Оптическая связь

Оптическая связь, связь посредством электромагнитных колебаний оптического диапазона (как правило, 1013—1015 Гц). Использование света для простейших (малоинформативных) систем связи имеет давнюю историю (например, Оптический телеграф). С появлением лазеров возникла возможность перенести в оптический диапазон разнообразные средства и принципы получения, обработки и передачи информации, разработанные для радиодиапазона. Огромный рост объёмов передаваемой информации и вместе с тем практически полное исчерпание ёмкости радиодиапазона придали проблеме освоения оптического диапазона в целях связи исключительную важность. Основные преимущества оптическая связь по сравнению со связью на радиочастотах, определяемые высоким значением оптической частоты (малой длиной волны): большая ширина полосы частот для передачи информации, в 104 раз превышающая полосу частот всего радиодиапазона, и высокая направленность излучения при входных и выходных апертурах, значительно меньших апертур антенн в радиодиапазоне. Последнее достоинство оптической связи позволяет применять в передатчиках оптических систем связи генераторы с относительно малой мощностью и обеспечивает повышенную помехозащищенность и скрытность связи.

Основная причина востребованности технологии беспроводной оптической связи заключается в огромном потенциале передавать большие объемы данных на высоких скоростях в инфракрасном диапазоне длин волн далеко за принятым диапазоном радиочастот (до 400 ГГц), существенно снижая таким образом административные издержки. Среди всемирно известных операторов и разработчиков телекоммуникационных сетей, принявших на вооружение беспроводную оптическую технологию - Sprint, Nextel, Verizon (в прошлом Bell Atlantic), Вымпелком, Motorola, Siemens.

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.

Атмосферные оптические линии связи (Free Space Optics) — термин, давно прижившийся в телекоммуникациях. 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 распространяются также в открытой атмосфере.

Важная особенность линий FSO — отсутствие необходимости получать разрешение на частоты при установке и эксплуатации таких систем, в отличие от радиорелейных линий связи. Иными словами, исключается длительный и весьма дорогостоящий процесс получения радиочастот. Кроме того, значительные затраты требуются для расчета, измерения уровней электромагнитного излучения и получения разрешения на установку радиорелейных станций.

В системах FSO используются инфракрасные лазеры, которые генерируют свет в диапазоне около 200 TГц, что соответствует длине волны порядка 1 мкм.

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, и поэтому предпочтительны для связи на дистанции до 100 м. Однако если речь идет о более дальних расстояниях, мощном и в то же время безопасном для глаз излучении, то на первый план выходят длинноволновые лазеры. Инфракрасное излучение на длине волны 1550 нм поглощается роговицей глаза и не доходит до сетчатки. Нормами допускается мощность почти на два порядка больше, чем для 850-нанометровых лазеров. Это позволяет увеличить длину канала примерно в 5 раз при сохранении устойчивой связи, а при использовании на коротких расстояниях – значительно повысить скорость передачи данных.

Архитектура сетей FSO в зависимости от нужд предприятий и используемых приложений может иметь различные топологические конфигурации. Основными из них являются соединения типа «точка — точка», «точка — многоточка» и решетчатая (mesh) структура. Допускается комбинация трех топологий.

Соединения «точка — точка» обеспечивают выделенный канал с высокой пропускной способностью, однако такой вариант трудно масштабируется. Более дешевая топология типа «точка — многоточка» однако предоставляет меньшую пропускную способность. При необходимости обеспечить высокую степень масштабируемости следует отдать предпочтение кольцевой и решетчатой (mesh) топологиям или, в крайнем случае, звездообразной. Они дают возможность легко добавлять узлы или реконфигурировать сеть.

В настоящее время для беспроводного обмена информацией широко применяется радио (радиорелейные линии и радиомодемы). Однако трудно найти хотя бы одного пользователя, который не сталкивался бы с проблемой искажения или даже потери сигнала из-за засоренности радиоэфира. Необходимость же получения специального разрешения и связанная с этим бумажная волокита сильно затрудняют применение радио в крупных городах. Даже такие появившиеся в последнее время технологии, как быстрый перескок радиочастоты и цифровое кодирование путем свертки сигнала с использованием псевдослучайной шумовой последовательности, полностью не решают данных проблем.

Лазерная система связи представляет собой открытую систему и поддерживает практически любой протокол из физической спецификации передающей системы. Кабельное или волоконно-оптическое устройство сопряжения доставляет сетевой трафик лазерному приемопередатчику, затем полученный сигнал модулируется оптическим лазерным излучателем и фокусируется в узкий коллимированный световой луч в передатчике, использующем систему линз. На принимающей стороне оптический пучок возбуждает фотодиод, который позволяет регенерировать модулированный сигнал. Сигнал демодулируется и преобразуется в коммуникационный протокол, поддерживаемый сетью. Иными словами, система использует тот же принцип действия, что и модемы для волоконно-оптических кабелей. Разница заключается только в другой среде для распространения светового луча и вытекающих из этого конструктивных особенностях.

Для дуплексных конфигураций на каждом конце двухточечной линии связи требуются и приемник, и передатчик (обычно они собраны в моноблоке).

Существующие в настоящее время коммерческие лазеры имеют выходную мощность сигнала менее 100 мВт и не требуют специального технического лицензирования для безопасной работы и управления. Они поддерживают высокую скорость передачи данных на расстояние до 1,2 км, однако их пропускная способность зависит от расстояния: чем выше пропускная способность, тем меньше расстояние передачи. Так, например, передача данных с пропускной способностью 34-52 Мбит/с возможна на расстояние до 1200 м, а с пропускной способностью 100-155 Мбит/с - на расстояние до 1000 м. Очевидно также то, что чем больше мощность лазера, тем большее расстояние он покрывает. Так, например, лазерные передатчики Freespace или OmniBeam, имеющие выходную мощность от 20 до 40 мВт, способны передавать сигнал на расстояние до 1200 м. Если же использовать военные лазеры с выходной мощностью в 10 Вт, то информацию можно передавать на расстояние до нескольких километров. Однако чем выше мощность излучателя, тем меньше срок службы лазера. Поэтому в настоящее время, в основном, применяются коммерческие лазеры (чаще всего диодные лазеры с гетероструктурой на основе соединения GaAlAs и длиной волны 820 нм) с выходной мощностью до 50 мВт. При передаче информации на расстояние до 1200 м такие лазеры обеспечивают пропускную способность до 155 Мбит/с и поддерживают стандарты Е1, Е3, ОС1, ОС3 и др.

Лазерная связь обеспечивает высокий уровень защиты информации от несанкционированного считывания в то время, как передача по радио может быть перехвачена и записана даже на большом удалении от оборудования передачи.

Системы, функционирующие в инфракрасном (ИК) диапазоне, имеют целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками. Во-первых, за счет перехода в оптическую область длин волн такие системы не претендуют на какую-либо часть радиодиапазона, не создают помех в РЧ-спектре и сами не чувствительны к подобным помехам. Для их эксплуатации не нужно получать разрешений на использование дефицитного радиочастотного ресурса. Во-вторых, инфракрасные каналы связи обеспечивают высокую защищенность пересылаемой информации. Передаваемые по ним потоки не могут быть просканированы анализаторами спектра или контрольным оборудованием радиосетей. К тому же они, как правило, кодируются с помощью патентованных алгоритмов. В-третьих, сами по себе беспроводные оптические системы не накладывают никаких принципиальных ограничений на скорость транспортировки данных. Наконец, немаловажным фактором является малое время их развертывания.

В последние годы инфракрасные системы передачи информации вызывают все больший интерес у операторов, Internet-провайдеров и корпоративных заказчиков. К возможным вариантам их применения относятся формирование физических соединений в корпоративных сетях передачи данных (Ethernet/Fast Ethernet, ATM, FDDI) и магистральных сетях операторов наземной связи (SDH, PDH), создание резервных каналов, построение каналов доступа для решения проблемы «последней мили», обеспечение соединений с базовыми станциями и их контроллерами в сетях мобильной связи, развертывание временных сетей на период модернизации основной кабельной инфраструктуры или в районах стихийных бедствий, передача данных от систем видеонаблюдения и телеметрии при невозможности прокладки кабеля.

Общими свойствами всех оптических систем являются высокая энерговооруженность лазерного луча (средняя мощность 300 мВт, уровень ИК-излучения 7 Вт/м²) и значительное время наработки на отказ (для лазеров оно составляет 130 тыс. часов, т.е. без малого 15 лет). Мощность, потребляемая каждым из устройств, равна примерно 20 Вт, поэтому даже при сбое в сети электропитания приемопередатчик может работать от бесперебойного источника в течение нескольких часов.

Особенностью ИК-оборудования является быстрота его развертывания: среднее время, затрачиваемое на инсталляцию, не превышает 4 ч. Отсутствие привязки к кабельной инфраструктуре обеспечивает возможность многократного использования одной и той же системы путем ее демонтажа и установки на новом месте. Еще важнее высокая ремонтопригодность данного оборудования. Оно спроектировано так, что замена передатчика, сопровождающаяся переходом на новую длину волны из диапазона 860—920 нм, не требует модернизации приемника (ибо последний работает с длинами волн от 750 до 950 нм).

Влияние атмосферных явлений лимитирует максимальную протяженность канала связи (при фиксированном уровне его доступности), а требование прямой видимости накладывает дополнительные ограничения на высоту установки приемопередающих устройств и их направленность.

Из-за того, что погодные условия влияют на надежность передачи, перед началом эксплуатации системы в каждой конкретной местности необходимо проводить ее тестирование. Общее правило заключается в том, что важен не столько тип осадков, сколько время их непрерывного воздействия на канал, поэтому, скажем, туман в большей степени влияет на состояние ИК-канала, чем дождь или снег.

Зависимость от состояния атмосферы приводит к тому, что доступность канала обратно пропорциональна дальности передачи. Так, при дальности 40 км доступность в среднем за год составит всего 40—50%, хотя летом значение этого показателя будет несколько выше. И наоборот, сближение приемника и передатчика на расстояние 500 м обеспечит доступность до 99,9%. Впрочем, на практике беспроводные каналы обычно организуются для соединения узлов, разнесенных на несколько километров: при дальности связи 3 км доступность одиночного ИК-канала E1 составляет 99,1%, а для 1 мили (1,6 км) она равна 99,7%. Приемники и передатчики не обязательно выносить на улицу: они могут быть установлены и внутри помещений. Наличие стеклянной преграды удается учесть на стадии расчета технических характеристик монтируемой системы, и серьезные проблемы возникают только при наличии светофильтров или специального противосолнечного затемнения.

Структурно линия оптической связи аналогична линии радиосвязи. Для модуляции излучения оптического генератора либо управляют процессом генерации, воздействуя на источник питания или на оптический резонатор генератора, либо применяют дополнительные внешние устройства, изменяющие выходное излучение по требуемому закону. При помощи выходного оптического узла излучение формируется в малорасходящийся луч, достигающий входного оптического узла, который фокусирует его на активную поверхность фотопреобразователя. С выхода последнего электрические сигналы поступают в узлы обработки информации. Выбор несущей частоты в системе О. с. — сложная комплексная задача, в которой должны учитываться условия распространения оптического излучения в среде передачи, технические характеристики лазеров, модуляторов, приёмников света, оптических узлов. В системах оптической связи находят применение два способа приёма сигналов — прямое детектирование и гетеродинный приём. Гетеродинный метод приёма, обладая рядом преимуществ, главные из которых — повышенная чувствительность и дискриминация фоновых помех, в техническом отношении много сложнее прямого детектирования. Серьёзным недостатком этого метода является существенная зависимость величины сигнала на выходе фотоприёмника от характеристик трассы.

В зависимости от дальности действия системы оптической связи можно разделить на следующие основные классы: открытые наземные системы ближнего радиуса действия, использующие прохождение излучения в приземных слоях атмосферы; наземные системы, использующие закрытые световодные каналы (волоконные световоды, светонаправляющие зеркально-линзовые структуры) для высокоинформативной связи между АТС, ЭВМ, для междугородной связи; высокоинформативные линии связи (главным образом ретрансляционные), действующие в ближнем космическом пространстве; дальние космические линии связи.

В земных условиях наиболее перспективны системы оптической связи, использующие закрытые световодные структуры. В 1974 показана возможность изготовления стеклянных световодов с затуханием передаваемых сигналов не более нескольких дб/км. При современном уровне техники, используя полупроводниковые диодные излучатели, работающие как в лазерном (когерентном), так и в некогерентном режимах, кабели со световолоконными жилами и полупроводниковые приёмники, можно построить магистрали связи на тысячи телефонных каналов с ретрансляторами, располагаемыми на расстояниях около 10 км друг от друга. Интенсивные работы по созданию лазерных излучателей со сроками службы 10—100 тыс.ч, разработка широкополосных высокочувствительных приёмных устройств, более эффективных световодных структур и технологии изготовления световодов большой протяжённости, по-видимому, сделают оптическую связь конкурентоспособной со связью по существующим кабельным и релейным магистралям уже в ближайшем десятилетии. Можно ожидать, что оптическая связь займёт важное место в общегосударственной сети связи наряду с др. средствами. В перспективе системы оптической связи со световодными линиями по своим информационным возможностям и стоимости на единицу информации могут стать основным видом магистральной и внутригородской связи.

Оптический телеграф, система визуальной передачи сообщений посредством семафорной азбуки. Был распространён в 1-й половине 19 в. Первый оптически телеграф построен в 1794 между Парижем и Лиллем (225 км) французами братьями К. и И. Шапп. Передающее семафорное устройство из подвижных реек устанавливалось на башне. Линия оптического телеграфа состояла из цепочки башен, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости. Передача сообщения производилась последовательно от башни к башне и поэтому требовала значительного времени. В 1839—54 действовала самая длинная в мире линия оптического телеграфа между Петербургом и Варшавой (1200 км); передаваемый сигнал проходил по ней из конца в конец за 15 мин.

Дата добавления: 2014-11-08