Организация транспортной сети с использованием системы FSO

 

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева

специальность 5B071900 - «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»










Организация транспортной сети с использованием системы FSO

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА




Койшибаев Алишер Толегенович










Астана 2014


Задание на выполнение дипломного проекта

Евразийский национальный университет имени Л.Н.Гумилева

Физико-технический факультет

Кафедра «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»


Специальность5В071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникацииГруппаРЭТ-42

Задание на выполнение дипломного проекта

Обучающийся Койшибаев Алишер Толегенович

Тема работы Организация транспортной сети с использованием системы FSO

Утверждена приказом РГП на ПХВ Евразийский национальный университет им.Л.Н.Гумилева

№ ________ от « » декабря 2014 г.

Перечень подлежащих разработке в дипломном проекте вопросов или краткое содержание дипломной работы

Актуальность системы FSO.

Основные задачи поставленные на технологию FSO.

Принцип работы системы FSO

.1. Условия создания системы АОЛС;

.2. Компании разрабатывающие технологию FSO и оборудования данной системы;

. Сравнительный анализ технологии FSO радиочастотной системы;

.2. Влияние погодных условий на дальность оптической связи;

.3. Коэффициент доступности гибридного канала связи;

5. Исследование модели гибридной системы передачи данных, основанной на базе лазерной и радио- технологий

5.1. Математическое моделирование;

5.2 Имитационное (машинное) моделирование;

Консультанты по работе с указанием относящихся к ним разделов работы


РазделКонсультант (Ф.И.О.)Кафедра ПодписьТеоретическая частьСейлов Ш.Ж.РЭТПрактическая частьСейлов Ш.Ж.РЭТТехнико-экономическое обоснование дипломного проектаСейлов Ш.Ж.РЭТМероприятия по охране трудаСейлов Ш.Ж.РЭТ

Дата выдачи задания «27 » декабря 2014 г.

Заведующий кафедрой ____________ Саутбеков С.С.

Руководитель работы ____________ Сейлов Ш.Ж.

Задание принял к исполнению ____________ Койшибаев А.Т.

Срок сдачи законченной работы « 5 » апреля 2014 г.



Содержание


Введение

Глава 1. Обзор современного состояния технологии FSO. Перспективы и развития

.1 Краткая историческая справка и развития технологии FSO

.2 Принцип работы системы FSO

.3 Организация и использование технология FSO

.3.1 Анализ технологии и оборудования FSO

.3.2 Сравнительный анализ технологии FSO радиочастотной системы

Глава 2. Постановка задачи и описание модели

.1 Постановка задачи

.2 Описание модели гибридной радио-оптической телекоммуникационной системы

Глава 3. Гибридное оборудование на базе радио- и лазерной технологий

.1 Технико-экономические характеристики гибридного оборудования

.2 Гибридное отечественное оборудование на базу FSO Artolink и РЭС «Рапира»

.3 Модернизация АОЛС серии "МОСТ"

.4 Оборудование АОЛС - "вездеход последней мили"

Глава 4. Проблемы технологии FSO

.1 Затухание в атмосфере

.2 Сцинтилляция

.3 Потери на окнах

.4 Юстировка

Заключение

Список литературы

Приложение 1


Введение

гибридная модель телекоммуникационная оборудование

Актуальность темы. Современные растущие уровня развития телекоммуникационной системы требуют более качественные передаваемых сигналов, с широким полосы предаваемых частот и высокой скорости передачи данных и прочих. В настоящее время, эти требования, в основном, удовлетворяются благодаря стремительной внедрений в информационные сети волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Процесс передача информации по оптоволокну имеет целый ряд достоинств, перед традиционных системы передачи (например, медному кабелю).

О преимуществах и достоинствах системы передачи информации по ВОЛС, её физических и технических характеристиках, в настоящее время, имеются достаточных материалов, как теоретически, так и прикладного характера. Основные преимущества и принципы работы с ВОЛС, отражены на страницах многочисленных литературных источников, например [1-7]. В частности, к основным достоинствам ВОЛС в [1] отмечены следующие:

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Терабит в секунду.

Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более. Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных. Рассмотрение волоконно-оптических сенсорных систем выходит за рамки материала данной книги.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом.

В настоящее время естественной альтернативой ВОЛС, в этом случае, являются беспроводные оптические линии связи (БОЛС), т.е. атмосферных оптических линий связи (АОЛС) или общепринятая названия технология FSO (Free Space Optics). Интерес к данной технологии (FSO) растут год с годом, прежде всего благодаря, усовершенствованию и развития технологии передача, обработки и приёма оптического сигнала.

Поэтому, рассматриваемы в рамках настоящей дипломной работе, принципы организация транспортной сети с использованием системы FSO, безусловно, является актуальным.

Цель. Основной целью настоящей дипломной работы является научные исследования принципов организации транспортной сети с использованием технологии FSO.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи:

исследования (обзор) современного состояния и перспективы развития технология FSO;

теоретический анализ принципов работы технологии FSO;

создание модели системы организации транспортной сети с использованием технологии FSO;

оценка характеристики производительности системы FSO;

Научная новизна. Проведенные научные исследований, в частности, теоретический анализ принципов организации системы FSO, оценка основных параметров современных систем FSO, сравнительный анализ, а также проведенные конкретные теоретические расчёты, составляют новизны настоящей дипломной работы.

Практическая значимость. Результаты, полученные в рамках настоящей дипломной работы, могут иметь большой практический интерес при организации и применении технологии FSO, а также оптимизации и выбор необходимых параметров FSO.



Глава 1 Обзор современного состояния технологии FSO. Перспективы и развития


.1 Краткая историческая справка и развития технологии FSO


История возникновения беспроводной (атмосферной) оптической системы передачи информации берёт своё начало с далёкий 1880 год, когда впервые А. Белл (США) запатентовал фототелефон, в котором солнечный луч, отражённый от зеркальца, модулировался голосом, передавался через атмосферное пространство и поступал на твёрдотельный детектор. Так родилась идея возникновения современных атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Однако отсутствия должного уровня развития технологии оптических приёма-передающих устройств, в тех времён, не позволяли дальнейшего усовершенствованию, развития и распространению технологии АОЛС. Идея технологии АОЛС возродился и начал развиваться, только 60-70-х годов прошлого столетия, после изобретение оптических квантовых генераторов (лазеров). Первый лазер, работающий в оптический видимым диапазоне длин волн (на смеси гелия и неона - He-Ne -лазер) быль изобретён в 1960 году.

Таким образом, после открытие лазеров начался новая эпоха возрождения АОЛС. Была разработана, первая экспериментальная АОЛС в 1965 году в ЦНИИС МС СССР (г. Москвы) длиной 4,5 км, которая соединила между собой АТС МГУ и АТС на Зубовской площади. Сразу же, спустя нескольких лет, были построены ещё 4 АОЛС в Красногорске (17,5 км), Ереване (28км), Куйбышеве (5 км), Клайпеде (1,6 км). Результаты опытной эксплуатации АОЛС в течение 3-х лет показали, что коэффициент готовности (КГ) АОЛС составлял от 0,72-0,73 (28 км) до 0,96-0,97 (1,6 км). Основной причиной отказов были сильные туманы и, частично, сильные снегопады. Полученные в начале 70-х гг. результаты по величине КГ АОЛС не могли удовлетворить связистов. Необходимо было осмыслить полученные результаты, найти как пути увеличения КГ АОЛС, так и их место на сети связи, где АОЛС оказались бы эффективными. Однако, сложившаяся к этому времени ситуация не позволила этого сделать. В начале 90-х годов, с появлением Интернета, цифрового телевидения и, как следствие, потребности в широкополосных каналах, ограниченных по протяженности, ученые опять подумали об АОЛС всерьез.

На сегодняшний день прогресс в разработках позволил перейти технологии FSO из сферы узкоспециализированных приложений в сектор телекоммуникационных решений для организации действительно широкополосных (до 10 Гбит/c) защищенных подключений точка-точка.

Основные современные области применения FSO являются места, в которых прокладка оптико-волоконных сетей или организация радио-каналов не целесообразны с экономической точки зрения или в принципе не возможны.

По степени конфиденциальности передачи данных, в настоящее время, ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. Наличие лазерных лучей нельзя определить с помощью различных сканеров. Также используются разнообразные собственные протоколы передачи данных, что обеспечивают дополнительную конфиденциальность. Лазерные системы уже применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и вое В линиях FSO, как и в волоконно-оптических линиях связи, информация передается с помощью модулированных световых волн. Однако средой для распространения световых колебаний служит не оптическое волокно, а открытая атмосфера в пределах прямой видимости. В этом смысле линии FSO похожи на радиорелейные линии связи, где электромагнитные волны СВЧ-диапазона тоже распространяются в открытой атмосфере.

В настоящее время системы FSO могут быть классифицированы по двум категориям в зависимости от операционной длины волны. Имеющееся на рынке оборудование работает на одной из двух длин волн - 850 или 1550 нм. Лазеры, излучающие длину волны 850 нм, намного дешевле, чем для волн 1550 нм. По нормам допускается мощность, почти на два порядка превышающая показатель для 850-нанометровых лазеров, что дает возможность увеличить длину канала примерно в пять раз, сохранив при этом устойчивую связь, а при использовании на коротких расстояниях значительно повысить скорость передачи данных [8] .

Как и всякая технология, беспроводная оптика имеет свои сильные и слабые стороны. На устойчивость и производительность канала существенно воздействуют как состояние окружающей атмосферы, так и особенности распространения в ней инфракрасного луча.

Важная особенность линий FSO - отсутствие необходимости получать разрешение на частоты при их установке и эксплуатации в отличие от радиорелейных линий связи. Кроме того, обеспечивается возможность передавать и получать сигнал через окна. Следовательно, систему атмосферной оптической связи можно устанавливать прямо за окном здания, не затрачивая время и средства на «отвоевывание» места на крыше.

Большой интерес у специалистов вызывают новые сервисы на базе современных технологий FSO. Системы оптической атмосферной связи отличает множество привлекательных особенностей, прежде всего низкие стартовая цена и эксплуатационные расходы, быстрое развертывание, а также характеристики, близкие к показателям оптоволоконных систем. Они совместимы с широким диапазоном приложений и технологий, достаточно гибки, что упрощает их реализацию и адаптацию под самые различные архитектуры. Именно эти преимущества повышают рейтинг систем и заметно увеличивают объемы продаж. Тем не менее оборудование FSO -это совокупность сложных устройств, работа с которыми требует профессионального, сбалансированного подхода. Знание проблем, которые встают перед инженером оптической системы атмосферной связи, позволяет ему понять различия между представленными на рынке решениями. В настоящее время спрос на ИК системы обусловлен следующими факторами:

поставщики услуг нуждаются в быстром, эффективном и надежном решении для доступа своих потребителей в сети передачи данных;

волоконно-оптические каналы не доступны или невыгодны среднему и малому бизнесу;

только 3% мирового бизнеса использует волоконно-оптические каналы связи 75% потребителей находятся в километре от точки доступа к волоконно-оптическим каналам связи 90% зданий находятся на расстоянии менее 500 метров друг от друга 98% зданий находятся на расстоянии менее 1000 метров друг от друга.

В первую очередь одна из причин скачка в развитии технологии FSO и её внедрению на массовый рынок это то, что оборудование FSO работает в диапазоне ~400 ТГц, а значит, не требует лицензирования и процедуры выделении частот (согласно Женевской конвенции, лицензированию подлежат частоты до 400 ГГц, а частоты FSO на 3 три порядка выше). Для использования подобных систем достаточно гигиенического сертификата, а в случае использования в сетях общего пользования - ещё и сертификата в системе «Электросвязь». Кроме того, беспроводные оптические системы не создают взаимных помех и не чувствительны к электромагнитному шуму (вследствие малой расходимости светового луча). Они не оказывают влияния на работоспособность радиооборудования, и потому для их установки не требуется никаких согласований. Множество каналов беспроводной связи можно устанавливать в непосредственной близости друг от друга(до 1-5 метров). За счет этого в густонаселенных районах можно достигать большой плотности покрытия без проблем с помехами от одновременной работы нескольких систем.

К основным преимуществам FSO также отнести следующие:

инфракрасный диапазон свободен для использования, и не требует лицензирования;

инфракрасный диапазон мало подвержен воздействию атмосферных явлений;

отсутствие влияния электромагнитных шумов и взаимовлияние расположенных рядом каналов связи;

высокая скорость инсталляции - от двух часов до одного дня;

высокая скорость передачи - от сотен Мбит/c в коммерческих системах и до сотен Гбит/с в лабораторных.

высокая скрытность (конфиденциальность) передачи данных;

экономичность (относительно низкая стоимость за канал передачи);

имеет доступность сопоставимую с волоконной оптикой - не хуже 99.7 - 99.9%.

Основные недостатки применения технологии FSO

Ранее специалисты выделяли две основные проблемы - малое время наработки на отказ (показатель MTBF) излучающего элемента (лазерного диода или светодиода) и сильная зависимость расстояния передачи сигнала от погодных условий. С первой проблемой производителям лазерных диодов на сегодняшний день удалось справиться - многие из них, мощностью до 100 мВт уже способны обеспечить MTBF, равное 150 тыс. часов (практически 15 лет работы). В FSO-системах также нашли применение схемы APC (Adaptive Power Control), которые управляют мощностью излучения в зависимости от атмосферных условий (например, в ясную погоду мощность излучения минимальная). Такие схемы позволяют продлить срок жизни лазерных устройств и повысить их надежность. Вторая проблема снижения доступности канала связи при уменьшении метеорологической дальности видимости (МДВ) до 100-200 м остается актуальной. Основной «виновник» перебоев в связи АОЛС это туман. При МДВ менее 100 метров затухание в тумане достигает 170 дБ/км для 780 нм (ближний инфракрасный спектр) и 320 дБ/км для 555 нм (зелёный спектр). Самая современная АОЛС имеет энергетический запас около 60дБ. В дождливую погоду FSO-системы работают лучше, чем радиорелейные линии связи (РЛС), использующие радиодиапазон 18-64 ГГц. «Сильный ливень (уровень осадков 75 мм/час) не мешает лазерной системе передавать данные на расстояния до 1.5 км и со скоростью до 1Гбит/с, в то время как в каналах связи на основе РЛС скорость передачи может упасть до нескольких мегабит в секунду. Но РЛС оказываются на высоте при густых туманах, способных иногда полностью прерывать работу беспроводных оптических систем.

Таким образом, к главным недостаткам технологии FSO относятся:

зависимость доступности канала связи от погодных условий (такие погодные условия как туман, дождь, снег значительно снижают эффективный диапазон работы FSO-систем);

необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приёмником;

ограниченная дальность связи.

Принцип работы системы FSO.

Как выше было отмечено, в основе беспроводных оптических систем лежат технологии организации высокоскоростных каналов связи посредством инфракрасного излучения, которые делают возможной передачу данных (текстовые, звуковые, графические данные) между объектами через атмосферное пространство, предоставляя оптическое соединение без использования стекловолокна. Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу. На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод(или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом, чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее, сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода. Ключевой принцип FSO основан на компромиссе: чем большую продолжительность простоев вследствие неблагоприятных погодных условий (туманов) допускает заказчик, тем протяженнее будет канал связи.

Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Однако внедрение проводных технологий (например, прокладка оптического волокна) подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна. На сегодняшний день существует несколько основных беспроводных решений - это использование широкополосных радиоканалов WiFi / WiMax, радиорелейных линий (РРЛС) или атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Однако беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам (в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов), повышенным энергопотреблением. Кроме того, при эксплуатации РРЛС приходится решать вопросы, связанные с получением разрешений на использование рабочих частот, что на сегодняшний день представляет большую проблему. В тоже время применение лазерных средств снимает эти сложные вопросы.рассматривается в качестве решения в следующих условиях:

когда прокладка кабеля невозможна (промзоны, горная местность, железная дорога) или стоимость этой прокладки превышает нормативных расходов;

когда необходимо срочно организовать канал связи (процесс согласований для прокладки кабеля 3-6 мес., а для организации радио- канала необходимо получать соответствующие разрешение;

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

В настоящее время осуществлена успешная передача оптического (лазерного) сигнала на расстояние нескольких сотен тысяч километров. В частности, рекордным достижением в этом смысле является прием лазерного сигнала с автоматической станции MESSENGER. Сигнал бортового лазерного излучателя (инфракрасный диодный неодимовый лазер) был успешно принят земным приемником на расстоянии 24 млн. км.

Рынок технологии FSO расширяется год с годом. На современном рынке FSO присутствуют компании (РФ): «Оптические ТелеСистемы», г. Санк-Петербург (системы с адаптивно изменяемой скоростью «ЛАНтастИКа»); «Мостком», г. Рязань (системы «Artolink»); «Лазерные Информационные Телекоммуникации», г. Екатеринбург, (системы «ОСС») и другие. С дальнего зарубежа наиболее известны следующие производители FSO-систем: Canon (Япония), LightPointe Communications Inc. (США), MRV Communications Inc. (США), fSona Communications Corp. (Канада), PAV Data Systems Ltd.(Великобритания), Optel Optical Communication GmbH (Германия), GeoDesy (Венгрия). География применения FSO ограничивается не только такими технологически продвинутыми регионами и странами, как западная Европа, США, Канада, Япония, но и включает развивающиеся страны, например, такие, как Египет, Малайзия, Кувейт, Танзания и прочие.



1.2 Организация и использование технология FSO


Сама технология FSO - Free Space Optics (в разных источниках также встречаются аббревиатуры, АОЛС, АОСП - Атмосферные Оптические (Линии) Системы Передачи данных, БОКС - Беспроводные Оптические Каналы Связи, ЛАЛ - Лазерные Атмосферные Линии) основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной (или видимой) части спектра через атмосферу и их последующим детектированием оптическим фотоприёмным устройством. При этом в качестве излучателя обычно используются инфракрасные лазеры класса 1 или 1M (к лазерам 1-го класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи), для низкоскоростных коммуникаций на небольшие расстояния могут использоваться светодиоды. В качестве приёмника используются лавинные или кремниевые фотодиоды.

При организации использовании технология FSO, как выше было отмечено учитываются основные его преимущества, а именно:

Высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровых потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок (BER - bit error rate) всего 10-12, что невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий.

Высокая защищённость канала от несанкционированного доступа и скрытность. Ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. А отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена. Поэтому лазерные системы применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные организации.

Высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSO-оборудование невосприимчиво к радиопомехам и само их не создаёт.

Возможность установить лазерную атмосферную линию там, где затруднительно проложить проводную линию связи. Например, в плотной городской застройке, через железную дорогу или автомагистраль, через природные преграды (реки, озёра, горную местность и т.д.).

Скорость и простота развёртывания FSO-сети.

Благодаря своим преимуществам АОЛС-технология позволяет решать проблемы «последней мили», развивать городские сети передачи данных и голоса, осуществлять подключение домашних сетей или офисов к сети Интернет, а также организовывать резервные каналы связи или расширять существующие каналы при высокой степени защищённости. Кроме того, технология используется для коммуникаций между космическими аппаратами.


.3 Анализ технологии и оборудования FSO.


Увеличение пропускной способности канала связи. По данной критерии, несомненно, лидирует американская компания «MRV», которая в этом году выпустила модель TereScope10GE (рис. 1) с максимальной скоростью передачи данных 10 Гбит/с. Пока это единственное подобное FSO-решение на рынке.

Рисунок 1. 10-Гбитная FSO-система TereScope10GE (MRV), США.


Увеличение максимальной рабочей дистанции. В этой области преуспела компания «fSONA» (Канада). Она выпускает FSO-системы с максимальной рабочей дистанцией 7.7 километра при скорости передачи данных 52 Мбит/с, 6.4 километра при 155 Мбит/с, и 5.3 километра при скорости канала 1250 Мбит/с.

Выпуск более дешёвых моделей для использования в корпоративных сетях небольших организаций. Например, компания «LightPointe» выпускает несколько серий относительно недорогих моделей, имеющих небольшие рабочие дистанции и предназначенных для корпоративных локальных сетей (продуктовые линейки AireLite, FlightLite).

Увеличение коэффициента доступности канала и повышение надёжности связи. Для достижения этого производители используют такие методы как:

выпуск оборудования с несколькими параллельно работающими излучающими лазерами (обеспечивает защиту от пролетающих птиц, снегопада). Например, компании «fSONA», «LightPointe» и «CBL» производят модели с четырьмя излучающими лазерами;

использование систем пространственной стабилизации (также называемых как системы автотрекинга - auto tracking systems), которые автоматически поддерживают направление оптической связи в пространстве (отказы оптической линии из-за её разъюстировки зачастую превышают время неработоспособности вследствие плохих погодных условий). Введение автотрекинга позволяет устанавливать приёмо-передающие модули на нестабильных основаниях - деревянных крышах, вышках сотовой связи и т.д., сохраняя при этом надёжность линии связи. Системы автотрекинга реализованы в оборудовании от компаний «Мостком», «LightPointe», «Canon»;

реализация в FSO-системах резервного радиоканала, что позволяет не прерывать передачу данных при плохих погодных условиях (сильный туман, снегопад и т.д.). Системы с резервным радиоканалом выпускают компании «Мостком», «Лазер Ай-Ти-Си», «LightPointe», «MRV», «CBL», «AirLinx».

Основные технические характеристики FSO-оборудования от разных производителей приведены в таблице 1.


Таблица 1. Обзор FSO-оборудования разных производителей

Торговая маркаМакс. скорость передачиМакс. рабочая дистанцияКол-во излуч. лазеровАвто-трекингРезерв. радио-каналArtolink100 - 1000 Мбит/с400 - 7000 м1 - 3естьестьБОКС (ЛАНтастИКа)8 - 1000 Мбит/с600 - 1800 м1 - 2нетнетОСС2 - 1250 Мбит/с400 - 2500 м1нетестьSONAbeam50 - 1600 Мбит/с2600 - 7700 м2 - 4нетнетFlightStrata, FlightLite, AireLite, FlightExpress, FlightSpectrum8 - 1485 Мбит/с200 - 5600 м1 - 4естьестьCanobeam156 - 1485 Мбит/с500 - 2000 м1естьнетTereScope100 Мбит/с - 10 Гбит/с350 - 4000 м1 - 3нетестьAirLaser, LaserLink8 - 1250 Мбит/с300 - 2000 м1 - 4нетестьSkyCell, SkyNet, PAVLight, PAVExpress2 - 1000 Мбит/с200 - 4000 м1нетнетCableFree100 - 1500 Мбит/с200 - 4000 м1нетнетTeraOptic125 Мбит/с1000 м1нетнетUniFSO100 - 155 Мбит/с250 - 3000 м1нетесть

Сравнительный анализ технологии FSO радиочастотной системы.


Таблица 2. Сравнение FSO/АОЛС и радиочастотной системы


Как известно, особые погодные условия, такие как дождь, снег, туман, а также песчаная пыль, городской смог и различные виды аэрозолей, могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50-100 дБ/км (см. рис. 2). Поэтому, чтобы достичь операторских (или хотя бы близких к ним) показателей надежности беспроводных оптических телекоммуникационных систем, необходимо прибегать к использованию гибридных решений.


Рис. 2: Влияние погодных условий на дальность оптической связи


Гибридные радио-оптические системы основываются на использовании резервного радиоканала в связке с оптическим каналом. В случае наступления неблагоприятных погодных условий (туман, снегопад и т.п.), когда атмосферный оптический канал становится недоступным (или уровень битовых ошибок в канале достигает критического значения), система переключается на резервный радиоканал и использует его до тех пор, пока оптический (основной) канал вновь не станет доступен. При этом в качестве технологии резервного канала обычно используются либо широкополосные Wi-Fi сети (семейство стандартов IEEE 802.11), работающие в частотном диапазоне 2.4 - 5.8 ГГц, либо радиорелейные MMW-линии, работающие в миллиметровом диапазоне. Основное достоинство таких FSO-RF-систем передачи данных заключается в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях (см. рис. 3).

Рис. 3: Коэффициент доступности гибридного канала связи


Среди рассмотренных в предыдущей части производителей лазерного телекоммуникационного оборудования шесть компаний имеют в своих продуктовых линейках модели гибридного типа (FSO-RF) - это «Мостком», «Лазер Ай-Ти-Си» (отечественные), «LightPointe», «MRV», «CBL» и «AirLinx» (зарубежные).

В таблице ниже приведены технические характеристики существующих на данный момент на рынке моделей гибридного радио-оптического оборудования:


ПроизводительМодель оборудованияСкорость оптического каналаСкорость радио-каналаТип радио-каналаМакс. рабочая дистанцияМосткомARTOLINK M1 FE-R100 Мбит/c6 - 28 Мбит/cWi-Fi (5.2 - 5.8 ГГц)7000 мЛазер Ай-Ти-СиОСС1-Ethernet 100 РОД100 Мбит/c100 Мбит/cMMW (75 ГГц)2500 мLightPointeFlightStrata 100 XA100 Мбит/c72 Мбит/с (Half Duplex)Wi-Fi (5.47 - 5.85 ГГц)5000 мMRVTereScope Fusion100 Мбит/с 1000 Мбит/c10 - 20 Мбит/cWi-Fi (2.4 ГГц)4000 мCBLAirLaser IP 100125 Мбит/c4.5 Мбит/cв спец-ции не указано2000 мAirLinxUniFSO100/155100 Мбит/c 155 Мбит/c5 - 20 Мбит/cWi-Fi3000 мТаблица 2: Обзор представленных на рынке моделей гибридных

FSO-RF-систем


Из представленных выше гибридных решений наибольшую пропускную способность резервного радиоканала - 100 Мбит/c - имеет модель компании «Лазер Ай-Ти-Си». В то же время, ввиду использования миллиметрового радиодиапазона, данное решение имеет относительно небольшую для гибридов максимальную рабочую дистанцию - всего 2500 м, а его стоимость увеличивается (по сравнению с обычными FSO-системами) почти в два раза. При этом само оборудование представляет собой два раздельных устройства - отдельно оптический блок, и отдельно радиорелейный, что усложняет монтаж всей системы.

Остальные же модели-гибриды, основанные на Wi-Fi технологии, имеют относительно невысокую скорость резервного канала, обычно не превосходящую 20 Мбит/c. Особого внимания заслуживает гибридная система ARTOLINK M1 FE-R производства компании «Мостком», в которой используется специально откалиброванное оборудование на базе Wi-Fi радиомаршрутизаторов RAPIRA (диапазон 5.2 - 5.8 ГГц) со специализированным программным обеспечением. Такое решение обеспечивает полнодуплексную скорость передачи данных в резервном канале до 28 Мбит/с (при канальной скорости 108 Мбит/с), а также возможность плавного снижения скорости и практически отсутствующее время переключения между каналами.

Но в любом случае таких пропускных способностей недостаточно для резервирования высокоскоростного (например, гигабитного) оптического канала связи, что делает проблематичным использование данных решений требовательными операторами связи.


Глава 2.Постановка задачи и описание модели


.1Постановка задачи


Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что, ввиду неоспоримых преимуществ использования гибридных радио-оптических систем передачи данных, разработка таких систем является весьма перспективным направлением в телекоммуникационном секторе - как с технической точки зрения, так и с точки зрения маркетинговой. Тем не менее, на данный момент на рынке представлено лишь небольшое количество моделей гибридного FSO-RF-оборудования, в то время как существующие модели не всегда могут продемонстрировать технические показатели операторского уровня - а именно высокую пропускную способность резервного канала при относительно больших рабочих дистанциях и коэффициенте доступности канала связи.

Это открывает огромный простор для деятельности разработчиков и производителей телекоммуникационного оборудования (в том числе оборудования, основанного на АОЛС-технологии). Одним из первых этапов разработки любой системы передачи данных является модельное исследование этой системы с целью теоретического определения основных технических характеристик будущего телекоммуникационного оборудования. И данная работа затрагивает именно эту проблему.

В работе предлагается описать и исследовать модель гибридной системы передачи данных, основанной на базе лазерной и радио- технологий. При этом предлагается использовать два принципиально разных метода моделирования, а именно:

?математическое моделирование - с использованием методов теории массового обслуживания, а также известных алгоритмов из теории цепей Маркова;

?имитационное (машинное) моделирование - посредством написания специализированной компьютерной программы, имитирующей информационные процессы, происходящие в телекоммуникационной системе.

Целью данного моделирования является определение основных характеристик производительности исследуемой системы, таких как коэффициент доступности канала связи, средняя пропускная способность, доля времени использования резервного канала, средняя длина очереди и среднее время пребывания заявки (пакета данных) в системе, а также выявление зависимостей этих показателей от параметров модели.


.2Описание модели гибридной радио-оптической телекоммуникационной системы


Исследуемая модель гибридной радио-оптической системы передачи данных представляет собой систему массового обслуживания (СМО) с двумя возможными скоростями обслуживания (см. рис. 4). Иными словами, система может использовать два режима работы: первый режим () - когда передача данных осуществляется по оптическому (основному) каналу, и второй режим () - передача данных осуществляется по резервному радиоканалу.

Входящий поток заявок в систему - стационарный пуассоновский с параметром . Число мест для ожидания - неограниченно. При использовании k-й скорости (k-го режима) время обслуживания заявки распределено экспоненциально с параметром , . При этом , то есть пропускная способность оптического канала заведомо больше пропускной способности радиоканала.

Рис. 4: Модель гибридного канала связи


Время использования k-режима определяется погодными условиями (а именно, метеорологической дальностью видимости - МДВ) в некоторой конкретной местности, где планируется установка исследуемой телекоммуникационной системы. Далее будем полагать, что время использования k-й скорости ограниченно и характеризуется абсолютно непрерывной величиной , имеющей плотность распределения


,


представляющего собой частный случай гиперэкспоненциального распределения. Такая модель изменения погодных условий была предложена в [5] и основана на опытных наблюдениях, полученных после шести месяцев испытаний в реальных условиях гибридного радио-оптического оборудования модели ARTOLINK М1 FE-2А-R. (Конечно, такие условия, как дальность видимости, изменчивы, тем не менее, общие сезонные тенденции определяются климатической зоной, широтой и другими известными географическими параметрами местности, где планируется установка оборудования.)

Если время первого режима завершается (оптический канал становится недоступным), текущее обслуживание заявки (передача пакета) прерывается и система переходит на второй режим работы (использование резервного радиоканала). Сразу после перехода на второй режим обслуживания передача пакетов не производится. Система должна выждать время , и если за это время второй режим работы не завершился , то по истечении времени начинается обслуживание заявки (передача пакета) на второй скорости (по радиоканалу). При этом предполагаем, что заявка, обслуживание которой по оптическому каналу было прервано, обслуживается заново.

По истечении времени работы второго режима (оптический канал вновь становится доступным) система, продолжая обслуживать заявки во втором режиме (т.е. продолжая передавать пакеты по радиоканалу), отслеживает доступность оптического канала. И если оптический канал доступен в течение некоторого времени , то по завершении этого времени система начинает использовать первый режим (оптический канал). При этом заявка, в ходе обслуживания которой произошла смена режима, обслуживается заново на новой скорости.

Описанная выше модель включает в себя следующие допущения:

?экспоненциально распределенное время передачи пакета;

?пакеты при переходе с оптического канала на радиоканал не теряются;

?при смене скорости передачи пакета (смене канала передачи данных) текущая передача пакета прерывается и стартует заново на новой скорости.

Также следует отметить, что данная модель не предполагает выбора какой-то конкретной технологии радиопередачи для использования в резервном канале связи - это может быть, например, 802.11a, 802.11g, 802.11n, MMW-стандарты или любая другая технология передачи данных по радиотракту.



Глава 3. Гибридное оборудование на базе радио- и лазерной технологий


Системы связи на основе открытых атмосферных оптических линий (FSO) уже достаточно давно и активно используются в телекоммуникациях на участках "первой мили". Однако ряд присущих им недостатков не позволяет развиваться этому направлению столь интенсивно, чтобы обеспечить пропорциональное другим связным технологиям снижение цен. Казалось бы, оснащение таких систем резервным каналом только увеличивает цену - как барьер к их массовому применению. Однако это не всегда верно, что убедительно демонстрируют авторы, причем на примере отвечественного оборудования - гибридной системы с FSO и радиотрактом (Wi-Fi).

На рубеже 2000 годов многие авторитетные аналитические агентства прогнозировали большое будущее системам на базе технологии открытых оптических каналов FSO (Free space optics). К концу 2005 года общий объем этого сегмента рынка прогнозировался на уровне порядка 2 млрд. долларов. Однако жизнь внесла свои коррективы. К началу 2006 года общемировой объем продаж FSO по разным источникам оценивался от 400 до 900 млн. долларов, хотя рынок и продолжает расти с темпом 15-20% в год. Основная причина столь существенной разницы - несмотря на то, что FSO системы являются наиболее скоростными беспроводными устройствами, они обеспечивают операторскую надежность канала связи только на малых расстояниях. А из-за относительно малого объема производства цена на них остается достаточно высокой.

На пролетах, где применение FSO систем становиться экономически оправданным, надежность таких каналов связи составляет 99,9 % - 99 %. Это каналы связи длиной 0,5- 3 км , так называемая «последняя миля» телекоммуникационных сетей. Основной причиной низкой надежности является туман в котором волны инфракрасного диапазона имеют чрезвычайно высокое затухание, до 350 дБ/км. Туман, хотя и редкое, но характерное явления для большинства районов мира, за исключением нескольких особо засушливых регионов, например Лас-Вегаса. В результате основным потребителем таких систем выступает корпоративный сектор. На нем реализуется по разным данным от 65 до 80% оборудования FSO. Основные его применения: соединение офисов и корпусов большого предприятия, построение кампусных сетей. Эффективно также применение таких систем при организации скоростного доступа в Интернет. При этом необходимо только разовое вложение средств при полном отсутствии рентных платежей за аренду канала и/или частотного ресурса. Окупаемость FSO-решения на рынке США в сравнении с другими способами доступа занимает около года (рис. 5).


Рис. 5. Возврат инвестиций от различных технологий скоростного доступа по данным компании fSona.


Операторскую надежность связи любое FSO-оборудование обеспечивает на трассах короче 500 метров, поэтому на постоянной основе их можно устанавливать только на коротких пролетах, число которых не велико. Это могут, например, быть задачи по соединению базовых станций сотовой связи в густонаселенных районах, или проход через труднодоступный участок типа магистрали, водной преграды или железной дороги.

С другой стороны, поскольку на применение FSO-систем не нужно лицензии, беспроводная оптика позволяет в рекордные сроки разворачивать высокоскоростные каналы связи на участках последней мили. А уже затем, как постоянное решение, подводится волоконно-оптический кабель. Такой подход позволяет в кратчайшие сроки развернуть сеть доступа, получив тем самым конкурентные преимущества. Например, связать базовые станции сотовой связи соединительными линиями, подключить новых абонентов и дальнейшее развитие сети вести уже за счет абонентских платежей. FSO-оборудование после подведения постоянных каналов легко переносится на новое место для использования в других проектах. В результате оператору нужно ограниченное число устройств. Поэтому их рынок является по существу рынком розничных, разовых продаж.

Для увеличения объемов потребления FSO систем они должны иметь применения в постоянных сетевых решениях операторов, как оптовых потребителей оборудования связи. Например в России рассматриваются несколько проектов наложенных высокоскоростных городских сетей. Эта тема становится особенно актуальной в связи с перспективой перехода на NGN (Next Generation Network) решения - мультисервисные сети с пакетной коммутацией. Они требуют наличия широкополосных соединительных линий со скоростью передачи как минимум 100 Мбит/c при дальностях передачи в несколько километров. Для решения этих задач необходимо, чтобы беспроводное оптическое оборудование имело операторскую надежность канала не ниже 0,9999. Такие значения надежности канала FSO связи на участках первой мили могут быть достигнуты за счет применения гибридных решений. Идея состоит во введении в оптическое оборудование параллельного радиоканала. Для сохранения главных преимуществ FSO систем - отсутствия лицензирования и широкополосности, радиоканал также должен работать в диапазоне частот не требующем лицензирования и иметь высокую скорость передачи информации. В последнее время изготовители FSO оборудования начали предлагать подобные гибридные устройства. Основное их достоинство в том, что это высокоскоростное беспроводное оборудование операторского класса надежно функционирующее в любых погодных условиях.

Существует два подхода к созданию таких систем. Первый из них - использование в качестве второго канала оборудования широкополосного доступа Wi-Fi стандарта IEEE 802.11 a/b/g, работающего в разрешенных частотных диапазонах 2,4, 5,2 и 5,8 ГГц. Другой путь - применение радиорелейных систем миллиметрового диапазона в диапазоне 60 ГГц (MMW), где также не требуется разрешение.

Первый подход позволяет получить желаемую высокую надежность канала 0,9999 на трассах длиной четыре и более километров, но со снижением скорости передачи информации в плохих погодных условиях. Эффективная скорость передачи данных оборудования Wi - Fi как правило не превышает 10-15 Мбит/с. Поэтому целевой функцией при построении таких систем является уменьшение времени работы радиоканала, что определяется уже качеством FSO оборудования и длиной соединения. Преимущество такого решения - высокая экономическая эффективность повышения надежности связи. Системы Wi-Fi широко представлены на рынке и, как следствие, относительно недороги. Поэтому суммарная цена решения FSO+Radio возраствет не существенно.

Подход с использованием оборудования MMW позволяет реализовать полностью сбалансированные каналы без падения скорости передачи до скоростей 1 Гбит/с и более. Но в силу большого затухания волн диапазона 60 ГГЦ в атмосфере, особенно в дождь (существенно более частое явление чем туман), дальность связи таких гибридных систем при надежности 0,9999 ограничена 1,3- 1,5 км . Причем такой уровень надежности само FSO оборудование демонстрирует на дальностях 200- 300 метров , а 60 ГГц MMW устройства - на трассах не более 400- 500 метров . Большими недостатками таких гибридов является их цена, более чем в два раза превышающая «чистые» FSO решения, а также их ограниченная дальность.


.1 Технико-экономические характеристики гибридного оборудования


С начала активного развития FSO технологии, пришедшегося на середину 90-х годов прошлого века, на рынке прозвучали имена более 30 фирм работающих в этом направлении. Только в России заявляли о себе около десятка различных организаций. Сегодня на рынке FSO-технологии процессы консолидации практически завершены. Основными игроками являются несколько крупнейших компаний: fSona (Канада), LightPointe, MRV, Canon (все США), PAV Data System (Великобритания), LaserBit Communication (Венгрия-США) и CBL (Германия). По нашим оценкам эти 7 компаний контролируют до 90 % мирового рынка FSO систем.

В производственной программе перечисленных компаний присутствуют модели оборудования для скоростей передачи от одного потока Е1(Т1) до 1250 Мбит/с ( Gigabit Ethernet ). Анализ динамики развития модельного ряда представляемых ими на рынке FSO -систем показывает, что общая тенденция развития оптической технологии идет по пути увеличения скорости передачи данных и «гибридизации» оборудования. На острие этих процессов находятся модели для работы в сетях Ethernet . Очевидно, это связано с активным внедрением сетей NGN с технологией коммутации пакетов. Ценовые ориентиры за единичные поставки оборудования ведущими мировыми фирмами приведены в таблице 1. Она включает в только старшие модели работающие по протоколу Fast Ethernet (100 Мбит/с), поскольку по экономическим соображениям только их и целесообразно подвергать «гибридизации».



Таблица 1. Цены на полнодуплексное FSO-оборудование ведущих производителей со скоростью передачи 100 МБит/с.

ПроизводительЦенаРезервный каналАвтотрекингДальность, мfSona» $27 . 000nonoup to 3000LightPointe$36.390Wi-Fiyesup to 5000CBL$19.700Wi-Finoup to 2000MRV$22.500-25000Wi-Finoup to 3000Canon» $30 . 000noyesup to 3000PAV$14 . 000nonoup to 2000LaserBit$12 . 000nonoup to 2500

В табл.1 отражено наличие в составе оборудования системы угловой стабилизации - автотрекинга. Она обеспечивает работоспособность канала при установке оборудования FSO на реальных опорах, которые всегда имеют угловую нестабильность. Отказы оптической линии из-за ее разъюстировки зачастую превышают время ее неработоспособности вследствие плохих погодных условий. Как видно из таблицы, введение автотрекинга заметно увеличивает дальность связи. С другой стороны это отражается и на цене.

Таким образом, сложившаяся структура рынка отводит чистой FSO-технологии сегменты предприятий, решения ограниченного круга задач на малых дистанциях у операторов связи, а также применения в виде временных, резервных и аварийных каналов. Этот рынок является розничным и требует больших затрат на организацию сбытовой сети. При малом объеме выпуска продукции это сильно отражается и на цене решения. Тем не менее, данный сегмент существует и даже растет. Основными притягательными факторами являются отсутствие необходимости получать разрешения и высокая скорость канала.

Основной вектор развития FSO технологии лежит в области повышения доступности беспроводного канала. Это достигается за счет введения в состав оборудования ралиоканала для нелицензируемого диапазона. Тем более, при росте требований к скорости передачи информации только FSO и MMW системы могут обеспечивать беспроводную передачу информации на уровне гигабитных скоростей.


.2 Гибридное отечественное оборудование на базу FSO Artolink и РЭС «Рапира»


Экономическая целесообразность «гибридизации» оптической системы наступает только для продвинутых оптических систем, которые сами по себе могут обеспечивать неплохую надежность на трассах в несколько километров. В случае системы со вторым каналом построенным на технологии Wi-Fi это позволяет минимизировать время работы радиоканала и тем самым увеличить среднюю пропускную скорость и скрытность гибридного канала. При использовании MM , требования к FSO также высоки так как этот канал должен обеспечивать надежную работу системы в сильный дождь, когда не работает радиотракт.

Основываясь на этом, Государственный Рязанский приборный завод (изготовитель) и ООО МОСТКОМ (разработчик) представляют, возможно одну из лучших отечественных FSO-систем под торговой маркой ARTOLINK типа М1-FE-2N. Она оптимизирована для работы как в сетях Fast Ethernet на уровне предприятия, так и в сетях операторов различного уровня с надежностью канала свыше 0,9999 при длине соединения до нескольких километров. Это достигается следующими техническими решениями.

Объективным критерием качества FSO-соединения является время недоступности канала, которое определяется двумя главными факторами: затуханием излучения на трассе и расстройкой оптической линии. Как показывает практика для систем без автотрекинга доля времени недоступности из-за разъюстировки линии равна или даже превышает время перерыва связи из-за тумана. Наличие автотрекинга в оборудовании ARTOLINK позволяет устанавливать его на любые, даже нестабильные опоры, например на металлические вышки. После чего можно забыть о проблеме разъюстировки.

Оборудование имеет многоапертурную приемо-передающую систему, исключающую замирание сигнала на длинных пролетах. Бюджет линии более 50 дБ и малый угол расходимости излучения передатчиков обеспечивают высокую энерговооруженность системы. Устройства ARTOLINK имеют систему автоматического регулирования мощности передатчиков, которая расширяет динамический диапазон линии и увеличивает ее долговечность и безопасность. Совокупность этих решений минимизирует время перерывов оптической связи на трассах до нескольких километров.

С использованием доступной статистики, на рис. 2 приведены результаты расчета надежности оптического беспроводного канала для двух случаев. Верхняя кривая демонстрирует возможности оборудования ARTOLINK для условий его применения в центральной России. Нижняя кривая построена для этого же оборудования, но при его установке в засушливых районах, например, в Лас-Вегасе (США). Заметим, что по статистике прозрачность атмосферы на территории России значительно хуже, чем в большинстве столиц мира. Поэтому кривые для Москвы и Лас-Вегаса можно считать граничными значениями доступности канала. Реальная кривая надежности будет проходить между ними в большинстве стран мира, включая и южные районы России, .

Как видно из рисунка, в решениях уровня предприятия, по критерию надежности канала свыше 99% оборудование в условиях России может устанавливаться для доставки трафика на расстояние почти 2,5 километра . Если в качестве критерия взять среднюю надежность медных кабельных соединений (по данным Deutsch Telecom), то FSO оборудование Artolink обеспечивает соединение почти до 1,5 км , а в засушливых районах и значительно дальше - более 5 километров . Реально установленные образцы работают на трассах от 300 метров до 4,5 километров во всех климатических зонах России и за ее пределами.


Рис. 6. Номограмма недоступности канала FSO-оборудования ARTOLINK


Оборудование ARTOLINK комплектуется специально разработанным для беспроводной оптики интерфейсом с сетевым стыком 100 BASE-TX . Он обеспечивает надежную полнодуплексную передачу трафика Fast Ethernet на трассах любой длины с относительной цифровой ошибкой в период доступности канала 10Е-10 -10Е-11 . Дополнительно, он реализует такие функции как:

интегрированный служебный канал между терминалами линии. Данные служебного канала передаются вне полосы основного сигнала и не загружают информационную магистраль;

встроенный измеритель качества оптического канала. Используя данные служебного канала производиться постоянное автоматическое измерение ошибок в оптическом канале с частотой 8000 раз в секунду;

широкие сервисные возможности. Программная установка шлейфов, измерение и расчет ошибок, управление параметрами сетевых соединений, встроенная память событий на 1 сутки, сигнализация.

Оборудование ARTOLINK обеспечивает возможность организации второго канала через различные устройства Fast Ethernet. В зависимости от решаемой задачи это могут быть радиорелейные линии, Wi-Fi , волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) и другие. Например, при использовании в качестве второго канала ВОЛС это позволяет организовывать эффективные решения по дублированию основной линии передачи. Для этого в оборудовании имеется функция программной установки приоритета каналов - основного или резервного.

Подключение беспроводного радиооборудования ко второму каналу позволяет реализовать полноценную гибридную систему связи (рис.2). Это резко улучшает показатели доступности канала до требований операторской надежности.

Трафик между каналами переключается по критерию качества оптического соединения. В зависимости от скорости передачи данных, которую обеспечивает второй канал, допускается настройка параметров переключения. При этом используется специальная технология плавного снижения скорости, которая позволяет улучшить алгоритмы взаимодействия оборудования с подключаемыми сетевыми устройствами. Для расширения круга решаемых задач на сигнальный стык второго каналы выводится питание ( PoE ). Параметрами его включения можно также программно управлять.

Наилучшим решением по соотношению цена-качество обладает система с резервным каналом Wi-Fi . Как каналообразующее, может быть использовано любое Wi-Fi оборудование. Однако наилучшие результаты (отраженны в табл.2) дает использование специально откалиброванного для работы с ARTOLINK оборудование класса preWi-Max типа RAPIRA.



Таблица 2. Параметры оборудования ARTOLINK различной конфигурации

ПараметрыМ1-FE-2NМ1-FE-2N-2RМ1-FE-2N-2МТехнология второго канала-Wi - Fi , 5,8 GHzоборудование MMW , 60 ГГцСкорость во втором канале-> 20 Мбит/с100 Мбит/сРежим работы второго канала-Холодный резерв (без излучения) с коммутацией питания передатчикаГорячий резервПереключение-Режим плавного снижения скорости с приоретизацией трафикаВыбор канала по минимуму ошибокДальность связи при доступности канала: > 99,99% 99,7% 99% 200 м 1300 м 2400 м 4000 м (со снижением скорости) не специфицируется не специфицируется 1200- 1300 м не специфицируется не специфицируетсяОтносительная цена11,2-1,32,5-3

Совместная калибровка позволяет решить несколько задач конфигурации гибридного канала связи.

Обычная точка доступа Wi - Fi ориентирована на сетевые, многоточечные приложения, поэтому ее программное обеспечение выполняет множество задач не нужных в конфигурации "точка-точка". Это приводит к снижению полезной пропускной способности до 6-8 Мбит/с. Специально откалиброванное оборудование RAPIRA обеспечивает полнодуплексную скорость не менее 20 Мбит/с (при канальной скорости 108 Мбит/с).

При использовании оборудования Wi-Fi в качестве холодного резерва (без излучения) время перехода на второй канал оказывается весьма существенным - до нескольких десятков секунд. Это время входит в период недоступности канала. При использовании RAPIRA используется специальный метод плавного снижения скорости и практически отсутствует время переключения между каналами.


.3 Модернизация АОЛС серии "МОСТ"


Развитие систем "МОСТ" шло по четырем направлениям повышение потенциала излучения в зоне приема;

упрощение требований к конструкции крепления изделия на зданиях и сооружениях;

повышение защищенности оптики от воздействия самых неблагоприятных погодных условий;

расширение информационного обеспечения операторов связи о состоянии системы.

В основе первых двух направлений лежит общее техническое решение-сжатие диаграмм направленности лазерных передатчиков и включение системы автонаведения (или автотрекинга). По сравнению с традиционными решениями сужение луча до размеров 0,5 м на расстоянии 1 км повышает плотность мощности в десятки раз. Но данная схема не может функционировать без системы автоматического наведения. В то же время наличие автотрекинга упрощает способы крепления оборудования. Так, в рамках эксперимента два изделия "МОСТ" у одного из потребителей были установлены на фанерных ящиках и обеспечивали связь на расстоянии 7 км.
Работы по третьему направлению - повышение защищенности оптики от воздействия неблагоприятных погодных условий (в том числе защита от пыли и песка - завершились созданием пассивного аэродинамического кожуха, и теперь внешний вид системы "МОСТ" заметно отличается от других аналогичных изделий. Конструкция кожуха имела ряд доработок с учетом как эксплуатационных данных, так и экспериментов по аэродинамическому моделированию. В настоящее время в конструкцию добавлены электрические подогреватели экранов, которые предотвращают налипание мокрого снега на экран. Новый кожух обеспечивает непрерывное движение воздушных потоков вблизи оптических поверхностей, которые создают надежную защиту оптики от механического повреждения частицами из окружающей среды. После расширения сервисных возможностей АОЛС "МОСТ" стало возможным контролировать состояние системы не только по электрическим, но и по оптическим параметрам. Введение датчика оси диаграммы направленности позволило определять отклонение оси прибора от нужного направления (при отсутствии системы автоматического наведения) и вовремя принимать оперативные меры по устранению разъюстировки АОЛС. Внутренний служебный канал позволяет контролировать удаленный блок. Благодаря функции IP-мониторинга можно следить за работой всей системы через Интернет из центра управления.

.4 Оборудование АОЛС - "вездеход последней мили"

Технология передачи информации через открытый атмосферный канал посредством оптической несущей (технология FSO ) в последнее время получила достаточно широкую известность среди операторов связи. Этому способствовали труды более чем 30 российских и зарубежных фирм-изготовителей, предлагающих решения на такой основе широкому кругу потребителей.

С другой стороны промышленное освоение оптического беспроводного диапазона по сравнению с другими видами связи относительно новое явление. В связи с этим еще не накоплен достаточный опыт эксплуатации этого оборудования и, соответственно, не реализованы достаточно полные технические решения в конструкции предлагаемых на рынке изделий.

Атмосфера, по сравнению с оптоволокном, является крайне неблагоприятной средой распространения световых волн. Наряду с большим затуханием, например, в случае тумана, что стало уже общим мнением, и при ясной погоде в ней присутствуют такие явления, как турбулентность, неоднородность плотности, пролетающие непрозрачные предметы, сильные посторонние засветки и другие «неприятные» факторы. Поэтому любая АОЛС должна иметь в своем составе специально адаптированный к этим условиям оптический интерфейс, обеспечивающий исключительно пакетный режим передачи информации в канале связи для всех видов потоков данных. К счастью, атмосферные неоднородности имеют не чисто случайный характер, а выраженно стохастический, что позволяет подобрать параметры интерфейса под эту среду. Большинство представленных на рынке систем имеет оптические интерфейсы, позаимствованные из кабельных технологий. Их слепой перенос в FSO -технологию приводит к серьезным проблемам при передаче информации, особенно для плезиохронных и синхронных потоков.

Второй обязательный атрибут АОЛС - система стабилизации направления связи (автотрекинг). Свои замечательные свойства, высокую скрытность и малогабаритность АОЛС получают из-за присущей только им крайне узкой диаграммы направленности излучения, составляющей у некоторых моделей всего 1-2 угловые минуты. Обратной стороной этого свойства является существенно более высокие требования к опоре, на которую крепится изделие. Это, например, делает невозможным использование таких систем на металлических вышках операторов связи и ограничивает выбор мест закрепления, особенно в условиях построения сети.

И, наконец, учитывая пространственную разнесенность блоков АОЛС, обязательной опцией в составе изделия является возможность удаленного контроля. Причем этот контроль должен отражать не столько аварийные состояния изделия, сколько оценивать состояние трассы и выдавать служебную информации о направлении связи. В этом случае можно обойтись без системы автоматической системы стабилизации связи, поскольку возможно использование «членов профсоюза» для упреждающей подстройки линии. Однако, как показывает опыт эксплуатации систем серии МОСТ, подобный подход не исключает отдельные перерывы связи, например, из-за резкого перепада температуры в выходные дни.

Наряду с этим в составе системы должны присутствовать такие сервисные функции, как оценка уровня ошибок, возможность локализации места неисправности, т.е. программное замыкание шлейфов. Кроме того желательно наличие встроенного дальномера для предварительной оценки надежности связи.

И, наконец, цена вопроса. При всех видимых достоинствах систем FSO -технологии их стоимость должна коррелировать с альтернативными решениями по организации линии связи такой же длины. Только при этом условии возможна их эффективная продажа и отсутствие нареканий со стороны потребителей.



Глава 4. Проблемы и их решения


.1 Затухание в атмосфере


Ослабление в атмосфере обычно связывается с туманом, но может быть также вызвано низкой облачностью, дождем, снегом, мелкими частицами и их различными комбинациями. Влияние тумана на качество и дальность видимости можно увидеть на Рис. 1, который представляет ряд фотографий, полученных в Денвере, Штате Колорадо. Высокое здание на переднем плане (справа) находится приблизительно в 300 м . от камеры. Первый снимок сделан в условиях с дальностью видимости больше 2 км , как было измерено нефелометром, установленным рядом с камерой. Это соответствует 6.5 Дб/км в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн и 5% контрастности в соответствии со стандартом Всемирной Метеорологической организации ( WMO ). На снимке видны даже горы при том, что они находятся за много километров. На втором снимке виден туман, в котором измеренная дальность видимости составляет приблизительно 113 м . (115 Дб/км). Ближнее здание на расстоянии 300 м . еще видно, тогда как остальные здания и другие наземные ориентиры уже не видны. На третьем снимке, в условиях с дальностью видимости приблизительно 75 м . (173 Дб/км), ближнее здание полностью скрыто


.2 Сцинтилляция


Атмосферная сцинтилляция может быть определена как временное и пространственное изменение интенсивности излучения в плоскости приемника, который обнаруживает сигнал от удаленного передатчика. Уровень принимаемого сигнала колеблется в результате температурных изменений показателя преломления воздуха на пути прохождения излучения. Эти изменения связаны с тем, что атмосфера воздействует на свет подобно ряду маленьких линз, которые отклоняют часть излучения, направляя его как наружу, так и внутрь канала передачи. Временной масштаб данных флуктуаций имеет порядок миллисекунд, что приблизительно равно времени, который требуется объему воздуха, соразмерному с поперечным размером луча, пересечь линию связи и, следовательно, определяется скоростью ветра.
Сцинтилляция может изменяться больше чем порядок величины в течение дня, будучи максимальной в полдень, когда температура наиболее высока.
Некоторые эксперименты показали что, в зависимости от атмосферных условий на пути изучения, амплитуда сцинтилляционных колебаний достигает максимума, который не возрастает с увеличением расстояния.

113 dB/k km 6.5 dB/km 173 dB/km Рис. 7. Денвер, Колорадо. Влияние тумана.


В целом, сцинтилляция вызывает быструю флуктуацию принимаемой мощности и, в самом плохом случае, приводит к высокому уровню ошибок FSO систем. Однако, на расстояниях меньше чем 1 км , большинство FSO систем имеют достаточный динамический диапазон или запас, чтобы компенсировать воздействие сцинтилляции. Кроме того, FSO системы, обеспечивающие 99.9 % или лучшую доступность, обычно имеют достаточный запас, чтобы компенсировать сильное ослабление в атмосфере и, таким образом, имеют более чем достаточный запас для компенсации сцинтилляции. Для больших дистанций связи с меньшим уровнем готовности, существенное снижение влияния сцинтилляции может быть обеспечено конструктивными решениями приемопередатчиков, такими как использование нескольких лазерных передатчиков.


.3 Потери на окнах


Одно из преимуществ FSO систем - то, что они позволяют осуществлять связь через окна помещений без необходимости установки антенн на крыше. Это особенно выгодно для заказчиков, которые не имеют доступ к крыше здания, а также должны оплачивать монтаж необходимой

Хотя окна пропускают оптический сигнал, они все его ослабляют. Стеклянные окна без покрытий обычно уменьшают сигнал на 4 % на каждой поверхности, из-за отражения. Это означает, что совершенно чистое окно с двойным стеклом уменьшает уровень всех оптических сигналов по крайней мере на 15 % (четыре поверхности, каждая с отражением 4 %). Окрашенные стекла и стекла с покрытием могут иметь намного большее ослабление, и его величина обычно сильно зависит от длины волны.

Для установки FSO систем с высоким уровнем доступности внутри помещений рекомендуется предварительно провести измерения фактического ослабления окон, что позволит точно рассчитать качество связи. Кроме того, при планировании инсталляции на высоких зданиях необходимо соотносить влияние низкой облачности на систему установленную на крыше с уменьшением уровня сигнала, вызванным поглощением в окне, расположенным значительно ниже. Во многих случаях, ослабление окна может иметь меньший эффект на доступность линии связи



4.4 Юстировка


Один из основных проблем FSO систем - поддержание заданного направления оси приемопередатчика.

Приемопередатчики передают узконаправленные пучки излучения, которые должны попадать в приемную апертуру приемопередатчика на противоположном конце линии связи. Типичный приемопередатчик передает один или несколько световых пучков, каждый из которых составляет 5- 8 cm в диаметре непосредственно на передатчике и обычно расширяется примерно до 1- 5 м . в диаметре на расстоянии 1 км .

В добавление к этому, FSO приемники имеют ограниченный угол зрения, который может быть представлен как конус приема приемника и подобен конусу света, проецируемому передатчиком.

Для работы FSO системы очень важно согласование передаваемого пучка и угла зрения приемника с теми же параметрами приемопередатчика на противоположной стороне линии связи.

Несмотря на общепринятые представления, здания фактически находятся в постоянном движении. Это движение - результат ряда факторов, включая тепловое расширение, влияние ветра, и вибрации. Из-за узкой направленности излучения и ограниченного угла зрения приемника движение зданий может влиять на юстировку приемопередатчика и нарушать связь. Это влияние обычно упоминается как движение опоры В большинстве обстоятельств, угловые движения (по азимуту и склонению), в противоположность прямолинейному движению, составляют основную проблему для юстировки приемопередатчика. Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное. Низкочастотное - это движение с периодом колебаний от минут до месяцев и определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Среднечастотное движение имеет период масштаба секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Высокочастотные колебания с периодом меньше чем 1 с, обычно называемые вибрацией, вызываются работой крупного оборудования (например, больших вентиляторов), деятельностью человека (ходьба, закрытие дверей). Каждый из перечисленных типов колебаний обсужден более подробно ниже.



Заключение


Последние несколько лет технология атмосферных оптических линий связи активно развивается и завоёвывает всё большую популярность в телекоммуникационном секторе. К сожалению, в других странах мира продвижение её на рынок идёт существенно более быстрыми темпами, чем в России (причём это относится не только к таким технологически продвинутым регионам, как западная Европа и США, но и ко многим развивающимся странам). Основная причина востребованности этой технологии заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях в нелицензируемом диапазоне длин волн (свыше 400 ГГц), существенно снижая таким образом административные издержки. Среди всемирно известных операторов и разработчиков телекоммуникационных сетей, принявших на вооружение беспроводную оптическую технологию - Vodafone, Sprint, Nextel, Verizon, Вымпелком, Motorola, Siemens.

Но кроме неоспоримых преимуществ технология FSO имеет и свои недостатки, главный из которых - зависимость доступности канала связи от погодных условий (а именно, от метеорологической дальности видимости). Решить эту проблему призваны беспроводные гибридные телекоммуникационные системы на базе лазерной и радио- технологий. На их основе как операторы связи, так и другие потребители могут создавать скоростные каналы связи с надежностью более 99,99% на трассах в несколько километров.

Целью данной работы являлось создание научных методов исследования гибридных FSO-RF-систем передачи данных и определения их основных характеристик производительности, основываясь на принципах математического и имитационного моделирования. Следует отметить, что данная работа не предполагает выбора каких-то конкретных характеристик телекоммуникационной системы, в том числе выбора какой-то определённой технологии радиопередачи для использования в резервном канале связи.

В заключении стоит добавить, что экономическая целесообразность «гибридизации» оптической системы наступает только для продвинутых лазерных систем, которые сами по себе могут обеспечивать неплохую надежность на трассах в несколько километров. В случае системы со вторым каналом, построенным на технологии Wi-Fi, это позволяет минимизировать время работы радиоканала и тем самым увеличить среднюю пропускную скорость и скрытность гибридного канала. При использовании MMW требования к FSO также высоки, так как этот канал должен обеспечивать надежную работу системы в сильный дождь, когда не работает радиотракт.

Можно с уверенностью сказать, что беспроводные гибридные радио-оптические телекоммуникационные системы в силу своих преимуществ уже сейчас пользуются вниманием у операторов связи, и будут в значительной степени востребованы в ближайшем будущем.


Список использовавшихся источников


В.М.Вишневский, А.И.Ляхов, Широкополосные беспроводные сети передачи информации, «Техносфера», Москва, 2005.

В. Вишневский, С. Кузнецов, Д. Лаконцев, С. Поляков, Гибридное оборудование на базе радио- и лазерной технологий // Первая миля, 2007, № 1.

Поляков С.Ю., Кузнецов С.Н., Беспроводная связь - вопросы выбора // Технологии и средства связи, 2007, №3, часть 2.

Кирилл Дыхов, Андрей Максимов, АОЛС - технология будущего // Вестник связи № 2 / 2006

С.Кузнецов, Б.Огнев, С.Поляков, «4,5 километра FSO-соединения с операторской надёжностью. Практические результаты» // Технологии и средства связи, №6/2008.V.A. A stable recursion for the steady state vector in Markov chains of M/G/1 type // Commun. Statist.-Stochastic Models. 1988. Vol.4. P. 183-188.

Семенова О.В. Устойчивый алгоритм расчета стационарного распределения системы обслуживания BMAP|SM|1 с марковским потоком сбоев и двумя режимами работы // Автоматика и вычислительная техника. 2004. №1. С. 75-84.C., Jaibi R. Monotonicity and stability of periodic polling models // Queueing Systems. 1994. Vol. 15. P. 211-238.E. Introduction to stochastic processes. New Jersey: Prentice-Hall, 1975. 400 p.

Н.А. Вязовик, Программирование на Java - Курс лекций // Интернет-Университет Информационных технологий, Москва, 2003

Scott Bloom, Eric Korevaar, John Schuster, Heinz Willebrand, Принципы работы FSO-систем // June 2003 / Vol. 2, No. 6 / JON


Приложение 1


Список интернет - источников, использовавшихся при обзоре рынка FSO-оборудования

ПроизводительПолное название компанииИнтернет-источникМосткомООО "МОСТКОМ"<#"center"><#"center">CableFreeCableFree Solutions Ltd.<http://www.cablefree.co.uk/products_fso.htm>


Министерство образования и науки Республики Казахстан Евразийский национальный университет имени Л. Н. Гумилева специальность 5B071900 - «Радиотехник

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ