Если

Ограничения при эксплуатации оборудования.
ОСС и туман
Технологии Лазерных систем связи получают все большее распространение в мире. Однако процессу их
внедрения мешают некоторые легенды связанные, в основном, с необъективной оценкой влияния
погоды на надежность данного вида связи. В рамках данной статьи мы хотели бы показать, что это
влияние может быть достаточно точно оценено. И на основании этих оценок можно с высокой
достоверностью рассчитать надежность данного канала связи при заданном расстоянии.
Подвижное в мобильном
При подборе «оптики» необходимо задать один из ключевых параметров — степень доступности (или
степень доступа), то есть вероятность устойчивой работы данного конкретного оборудования в данной
конкретной местности. В зависимости от потребностей пользователя она может колебаться в диапазоне
от 97% до 99,999%. На практике это означает, что линия не будет функционировать от трех дней до пяти
минут в году. Когда именно произойдет сбой и как долго он продлится — ведает лишь «небесная
канцелярия».
О данной особенности надо знать заранее и смириться с ней либо быть готовым платить, ибо аппаратура
с коэффициентом доступности 99,999% стоит недешево.
Атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц.
В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера
является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания.
Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы,
дымки, морозь и осадки - дождь или снег.
Ослабление излучения в диапазоне 0,85 мкм в зависимости от погодных условий.
Погодные условия
Затухание, дБ/км
Ясная погода
Слабый дождь
Сильный дождь
Снег
Легкий туман
Густой туман
0-3
3-6
6-17
6 - 26
20-30
50-100
Влияние на качество и надежность атмосферных оптических линий оказывают, по большому счету, две
величины:
- нестабильность линии, обусловленная микроподвижками и вибрациями несущих конструкций;
- нестабильность линии, вызванная изменившимися погодными условиями и туманом как фактором,
оказывающим наибольшее влияние на степень затухания.
Размер объектива приемника увеличивают для снижения помех из-за «мерцания» сигнала вследствие
сцинтилляций — атмосферного явления, при котором возникающие из-за разности температур
восходящие турбулентные потоки воздуха ведут к образованию зон с неоднородной плотностью. При
прохождении лазерного луча через такие зоны коэффициент его отражения меняется, а вследствие этого
и интенсивность луча, попадающего на приемник. Сигнал принимает форму всплесков и провалов, т. е.
«мерцает». Один из способов противостоять нежелательному эффекту состоит в расширении апертуры
приемника, при другом подходе рекомендуется увеличить количество передающих оптических модулей,
у которых траектории лучей немного отличаются друг от друга. Ряд производителей для борьбы с
подобным явлением предлагают сложные и более дорогие системы активного оптического наведения.
Замирания лазерного сигнала, вызванные конвекцией, могут достигать 30 дБ при одномодовом режиме
генерации передатчика, 20 Дб при многомодовом режиме и менее 10 Дб при использовании
синтезированных излучающих апертур передатчика (например, многомодовый оптоволоконный выход
лазерного излучателя (ОСС-1 )).
Ослабление оптического сигнала, вызванное влиянием тумана, гораздо выше и может, в наиболее
худших случаях, достигать 100–300 дБ на километр. Большинство систем FSO, с тем чтобы обеспечить
приемлемую надежность передачи данных, изначально разрабатывается с некоторым «энергетическим
запасом линии» (представляет собой разность между максимально возможным уровнем оптической
мощности на передающей стороне и минимально допустимым уровнем на принимающей), который, как
правило, составляет -30 дБ. То есть, доступность на расстояниях в пределах 100 метров оказывается
практически 100-процентной, а сцинтилляцией можно, вообще говоря, пренебречь.
Большинство систем FSO на рынке имеет показатель энергетического запаса 30—40 дБ. Мощность
излучателей может быть повышена за счет применения эрбиевых волоконных усилителей либо
увеличения количества некогерентных полупроводниковых лазеров. Высокой чувствительности
приемников добиваются за счет использования небольших низкоемкостных фотодетекторов или
лавинных детекторов APD со встроенными механизмами усиления сигнала, в результате чего
энергетический запас линии у таких систем на 5—10 дБ выше, чем в случае кремниевых фотодиодов.
Влияние тумана, как уже говорилось, приводит к более трагичным последствиям. Именно из-за тумана
коэффициент доступности большинства FSO-систем не поднимается выше 97–99 процентов. И именно
разной степенью защищенности от тумана и обусловлен весьма значительный ценовой разрыв между
разными FSO-системами. Разрыв глубиной десятки тысяч долларов.
Для любого оборудования АОЛС верно одно важное правило. На заданной дистанции и в определенных
климатических условиях степень доступности линии зависит только от следующих параметров:
чувствительности и динамического диапазона приемников, мощности и ширины диаграммы
направленности (угла расхождения луча) передатчика, а также от площади приемной линзы. Принято
указывать «приведенный динамический диапазон» — запас на потери мощности в атмосфере на
единичной (1 км) дистанции с учетом геометрических и флуктуационных потерь.
Что касается угла расхождения светового луча, то этот параметр приходится учитывать в связи с таким
явлением, как колебания зданий, из-за чего ориентация приемного и передающего устройств может
оказаться рассогласованной. Проблема решается путем расширения в передающем объективе пятна
исходящего луча, однако такая система менее эффективна из-за рассеивания мощности. Большинство
производителей поставляют оборудование, у которого телесный угол луча составляет 3—6
миллирадиан, или от 3 до 6 м на каждый километр дальности, — этого вполне достаточно для
компенсации любых колебаний здания. Средняя величина колебаний зданий не превышает 0,5 мрад.
По данным статистики, значительная часть действующих атмосферных линий связи принадлежит
сотовым операторам — порой таким способом соединяют базовые станции. Критерий доступности
99,999% — это именно требование операторов, они более всех заинтересованы в стабильности связи в
любых условиях. Так что возможности АОЛС, как нетрудно видеть, весьма впечатляющи, главное —
правильно все рассчитать.
Дальность связи
Дальность — один из важных для пользователя параметров. И именно здесь следует быть особенно
осторожным. Дело в том, что она, так же, как и стабильность, сильно зависит от погодных условий, и
определяют ее с оговоркой, для какого климатического региона и для какой степени доступности
задается рабочая дистанция. Одна и та же система в разных условиях может «бить» на полтора-два
километра (скажем, в степях Казахстана), а может не «дотянуть» и до сотни метров (в туманной зимней
Москве).
Ключевой принцип технологии FSO основан на компромиссе: чем большую продолжительность
простоев вследствие неблагоприятных погодных условий допускает заказчик, тем протяженнее будет
канал связи.
Другими словами, если заказчика устраивает, что длительность отказов канала по причине тумана
достигает 8 ч в год (готовность на уровне 99,9%), то протяженность линии окажется значительно выше,
чем если бы требования к доступности составляли не более 5 мин в год (готовность на уровне 99,999%).
Для системы FSO с типовым запасом мощности в 40 дБ протяженность линии связи в районах,
подверженных туманам, составляет примерно 200 м при доступности 99,999%. В той же местности она
может быть увеличена до 1 км, если требования к доступности снизить до 99,9%. Более мощная система
FSO с энергетическим запасом до 60 дБ позволила бы повысить дальность передачи до 220 м при уровне
доступности 99,999%. Выгода по сравнению с системой, энергетический запас которой равен 40 дБ,
всего лишь 20 м, однако если требования снизить до 99,9%, то такая мощная система будет работать на
расстоянии 1500 м. Причина в том, что густой туман вызывает затухание в размере 100—300 дБ на
каждый километр, в зависимости от степени его плотности. Поэтому в подобных погодных условиях
даже при высоком энергетическом запасе линии в 60 дБ канал способен функционировать лишь при
удалении в пару сотен метров.
Повышение мощности источников излучения для увеличения пролета экономически неоправданно,
поскольку приращение энергетического запаса линии происходит по логарифмической шкале.
Дальнодействие FSO
Относительно же заявления производителей о том, что их оборудование способно поддерживать
дальность связи в 5 км и более, можно сказать, что большинство представленных на рынке систем FSO
не может не то что полноценно функционировать, но даже установить связь на этом расстоянии. А те,
которые справляются с задачей, в состоянии поддерживать соединение лишь в относительно «чистой»
атмосфере. Это связано с тем, что на такой дистанции теряется значительный энергетический запас
линии связи. По сути, даже в случае легкого дождя, не говоря о тумане, от запаса вообще ничего не
остается. А ведь в мире не так уж много районов, где круглый год царит безоблачная погода, а потому,
надеясь на лучшее, надо всегда иметь в виду худшее.
В целом технология FSO для большинства приложений вполне устойчиво работает на расстоянии 200—
800 м, в зависимости от марки оборудования или типа используемого лазера. Если систему FSO
рассматривать в качестве резервного канала, например, для дублирования волоконно-оптического
кабеля с высоким коэффициентом доступности, то приобретение системы для передачи данных на
расстояния от 1 до 2 км — вполне разумное решение.
Гибридные системы
Накладывая серьезные ограничения на работоспособность систем беспроводной связи в диапазоне 25—
75 ГГц, сильный дождь практически не сказывается на функциональности оборудования FSO. И
наоборот, туманы не препятствуют осуществлению связи на радиоволнах этой длины. Поскольку оба
природных явления одновременно практически не встречаются, технологии взаимно дополняют друг
друга, а гибридные системы представляют собой надежное решение для последней мили.
Расчет дальности связи
Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой,
является метеорологическая дальность видимости (МДВ). Это расстояние, на котором свет с длиной
волны 0,55 мкм ослабляется в 50 раз (на 17 дБ). Погодные условия различаются как для различных
географических районов, так и от года к году.
Статистическим параметром погоды для конкретного географического места, определяющим
надежность связи, является доля времени за год в течении которого МДВ меньше заданной величины.
Доступность линии АЛС зависит от допустимого ослабления мощности сигнала между передатчиком и
приемником на заданном расстоянии между терминалами и от статистики распределения МДВ в месте
установки линии. Чем больше запас мощности системы, тем меньше погодные условия влияют на
работоспособность линии.
При передаче сигнала возможно отклонение луча и, как следствие, выход сигнала из области приёма изза малейшего изменения положения опорной конструкции по следующим причинам:
1. Температурное расширение(сжатие) металлических креплений
2. Воздействие ветра
3. Изменение состояния почвы, фундамента, следовательно, небольшие колебания здания
(углы наклона при таких колебаниях составляют до 0,1)
Дальность связи определяется следующим соотношением:
где Pt и Pr - мощность лазерного излучателя и пороговая мощность фотоприемного устройства, Sr площадь апертуры фотоприемного устройства, a - угол расходимости лазерного излучения t суммарный коэффициент потерь лазерного излучения за счет поглощения и рассеяния в атмосфере,
оптических системах и других элементах канала.
Приведенная выше формула показывает, что увеличить дальность связи можно следующими способами:
1. уменьшив пороговую чувствительность приемника;
2. увеличив пиковую мощность излучения;
3. увеличив диаметр линзы приемника;
4. уменьшив коэффициент потерь в атмосфере;
5. уменьшив угол расходимости излучения.
Выбор АОЛС
1. Для потенциального пользователя выбор оптимальной схемы выглядит следующим образом:
нужно обратиться в компанию, занимающуюся производством или монтажом АОЛС, и в
качестве «вводной» задать следующие характеристики:
2. — желаемую дальность связи;
3. — скорость и нужный интерфейс (в зависимости от того, какие именно данные предполагается
пересылать «по воздуху»),
4. — регион;
5. — необходимый уровень доступности.
6. После этого специалисты, основываясь на данных метеорологических наблюдений за
длительный период (чаще всего берется из аэропортов), определяют, какая именно модель
способна удовлетворить требованиям. Ведущие производители уже успели накопить
многолетний опыт инсталляций атмосферных линий в разных частях страны и,
соответственно, имеют в распоряжении полученную в метеослужбах статистику. Поэтому «на
выходе» они могут предоставить пользователю предварительный расчет будущей линии —
динамический диапазон (запас на потери мощности в атмосфере) и оценку степени
доступности линии связи для заданной дистанции.