Нефть и песок О стали Компрессор - подбор и ошибки Из истории стандартизации резьб Соперник ксерокса - гектограф Новые технологии производства стали Экспорт проволоки из России Прогрессивная технологическая оснастка Цитадель сварки с полувековой историей Упрочнение пружин Способы обогрева Назначение, структура, характеристики анализаторов Промышленные пылесосы Штампованные гайки из пружинной стали Консервация САУ Стандарты и качество Технология производства Водород Выбор материала для крепежных деталей Токарный резец в миниатюре Производство проволоки Адгезия резины к металлокорду Электролитическое фосфатирование проволоки Восстановление корпусных деталей двигателей Новая бескислотная технология производства проката Синие кристаллы Автоклав Нормирование шумов связи Газосварочный аппарат для тугоплавких припоев
Главная страница / Архитектура отрасли

Атмосферная оптическая связь (FSO)

Окончание. Начало см. № 3, 2005

В мартовском номере журнала мы начали разговор о современном состоянии и перспективах систем атмосферной оптической связи. Сегодня производители FSO находят все новые и новые точки применения подобных систем: там, где зачастую просто невозможно развернуть другие виды связи.

Продолжение достоинств

На качество и надежность атмосферных оптических линий негативное влияние оказывают, по сути, два фактора:

• изменения погодных условий, в первую очередь туман;

• микроподвижки и вибрации несущих конструкций.

Конвекция теплых и холодных потоков воздуха порождает неоднородности показателя преломления – микролинзы, обусловливающие замирания оптического сигнала величиной до 30 дБ. Ослабление оптического сигнала, вызванное влиянием тумана, гораздо больше и может, в самых худших случаях, достигать 300–350 дБ на километр.

Большинство систем FSO с целью обеспечения приемлемой надежности передачи данных разрабатывается с некоторым «запасом прочности», как правило, заметно превышающим 30 дБ, т. е. доступность на расстоянии в пределах 100 м может быть практически 100%-ной, а сцинтилляции компенсируются контуром автоматического регулирования, тем более что процесс этот – в сравнении со скоростью передачи данных и частотой модуляции канала – относительно медленный.

Влияние тумана приводит к более трагичным последствиям – доступность большинства FSO-систем не поднимается до заветных для любого оператора связи «пяти девяток» – 99,999%. Именно разными степенями защищенности от тумана и обусловлен весьма значительный ценовой разрыв между разными FSO-системами.

С атмосферой закончили – перейдем к механическим эффектам. Зданиям, особенно высоким, свойственно «дышать» в течение дня. Иногда отклонение сооружения от вертикали под воздействием, например ветра, может достигать 1 м. Два здания – по одному на каждом из концов линии – могут привести к отклонению на 2 м. Добавим сюда еще микровибрации и тепловые неоднородности (нагрев несущих конструкций, например, на солнце), которые могут вызвать угловые отклонения передатчика... Потери будут определяться еще и отношением площадей апертуры приемного телескопа и пятна засветки излучателя (в среднем, без использования динамического наведения, около 1–2 м). Таким образом, потери составят около 15–30 дБ. Запас, оставленный «на туман», полностью «съедается» ошибками наведения!

Ахиллесова пята

Рассмотрим вопрос о теоретических пределах FSO-линий. Сравним две системы – практическую и «идеальную», с предельными мощностями лазера-передатчика, с фотодатчиком на пределе теоретических возможностей и с идеальной системой наведения, направляющей практически ВСЕ излучения с лазера на фотоприемник.

Затраты в десятки тысяч долларов (по сравнению с первоначальными – в тысячи) привели к повышению дальности системы со 100%-ной доступностью со 140 м до... 286 м. Увеличение количества лазер20 дБ, но, увы, не приведет к значительному увеличению дальности и к созданию на существующей элементной базе системы, гарантирующей 100%-ную надежность в любых погодных условиях при дальности более 900 м.

С повышением требований по надежности связи зависимость дальности передачи от погодных условий неуклонно понижается – разрыв между разными городами мира быстро сокращается, а для обеспечения надежности линии 99,99% ее длину придется ограничить в среднем 300 м. Видимо, именно этот фактор обусловливает относительно большую востребованность FSO в корпоративном секторе (см. Connect! № 3), где требования по надежности зачастую не столь высоки, да и туманы случаются чаще всего именно в нерабочее время.

Заметим, авторы замечательно подробной статьи, несмотря на высокие посты, занимаемые в (разных!) компаниях – лидерах рынка атмосферных линий, дружно относят FSO к технологии «трех девяток» и призывают сообщество к разработке надежной системы показателей, которая позволила бы объективно сравнивать оборудование разных производителей и с высокой степенью достоверности определять надежность линий. А пока – в том числе и для восстановления репутации атмосферных линий, подмоченной заявлениями некоторых недобросовестных производителей, – компаниям приходится прибегать к самым разнообразным ухищрениям: так, в рамках программы «100% Satisfaction Guarantee», корпорация MRV Communications уже более полутора лет предлагает 30-дневную пробную эксплуатацию североамериканским пользователям систем TereScope. Как гласит объявление на сайте, «в случае неоправдавшихся ожиданий или, хуже того, несоответствия параметров линии заявленным спецификациям, клиент вправе вернуть оборудование и снять заказ без объяснения причин».

Разработки тем временем продолжаются. Сейчас ведутся работы по применению для передачи данных ультракоротких импульсов света – авторы работы надеются, что использование наборов импульсов разной длины и использование голограмм для их генерации позволит повысить надежность связи и уменьшить вредное воздействие тумана – в общем, нечто среднее между мажоритарным приемом и OFDM. Причем употребляется довольно модная терминология – «фракталы» и «вэйвлеты».

Относительно давние попытки борьбы с воздействием тумана десятикратным увеличением длины волны – до 10 и выше микрон – похоже, оказались тщетными, а выигрыш в 30 дБ, реализуемый увеличением длины волны на фоне потерь в 300 дБ, – не столь заметным.

Конверсия

Казалось бы, тупик? Между тем из всякой ситуации есть выход – например, использование резервного радиочастотного канала передачи данных, работающего в тумане.

До недавнего времени скорость каналов, использующих адаптированное Wi-Fi-оборудование, ограничивалась 30 Мбит/с. WiMAX обещает довести ее до 70 Мбит/с. Для дальнейшего увеличения скорости пришлось осваивать новые, миллиметровые диапазоны длин волн, которые ранее задействовались для межспутниковых коммуникаций и других специальыло относительно дорогим. С расширением спектра задач, требующих широкополосной передачи данных, и удешевлением оборудования Комиссия по связи США (FCC) сочла возможным выделить для безлицензионного использования один из участков спектра в диапазоне частот 60 ГГц. Тем более что волны этого диапазона частот затухают в атмосфере не меньше чем на 16 дБ/км, а малая длина волны позволяет сформировать достаточно узкие диаграммы направленности и не мешать соседям. Наиболее серьезным препятствием для таких линий являются неоднородности, сравнимые с длиной волны – то есть крупный дождь и снег.

Зато влияние тумана, столь пагубного для атмосферных оптических коммуникаций, практически незаметно. Чем и воспользовались компании AirFiber и Terabeam, пополнившие свои предложения гибридными системами, сочетающими оптический и радиочастотный нелицензируемые каналы.

Использование миллиметровых радиоволн позволяет обеспечить гигабитные скорости передачи данных и полное резервирование каналов в реальном масштабе времени. Более того, данные в гибридной опторадиочастотной системе HFR (Hybrid FSO Radio) компании AirFiber передаются одновременно по радио- и оптическому каналам, в каждом из кадров подсчитывается контрольная сумма и бракованные пакеты отбрасываются.

Как заявляется, разнесенное исполнение радио- и оптического блоков исключает влияние даже таких традиционных для FSO источников помех, как мойка окон (все больше систем FSO размещается непосредственно в офисах, с внутренней стороны окна), мирно пролетающих птиц и полицейских вертолетов – не говоря уже о дождях и туманах, пагубных для каждого из каналов по отдельности.

Согласно заявлениям AirFiber, доступность такого канала на дальности несколько километров определяется магическими для операторов связи «пятью девятками» – 99,999% времени, из минуты в минуту, изо дня в день, из года в год, а коэффициент ошибок (BER) не превышает 10–12 степеней. Таким образом, перед нами решение операторского класса, работающее в нелицензируемых диапазонах частот* и свободное от лицензионных ограничений и отчислений. А если бы даже и требовало – попробуй, найди его в таком тумане...

Тенденциоз

Построение распределенной сети (mesh) из многоканальных беспроводных оптических приемопередатчиков, с одной стороны, позволяет избежать ограничений, обусловленных туманом, с другой – отказаться при предоставлении услуг связи от какой бы то ни было наземной инфраструктуры и заодно элегантно обойти требование прямой видимости, просто направив луч по другому маршруту, как, например, в сети Omni-Node компании Omnilux. К слову, распределенные оптические сети OptiMesh продвигает, по крайней мере, еще одна компания – AirFiber. Основу сетей обоих производителей составляют внешне похожие устройства – черные стеклянные цилиндры (рис. 3а, напомним, инфракрасное излучение невидимо для глаза, а при длине волны выше 1500 нм даже не достигает сетчатки, полностью поглощаясь на роговицо четырех независимых самонаводящихся приемопередатчиков, нанизанных на общую ось.

Сигналы оптических каналов переключаются встроенными коммутаторами третьего уровня на скорости 100 Мбит/с (в OptiMesh скорость составляет 622 Мбит/c – впрочем, не исключено, обе разработки – суть одно и то же, скорости, вместе с лазерами и фотодиодами, поменять несложно). Для «приземления» оптической сети, наряду с традиционными проводными Ethernet-интерфейсами, используются встроенные радиочастотные интерфейсы стандарта 802.11. Процедура инсталляции цилиндров, по мнению разработчиков, не сложнее настройки спутниковых антенн и занимает от силы полчаса.

Стоимость каждого такого цилиндра, с учетом, что он, помимо четырех оптических каналов, содержит еще и программный коммутатор/маршрутизатор на процессоре AMD, и встроенную беспроводную точку доступа – относительно невелика, около 3 тыс. долл.

Снижение стоимости до тысячи долларов, при одновременном увеличении объемов производства, способствовало бы тому, что «цилиндрики» нашли широкое применение и в российских городских Ethernet-сетях, став по цене сопоставимыми с прокладкой оптики и получением разрешений на прокладку воздушных магистралей.

Для динамического наведения лучей и минимизации потерь используются самые разнообразные схемы. Наиболее продвинутые устройства могут содержать два контура компенсации: один – для медленных изменений или, например, для грубого наведения; второй – для отслеживания изменений, мелких и скоростных (вибраций, вызванных проехавшим трамваем или прошедшим поблизости человеком).

Согласно информации Canon, применение таких систем позволяет обеспечить надежную связь даже во время ураганных ветровых нагрузок и пылевых бурь.

Интересный пример относительно недорогой конструкции и наглядное подтверждение перспектив микроэлектромеханики (MEMS) – аналоговое микрозеркало, разработанное в 2001 г. компанией Texas Instruments. В нем используются практически те же принципы, что и в большинстве презентационных проекторов на DLP-матрицах. Отличия, по существу, заключаются в следующем.

Вместо массива из тысяч микрозеркал используется одно, но большое, размером несколько миллиметров, закрепленное в подвесе с двумя степенями свободы. Система управления положением зеркала замкнута глубокой обратной отрицательной связью, что позволяет с очень высокой точностью и скоростью управлять его положением.

Стоимость готового к работе приемопередатчика, по оценкам TI, должна составлять 200–300 долл., а самой микросхемы – 10 долл. (в миллионных поставках).

Через пару лет после анонса компания Crinis Networks сообщила о разработке устройств СonnectPoint 100 – для закрытых помещений и ConnectPoint Campus (городские сети), использующих аналоговые микрозеркала TI и оптические модули Sanyo. Основной акцент при продвижении систем делается на простоте установки (10–15 минут, никаких специальных знаний, Point&Play – наведи и наслаждайся, все остальное электроника сделает саманционно), «прозрачной» работе, надежности, высоких скоростях (100 Мбит/с) и поддержке стандарта PoE, позволяющего запитать устройства по кабелю данных. Предназначаются эти устройства для городских сетей, ангаров, в том числе самолетных, где необходимо быстро подключить системы диагностики по защищенной беспроводной оптической сети, свободной от радиочастотных наводок, и построения беспроводных оптических магистралей в больших Wi-Fi-хот-спотах. К их недостаткам можно отнести ограничение дальности (до сотни метров), что обусловлено, скорее всего, неидеальностью микрозеркала: для построения даже 300-метровой трассы их придется объединять в цепочку, благо технология позволяет.

Не исключено, что аналоговые микрозеркала приживутся в более серьезных и востребованных устройствах, а появление дешевых лазеров, интегрированных с электроникой, существенно снизит стоимость FSO.

На земле, в небесах и на море?

Тем временем пути беспроводных оптических линий расходятся, и скоро их можно будет встретить и в космосе, и... под водой.

Задача скрытой высокоскоростной связи, защищенной от перехвата и обнаружения, по-прежнему актуальна, особенно для связи с подводными лодками, без всплытия оных в надводное положение. Решить задачу взялась компания с трудно переводимым названием Ambalux. Ambalux предлагает использовать сине-зеленые лазеры и сообщает о дальностях 10–100 м и скоростях 10–150 Мбит/c. В отличие от атмосферы, где главным препятствием является туман, в воде возникают проблемы с планктоном и многолучевым распространением (видимо, на планктоне же). Тем не менее работы идут полным ходом – есть информация о секторных приемопередатчиках и использовании методов спектрального уплотнения для обеспечения полнодуплексной связи. В дальнейшем технология может быть коммерциализована (например, для связи с подводными нефтедобывающими платформами).

Напомним, радио в морской воде использовать нельзя, так как излучение в проводящих средах быстро затухает на расстояниях, сопоставимых с длиной волны, а акустические методы обеспечивают скорость 2,4 кбит/с, что явно недостаточно ни для военных, ни для практических задач. Количество платформ между тем уже сейчас составляет около 4 тыс. и по мере освоения запасов океанов будет только увеличиваться.

А вот компания fSona планирует привлечь оптику к участию в поистине уникальном эксперименте. Разработанная ею система будет использована в следующем полете на Марс в 2009 г. – она свяжет спутник, обращающийся на круговой орбите Марса, с Землей.

Проект получил название Mars Laser Communication Demonstration и должен реализовать скорость передачи данных от 1 до 30 Мбит/с (в зависимости от времени суток и расстояния между планетами, существующие радиосистемы дальней связи обеспечивают скорость не более 120 кбит/с). На пути к земной поверхности лучу света придется преодолеть атмосферу, поэтому для обеспечения устойчивой связи планируется использовать два наземных если один из них будет закрыт облаками).

Главная страница / Архитектура отрасли