Беспроводная оптическая связь(часть 2)

Очень коротко отметим преимущества использования ИК-систем беспроводной передачи по сравнению с другими беспроводными решениями, т.к. этому вопросу в литературе было уделено уже достаточно много внимания.

Использование ИК диапазона (или неиспользование радио диапазона). Загруженность и засоренность радиоэфира приводит к тому, что в крупных городах получить частотную полосу становится весьма проблематичным, а вседоступность "открытых" диапазонов не может гарантировать качества канала в коммерческих и служебных системах связи, несмотря на использование технологий передачи со скачком частоты и сложным цифровым кодированием.

Высокая конфиденциальность связи. Передача осуществляется узким лучом при полном отсутствии боковых излучений.

Отсутствие необходимости в разрешениях на использование радиочастотного спектра часто является определяющим фактором при выборе оборудования передачи.

И, наверное, главное преимущество - отсутствие принципиальных сложностей в ИК технологии с пределом скорости передачи. Если в радиочастотных системах для занятия разумной ширины полосы передачи приходится применять изощренное кодирование, которое к тому же снижает другие характеристики системы (к примеру, отношение сигнал/шум в приемнике), то все эти сложности не имеют никакого отношения к инфракрасным системам. Скоростные характеристики канала передачи в ИК-системах в основном определяются техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов! Но технология, как известно, развивается весьма бурными темпами. Уже сейчас, когда самой старой коммерческой беспроводной ИК-системе вряд ли будет 12 лет, скорости достигли отметки 2.5 Гбит/с, а при мультиплексировании по длине волны - до 10 Гбит/с. И это не предел. Немыслимые скорости для радио доступа!

Краткое описание технологии (физика процессов)

Сигналы входного интерфейса системы используются для модуляции сигнала в открытом оптическом канале. Сама технология передачи основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит полупроводниковый излучающий диод. В качестве приемника используется высокочувствительный фотодиод. Излучение воздействует на фотодиод, вследствие чего регенерируется исходный модулированный сигнал. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. С обеих сторон используется система линз, на передающей стороне - для получения коллимированного луча, а на приемной стороне - для фокусирования принятого излучения на фотодиод. Для дуплексной передачи организуется точно такой же обратный канал.

Все выглядит достаточно просто, но это только на первый взгляд.

Самым непредсказуемым элементом в системе является среда передачи. Непрогнозируемость атмосферы с ее погодными явлениями нам всем понятна. Это и есть главное отличие от оптоволоконных систем, где параметры кабеля хорошо известны. Вкратце рассмотрим особенности передачи ИК сигнала через атмосферу.

Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 720 – 950 нм. Это близкий к видимому инфракрасный спектр. Но почему именно он? Дело в том, что существующие технологические наработки, включающие и разработку технологии производства полупроводниковых лазеров, были сделаны из расчета компромисса между принципиально доступными длинами волн излучателей и приемлемыми диапазонами пропускания оптоволокна. Поэтому выбор в длинах волн ограничен возможностями излучателей и приемников (фотодиодов). Кроме диапазона 720-950 нм, существуют компоненты для диапазонов около 1300 нм и 1500 нм. Как говорится, не разгуляешься.

Вот тут-то и понадобились знания о среде передачи, чтобы сделать правильный выбор.

Существует много публикаций о влиянии тумана, дождя, снега и прочих атмосферных и погодных явлений на ИК-системы. Однако, кроме достаточно простых, учитывающих ограниченный набор факторов, влияющих на атмосферный канал передачи, подходов к моделированию канала в этих публикациях найдено немного. Основная часть подходов базируется на определении метеорологической видимости (МВ - расстояние, на котором ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗ различает черный объект с угловыми размерами более 20 мрад при дневном освещении), и определяет ослабление сигнала в зависимости от этой самой метеорологической видимости. Сама же МВ определена для различных погодных условий и состояний атмосферы достаточно точно. В определении фактор "человеческий глаз" выделен не случайно. При этом мы сразу попадаем в заблуждение, считая что то, что мы видим, "видит" и ИК-система.

А это не совсем так, или даже совсем не так. За примерами ходить далеко не надо. Представьте - Швейцарские Альпы, почти 3 км над уровнем моря, чистейший воздух. Красота! Но даже в этих условиях атмосфера совершенно непрозрачна для длин волн в районе 2600 нм!

Частный пример прозрачности атмосферы для дистанции 300 метров, зафиксированный при хороших погодных условиях на уровне моря в южных широтах, приведен на рис.6 (График пропускания атмосферы приведен с разрешением 100 см-1).

Рис. 6. График пропускания атмосферы.

На графике отчетливо видно сильное затухание сигнала в атмосфере для длин волн около 1400 нм. Обратим внимание на частный характер графика, чтобы не было искушения приведенные результаты переносить на другие атмосферные условия в других регионах, т.к. результаты будут существенно различаться.

Таким образом, к выбору диапазона работы систем и к описанию влияния атмосферы надо подходить очень осторожно. Мы не будем здесь сильно углубляться во все нюансы процессов затухания ИК сигнала в атмосфере, но остановимся на двух принципиальных аспектах.

Затухание ИК сигнала включает в себя аэрозольное затухание, т.е. на мельчайших капельках влаги, находящейся в воздухе, и резонансное поглощение на молекулах различных газов, входящих в состав атмосферы (О2, О3, СО, СН4, N2O, CO2, H2O и др.). На резонансное поглощение особенно сильное влияние оказывают параметры спектра излучения, такие как ширина, структура и количество мод излучения и т.д. Расчеты резонансного поглощения производятся "линия к линии" (line by line) с учетом огромной базы данных по спектральным характеристикам атмосферы.

Знание всех этих нюансов дает возможность не только выбрать правильный диапазон для передачи, но также правильно спроектировать систему, а в эксплуатации - правильно предсказать параметры канала и поведение систем при различных погодных условиях.

Затухание сигнала при различных погодных явлениях также достаточно точно моделируется. Например, туманы и дожди легко формализуются расширенной моделью аэрозольного поглощения. На самом деле, такая преграда, как дождь не представляет серьезной угрозы для ИК соединения. Даже уровни осадков до 75 мм/час (почти тропический ливень), практически плохо преодолеваемые радиорелейными системами в диапазонах 18-54 ГГц, не нарушают работу современных ИК беспроводных каналов на рабочих дистанциях.

Чтобы получить высококачественный канал передачи данных, нужно не только иметь хорошую ИК-систему, необходимо еще ее правильно применять (устанавливать). Есть простейшие требования к месту установки систем - к жесткости опоры, например, учет роста деревьев и т.д. Все они очень просты, как и требование правил дорожного движения о запрещении проезда на красный свет (что может быть проще?), но их нарушение приводит к плачевным результатам и разочарованиям. Но есть и более тонкие вопросы установки систем. Суть дела проста - например, Вам необходимо связать два здания. Одно из них, скажем, небоскреб, этажей этак 70, а другое - обычное невысокое, но стоит на холме. Самое удобное место - крыша. Прямая видимость обеспечена, чего же еще? Но вот набежали тучи и закрыли Ваши ИК блоки. Нет, это не "конец связи", если Ваша система была рассчитана с учетом влияния затухания от нижней кромки облаков, типичной для данного региона.

У лазерного луча хороший потенциал, но для получения хороших характеристик применять ИК-системы нужно после рекомендаций со специалистами.

Грамотно спроектированная и установленная система может обеспечить высокое качество канала связи с уровнем доступности 99,1- 99,9%. Что характерно, битовые ошибки в ИК канале практически отсутствуют. Однако, получить значения выше 99,97% в реальных условиях крайне сложно. И причина тому - птицы! Лазерный луч может преодолеть практически все погодные явления, но физические преграды - нет. Дело, конечно, в мощности и фокусировке луча… Но в целях безопасной эксплуатации плотность светового потока искусственно ограничивается. Это приводит к тому, что птицы при пересечении луча кратковременно прерывают канал передачи. Цифры реально достижимых уровней доступности канала приведены из накопленного опыта эксплуатации систем в средней полосе России. Впрочем, есть реальный выход из положения - применение многолучевых систем. Это дороже, но оправдывает затраты дополнительных средств. За каждую дополнительную девятку после запятой в параметре доступности канала приходится платить. Но это справедливо не только для ИК-систем, но и для всех остальных систем тоже.

Технология (компоненты)

Построение всех ИКсистем передачи практически одинаково – интерфейсный модуль, модулятор излучателя, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор приемника и интерфейсный блок приемника. Но все системы по технологическому признаку можно разделить на две группы. Одна группа использует полупроводниковые ИК диоды (с излучением с поверхности), а вторая использует для излучения полупроводниковые ИК лазерные диоды (с излучение с торца перехода). Главное различие систем сказывается на их главных характеристиках – скорости и дальности передачи. Первая группа – это, в основном, короткоходные системы до 1 км со скоростями до 20 Мбит/с, вторая – обеспечивает значительно большие дальности передачи, в зависимости от погодных условий и требований к качеству канала, со скоростями до 622 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Откуда же такое существенное различие?

Главное преимущество ПП диодов – высокое время наработки на отказ. Величина в 400,000 часов при мощности в 400 мВт здесь не редкость. Кроме того, каналы, использующие п/п диоды, менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере благодаря широкой полосе излучения (типичные значения около 50 нм). Форма сечения луча от п/п диодов практически круглая. Но здесь все преимущества п/п диодов заканчиваются. И начинаются недостатки. Инерционность п/п диодов при высоких мощностях излучения не позволяет достичь высоких скоростей передачи. Из-за широкой полосы излучения существуют сложности (правда, чисто теоретические) в передаче высокоскоростного сигнала – разные моды сигнала добираются до приемника с различной задержкой и на больших дистанциях и очень высоких скоростях сигнал на выходе приемника распознать уже крайне сложно. Т.е. передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. В идеале это должна быть одна мода. Такими, или близкими к таким характеристиками обладают лазерные диоды. Однако при такой передаче нельзя забывать, что эта единственная мода может попасть на полосу резонансного поглощения какого-нибудь газа в атмосфере, и тогда все плюсы лазерных диодов обернутся явными минусами. При правильном выборе компонентов потенциальные возможности развития систем с применением лазерных диодов выглядят впечатляюще. Время наработки на отказ для лазерных диодов мощностью 1000 мВт и выше уже достигло уровней 130,000 часов.

И все же, у лазерных диодов есть один врожденный недостаток – сильно выраженная эллиптичность луча. Для борьбы с этим пороком применяют различные методы – от весьма корректных - оптических систем с призматическими линзами, до грубых – ограничением апертуры оптической системы с неизбежной потерей части мощности.

Однако, мир не только черно–белый. Есть промежуточная группа – системы, использующие для передатчиков VCSEL лазерные диоды (с излучением с поверхности в результате объемного резонанса/многоуровневого переотражения). Эти устройства обладают преимуществами как лазерных диодов - узкая полоса излучения (в некоторых режимах – всего одна мода), так и преимуществами п/п диодов – высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но ничего не бывает бесплатно. Жертвой является доступная мощность излучения. Сегодня она не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих синхронно. Но здесь уже начинаются другие сложности, т.к. обеспечить абсолютную синхронность с минимальными фазовыми сдвигами очень сложно. С развитием технологии, перспективы VCSEL диодов обнадеживают.

Все ИК-системы передачи внешне очень похожи. Однако параметры систем различаются значительно. Все дело, конечно, в сбалансированном выборе параметров. В отличие от многих других систем, здесь очень важна именно сбалансированность. За примером ходить далеко не надо. Многие разработчики, стремясь повысить дальность путем уменьшения угла расхождения луча, доводят его до таких величин, когда даже микровибрация зданий и конструкций от проходящей рядом дороги, ветровой нагрузки может привести к расстройке системы. На такие системы повышенное влияние оказывает эффект дрожания атмосферы из-за восходящих тепловых потоков в жаркий период. На практике, величина угла расхождения луча менее 2 мрад становится неприемлемой для очень многих условий эксплуатации. Некоторые российские и зарубежные системы грешат этим недостатком. Слишком же большое раскрытие луча приводит к неэффективному использованию светового потока.

Если говорить о самых эффективных системах на сегодняшний момент, т.е. обеспечивающих высокие скорости передачи на большие (для ИК-систем) расстояния, то здесь нельзя не отметить достижения фирмы PAV Data Systems Ltd. Благодаря самой высокой энерговооруженности луча, оригинальной технологии получения круглого сечения луча и сбалансированности параметров, сейчас серийно выпускаются системы на 622 Мбит/с, дальность систем превышает 6 км с достаточно высоким коэффициентом готовности для условий средней полосы России. Такие параметры получены благодаря большому опыту работы фирмы в данной области и, наверное, самой большой установленной базе систем (более 5000). Здесь нет ничего фантастического – просто для передачи используется система из 3-х лазеров, каждый со средней мощностью 100 мВт, и высокочувствительные APD (лавинные) фотодиоды в приемнике.

Кстати, о приемниках и фотодиодах. Здесь наметилось полное единодушие у проектировщиков систем. Все высокоскоростные системы используют лавинные фотодиоды, а низкоскоростные обычные кремниевые p-i-n фотодиоды, у которых чувствительность почти на порядок ниже.

Применение новейшей технологии мультиплексирования по длине волны, реализованной в оптоволоконных системах, не имеет принципиальных ограничений на применение ее в беспроводных ИК-системах передачи. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Первопроходцем оказалась компания Lucent Technologies со своим опытным продуктом WaveStar OpticAir, обеспечивающим скорость передачи до 10 Гбит/с на четырех длинах волн. Причем ранее эта компания не была заметна среди активных игроков на этом поле. Этот факт позволяет сделать вывод, что интерес к этому сектору рынка начинают проявлять киты индустрии, которые до последнего времени были просто наблюдателями. Единственным подводным камнем здесь может быть все то же резонансное поглощение в атмосфере, которое на разных длинах волн может существенно различаться. Но, несмотря на это, открывающиеся перспективы сулят потребителям огромные возможности.

Обзор рынка ИК-систем

Перейдем теперь к самому, пожалуй, интересному – обзору предложения в данном секторе рынка и сравнению систем.

В последнее время состав игроков существенно изменился. Из бывших активных перешли в разряд догоняющих SilCom и A.T.Schindler (последний сильно задержался с внедрением лазерных систем, и сейчас куплен компанией Plaintree Systems); перегруппировался и переименовался Lightpointe Communications (бывший Eagle Optoelectronics), появились новые - Astroterra и Jolt, которые в свою очередь успели объединиться в компанию Optical Access, LSA Photonics. Среди лидеров очень заметен PAV Data Systems. Активизировались и отечественные производители. Большой опыт работы в этой области у ИТЦ из Новосибирска, производством ИК-систем занимается Катарсис из Питера. Заявили о себе НИИ ПОЛЮС и Рязанский приборостроительный завод, НИИ прецизионного приборостроения, ОКБ МЭИ. Но ИК оборудование для связи ЛПС-34, МОСТ100/150, АОЛТ2 и БОС/БОВ этих производителей являются пока предварительными проработками, находятся в стадии доработки и серийно не выпускается (существуют в нескольких экземплярах). Также пока не выпускается серийно оборудование WaveStar OpticAir компании Lucent Technologies. Не претендуя на абсолютную полноту информации о производителях, представим список наиболее заметных, выпускающих оборудование СЕРИЙНО, в таблице 2.

Остается только ключевой вопрос - как же корректно сравнить эти системы, чтобы апельсины сравнивались с апельсинами, а не с яблоками? Опираясь только на заявленные производителями данные, сделать это практически невозможно. Так, например, такой ключевой параметр, как максимальная дальность системы интерпретируется каждым производителем по-разному, и большинство стремятся эту величину показать в наиболее выгодном для себя свете, т.е. при хороших погодных условиях. С другой стороны, некоторые компании дают максимальную дальность для заданных значений доступности канала для средних широт, как, например, PAV Data Systems и CableFree, или приводят дальности для различных затуханий сигнала, как, например, Optical Access.

Да простят нас некоторые производители, но мы отойдем от традиции указывать параметры дальности систем, заявленные производителями, и применим к этим системам для сравнения один и тот же метод ее определения на одной и той же "эталонной" погоде. Может быть, абсолютные значения полученных параметров и могут вызвать вопросы о корректности модели и т.д., но для сравнения полученных параметров между собой этот подход можно признать единственно доступным и целесообразным.

Для рассмотрения выберем системы с интерфейсом Ethernet, т.к. они есть у всех производителей.

В качестве эталонной погоды возьмем условия среднеширотной зимы на европейской территории России, городскую атмосферу с типичной городской дымкой с видимостью 2500 м, установим системы на крыше 30-ти метрового здания, добавим облака, сильный дождь, скажем, на 25 мм/час… кажется все готово. Поехали!

Все остальные параметры приведем из доступных источников точно такими, как их указывают производители.

В таблице представлены лучшие модели от каждого из производителей. В программах выпуска присутствуют и более "слабые" модели, но нашей задачей не было сравнение абсолютно всех систем, а только самых лучших достижений в данном секторе рынка.

Изделия CableFree Solutions и LSA Photonics составляют пока загадку, т.к. получить техническую информацию об этих изделиях, необходимую для моделирования, не представилось пока возможным.

Итак. Что же мы увидели?

Самые-самые "дальнобойные" системы, как и предполагалось, оказались у PAV Data Systems. Нет ничего необъяснимого в этой ситуации. Эти системы имеют самую высокую выходную мощность, сохраняя при этом соответствие жестким требованиям безопасности изделий, и имеют одни из самых эффективных приемников сигнала. Фактически, они являются самыми энерговооруженными системами (с самым высоким динамическим диапазоном). В системах применена уникальная высокоэффективная система корректировки эллиптичности луча. Даже при слегка расширенном луче для большей стабильности передачи по сравнению с другими системами, мощности светового потока и чувствительности приемника хватает для бесперебойной работы в сложных условиях на дистанциях более 2.5 км. Эти системы уже имеют большую базу установленного оборудования в различных странах с разными погодными условиями, в том числе и в самой Великобритании, известной своей плохой погодой и туманами.

Хорошей недорогой системой является оборудование серии БОКС-10. Высокая надежность п/п излучающих диодов позволяет использовать их в коммерческих сетях. Но без серьезной переработки конструкции вряд ли удастся добиться дистанций более 1 км и скорости более 10 Мбит/с из-за ограничений, накладываемых типом излучателя. Эти системы пока реально доступны только с интерфейсами Ethernet 10 Мбит/с.

В изделиях ИТЦ из Новосибирска ЛАЛ2+ используется лазерный диод, что говорит о высоких возможностях этой системы. Система "жестко" сфокусирована (имеется в виду малый угол расхождения луча), что может наложить некоторые ограничения на применение системы - повышенная чувствительность к "дрожанию" атмосферы и очень высокие требования к стабильности опоры. Последний фактор, правда, ИТЦ предлагает обойти путем применения автоматической системы стабилизации луча. Однако, в случае оптических систем данное решение имеет некоторые врожденные недостатки.

Также нереально "жестко" сфокусирована система LaserBit от компании Crown-Tech. Такие углы расхождения просто неприемлемы на практике, хотя в идеальных (лабораторных) условиях установки системы могли бы обеспечить неплохие характеристики.

Мы не стали проводить моделирование систем по всему диапазону излучения (вследствие разброса параметров у конкретных образцов излучателей), т.к. эта информация доступна у немногих производителей. Да и это отдельная тема для разговора. Как показывает моделирование, у большинства образцов систем из-за разброса характеристик излучения дальность связи может меняться в два и более раз. Например, Вы приобрели систему, для которой были заявлены усредненные характеристики для полосы излучения 1350 нм. В конкретном же образце эта величина оказалась, скажем, 1400 нм. Небольшая разница? Но характеристики атмосферы в этом диапазоне совершенно другие! И в этом случае дальность связи в аналогичных условиях может уменьшиться в пять раз! Найти причину отказа в канале во вполне приемлемых внешних условиях в этом случае будет крайне сложно.

ИК беспроводные системы вышли из младенческого возраста и устремились на рынок телекоммуникаций. Технологии развиваются стремительными темпами. И завтра мы, вероятно, увидим системы с возможностями, которые сейчас кажутся фантастическими.

НАЗАД

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА

ВПЕРЕД