать величины порядка 1 м. Поэтому для обеспечения уверенного приема угол расходимости луча должен быть таким, чтобы диаметр луча в области приемника был не менее 2 м; для обеспечения более узкого луча необходим более дорогой объектив. С увеличением дальности связана еще одна проблема. Большинство OAK имеют совмещенные в одном корпусе приемные и передающие блоки. Делается это исключительно для упрощения процедуры монтажа. При достаточно больших расстояниях между приемо-передающими блоками остро встает проблема точного размещения приемника и передатчика внутри корпуса в процессе производства, так чтобы оптические оси обоих были строго параллельны (иначе просто невозможно настроить блоки так, чтобы связь была двусторонней). Для обеспечения высокой степени параллельности оптических осей необходимо современное высокоточное производство, что значительно повышает стоимость изделия.
Всему выше сказанному можно подвести итог: стоимость оборудования OAK значительно возрастает при увеличении дальности связи.
1.4 Факторы, которые мало влияют на работу OAK
Узконаправленное излучение опасно для здоровья.
Конечно, работа с оборудованием OAK, как и с любым другим оборудованием, требует соблюдения техники безопасности. Излучение OAK
является в определенной степени опасным для глаз, особенно в непосредственной близости от источника, где луч очень узок и мощность излучения на единицу площади превышает безопасную для здоровья величину. Тем не менее, кратковременное воздействие излучения на органы зрения является безвредным. Для большинства моделей OAK не рекомендуется вблизи излучателя смотреть незащищенным глазом непосредственно в точку выхода луча более 5 с. Для каждой модели OAK определены минимальные безопасные расстояния до излучателя, находящиеся в пределах от нуля (некоторые OAK абсолютно безопасны) до 20 м.
Любая пролетевшая мимо птица вызовет сбой связи.
Птицы, в отличие от людей, способны видеть в инфракрасном диапазоне. Поэтому в большинстве случаев птица пролетит мимо луча. Если же какой-либо предмет все же пересечет луч, то это может вызвать ошибку передачи нескольких битов. Большинство сетевых протоколов предусматривает повторную передачу пакета при обнаружении ошибки.
Если нет прямой видимости между объектами, которые необходимо связать, то OAK неприменимы.
В большинстве случаев приемо-передающие блоки устанавливаются на крышах зданий, где проблема прямой видимости стоит не так остро. Если между связываемыми объектами находится, например, высокое здание, перекрывающее обзор, то достаточно на крыше этого здания установить ретранслятор, который находится в прямой видимости обоих объектов. К ретранслятору потребуется лишь подвести питание от сети переменного тока (если не считать проблем, связанных с получением разрешения у администрации здания). Таким же образом, то есть путем установки ретранслятора, можно увеличить максимальное расстояние между связываемыми объектами.
Монтаж оборудования OAK является сложной процедурой.
Масса приемо-передающих блоков составляет в зависимости от модели от 3,4 до 11,2 кг, поэтому крепление блоков на стене или крыше здания не требует специальных навыков. Наиболее сложной процедурой является юстировка блоков, то есть совмещение оптических осей. Однако большинство моделей снабжено специальными устройствами, упрощающими юстировку. Таким образом, для проведения этой процедуры достаточно минимальных навыков.
OAK, как любое оборудование WAN, требует внимания высококвалифицированного специалиста, а также немалых затрат на обслуживание.
OAK не имеют никаких собственных протоколов и не требуют никакой программной настройки. Единственным управляющим элементом многих оптических линий является тумблер выключения питания. Все обслуживание OAK сводится к следующей простой процедуре: 1-2 раза в месяц необходимо проводить внешний осмотр и, если нужно, очищать от пыли объективы приемника и передатчика.
Возможности OAK.
В настоящее время можно смело сказать, что для любой разумной задачи создания связи между объектами существует решение в виде OAK. Судите сами. Основными параметрами, которые нужно учесть при организации связи, являются дальность, используемый интерфейс (то есть скорость связи, протокол, тип кабельного соединения и пр.) и, главное, цена.
Что касается цены, то OAK зарубежных производителей находятся в той же ценовой нише, что и радиорелейные линии, то есть в зависимости от технических характеристик их стоимость в большинстве случаев лежит в пределах от 10 до 20 тыс. долларов.
К поддерживаемым интерфейсам относятся V.35, G.703, Ethernet (Half и Full Duplex), АТМ-155; кроме того, существуют модели с интерфейсом в виде оптоволоконного разъема, которые поддерживают такие протоколы, как Fast Ethernet, El, ЕЗ, FDDI, ATM. Существуют OAK, предназначенные для
передачи видеосигнала. Они используются в системах замкнутого телевидения (в частности, в охранных системах наблюдения), а также для оперативной организации временных каналов передачи видео.
Дальность связи для большинства моделей варьируется от 300 до 1200 м.
Кроме дальности связи, перечня поддерживаемых интерфейсов и, конечно, цены, каждое изделие обладает рядом характеристик, которые также влияют на выбор той или иной модели.
Например, все изделия фирмы Jolt Communications используют в качестве излучателя светодиод, благодаря чему даже длительное воздействие излучения на близком расстоянии не сможет нанести вреда зрению. Другим следствием применения светодиода является вдвое большее время наработки на отказ по сравнению с моделями, основанными на лазерных диодах. Время наработки на отказ для OAK производства фирмы Jolt Communications составляет 70 тыс. часов. Правда, максимальная дальность связи для моделей Jolt Communications не превышает 500 м.
Наиболее интересной OAK в плане практической реализации уникальных технологий и, соответственно, наиболее дорогой, является Canobeam II - продукт известной во многих других областях фирмы Canon. Canobeam II поддерживает связь со скоростью 155 Мбит/с (ATM или 4 канала видео) при дальности до 4 км. Угол расходимости луча передатчика сделан очень узким - порядка 4 угловых минут, за счет чего средняя мощность излучения не превышает 10 мВт при дальности связи до 4 км. При таком узком угле луча связь не может быть устойчивой из-за ветра и суточных смещений зданий. Эта проблема решена путем отслеживания направления на следующий приемо-передающий блок и автоматической корректировки оптической оси излучения. Корректировка осуществляется путем смещения специальных зеркал внутри блока. Амплитуда смещения луча составляет 5 угловых минут. Другой важной особенностью Canobeam является специальное расширение лазерного луча непосредственно в
передатчике, вследствие чего выходящий луч имеет пониженную мощность на единицу площади в непосредственной близости от передатчика и удовлетворяет стандарту безопасности IEC 825. Таким образом, на расстоянии 30-40 см от линзы передатчика безопасное время воздействия излучения на органы зрения составляет 7 минут. Разумеется, все уникальные черты этой ЛАЛС отразились на ее цене, которая составляет ПО тыс. долларов.
К сожалению, большинство зарубежных моделей OAK имеют диапазон рабочих температур от -30 до +50С, что делает их неприемлемыми для многих районов нашей страны. Распространенной задачей беспроводного соединения с помощью OAK в России является связь между полевыми точками в районах Севера, где вечная мерзлота препятствует прокладке кабеля, северные сияния создают помехи для радиосвязи, а температура зимой нередко опускается до -60С. Некоторые производители, например, Laser Communications, предлагают помещать приемо-передающие блоков в специальный саркофаг. Разумеется, это вызывает дополнительные финансовые затраты.
Еще одной проблемой не распространенности OAK является ее высокая стоимость, что затрудняет развитию данной технологии в широких кругах.
Исторически сложилось так, что на территории России разработкой и производством оборудования OAK, как и большинства другого высокоточного оборудования, занимаются предприятия, связанные с военными ведомствами. Спектр оборудования российских производителей не так широк, как за рубежом, меньше выбор поддерживаемых интерфейсов, практически отсутствуют встроенные сервисные функции, однако конкурентоспособные цены и способность работать в более жестких климатических условиях позволяют успешно применять отечественные атмосферные линии.
Максимальная дальность связи большинства отечественных моделей OAK лежит в пределах от 200 м. до 4 км. Они способны передавать данные с максимальной скоростью 2 Мбит/с. Причина этого ограничения кроется в том, что большинство российских разработчиков ориентировано по старой военно-советской традиции на использование исключительно отечественной элементной базы. Сейчас, конечно, это не является обязательным условием для запуска изделия в производство, однако переквалификация старых специалистов происходит медленно и со скрипом, либо вообще не происходит за отсутствием мотивации, а новое поколение инженеров не идет работать в государственные предприятия по известным всем причинам.
Тем не менее, прогресс не стоит на месте. В числе запущенных в производство новинок можно отметить линию связи на 100 Мбит/с, разработанную Воронежским НИИ связи. Дальность этой ЛАЛС выше, нежели у большинства зарубежных моделей, и составляет 1,5 км. Интерфейс - оптоволоконные разъемы, что позволяет делать соединения по Fast Ethernet (Half и Full Duplex), FDDI, ЕЗ. Диапазон рабочих температур - от -60 до +50С - не обеспечивается ни одной зарубежной ЛАЛС. Для монтажа и настройки эти линии снабжены юстировочной платформой и оптическим прицелом.
Слабым местом большинства российских производителей является отсутствие налаженного рынка продаж, в результате чего производство OAK происходит не постоянно, а на заказ, поэтому покупателю в большинстве случаев приходится ожидать окончания всего цикла производства, который составляет около трех месяцев (поставка в Россию OAK импортного производителя займет не намного меньше времени).
Работы по развитию технологий атмосферной связи ведутся во многих российских институтах, наиболее значительные из них - это Воронежский научно-исследовательский институт связи и Институт лазерной физики Сибирского отделения Академии Наук. Коллективом Института лазерной физики недавно предложена теоретическая идея построения сети лазерных
приемопередатчиков. С помощью сети разбросанных по обширной территории подвижных и стационарных приемо-передающих блоков можно осуществлять высокоскоростную связь между точками, значительно удаленными друг от друга. Расстояние между точками связи ограничивается площадью территории, охватываемой сетью приемопередатчиков, которые могут функционировать как ретрансляторы. Изюминкой концепции новосибирских физиков является предлагаемый ими метод связи между двумя лазерными приемопередатчиками, не имеющими между собой прямой видимости.
Осадки или туман приводят к ослаблению лазерного сигнала, однако сам эффект рассеяния излучения в атмосфере позволяет расширить зону связи и осуществить передачу данных между точками, находящимися вне зоны прямой видимости. Согласно схеме, для достижения наиболее уверенной связи при меняющихся погодных условиях предполагается адаптивно изменять такие параметры приемо-передающих блоков, как направление и величины углов излучения и приема, длина волны излучения.
1.5 Обзор зарубежной и отечественной аппаратуры ЛАЛС
Среди зарубежных стран наибольшего развития изделия оптоэлектроники достигли в США. В соответствии с прогнозами, объемы продаж продукции оптоэлектроники возрастет с 75 млрд. долл. В 1993г. до 463 млрд. долл. в 2013г. При этом значительно возрастет доля функционально законченных изделий оптоэлектроники, существенно будет расти уровень интеграции оборудования, в котором используется оптоэлектроника.
Применение новейших технологий мультиплексирования на ИК-длинах волн, реализованных в оптоволоконных системах, и появление мощных полупроводниковых лазерных и некогерентных излучающих диодов послужило началу развития новых беспроводных систем на основе ЛАЛС.
Значительный вклад в развитие таких систем внесли компании fSONA, PAV, AT Schindler и др. Предложенные этими компаниями системы с обычными сетевыми интерфейсами Ethernet обеспечивают передачу данных на расстояния от 500 до 2000 м. и используют в передающем устройстве полупроводниковые излучающие диоды. Развитие современных лазерных технологий позволяет получить полупроводниковые излучатели мощностью более 100 мВт с параметрами наработки на отказ более 50 тыс. часов.
В Таблице 1.2 приведены сводные данные по основным зарубежным производителям ЛАЛС на малые расстояния. Для сравнения приведены данные по отечественной разработке ООО «Мостком». Большая часть зарубежных систем работает на скоростях от 100 Mbps и выше, на расстоянии до 2000 метров. Зарубежное оборудование предназначено для работы в городских условиях для построения корпоративных сетей и рассчитано на эксплуатацию с постоянным обслуживанием, в то время как отечественные системы разрабатываются с расчетом на минимальное эксплуатационное обслуживание.
По основным параметрам российские системы оказываются на уровне основных зарубежных производителей, при этом значительно выигрывают по стоимостным характеристикам. Важно отметить, что зарубежные системы разработаны на лазерных диодах с использованием диапазона 1350 нм или 1550 нм и высоких излучающих мощностей до 640 мВт. При этом они обеспечивают надежную связь на расстояние до 2000 метров. Отечественные производители используют пониженную мощность излучения до 80 мВт и при этом добиваются высоких параметров по надежности связи и дальности связи.
Таблица 1.2 Обзор зарубежной и отечественной аппаратуры ЛАЛС
зо
Таблица 1.2 Обзор зарубежной и отечественной аппаратуры ЛАЛС, продолжение
1.6 Практика использования аппаратуры ЛАЛС
Неверно было бы говорить о преимуществах того или иного метода передачи информации, если не попробовать каждый метод на деле. Использование классических методов построения сетей на проводниках или радио, давно уже описаны в различной литературе, а также широко применяются на практике. А описание применения аппаратуры ЛАЛС, в реальных условиях, практически нигде не встречается.
В ходе написания кандидатской работы были проведены исследования тактико-технических характеристик оборудования лазерных линий связи. Рассматривались образцы, которые были любезно предоставлены для тестирования разработчиками оборудования и в состав которых, к сожалению, не вошли образцы с малой длиной дистанции. Но практические навыки установки, настройки и поддержки работоспособности данных образцов, дало существенный задел для создания OAK на малые дистанции.
1.6.1 Аппаратура ЛАЛС «МОСТ» производства ООО «Мостком»
(г.Рязань)
Далее по тексту используются следующие сокращения: 1ІІ1М - приемопередающий модуль; УВИ - устройство внешнего интерфейса; УВИ-ІР - устройство внешнего интерфейса с ІР-контролем; КВИ - соединительный кабель внутреннего интерфейса; ССК - соединительный сигнальный кабель; ОДН - ось диаграммы направленности;
СПС - система пространственной стабилизации направления связи. Лазерные атмосферные линии связи «МОСТ» в зависимости от серии изделия предназначены для создания беспроводного канала связи:
для применения на местных первичных сетях связи общего пользования единой сети электросвязи Российской Федерации. Изделие обеспечивает передачу и прием цифровых сигналов с параметрами первичного сетевого стыка плезиохронной цифровой иерархии в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т G.703 по атмосферной линии связи;
в локальных сетях Ethernet и Fast Ethernet в режиме полного дуплекса.
Перечень моделей изделия «МОСТ» представлен в Таблице 1.3. Изделия применяются в случаях, когда требуется высокоскоростное и экономичное решение задачи по организации связи между пространственно разнесенными объектами, например, при телефонизации отдельно стоящего офиса или соединении двух сегментов локальной компьютерной сети (LAN), расположенных в различных зданиях.
При использовании изделия любой модели не требуется получения разрешения ГКРЧ России на выделение рабочих частот.
В состав изделия входят два идентичных комплекта, каждый из которых при поставке состоит из: ППМ, УВИ и КВИ. Два ППМ образуют между собой атмосферный оптический тракт. УВИ выполняет функции питания изделия и организации сервисного стыка с внешним компьютером. Между собой УВИ и ППМ каждого комплекта соединяются КВИ для связи ППМ с аппаратурой потребителя, прокладываются ССК, которые поставляются изготовителем по отдельному заказу. Связь УВИ с компьютером обеспечивается через кабель связи по стыку RS232. Для удаленного контроля работоспособности и состояния аппаратуры ЛАЛС, а также управления его отдельными функциями используется специализированное программное обеспечение.
Изделие, в зависимости от модели может иметь в своем составе СПС, обеспечивающую пространственную стабилизацию атмосферной линии связи и/или УВИ-ІР, использование которого позволяет осуществлять
мониторинг состояния аппаратуры ЛАЛС по ІР-сети. В Таблице 1.3 приведен полный перечень доступных моделей изделия с усредненными данными по обеспечиваемой ими дальности связи в условиях климатической зоны
Центральной России.
Таблица 1.3 Перечень моделей изделия МОСТ
Надежность канала связи зависит от погодных условий и длины оптической трассы. Операторская надежность аппаратуры ЛАЛС статистически равна надежности кабельных соединений без резервирования в условиях города и составляет не менее 99,7%. В более южных широтах приведенные цифры могут быть значительно увеличены, вплоть до значений максимальной дальности.
В Таблице 1.4 представлены технические характеристики аппаратуры
ЛАЛС серии «МОСТ».
Таблица 1.4 Технические характеристики изделия МОСТ
Литание изделия осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 (+22;-33) В и частотой 50 (±2,5) Гц по ГОСТ 5237-87. Изделие может так же питаться от сети постоянного тока напряжением 48 (+12;-18) В с заземлением отрицательного проводника.
Изделие предназначено для эксплуатации в непрерывном режиме:
ППМ, КВИ, КП - на открытом воздухе;
У ВИ И КСК - в закрытом помещении.
В таблице 1.5 приведены допустимые условия эксплуатации составных частей изделия.
Таблица 1.5 Условия эксплуатации
1.6.2 Аппаратура ЛАЛС СЛА-10М «Ирис» производства ООО
Воронежского НИИ связи
СЛА-10М относится к новому поколению лазерных атмосферных линий связи, разрабатываемых и выпускаемых ФГУП «Воронежский НИИ связи». Изделие СЛА-10М предназначено для информационного обмена в дуплексном режиме между терминалами с произвольным протоколом и обеспечивает их согласование на уровне форматов передаваемого сигнала с возможностью настройки в автономном режиме (непосредственное подключение к источнику сигнала) и/или в процессе функционирования в составе других автоматизированных телекоммуникационных комплексов.
Функциональные особенности:
уменьшенное время развертывания аппаратуры за счет применения автоматизированных процедур поиска абонента и фиксации узлов при установке и настройке аппаратуры связи;
возможность обнаружения попыток доступа в канал за счет применения оригинального алгоритма обработки принимаемого сигнала и выделения фазовых составляющих, обусловленных
нахождением в диаграмме направленности дополнительных оптических систем;
быструю замену имеющихся линий, приобретенных ранее в Воронежском НИИ связи, за счет использования в СЛА-10М унифицированного корпуса с унифицированными разъемами и базой установки;
управление основными параметрами приемопередающего устройства (диаграммой направленности излучателя и полем зрения фотоприемника, пиковой и средней мощностью излучения и другими), что позволяет повысить срок службы основных элементов;
удобство эксплуатации за счет применения модульного принципа построения, позволяющего разместить каналообразующую аппаратуру в непосредственной близости от оконечной аппаратуры абонента, а приемопередающий блок установить в удобном месте на расстоянии до 100 м от нее.
Технические характеристики:
Максимальная дальность связи: 5 ... 8 км.
Скорость передачи: 10 Мбит/с
Энергопотребление:
в режиме приема сигнала: 10 Вт
в режиме передачи сигнала: 100 Вт Масса:
приемопередающего блока: 6 кг
блока управления (каналообразования): 3 кг
Протокол стыка: по согласованию с заказчиком
Вероятность ошибки на бит: не более 10*6
В результате тестирования образцов разных производителей был сделан вывод, что область систем передачи информации по открытому
"РОССИЙСКАЯ ;
ГО СУ ДА Г> СТ U '.І:! Ь Л і і j EHG/lrfOTKA j
каналу полностью еще не изучена и данное направление требует изучения и развития специалистами.
1.7 Целесообразность применения OAK
В каких же случаях инфракрасная технология связи оказывается незаменимой?
Прежде всего, OAK, как технологию беспроводной связи, имеет смысл применять там, где нет возможности осуществить проводное соединение - в тех случаях, когда прокладка кабеля вызывает большие трудности или неоправданные финансовые или временные затраты. Например, между точками связи находится водная преграда, область вечной мерзлоты или проходит крупная автострада. Кроме того, финансовые затраты на прокладку кабеля, как правило, превышают затраты на создание беспроводного канала связи.
Другой причиной для использования OAK может быть непостоянное положение точек связи. Например, одна точка связи находятся в арендуемых помещениях, в которых арендодатель не разрешает прокладывать телекоммуникации, а предлагаемые им услуги связи являются кабальными. И в случае смены места аренды достаточно демонтировать оборудование и установить его на новом месте.
Еще одна область применения беспроводной связи - создание резервных каналов на случай выхода из строя основных кабельных коммуникаций.
И, наконец, последнее: возможна установка временного беспроводного канала связи за счет аренды оборудования на период проведения работ по прокладке кабельного соединения.
Для организации беспроводной связи "точка-точка", необходимо выбрать метод: радио или оптическая связь. Радиосвязь заведомо не годится в следующих случаях:
Неблагоприятная электромагнитная обстановка на объектах;
Наличие проблем с лицензированием радиочастоты;
Несоответствие требований секретности возможностям методов радиосвязи.
Перечисленные ситуации встречаются часто, и в большинстве подобных случаев применение OAK могло бы решить указанные проблемы. Впрочем, существуют ситуации, когда применение OAK невозможно: первое и самое серьезное ограничение для применения OAK - это ограничение по дальности связи. Если расстояние между точками превышает 10 км и отсутствует возможность установки ретрансляторов, то применение оптических методов беспроводной связи невозможно.
Второе - связь должна быть абсолютно надежной. Общее нерабочее время за год для большинства OAK составляет не более 0,1%. Тем не менее, на расстояниях свыше 1 км для любой OAK существуют такие атмосферные условия, при которых связь становится невозможной.
Как видно из сказанного, OAK можно применять не всегда. Они, конечно, имеют свои недостатки, однако есть случаи, когда OAK может оказаться наиболее удобным и экономически выгодным решением.
1.8 Эффективность внедрения OAK в вычислительные сети
Оптоэлектроника является одним из самых актуальных направлений современной электроники, и это не случайно. Приборы, устройства, системы и сети оптоэлектроники характеризуются исключительной функциональной широтой, они успешно используются во всех звеньях компьютерных сетей и телекоммуникационных систем для сбора, передачи, обработки информации, формирования исполнительных цифровых команд для управления исполнительными узлами (как правило, электротехническими) объекта.
В настоящее время для снижения затрат при доведении информации до потребителя (абонента ЛВС предприятия, организации и т.д., то есть
решения проблемы «последней мили») широко используется радиосвязь (среди сетевых интеграторов использование радиосвязи в компьютерных сетях получило определение «беспроводной информационной технологии», «беспроводных методов», «беспроводной связи»). Интенсивное внедрение радиосредств в компьютерные сети и телекоммуникационные системы, обусловлено, прежде всего, высокой развитостью радиотехнических методов и технологичностью выпускаемых промышленностью радиосредств (радиомодемов) и сравнительной дешевизной радиооборудования.
Концепция передачи информации на основе оптоэлектронных методов прорабатывалась в течение многих лет (особенно для военного применения) и интерес к ней в настоящее время в гражданских компьютерных сетях расширяется в связи с возрастающими потребностями в высокоскоростных беспроводных каналах связи.
Преимущества использования оптоэлектронной атмосферной передачи информации, то есть передачи в сетях на основе инфракрасных (диапазон оптического излучения 0,82-1,6 мкм) полупроводниковых светодиодов и лазерных диодов по сравнению с другими беспроводными решениями определяются следующим:
использование ближнего инфракрасного оптического диапазона расширяет возможности беспроводной передачи информации, т.к. массовое использование радиодиапазона в современных условиях ввиду загруженности эфира приводит к низкому качеству передачи информации;
высокая помехозащищенность и конфиденциальность оптической связи - передача осуществляется узким лучом при полном отсутствии боковых излучений;
низкая удельная стоимость бита передаваемой информации;
совместимость по техническим характеристикам оптоэлектронных приборов, устройств для передачи цифровой информации с микроэлектронными схемами и устройствами,
являющихся определяющей элементной базой современной
вычислительной техники.
Показательно сравнение энергетической эффективности
оптоэлектронных атмосферных и радиосредств передачи информации.
Известно, что примерное значение угла расходимости луча антенны Q (в радианах), характеризующее ее направленность, рассчитывается по формуле:
Qpacx.aHT-2>VD (1.1)
где А, - длина волны, см
D - диаметр антенны, см
Поясним это конкретным примером. Рассмотрим радиолинию связи, работающую на частоте 2,4 Ггц, длина волны при этом составляет 12 см. Предположим, что диаметр антенны передающей радиостанции равен 100 см (размер близок к размерам антенн реально работающих радиопередатчиков в беспроводных сетях). Угол расхождения луча радиопередающей антенны, согласно упомянутой формуле (1.1), будет равен 0,24 рад или 13,7 углового градуса. В точке приема, удаленной, например, на 500 м, диаметр радиолуча увеличится до 121 метра. Таким образом, при использовании приемной антенны диаметром 100 см эффективно можно принять лишь 1,5* 10'6 энергии передаваемого сигнала.
А что будет в диапазоне оптоэлектронных частот (то есть при использовании в беспроводных каналах передачи информации оптического передатчика и приемника). Размеры антенны, приведенные выше, для этих частот (1,9*1014 - 3.3*1014 Гц) не годятся. Рассмотрим случай, когда с помощью линзы диаметром 12 см передают оптический сигнал, длина волны которого составляет 0,87 мкм (это реальные параметры оптического атмосферного канала OAK на основе ИК-диода [62]).
Иными словами, можно получить настолько острый световой луч, что на расстоянии 500 м диаметр светового пятна будет равен 0,75 метра.
Таким образом, соотношение коэффициентов эффективности для OAK и радиоканала определяется соотношением
КЭфф=КЭ0/Кэр (1.2)
где КЭфф - коэффициент, определяющий эффективность работы OAK по
сравнению с радиоканалом.
Кэо - коэффициент эффективности оптического OAK, определяемый отношением диаметра приемной линзы к диаметру оптического пятна из-за расходимости луча.
Кэр - коэффициент эффективности при использовании радиосвязи, определяемый отношением диаметра приемной антенны радиоканала к диаметру пятна, в котором распределяется энергия радиосигнала радиопередатчика из-за расхождения радиолуча.
При длине трассы канала L = 500 м, Кэо = 1*10"4, Кэр = 1*10"6 (значение Кэо рассчитано по конструктивным параметрам, а значение Кэр взято из [73])
Другими словами, оптическая связь эффективнее радиосвязи в 1*10 раз при прочих равных условиях.
Сравнительные характеристики различных телекоммуникационных систем представлены в Таблице 1.6.
Таблица 1.6 Сравнительные характеристики разных
телекоммуникационных систем
Используя методику работы [74], можно оценить удельную стоимость (Суд OAK) информации, передаваемой OAK и определяемой, выражением
СудОАК = Ссум/(Ь*У)у.е./бит (1.3)
где Ссум - суммарная стоимость OAK , которая складывается из
стоимости передающих (Спер) и приемных (Спр) устройств, стоимости
оконечного оборудования OAK (Сок.0б), стоимости затрат, связанных с
ПОДКЛЮЧеНИеМ (Сподкл) И обслуживанием (С0бсл) OAK, т.е.
L - длина трассы OAK, м;
V- скорость передачи информации OAK в Мбит/с.
С учетом показателей Таблицы 1.6 составленной для внутриобъектовых, корпоративных, локальных вычислительных сетей, результаты расчетов Суд OAK представлены в Таблице 1.7.
Таблица 1.7 Результат расчета удельной стоимости OAK
Анализируя значения удельной стоимости в Таблице 1.7 приходим к выводу, что наименьшей удельной стоимостью обладает светодиодный OAK (практически этот показатель на порядок меньше аналогичного значения у радиоканала).
Опыт практики внедрения изделий микроэлектроники вычислительную технику в 1980-1990 годах показывает, что десятикратное превышение одного из технико-экономических показателей этих изделий над
аналогичными показателями изделий электроники и электротехники, позволило без риска внедрить оптоэлектронику (то есть без гарантированной потребности основных заказчиков вычислительной техники в изделиях микроэлектроники) в вычислительную технику.
1.9 Выводы 1.9.1 Определение хода дальнейшего исследования
Анализ данных, приведенных в обзоре, говорит о том, что зарубежные производители предполагают широкое использование систем OAK.
Основная идея использования импортных систем OAK, заключается в создании ЛВС на небольшое расстояние с высокими скоростями. Бо'льшая часть таких систем OAK работают на скоростях от 100 Мбит/с, что сказывается на стоимости конечного оборудования. В городских условиях эти системы, в основном, предназначены для построения корпоративных сетей с учетом эксплуатации с постоянным обслуживанием.
Российские производители ориентированы на эксплуатацию OAK с учетом специфики нашей страны, и разрабатывают систему с возможностью минимизации эксплутационного обслуживания.
По основным параметрам российские системы оказываются на уровне основных зарубежных производителей. Скорости передачи до 155 Мбит/с, на расстояние до 2000 метров.
Важно отметить, что западные системы разработаны на лазерном диоде с использованием диапазона 1350 нм или 1550 нм и высоких излучающих мощностей до 640 мВт. При этом они обеспечивают надежную связь только на расстояние до 500 метров.
Наши производители используют пониженную мощность излучения до 80 мВт и при этом добиваются высоких параметров по надежности и дальности связи.
При больших расстояниях, таких как Россия, отечественные производители пытаются разрабатывать OAK на дальние дистанции и малые скорости передачи информации, для максимального радиуса охвата, при этом, не уделяя основного внимания на разработку OAK на малые дистанции. За рубежом противоположная картина - разрабатываются OAK для малых расстояний и максимальной пропускной способности канала.
Вот и получается, что золотой середины нет - отечественной разработки OAK на малые расстояния с небольшими скоростями (до 10 Мбит/с).
Данное направление в России мало кого сейчас интересует из-за сроков
работ по наладке производства и стоимости конечного оборудования.
Однако, для развития экономики страны и повышения ее
обороноспособности, была поставлена новая, но реально достижимая цель
диссертационной работы - разработка малогабаритного,
быстроинсталлируемого, ориентированного на конечного пользователя, устройства связи на расстояние до 500 метров, использующее инфракрасное излучение. Отечественные устройства такого класса будут востребованы в различных областях использования информационной техники и техники связи. Разработка и производство этих изделий представляет не только технический, но и коммерческий интерес. Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Исследование существующих OAK и их параметров;
Разработка оптических атмосферных каналов (OAK), рассчитанных для работы на малые расстояния;
Снижение стоимости оконечного оборудования за счет введения новых конструктивных решений.
Исходя из поставленной задачи, разработку системы оптической связи на расстояние до 500 м и минимальной стоимости (с приемлемой надежностью) целесообразно начинать с варианта наихудших показателей
элементов, влияющих на систему в целом. Это позволит учесть и влияние атмосферы, и надежность элементов, и схемотехнику модулей.
1.9.2 Постановка требований к OAK с малой длиной трассы
При правильном проектировании, OAK является доступным практически при любых погодных условиях. Для создания дешевых OAK, работающих на коротких дистанциях для связи физических лиц (условная стоимость 1 метра трассы не превышает 1 у.е.) необходимо определить параметры OAK.
Электрические и оптические параметры полукомплектов приведены в таблице 1.8.
Параметры OAK в целом представлены в таблице 1.9.
Таблица 1.8 Электрические и оптические параметры полукомплектов
Таблица 1.9 Параметры OAK в целом
Факторы, которые мало влияют на работу оак
Конечно, работа с оборудованием OAK, как и с любым другим оборудованием, требует соблюдения техники безопасности. Излучение OAK является в определенной степени опасным для глаз, особенно в непосредственной близости от источника, где луч очень узок и мощность излучения на единицу площади превышает безопасную для здоровья величину. Тем не менее, кратковременное воздействие излучения на органы зрения является безвредным. Для большинства моделей OAK не рекомендуется вблизи излучателя смотреть незащищенным глазом непосредственно в точку выхода луча более 5 с. Для каждой модели OAK определены минимальные безопасные расстояния до излучателя, находящиеся в пределах от нуля (некоторые OAK абсолютно безопасны) до 20 м.
Любая пролетевшая мимо птица вызовет сбой связи.
Птицы, в отличие от людей, способны видеть в инфракрасном диапазоне. Поэтому в большинстве случаев птица пролетит мимо луча. Если же какой-либо предмет все же пересечет луч, то это может вызвать ошибку передачи нескольких битов. Большинство сетевых протоколов предусматривает повторную передачу пакета при обнаружении ошибки.
Если нет прямой видимости между объектами, которые необходимо связать, то OAK неприменимы.
В большинстве случаев приемо-передающие блоки устанавливаются на крышах зданий, где проблема прямой видимости стоит не так остро. Если между связываемыми объектами находится, например, высокое здание, перекрывающее обзор, то достаточно на крыше этого здания установить ретранслятор, который находится в прямой видимости обоих объектов. К ретранслятору потребуется лишь подвести питание от сети переменного тока (если не считать проблем, связанных с получением разрешения у администрации здания). Таким же образом, то есть путем установки ретранслятора, можно увеличить максимальное расстояние между связываемыми объектами.
Монтаж оборудования OAK является сложной процедурой.
Масса приемо-передающих блоков составляет в зависимости от модели от 3,4 до 11,2 кг, поэтому крепление блоков на стене или крыше здания не требует специальных навыков. Наиболее сложной процедурой является юстировка блоков, то есть совмещение оптических осей. Однако большинство моделей снабжено специальными устройствами, упрощающими юстировку. Таким образом, для проведения этой процедуры достаточно минимальных навыков.
OAK, как любое оборудование WAN, требует внимания высококвалифицированного специалиста, а также немалых затрат на обслуживание.
OAK не имеют никаких собственных протоколов и не требуют никакой программной настройки. Единственным управляющим элементом многих оптических линий является тумблер выключения питания. Все обслуживание OAK сводится к следующей простой процедуре: 1-2 раза в месяц необходимо проводить внешний осмотр и, если нужно, очищать от пыли объективы приемника и передатчика.
Возможности OAK.
В настоящее время можно смело сказать, что для любой разумной задачи создания связи между объектами существует решение в виде OAK. Судите сами. Основными параметрами, которые нужно учесть при организации связи, являются дальность, используемый интерфейс (то есть скорость связи, протокол, тип кабельного соединения и пр.) и, главное, цена.
Что касается цены, то OAK зарубежных производителей находятся в той же ценовой нише, что и радиорелейные линии, то есть в зависимости от технических характеристик их стоимость в большинстве случаев лежит в пределах от 10 до 20 тыс. долларов.
К поддерживаемым интерфейсам относятся V.35, G.703, Ethernet (Half и Full Duplex), АТМ-155; кроме того, существуют модели с интерфейсом в виде оптоволоконного разъема, которые поддерживают такие протоколы, как Fast Ethernet, El, ЕЗ, FDDI, ATM. Существуют OAK, предназначенные для передачи видеосигнала. Они используются в системах замкнутого телевидения (в частности, в охранных системах наблюдения), а также для оперативной организации временных каналов передачи видео.
Дальность связи для большинства моделей варьируется от 300 до 1200 м.
Кроме дальности связи, перечня поддерживаемых интерфейсов и, конечно, цены, каждое изделие обладает рядом характеристик, которые также влияют на выбор той или иной модели.
Например, все изделия фирмы Jolt Communications используют в качестве излучателя светодиод, благодаря чему даже длительное воздействие излучения на близком расстоянии не сможет нанести вреда зрению. Другим следствием применения светодиода является вдвое большее время наработки на отказ по сравнению с моделями, основанными на лазерных диодах. Время наработки на отказ для OAK производства фирмы Jolt Communications составляет 70 тыс. часов. Правда, максимальная дальность связи для моделей Jolt Communications не превышает 500 м.
Наиболее интересной OAK в плане практической реализации уникальных технологий и, соответственно, наиболее дорогой, является Canobeam II - продукт известной во многих других областях фирмы Canon. Canobeam II поддерживает связь со скоростью 155 Мбит/с (ATM или 4 канала видео) при дальности до 4 км. Угол расходимости луча передатчика сделан очень узким - порядка 4 угловых минут, за счет чего средняя мощность излучения не превышает 10 мВт при дальности связи до 4 км. При таком узком угле луча связь не может быть устойчивой из-за ветра и суточных смещений зданий.
Определение параметров оак с малой длиной трассы
Определение доли полного светового потока (Аохв) источника излучения, которая охватывается линзой приемника. 1. Определяем угол охвата линзы передатчика:
В общем случае для данной пространственной формы фотометрического тела или индикатрисы ИК-кр., коэффициент Аохв можно определить путем численного интегрирования. Это интегрирование надо выполнить по телесному углу, ограниченному диаметром линзы передатчика. Для расчета необходимо знать UOXB. В частных случаях для коэффициента Аохв можно получить аналитические формулы: при равномерной индикатрисе ИК-кр.: Аохв = (UOXB / Umax)2 (2.4) а при гауссовой индикатрисе: A .1-,-itl (2-5) гая v
2. Определение доли светового потока (Апр), которая перехватывается линзой приемника, удаленной на расстояние L.
Зная индикатрису силы излучения, сформированного линзой передатчика, Апр можно также определить путем численного интегрирования. Это интегрирование легче выполнить в плоскости линзы приемника. Для идеального случая (безаберрационная оптика, Ламбертовый излучатель и т. п.) эта индикатриса равномерна. Тогда: Апр = (Dnra / Dnp)2 (2.6) где Бптн - диаметр светового пятна. Dnp = L-Qpacx. Угловая расходимость (Qpacx) определяется формулой элементарной геометрии: Qpacx = А / F. Если DOTH Dnp, то Апр=1.
3. Определение отношения Рпр/Рии. Отношение Рпр/Рии определяется как геометрическая сумма потерь излучения во всех элементах оптической системы. Для идеальной безаберрационной оптики на трассе длиной в 500 м (затухание (3 сигнала в атмосфере при данном расчёте принято равным "0") это отношение не превышает 1-Ю"4[62]. При применении реальных элементов в каждом конкретном случае построения системы связи это отношение может лишь уменьшиться, а при неудачном выборе фокусного расстояния и других параметров линз передатчика и приемника может снизиться весьма существенно.
Результаты расчета приведены в таблицах 2.1, 2.2. Для удобства сравнения результатов расчета с экспериментальными данными в тех же таблицах приведено расчетное значение е интенсивности светового потока в плоскости линзы приемника, нормированное относительно мощности Рии.
Опыт разработки и изготовления крупногабаритных OAK на дистанцию 2000 м [62] позволяет разрабатывать малогабаритные устройства для работы на короткие дистанции, однако эта задача является новой, но реально выполнимой. По нашим данным, отечественные устройства такого класса будут востребованы в различных областях использования информационной техники и техники связи. Разработка и производство этих изделий представляет не только технический, но и коммерческий интерес.
Далее будет представлен предварительный расчет энергетических и оптико-механических данных OAK с малой дистанцией.
OAK состоит из модулей, которые взаимосвязаны и обеспечивают передачу информации по открытому каналу - атмосфере посредством ИК-излучения. Система включает в себя следующие подсистемы: формирования ИК излучения; преобразования ИК излучения в электрические импульсы; управления работой ППМ; трансивер; интерфейсная подсистема; Подсистема «управляющая ЭВМ».
В ней формируется поток ИК излучения. Она состоит из многоканального формирователя мощного импульса тока и системы отслеживания уровня выходной мощности. Использование многоканального формирователя позволяет повысить надежность подсистемы и позволяет дискретно управлять мощностью излучения. Для диагностики работоспособности подсистемы используется датчик ИК излучения, который позволяет измерять уровень выходного излучения. Информация с датчика оцифровывается АЦП и передается в систему управления работой ППМ.
Влияние изменений температуры окружающей среды на работу излучающих диодов
Рассмотрим последовательно основные параметры полупроводниковых материалов, изменения которых определяют скорость установления температурного режима и вид температурных зависимостей основных характеристик излучающих диодов (ИД).
В связи с тем, что характер излучательной рекомбинации в полупроводниках в значительной степени определяется их фундаментальными свойствами, несомненный интерес представляет рассмотрение влияния температуры на эти свойства. В первую очередь это относится к ширине запрещенной зоны, поскольку именно это свойство определяет в большинстве случаев спектральное положение краевой полосы излучения.
В соответствии с существующими представлениями температурная зависимость ширины запрещенной зоны определяется двумя факторами: во-первых, термическим расширением постоянной решетки, и во-вторых, электрон-фононным взаимодействием. Как показывает расчет, первый фактор приводит к линейной зависимости ширины запрещенной зоны в высокотемпературной области, при этом его вклад составляет около 25 процентов от общего изменения Ej, и к нелинейной зависимости в области низких температур.
Наибольший вклад в температурное изменение Ej дает электронно-фононное взаимодействие; при этом AEg Т2 (Т«0Д) и AEg T (Т 0Д), где 0Д - температура Дебая. Учет этих факторов позволил в работе [2] аппроксимировать экспериментальные зависимости: Eg(T) = Eg{0)-j (3.2) Где 00 0Д
Вместе с тем в большинстве случаев наблюдается существенное отличие величин 00 и 0Д; при этом в ряде соединений (например, в карбиде кремния и алмазе) 00 0 (табл. 3.1) Попытка устранить указанную трудность привела автора [2] в необходимости использования, например в случае алмаза, более сложного соотношения: 7917-10 4Г2 +5514 EJT) = 5,4461 - Jp (3.3) g Г + 2220 В соответствии с эмпирическим подходом, развитым в работе [3], температурное изменение ширины запрещенной зоны может быть аппроксимировано соотношением: gW I IT
Соотношение 3.2 переходит в формулу Варшни (3.4) при Т/ «і. в / wo рамках указанной модели 0О « О,40д. Приведенные данные по влиянию температуры на параметры зонной структуры представляют принципиальный интерес с точки зрения установления температурной зависимости полос излучения вблизи края фундаментальной полосы излучения, поскольку, как показывает анализ [3,4], полосы люминесценции «следят» за положением минимумов зоны е dhvm r dE проводимости и, таким образом, —- близки к —-.
Это представляет несомненный интерес с точки зрения разработки источников излучения, характеризуемых слабой зависимостью длины волны излучения от температуры.
Важными параметрами, характеризующими собственную излучательную рекомбинацию, являются вероятность излучательной рекомбинации и излучательное время жизни.
Использование соотношение Шокли-Ван-Рузберка позволяет записать [6] выражение для вероятности излучательной рекомбинации в прямозонных полупроводниках в виде:
Как следует из приведенного соотношения, величина Вп возрастает при уменьшении температуры как Т" , что является одной из причин обычно наблюдаемой температурной зависимости эффективности излучения 77 dT
В полупроводниках с непрямой структурой зон существенна температурная зависимость числа заполнения фононов, принимающих участие в излучательной рекомбинации; при этом соответствующее выражение для вероятности излучательной рекомбинации имеет вид: (3.6) B (m„mB/2Elcth— н V л р) g yirT Где hco- энергия фононов. Как видно из выражения (3.6), в отличие от прямозонных материалов в рассматриваемом случае при (%ст величина Вн уменьшается с понижением температуры как Т. Многочисленные экспериментальные данные, систематизированные в работе [4], подтверждают указанный ход зависимости В„(Т).
Разработка принципиальных электрических схем OAK
Одним из определяющих основные параметры OAK, является блок 5 -приемник. Основной его функцией является усиление и формирование импульсных сигналов кодовых посылок информационного сообщения. Приемник оптических сигналов обычно называют фотоприемным устройством (ФПУ). Фотоприемное устройство включает в себя следующие узлы: фотоприемник; трансимпедансный усилитель; дифференциальный усилитель; формирователь.
1. ФОТОПРИЕМНИК выполнен на основе кремниевой р-і-п-диодной структуры. Площадь фотоприемного окна 2 мм. Собственная емкость ФД -12 пФ. Собственная постоянная времени - 2- 4 не (при RH = 50 Ом)
2. ТРАНСИМПЕДАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (Рис. 4.2) представляет собой двухкаскадный усилитель постоянного тока (УПТ) с обратной связью. Входной сигнал снимается с резисторов R3 - R4 (последовательное включение необходимо для уменьшения паразитной емкости). Первый каскад УПТ выполнен на полевом транзисторе VT1. Второй каскад (VT2 -VT3) - это составной эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторах p-n-р и п-р-п. Особенность этого каскада - работа при низком уровне питающего напряжения, что обеспечивает малый уровень собственных шумов каскада и малое время перезаряда емкостей переходов транзисторов. Цепочка обратной связи R6-R8-C2 служит для компенсации полной входной емкости (СфД + Свх. Упт) и рассчитана таким образом, что входная постоянная времени уменьшается в 6 раз. Во столько же раз увеличивается и полоса пропускания УПТ. Таким образом, наличие истокового и эмиттерного повторителей и описанной выше цепи обратной связи определяет трансимпедансную функцию УПТ. Цепи R12-R7-C3, R5 VD1-VD2 - это цепи обратной связи по постоянному току, выполняющие функции АРУ: при превышении постоянной составляющей входного сигнала определенного уровня "подоткрываются" диоды VD1 и VD2, ослабляя рост постоянного смещения на R3-R4. Постоянная времени АРУ около 10 мкс. В случае, если мощность внешней фоновой засветки превышает 10 мкВт, в схеме предусмотрена возможность подключения внешней схемы АРУ: ее вход должен быть подключен ко входу формирователя (R34, вывод 9), а выход - ко входу цепи внутренней АРУ (R5, вывод 2)
4. ФОРМИРОВАТЕЛЬ (Рис. 4.3) представляет собой одновибратор на транзисторах VT8-VT9. Входная цепь C10-R22 с t - 45 не осуществляет функции фильтра нижних частот, отсекая медленно меняющуюся составляющую входного сигнала (например, за счет изменения скважности светового информационного сигнала или пульсаций питающего напряжения). Длительность выходного импульса постоянна и равна 100 не. Одновременно одновибратор осуществляет функции порогового устройства. Величина порога срабатывания определяется потенциалом базы VT9 и может "загрубляться" внешней цепью R35-R36, подключаемой к выводам 18-19. Для согласования с линией передачи и последующими устройствами служит эмиттерный повторитель на VT10, к выходу 14 которого должна подключаться нагрузка 50 Ом.
К основным процессам, сопровождающих распространение инфракрасного излучения в атмосфере, относится селективное поглощение парами воды, углекислым газом, озоном, метаном, а также рассеяние мельчайшими частицами, находящимися во взвешенном состоянии в атмосфере. Это характеризуется коэффициентами пропускания за счет поглощения и рассеяния оптического излучения в атмосфере Твп и Трас. в диапазоне длин волн свыше 1 мкм и на высоте до 12 км, наибольшее значение имеет селективное поглощение излучения молекулами водяных паров.
Для расчета коэффициента пропускания излучения коэффициент рассеяния, при метеорологической длине линии 0,5 км: тРЭ = 0,48, тогда тр = 0,48 83 0,998"(17-18 42) = 0,82 (4.5) Используя формулу 4.5, получаем коэффициент затухания в атмосфере: хш =0,33-1-0,82 = 0,27 (4.6)
Так как геометрические характеристики линии известны, найдем зависимость мощности падающей на фотоприемник Рфп от мощности излучателя Ризл.
При построении канала был использован инфракрасный диод со следующими характеристиками:
Прямое падение напряжения на диоде Unp =1.5в; Ток прямой средний 1пр = ЮОмА; Квантовый выход = 0,3; Основываясь на полученных расчетах, определим требования к силовому ключу: ключ должен обеспечивать частоту переключения равную 20 МГц; обеспечивать ток переключения до 4А; входной информационный сигнал должен соответствовать уровням ТТЛ - логики; Ключ должен работать на емкостную нагрузку. Максимальное время переднего и заднего фронта импульса тока должно быть более 2 не; Входной сигнал должен соответствовать логическим уровням ТТЛ -логики.
