Оптические системы беспроводной связи.

7.1 Оптические беспроводные системы. Различие беспроводной оптической и радиосвязи.

Беспроводные оптические линии связи используют спектральный диапазон лазерного инфракрасного излучения (как правило, от 400 до 1400 нм). Этот участок спектра соответствует так называемому "окну прозрачности" атмосферы, благодаря чему поглощение излучаемого сигнала атмосферными газами пренебрежимо мало. Предельные скорости передачи информации по инфракрасному каналу не превышают 5-10 Мбит/с.

Инфракрасные каналы делятся на две группы:

- каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможно только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. (протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров);

- каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий (препятствия в данном случае не страшны, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения).

Установка широкополосных линий связи между коммерческими, муниципальными и жилыми зданиями может быть очень необходимой с одной стороны, но проблемной с другой. Есть несколько способов подключения и объединения в единую сеть локальных вычислительных сетей (ЛВС), расположенных в разных зданиях. В том числе можно использовать волоконно-оптический кабель, арендовать «темное» оптоволокно, воспользоваться услугами оператора связи и установить беспроводные системы. Дороги, улицы, автомобильные стоянки, водные преграды, железнодорожные линии, системы и блоки кабельной канализации часто создают серьезные препятствия для прокладки проводных магистральных линий между зданиями. Да и надо учитывать то, что прокладка кабелей по улице может обойтись заказчику довольно дорого. Широкополосные арендованные линии, несмотря на простоту реализации, также являются дорогостоящим вариантом.

Беспроводные системы приобрели широкую популярность из-за простоты реализации и надежности, которая не уступает по надежности решению на основе проводных сетей. В отличие от проводных и арендованных линий связи, беспроводную систему можно быстро развернуть и устанавить в случае необходимости. Не существует технологии или решения, которое было бы в равной степени пригодно во всех ситуациях, и каждое средство связи имеет как преимущества так и недостатки. Эта статья посвящена атмосферной оптической линии связи (Free Space Optics, FSO) (русский аналог АОЛС – атмосферная оптическая линия связи), технологии двунаправленной передачи данных, основанной на излучении и приеме пучка световых лучей. Эта технология является привлекательной, надежной и по приемлемой цене. В статьей также приводится сравнение оптических беспроводных систем: атмосферной оптической линии связи и более широко известной радиочастотной.

Что такое система FSO?

В системах FSO для широкополосной передачи данных, голоса и видео от одной точки доступа к другой применяют лазерный луч, распространяемый в зоне прямой видимости по воздуху. Эту технологию можно считать беспроводным эквивалентом проводной оптической связи, осуществляемой по оптическому волокну. Модули FSO подключаются к локальной вычислительной сети с помощью медных или волоконно-оптических кабельных линий, которые отвечают требованиям стандартов TIA и EIA. Любое приложение, данные которого можно передавать через Интернет, а именно речь, данные и видео, может использовать систему FSO.

Системы FSO предлагаются в двух модификациях, в каждой из которых окно передачи имеет разный диапазон длин волн: одно окно работает в диапазоне 780-850 нм, а другое использует длины волн 1520—1600 нм. Системы FSO с длиной волны 780-850 нм надежны, экономически целесообразны и пригодны для большинства приложений, в том числе для сетей 1 Gb/s Ethernet. Системы атмосферной оптической линии связи с длиной волны 1520—1600 нм подходят для передачи данных с более высокой мощностью и на большие расстояния.

Есть много статей о влиянии атмосферных явлений на беспроводные средства связи и в том числе о влиянии тумана на рабочие параметры систем FSO. Отметим, что там, где расстояние между точками доступа меньше 500 м (типичная длина линии связи между зданиями), нет никаких видимых различий между этими двумя технологиями, независимо от оптической плотности воздуха. Однако надо помнить то, что системы, работающие на длинах волн 1520—1600 нм могут стоить в несколько раз больше, чем системы с длинами волн от 780 до 850 нм.

Стандартные системы FSO имеют скорость передачи данных от 6 Мб/с до 1.25 Гб/с. На реальном объекте в большинстве систем скорость передачи ограничивается пропускной способностью локальной сети, которую она может поддерживать. Пропускная способность линии FSO не определяется частотой передачи сигнала, а зависит от способности отправлять и принимать оптический сигнал с максимально возможной скоростью. Если передается и принимается достаточная мощность пучка света в системе FSO, то скорость передачи данных остается высокой.

Давайте сравним систему FSO с волоконно-оптической линией связи. В волоконно-оптической сети скорость передачи данных не уменьшается из-за ослабления сигнала, а данные либо не передаются вообще, либо передаются с большим количеством ошибок. Если уровень вносимых потерь (затухания) в волоконно-оптической линии связи будет слишком высоким, передача данных будет невозможна. Наоборот, беспроводная система FSO реагирует на ослабление мощности принимаемого сигнала уменьшением скорости передачи данных. Канал на оборудовании FSO, который в ясную погоду работает со скоростью 24 Мб/с, будет передавать данные во время непогоды со скоростью 18 Mб/с, 12 Mб/с или 6 Mб/с.

Влияние погоды

При передаче света атмосферные факторы могут вызывать рассеивание и ослабление лазерного луча, передваемого между двумя устройствами, и приводить к потере сигнала или, в худшем случае, к ошибкам передачи. Самым сильным атмосферным фактором, который влияет на передачу данных системы FSO, является туман. Поскольку туман является непостоянным природным явлением, возможность работы системы оценивают с помощью предельного расстояния (видимость), на котором система может работать в ясную погоду. В условиях тумана, расстояние, на которое передаются инфракрасные лучи, приблизительно в два раза меньше. Поэтому при плохих погодных условиях видимость уменьшается почти в два раза. Если система FSO установлена с учетом того, что видимость упадет во время тумана в два раза, то система будет поддерживать связь и во время непогоды. Дождь, снег и загрязняющие вещества могут также влиять на затухание сигнала, но обычно они имеют намного меньшее влияние, чем туман. Кстати, в дождливую погоду системы FSO работают лучше, чем радиочастотные системы. Эффективным средством противодействия погодным условиям является использование сфокусированного пучка в сочетании с функцией автоматического выравнивания.

Корректировка пучка света

Корректировка пучка является важным фактором производительности системы FSO. Даже при надлежащей установке, приемник FSO очень восприимчив к перемещению или смещению пучка света. Смещение могут вызывать такие обычные погодные явления как ветер, но оно может также быть связано с изменением температуры. Для корректировки пучка света в системах FSO применяют два основных способа:

узкий, сфокусированный пучок света с автоматической корректировкой смещения

широкий пучок света без корректировки.

Системы с автоматической корректировкой в состоянии устранять смещение, до того как неделательное смещение приведет к нарушению передачи. Расстояние и скорость передачи являются главными факторами при определении необходимости автоматической корректировки. Короткие, до 200 метров, линии со скоростью передачи 10 Мб/с менее уязвимы, чем 500 метровые линии со скоростью передачи 1.25 Гб/с. Широкий пучок увеличивает зону приема. Однако серьезным недостатком является то, что более широкий пучок в большей степени подвержен затуханию и поэтому более восприимчив к погодным условиям.

Влияние преград в пределах прямой видимости

Преграды в пределах прямой видимости могут уменьшать скорость передачи данных. Однако опытный установщик может учитывать преграды для уменьшения потенциальной возможности прерываний передачи. Временные преграды, например птицы, обычно не являются причиной прерывания передачи. Если птица пересечет лазерный луч, мощность принятого сигнала уменьшится, но все-таки будет достаточной для передачи данных. Если большой объект полностью преградит путь лучу, передача данных будет временно прервана. Если в сети используются протокол TCP/IP, эта проблема будет решена с помощью повторной передачи пакета данных.

Безопасность

Безопасность имеет особое значение во всех системах беспроводной связи. Поскольку радиочастотные системы излучают сигналы во всех направлениях, то сигналы можно просто и легко перехватывать. Поэтому для повышения безопасности радиочастотных сетей обычно применяют кодирование и различные средства защиты передаваемой информации. Однонаправленный луч света атмосферной оптической линии связи перехватить трудно. Поскольку системы FSO обычно устанавливают на крышах, то нарушителю нужно преодолеть физическую преграду и попасть на крышу. Да еще нужно перехватить луч света и постараться при этом не прервать передачу данных. У многих производителей систем FSO простые модели точек доступа очень похожи на камеры слежения, что является сдерживающим фактором для потенциальных вредителей.

Экономическая целесообразность

В своих пределах система FSO является выгодной альтернативой проводным системам. Фактически, для решения одной и той же задачи системы FSO могут стоить в несколько раз меньше, чем прокладка волокон-оптических кабелей. Они могут быть достаточно быстро развернуты на объекте, в течение нескольких дней. Рытье траншей является не только дорогостоящим мероприятия, но и наносящим вред окружающей среде. В нескольких городах США собираются даже принять мораторий на прокладку волоконно-оптических кабелей в траншеях. Линии FSO обходятся дешевле и более выгодны, чем аренда линий связи у провайдера.

Сравнение FSO и радиочастотной системы

При условии, что система FSO имеет указанные выше способности в различных условиях, важно сравнить (ее) с системами беспроводной связи, основанными на радиосигналах. В таблице 1 показаны преимущества каждой системы.

Таблица 1.

Беспроводные оптические каналы

При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом.

Следует иметь в виду, что лазерному лучу из-за поглощения в атмосфере проще преодолеть расстояние от Земли до Луны, чем от ТВ-башни в Останкино до шуховской башни.

Беспроводная оптика рассматривается в качестве решения: -когда прокладка кабеля невозможна (промзоны, горная местность, железная дорога) или стоимость этой прокладки велика;

-когда необходимо срочно организовать канал связи;

-когда требуется закрытый канал связи, не восприимчивый к радиопомехам и не создающий их (аэропорты, близость радиолокаторов, линий электропередач).

7.2 Организация связи посредством оптической беспроводной связи. Компоненты и элементы оптической беспроводной связи.

Типы устройств. Построение всех инфракрасных систем передачи практически одинаково: они состоят из интерфейсного модуля, модулятора излучателя, оптических систем передатчика и приемника, демодулятора приемника и интерфейсного блока приемника. В зависимости от типа используемых оптических излучателей различают лазерные и полупроводниковые инфракрасные диодные системы, имеющие разные скорости и дальность передачи. Первые обеспечивают дальность передачи до 15 км со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Главное преимущество полупроводниковых диодов заключается в высоком времени наработки на отказ. Кроме того, такие каналы менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере. Недостатки полупроводниковых диодов и, соответственно преимущества лазерных, заключаются в том, что из-за широкой полосы излучения существуют теоретические сложности в передаче высокоскоростного сигнала. Передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. Лазерные диоды как раз и обладают такими свойствами, но чем уже полоса сигнала, тем больше потенциальная вероятность того, что сигнал попадет в атмосфере в резонансную полосу поглощения какого-нибудь газа и качество сигнала снизится.

ИК-технология

Эта технология является, пожалуй, одной из “древнейших” беспроводных технологий “последнего дюйма” и наиболее отработанной в настоящее время. Она нашла широкое

применение для оперативной беспроводной связи между офисными компьютерами, в

пультах дистанционного управления бытовой техники (телевизоров, музыкальных

центров, кондиционеров) и т.п. Сегодня она активно используется для связи цифровых

фотоаппаратов и мобильных радиотелефонов с компьютером и для ряда других применений.

ИК-технология позволяет осуществлять в инфракрасном (ИК) диапазоне беспроводную

связь между устройствами, удаленными на расстояние нескольких метров.

Инфракрасная связь – IR (InfraRed) Connection – безопасна для здоровья, не создает помех в радиочастотном диапазоне и обеспечивает конфиденциальность передачи. В настоящее время различают инфракрасные системы низкой (до 115,2 кбит/с), средней (1,152 Мбит/с) и высокой (4 Мбит/с) скорости. Низкоскоростные системы служат для обмена короткими сообщениями, высокоскоростные – для обмена файлами между компьютерами, подключения к компьютерной сети, вывода на принтер, проекционный аппарат и т.п. В ближайшее время ожидается появление более высоких скоростей обмена, которые позволят передавать “живое видео”. Для обеспечения совместимости оборудования от различных производителей в 1993

году создана ассоциация разработчиков систем инфракрасной передачи данных IrDA (Infrared Data Association). В настоящее время действует стандарт IrDA 1.1, наряду с которым всё ещё существуют и собственные системы фирм Hewlett Packard (HP-SIR) и Sharp (ASK IR).

Излучателем для ИК-связи является светодиод, имеющий пик спектральной характеристики мощности на длине волны 880 нм. Этот светодиод при передаче дает конус эффективного излучения с углом около 30 град. В качестве приёмника используют PIN-диоды, эффективно принимающие ИК-лучи в конусе 15 град.

Спецификация IrDA обеспечивает уровень битовых ошибок не более 10^-9 при дальности до 1 м и дневном свете (освещенность – до 10 клюкс). Для передачи сигналов используют двоичную модуляцию и различные схемы кодирования.

Программное обеспечение позволяет устанавливать соединение с локальной сетью

(для выхода в Интернет, использования сетевых ресурсов), выводить данные на печать, синхронизировать данные PDA, мобильного телефона и настольного компьютера, выгружать отснятые изображения из фотокамеры в компьютер и выполнять ряд других полезных действий, не думая о кабельном хозяйстве.

Контрольные вопросы

1. Каким образом передается сигнал в системе беспроводной оптической связи?

2. Перечислите преимущества беспроводной оптической связи.

3. Назовите недостатки беспроводной оптической связи.

4.Типы беспроводной оптической связи

5. Возможные области применения беспроводных оптических систем.

6.Оптическая беспроводная связь, ее особенности.

7. На какие группы делятся инфракрасные каналы связи?

8. Основные технические характеристики системы инфракрасной передачи данных IrDA.