Каталог :: Радиоэлектроника

Реферат: Проектирование инфракрасного канала

                                   Содержание                                   
     Введение. 3
     1   Бескабельные каналы связи. 8
     2   Преимущества технологии беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне  11
     3   Простое описание технологии (физика процессов) 15
     4   Технология (компоненты) 22
     5   Зависимость качества передачи от погоды.. 30
     6   Инфракрасные системы связи. 37
     7   Беспроводная оптическая связь. Мифы и реальность. 62
     8   Расчет инфракрасного канала. 76
     9   Обзор рынка ИК систем. 100
     10 Нормы и требования. 106
     11 Заключение. 108
     12 Список использованных источников. 110
     Введение.
Концепция передачи данных на основе использования инфракрасных (ИК) каналов
прорабатывалась в течение многих лет и интерес к ней в настоящее время только
расширяется в связи возрастающими потребностями в высокоскоростных
беспроводных каналах связи.
Еще в конце 60-х годов в Москве проводились испытания передачи данных на базе
Российского оборудования беспроводной инфракрасной связи, которое было
установлено между МГУ и Зубовской площадью. Потом проводился ряд
экспериментов в начале 70-х годов в различных регионах страны. В целом,
испытания были успешными, но на тот момент у специалистов сложилось
достаточно прохладное мнение об этой технологии и сводилось оно к тому, что
плохие погодные условия делают использование беспроводных инфракрасных
каналов неприемлемым и бесперспективным направлением.
Как мы увидим дальше, ограничение на использование данного вида связи
обуславливается не только уровнем развития технологии, но и возможностью
прогнозирования поведения системы для корректного определения границ
применимости технологии. Затем наметился перерыв в развитии интереса к
применению технологии для передачи данных. Он остался в основном в области
военного применения для различных систем целеуказания, дальномеров и т.д. и
т.п.
Вновь к применению ИК систем для беспроводной передачи данных вернулись к
концу 80-х годов, когда получили широкое развитее локальные вычислительные
сети, и, что особенно важно, получила большое развитие технология передачи
данных по оптоволоконным кабелям. Обе технологии чрезвычайно близки и
различаются, в основном, адаптацией систем под среду передачи.
Коммерческие ИК cистемы передачи трафика локальных сетей или для
внутрикорпоративных систем стали появляться на рынке в начале 90-х годов.
Одним из самых активных первопроходцев была канадская компания A.T.Schindler,
но она была не единственной. Заметную активность проявляли фирмы Joltи SilCom
системы, с обычным сетевым интерфейсами Ethernet, Token Ring, обеспечивали
передачу данных на дистанциях до 500 метров и использовали в передающем
устройстве инфракрасные полупроводниковые излучающие диоды.
Системы текоммуникационного применения получили свое развитие лишь к 1998г,
когда уровень развития лазерной технологии позволил освоить в массовом
производстве лазерные полупроводниковые диоды мощностью 100мВт и более, с
высоким показателем параметра наработки на отказ (MTBF), а именно более 50000
часов – тот минимальный уровень, который требуется для надежного
функционирования телекоммуникационной коммерческой системы.
Значительный опыт, приобретенный в результате большого количества инсталляций
систем передачи информации на основе оптоволоконных каналов с инфракрасными
приемопередатчиками, позволил довести эту технологию до совершенства. При
этом был обеспечен высокий уровень безопасности данных и достигнута
оптимальная стоимость, так как в данном случае отпадала необходимость в
использовании дорогих в прокладке арендуемых кабельных каналов связи.
Использование радиотехнологии является хотя и доминирующим, но не
единственным способом замены дорогостоящих проводных коммуникаций. Все больше
производителей телекоммуникационного оборудования обращают внимание на
инфракрасную часть электромагнитного спектра как на вполне подходящую среду
передачи информационных сигналов. Активно развивающаяся технология передачи
данных с помощью инфракрасных оптических модемов получила название
беспроводной оптической связи. Ныне с уверенностью можно сказать:
беспроводная оптика перешагнула порог научно-исследовательских лабораторий и
ищет дорогу на телекоммуникационный рынок, как в операторской, так и в
корпоративной нише. Достаточно того, что несколько известных сетевых
интеграторов (в частности, Diamond Communication, "Телеком-Транспорт" и
MicroMax) включили оборудование лазерных модемов в спецификации своих типовых
решений для построения распределенных сетей.
Беспроводные появились позже кабельных локальных сетей, но получили широкое
распространение. Различают два типа беспроводных локальных сетей. Широко
распространены локальные радиосети. Это связано с тем, что в этих сетях стены
неэкранированных помещений являются прозрачными для сигналов, что
обеспечивает взаимодействие информационных систем на значительных
расстояниях. Вторым типом являются локальные инфракрасные сети. Они намного
дешевле радиосетей. Кроме этого, они обеспечивают высокую защиту от
НеСанкционированного Доступа (НСД) и не подтверждены влиянию радиопомех.
Вместе с этим, каналы инфракрасных сетей работают только в пределах прямой
видимости взаимодействующих партнеров и не проходят сквозь стены.
Локальная инфракрасная сеть – беспроводная локальная сеть, в которой передача
сигналов осуществляется по инфракрасным каналам.
Сфера применения ИК делится на две четко разграниченные области: короткие
линии связи с периферийными устройствами и соединения внутри ЛВС (или даже
между ЛВС). В обоих случаях требуется располагать устройства на линии прямой
видимости, но каждый вариант имеет свои преимущества. В целом ИK-соединения
отличаются высокой степенью защищенности информации и создают мало помех.
     Инфракрасный канал – канал  использующий для передачи данных инфракрасное
излучение.
Инфракрасный канал работает в диапазоне высоких частот, где сигналы мало
подвержены электрическим помехам. В соответствии с этим, передача данных
осуществляется с небольшим числом ошибок и высокими скоростями. Вместе с этим
для использования канала необходимо, чтобы Оконечное Оборудование Данных
(ООД) "видело" друг друга. Более того, из-за быстрого затухания сигнала в не
всегда чистой атмосфере, длина инфракрасного канала в воздухе ограничена
небольшими расстояниями. Так, при использовании направленной антенны и
маломощного передатчика (100мВт) связь возможна на расстоянии до 30-50 м.
Однако, применение направленной антенны с более мощным передатчиком (250 мВт)
увеличивает это расстояние до 10 км. Из-за пыли, дождя, снега происходит
рассеивание сигнала.
Благодаря созданию инфракрасных лазеров и световодов длина инфракрасных
каналов резко увеличилась. Поэтому они стали использоваться не только на
земле, но и в космосе. Возникли инфракрасные сети, построенные на
инфракрасных каналах. Особенно широко применяются локальные инфракрасные
сети. Стандарты инфракрасных сетей разрабатывает находящаяся в Калифорнии
(США) "ассоциация инфракрасных данных" IRDA, созданная ведущими
производителями информационных средств.
     

1 Бескабельные каналы связи

Кроме кабельных, в компьютерных сетях иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, не надо закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шaxтax, не надо искать и устранять повреждения кабеля). К тому же компьютерные сети можно в этом случае легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны. Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи может достигать десятков мегабит в секунду здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования). Однако в локальных сетях радиоканал не получил широкого распространения из-за довольно высокой стоимости передающих и приемных устройств, низкой помехозащищенности, полного отсутствия секретности передаваемой информации и низкой надежности связи. А вот для глобальных сетей радиоканал часто является единственно возможным решением, так как позволяет с помощью спутников-ретрансляторов сравнительно просто обеспечить связь со всем миром. Используют радиоканал , и для связи двух и более локальных сетей, находящихся далеко друг от друга, в единую сеть. Существует несколько стандартных типов радиопередачи информации. Остановимся на двух из них. · Передача в узком спектре (или одночастотная передача) рассчитана на охват площади до 46 500 м2. Радиосигнал в данном случае не проникает через металлические и железобетонные преграды, поэтому даже в пределах одного здания могут быть серьезные проблемы со связью. Связь в данном случае относительно медленная (около 4,8 Мбит/с). · Передача в рассеянном спектре для преодоления недостатков одночастотной передачи предполагает использование некоторой полосы частот, разделенной на каналы. Все абоненты сети через определенный временной интервал синхронно переходят на следующий канал. Для повышения секретности используется специальное кодирование информации. Скорость передачи при этом невысока - не более 2 Мбит/с, расстояние между абонентами - не более 3,2 км на открытом пространстве и не более 120 м внутри здания. Кроме указанных типов, существуют и другие радиоканалы, например сотовые сети, строящиеся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети (они используют равномерно распределенные по площади ретрансляторы), а также микроволновые сети, применяющие узконаправленную передачу между наземными объектами или между спутником и наземной станцией. Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом - нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха. Предельные скорости передачи информации по инфракрасному каналу не превышают 5-10 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, также не достигается. Как и в случае радиоканала требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы довольно редко. Инфракрасные каналы делятся на две группы: · Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров. · Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не страшны, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения. Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа «шина», в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но в принципе при организации узконаправленной передачи можно реализовать любые TOPI (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.

2 Преимущества технологии беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне

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, не смотря 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.

2.1 Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, расположенное в электромагнитном спектре перед красным концом видимых лучей. Инфракрасное излучение занимает полосу частот электромагнитного спектра от 50-100 ГГц до 400 ТГц. В соответствии с этим оптические характеристики рассматриваемого излучения значительно отличаются от тех же характеристик видимых лучей. Так, слой воды толщиной несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения. И, наоборот, пластинки германия и кремния для него прозрачны. Инфракрасное излучение легко проходит от солнца до земли. Однако в атмосфере оно быстро ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Особенно сильно излучение поглощается парами воды (снег, дождь), частицами пыли и дыма. Вместе с этим, при передаче инфракрасного излучения через специальные световоды, указанные помехи отсутствуют. Важно, что рассматриваемое излучение защищено от многих электромагнитных помех. Полоса частот – часть спектра синусоидальных колебаний электромагнитных излучений, лежащая в определенных пределах. Электромагнитный спектр определяет полосы частот, используемые для передачи звука, радиоизлучения, инфракрасного излучения, света. Внутри этих, основных, диапазонов выделяются полосы, используемые в применяемых технологиях передачи данных. Полосы делятся (рис.132) на две группы: узкие и широкие. Узкой называют полосу, ширина которой не превышает речевую полосу. Последняя принята равной 3000 Гц (от 300 до 3330). Такую полосу используют узкополосные каналы. Широкой именуют полосу, частота которой превышает (и часто, во много раз) звуковую. Как правило, широкая полоса включает в себя множество узких полос. Канал, пропускающий широкую полосу называют широкополосным каналом. При создании беспроводных сетей возникает проблема распределения в эфире полос электромагнитного спектра. Поэтому каждое государство разделяет спектр на полосы, выделяемые для определенных целей. Для использования полосы необходимо брать лицензию. Исключение составляет так называемая Промышленная, научная, медицинская полоса ISM. В Европе для указанной цели служит диапазон не лицензируемых частот 2,4-2,5 ГГц, а в США - диапазоны (ГГц): 5725-5850; 2400-2485; 0,902-0,928. Кроме этого в США не лицензируется персональный коммуникационный сервис, работающий в полосе 1830-1990 МГц. Указанные полосы выделяются межгосударственными и правительственными организациями. Так, в США предоставление услуг электронной связи регламентирует Федеральная комиссия связи FCC.

3 Простое описание технологии (физика процессов)

Беспроводные оптические линии связи используют спектральный диапазон лазерного инфракрасного излучения (как правило, от 400 до 1400 нм). Этот участок спектра соответствует так называемому "окну прозрачности" атмосферы, благодаря чему поглощение излучаемого сигнала атмосферными газами пренебрежимо мало. Функциональная схема системы лазерной связи очень проста: · блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму; · преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения; · на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы; · усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде. Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5o, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям. После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Таким образом, для всех устройств, используемых в кабельной сети связываемых зданий, эта линия не видна; она не накладывает каких-либо ограничений на оборудование, не требует дополнительных протоколов связи или изменений/дополнений к таким протоколам. Передача сигналов по беспроводному оптическому соединению осуществляется так же, как по оптическому волокну. Различаются лишь среды, в которых распространяется луч. Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора. Важнейшее свойство беспроводной оптической связи - высокая степень защищенности канала от несанкционированного доступа. Это является следствием самой природы лазерной передачи сигнала, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно - в силу острой направленности луча и применения уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. Тем не менее, для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах - обращения волнового фронта, анализа изменения принимаемого сигнала и др., что еще больше повышает защищенность канала связи. 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 выгдядит достаточно просто, но это только на первый взгляд. Самым непредсказуемым элементом в системе является среда передачи. Непрогнозируемость атмосферы с ее погодными явлениями нам всем близка и 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 метереологической 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 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! 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.

4 Технология (компоненты)

Как и большинство технологий беспроводной передачи данных, беспроводная оптика требует условий прямой видимости. Правда, в отличие от радиочастотных методов, допускающих соединения в топологии точка – многоточка, атмосферные оптические линии, как правило, двухточечные. Данные передаются направленным пучком модулированного света. В качестве источника такого света обычно используются светодиоды (и тогда для формирования луча приходится применять оптические системы) или лазеры (в этом случае приходится, наоборот, бороться с точечностью источника, но об этом немного позднее). Механизмы поглощения света в прозрачной атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В результате, в атмосфере свет распространяется в тех же окнах прозрачности – 850, 1310 и 1550 нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу, Рис. 2. Длина оптической линии составляет около 2400 метров. При затухании 113 дБ/км здание, расположенное на расстоянии около 300 метров, все еще заметно, а для связи на 2,4 км не хватит никакого бюджета потерь. применяемую в оптоволоконной оптике (производимую во все нарастающем количестве) и заимствовать заметную часть наработок и технологий, на разработку которых иначе потребовались бы немалые средства: микролинзы, оптические усилители, спектральные маски, голографическая оптика и методы спектрального уплотнения каналов. Общая элементная база и принципы обработки сигнала определяют общий диапазон скоростей – от нескольких мегабит до терабит в секунду (верхний предел обусловлен, скорее, платежеспособным спросом). По существу, атмосферные оптические линии комплиментарны оптоволоконным: этот тезис только подтверждают пассивные атмосферные оптические линии, не содержащие никаких активных элементов. На вход такой линии поступает оптический сигнал из специализированного световода (рассчитанного, видимо, на чуть большие мощности сигнала). Принятый сигнал усиливается оптической системой и по специальному многомодовому оптоволокну с малой дисперсией поступает на вход конвертера. Отсутствие активных элементов позволяет не заботиться о подаче электропитания (проблемы с выпадением росы, видимо, решаются с помощью специальных покрытий) и минимизировать стоимость выносного блока (по существу, содержащего только оптическую часть, большая часть ноу-хау сосредоточена в модуле специализированного конвертера). И, соответственно, минимизировать ущерб от вандализма и обеспечить повышенную защиту данных. В качестве наглядного примера: пассивные беспроводные оптические системы4 T ereScope 1 (рис.3), представляющие собой набор линз в относительно красивой коробке, обеспечивают беспроводную передачу данных, подаваемых со специализированных интерфейсов, со скоростью 100 Мбит/с на расстояния до 200–500 метров (в зависимости от типа активного оборудования). В минимальной комплектации такими интерфейсами могут быть медиаконвертеры MC-102/P (10/100BaseT). Другой вариант комплекта TereScope 1 включает два приемопередающих устройства TereScope 1, два отрезка специального оптического кабеля длиной 25 или 50 м и два коммутатора OptiSwitch-200 с интерфейсами PAL и четырьмя портами Ethernet 10/100 Мбит/с. Специализированные модули расширения EM2004-2PAL для коммутаторов OptiSwitch выпускаются в вариантах для расстояний работы до 200 м (модель EM2004-2PAL/A) и до 500 м (EM2004-2PAL/C). Реализованная в них поддержка (QoS) обеспечивает разделение полосы пропускания сети на потоки с гарантированной доставкой пакетов и определенной скоростью (от 1 Кбит/с до 1 Гбит/с). Рис. 3. Обыкновенный набор линз обеспечивает беспроводную передачу данных на скорости до 100 Мбит/с на расстояния до 500 метров. В более общем случае атмосферные беспроводные оптические (инфракрасные) системы, разумеется, содержат активное оборудование. Нелицензируемость, а по сути – неограниченность используемого оптического частотного спектра позволяет не прибегать к сложным схемам модуляции – большинство ИК систем использует простейшее кодирование по принципу «включено/выключено» (On-Off Keying, OOK) – в точности такое же, что используется в волоконно-оптических системах передачи данных. Общий метод модуляции позволяет реализовать прозрачность ИК систем для различных протоколов передачи данных (ATM, Ethernet, Feber Channel, и т. д.) и использовать, по сути, общую элементную базу. Простая калькуляция – два медиаконвертера общей ценой в 200–300 долларов и набор оптики, пусть даже ценой около 300 долларов за комплект, позволяют предположить, что стоимость атмосферной оптической линии может быть уже сейчас в пределах одной тысячи долларов. Жизнь, между тем, показывает обратное: цены начинаются с отметки 2–2,5 тысяч долларов, со средним значением около 4–5 тысяч долларов за линию со скоростью 100 Мбит/с. Столь впечатляющий разрыв обусловлен, увы, стоимостью входящих в решение ноу-хау и затратами на разработку и все еще относительно низкими объемами производства. Вместе с тем, определяющее влияние на жизненность применяемых сетевых решений все еще имеет американский рынок, на который сейчас выходят беспроводные решения, использующие нелицензируемые диапазоны частот 2,4 и 5 ГГц и обеспечивающие реальные скорости передачи данных на уровне 25–30 Мбит/с. Можно предположить, что результатом намечающейся конкуренции может стать значительное снижение цен на атмосферные линии, в особенности с учетом того, что затраты на разработку, как правило, уже неоднократно окупились. Построение всех ИК систем 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, которая использует полупроводниковые ИК диоды (с излучением с поверхности), а вторая группа, которая 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. Т.е. 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, переспективы 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, не смотря на это, открывающиеся перспективы сулят потребителям огромные возможности.

5 Зависимость качества передачи от погоды

Зависимость качества передачи от погодных условий — вот та цена, которую должны заплатить пользователи инфракрасных беспроводных систем за уход из радиодиапазона. Уменьшение прозрачности атмосферы при изменении погодных условий негативно влияет на доступность инфракрасного канала либо (при заданной доступности) приводит к уменьшению дальности связи. 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. Что касается подъема оборудования над земной поверхностью, оптимальным оказывается диапазон высот от уровня крыш самых высоких зданий и сооружений до нижней границы зоны облачности. Важность минимизации апертуры и обеспечения точной направленности излучения передатчика определяется тем, что по мере распространения лазерного луча его границы размываются, а приемники и передатчики монтируются на опорах конечной жесткости. 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. Приведенные цифры следует воспринимать как верхние граничные значения; реальные параметры могут оказаться несколько ниже — в зависимости от особенностей конкретной территории. Скажем, с учетом суммарной продолжительности туманов в Москве (около 24 ч в год) среднегодовая доступность канала составит 98,6%, а в районе Шереметьево, где туманы наблюдаются в два раза чаще, значение этого показателя будет еще ниже. Приведенные данные о снижении уровня доступности канала при уменьшении коэффициента прозрачности атмосферы позволяют предположить, что 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. С точки зрения визуального восприятия приведенные значения соответствуют: · моросящему дождю (около 2 мм/ч); · легкому дождю (5 мм/ч); · дождю средней интенсивности (12,5 мм/ч); · сильному дождю (около 25 мм/ч); · ливню (более 40 мм/ч). Интенсивность тумана при этом определяется по размеру зоны видимости: · слабый туман (1—2 км); · туман средней плотности (0,4—1 км); · плотный туман (200—400 м); · очень плотный туман (менее 200 м). Для повышения эффективности оптического канала осуществляется его временное и частотное мультиплексирование. Что касается частотного, то оно наталкивается на определённые трудности. Главная из них – введение в световод (и выдача из него) излучений многих лазеров. Простейший способ – передача излучений в торец волокна. Но физически трудно разместить большое число передатчиков и приёмников света, проще это сделать, если по краям световода снять его защитную оболочку. Но здесь имеются и свои трудности. В мультиплексировании ключевой операцией является выделение частотных каналов из спектра группового сигнала, проходящего через световод. Здесь используются два подхода. Первый из них заключается в оптической фильтрации. Его сущность состоит в том, что на приёмном конце световода устанавливается оптический разветвитель света. Последний делит пучок света между всеми имеющимися приёмниками. В каждом приёмнике устанавливается пассивный оптический фильтр, благодаря чему происходит селекция частотного канала. Второй подход основан на электрической фильтрации. Здесь групповой световой сигнал преобразуется в электрический. Последний проходит через электрические фильтры и делится на частотные каналы. Первый подход проще и экономичней. Однако электрическая фильтрация обеспечивает более высокую чувствительность приёма сигнала и исключает потери оптических фильтров. Для создания инфракрасных каналов прокладываются оптические кабели. Каждый из них содержит до 100 световодов. Длина кабеля (без усилителей) постоянно увеличивается и достигает несколько сотен километров. Часто инфракрасные усилители создаются на основе оптического волокна с присадкой эрбия, неодима либо празеодима. Атомы этих элементов легирующих примесей в подключённом отрезке световода возбуждаются лазером накачки. В результате происходит стимуляция излучения возбуждённых атомов на длине волны усиливаемого сигнала. Усилители, легированные редкоземельными элементами, Рис. 1. Пара подобных устройств позволяет организовать двухточечное соединение с любой необходимой пропускной способностью. могут поддерживать амплитуду светового сигнала в широком диапазоне волн. Инфракрасный сигнал может быть усилен в сотни и тысячи раз. Полупроводниковые оптические усилители основаны на электрическом возбуждении и имеют высокое быстродействие. Для устранения отражений от торцов кристалла лазера усилителя используются специальные покрытия с низким коэффициентом отражения. Применяются оптические усилители не только для усиления оптического излучения, но и для создания ретрансляторов, переключателей и приёмников света, оптических модуляторов. Рис. 4. Дополнительный передатчик позволяет уменьшить влияние атмосферных неоднородностей. Общие принципы ясны – перейдем к частностям, оказывающим определяющее влияние на качество и надежность атмосферных оптических линий. Их, по большому счету, две: - нестабильность линии, обусловленная микроподвижками и вибрациями несущих конструкций; - нестабильность линии, вызванная изменившимися погодными условиями и туманом как фактором, оказывающим наибольшее влияние на степень затухания. Атмосферными факторами, в наибольшей мере влияющими на стабильность FSO- систем, являются туман и неоднородности показателя преломления – микролинзы, вызванные конвекцией теплых и холодных потоков воздуха. Замирания оптического сигнала, вызванные конвекцией, могут достигать 30 дБ. Ослабление оптического сигнала, вызванное влиянием тумана, гораздо выше и может, в наиболее худших случаях, достигать 300–350 дБ на километр. Большинство ИК систем, с тем чтобы обеспечить приемлемую надежность передачи данных, изначально разрабатывается с некоторым «запасом прочности», который, как правило, превышает 30 дБ. То есть, доступность на расстояниях в пределах 100 метров оказывается практически 100-процентной, а сцинтилляцией можно, вообще говоря, пренебречь. Она может сказаться в сколько-нибудь заметной мере только при динамическом управлении излучаемой мощностью, и, в принципе, ее воздействие может быть занесено в обратный контур регулирования. Влияние тумана, как уже говорилось, приводит к более трагичным последствиям. Именно из-за тумана коэффициент доступности большинства ИК-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 наглядности на рис. 2 приведены один и тот же городской пейзаж и реальная линия передачи данных с разными уровнями затухания. Для того чтобы чуть глубже понять специфику ИК-систем и природу столь значительных ценовых диспропорций, можно рассмотреть пример, почерпнутый мной в одной из «белых бумаг». Исходными данными для него служит вполне практическая задача: корпоративный пользователь только что расширился с помощью еще одного офиса, расположенного в здании по соседству, и притом – в условиях прямой видимости. В обоих офисах развернуты локальные сети 100 Мбит/с Ethernet. Единственный канал между зданиями с пропускной способностью 2 Мбит/с принадлежит стороннему оператору. Стоимость аренды линии составляет X долларов. Пользователь рассматривает вариант приобретения ИК-оборудования стоимостью Y долларов. Выбирать приходится между системами A и B, одна из которых рассчитана на максимальную дальность 1100 метров, другая — на 4000 метров (и, соответственно, имеют различные бюджеты потерь и, разумеется, цены).

6 Инфракрасные системы связи

Большая часть беспроводных сетей, развертываемых в России и за рубежом, использует радиоволны, а решения, основанные на оптических технологиях, пока остаются на вторых ролях. Между тем развитие последних стимулируется как достижениями в проектировании и производстве твердотельных лазеров, так и возрастающими потребностями пользователей в защищенных высокоскоростных каналах связи. Системы, функционирующие в инфракрасном (ИК) диапазоне, имеют целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками. Во-первых, как ранее отмечалось, 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, как прежде отмечалось, 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. Прежде всего отметим, что основной принцип внедрения ИК-систем связи состоит в замене определенного участка физической линии (которую зачастую попросту невозможно проложить) беспроводным каналом. Этот принцип имеет два важных следствия: · ИК-системы позволяют устанавливать только соединения типа «точка—точка», причем приемник и передатчик должны находиться в зоне прямой видимости; · ИК-системы формируют транспортную среду физического уровня и никак не влияют на протоколы, относящиеся к канальному, сетевому и более высоким уровням модели OSI. Последнее обстоятельство означает, что беспроводные инфракрасные (оптические) каналы могут служить для связи самых разных сетевых инфраструктур. Общими свойствами всех перечисленных систем являются высокая энерговооруженность лазерного луча (средняя мощность 300 мВт, уровень ИК-излучения 7 Вт/м 2) 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). Инфракрасная связь предусматривает наличие передатчика и приемника. При подключении к компьютеру внешнего устройства требуется специальный приемник инфракрасных лучей (трансивер, адаптер), находящийся в прямой видимости с устройством. Он подключается к Инфракрасному порту компьютера, который должен быть предусмотрен на материнской плате. Стандарт IrDA имеет несколько базовых уровней: инфракрасный канал физического уровня (IrDA Serial Infrared Physical Layer Link, IrDA SIR), протокол доступа по инфракрасному каналу (IrDA Infrared Link Access Protocol, IrLAP), протокол управления инфракрасным каналом IrDA (Infrared Link Management Protocol, IrLMP), а также необязательные транспортные протоколы IrDA (Transport Protocols IrTP и Tiny TP). Стек протоколов IrDA имеет три базовых слоя: физический слой IrDA SIR, IrLAP и IrLMP. Данные могут передаваться IrLMP напрямую от приложений через прикладной программный интерфейс API или через дополнительный транспортный протокол стека (IrTP). На физическом уровне базовый инфракрасный интерфейс использует характеристики универсального асинхронного приемника/передатчика (UART) в COM-порту. Такой порт имеется практически на всех компьютерах. UART имеет несколько темпов передачи данных в диапазоне от 2400 бит/c до 115 Кбит/c. Оборудование IrDA-SIR состоит из нескольких компонентов для приема и передачи: кодировщика/декодировщика для кодировки инфракрасного сигнала при передаче и декодировки при приеме, инфракрасного преобразователя в составе драйвера вывода и инфракрасного излучателя для передачи, а также приемника/детектора. Кодировщик/декодировщик имеет интерфейс с UART. При передаче приемопередатчики IrDA передают сигнал в поток ввода/вывода последовательного порта. Данные поступают передатчику IrDA через последовательный интерфейс c UART. И вместо того, чтобы посылать сигнал по медной проволоке, как это имеет место при передаче по проводам, он извергает фотоны в воздух в направлении инфракрасного приемника. Устройства IrDA превращают данные в свет: биты преобразуются в инфракрасный сигнал, при этом вспышка соответствует "0", а отсутствие сигнала - "1". ЦПУ на принимающем конце даже не подозревает о том, что данные передаются в виде света. Оно видит, что и всегда, так как кодирование осуществляется передатчиками IrDA на передающем конце и детектором на принимающем конце инфракрасного канала. Вся инфракрасная передача происходит в инфракрасном диапазоне от 850 нанометров до 880 нанометров. Соответствующие спецификации продукта имеют минимальную эффективную дальность передачи в 1 метр при наименьшей мощности передатчика. Использование нескольких светодиодов позволяет осуществлять прием в более широком конусе и увеличить расстояние между приемником и передатчиком. Так как спецификации IrDA базируются на схеме передачи от точки к точке, то угол зрения не должен превышать 30 градусов. С одной стороны, направленность инфракрасного пучка делает невозможным случайную передачу данных близрасположенным устройствам. А с другой стороны, поскольку пучок представляет из себя конус, пользователю незачем точно направлять карманное или портативное устройство на цель, чтобы установить соединение. Повсеместному распространению инфракрасных излучателей в сетях способствуют такие компании, как Extended Systems, которая производит элементы расширения по стандарту IrDA. Внешние инфракрасные порты, которые часто называют "dongle", могут быть добавлены к настольному компьютеру или принтеру посредством соединения с последовательным или параллельным, соответственно, портом устройства. Модуль для принтера JetEye ESI от Extended Systems стоит 179 долларов, а версия для ПК 135 долларов. Устройство для настольных компьютеров AIRport компании (Мильпитас, шт. Калифорния) сравнимо с ним по возможностям, а стоит даже меньше 100 долларов.

6.1 Инфракрасный протокол связи — IRDA

Летом 1993 года компания Hewlett-Packard организовала общепромышленное совещание, чтобы обсудить будущее ИК (инфракрасный) передачи данных. Многообразие несовместимых стандартов было печальной реальностью, причинявшей массу неудобств всем от того, что устройства от разных производителей были несовместимы. Телевизоры, видеомагнитофоны, другая бытовая техника с ИК управлением сегодня встречается на "каждом углу", однако в них используются несовместимые физические и программные интерфейсы. Целью совещания было обсуждение путей, которыми промышленность может пойти к общему стандарту, способному совместимость всех устройств, использующих ИК порт. На совещании был сформирован консорциум всех ведущих компаний, названных Ассоциацией инфракрасной передачи данных и вскоре (в июне 1994 года) была объявлена первая одноименная версия стандарта, включающая физический и программный протоколы – IrDA 1.0. Текущая версия – 1.1. В настоящей статье будут описаны основные моменты действующего ныне стандарта. Итак, протокол IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны 880nm. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1 метра в режиме точка-точка. IrDA намерено не пытался создавать локальную сеть на основе ИК-излучения, поскольку сетевые интерфейсы очень сложны и требуют большой мощности, а в цели IrDA входили низкое потребление и экономичность. Интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон (850–900 nm с 880nm "пиком") с малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру и не требует сертификации FCC (Федеральной Комиссии по Связи). Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока: преобразователь (модули приемника-детектора и диода с управляющей электроникой) и кодер-декодер. Блоки обмениваются данными по электрическому интерфейсу, в котором в том же виде транслируются через оптическое соединение, за исключением того, что здесь они пакуются в кадры простого формата – данные передаются 10bit символами, с 8bit данных, одним старт-битом в начале и одним стоп-битом в конце данных. Сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных 2400–115200 bps. Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный момент. Рассмотрим физические основы IrDA. Передающую часть. Байт, который требуется передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART добавляет старт-стоп биты и передает символ последовательно, начиная с младшего значения бита. Стандарт IrDA требует, чтобы все последовательные биты кодировались таким образом: логический "0" передается одиночным ИК- импульсом длиной от 1.6m s до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Минимальная мощность потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6m s. По окончании кодирования битов необходимо возбудить один или несколько ИК- светодиодов током соответствующего уровня, чтобы выработать ИК-импульс требуемой интенсивности. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения в конусе ± 30° была в диапазоне 40–50 m W/Sr, причем ИК-светодиод должен иметь длину волны 880nm, как уже отмечалось ранее. Радиальная чувствительность приемника и длины связи диктуются, исходя из требований самой спецификации IrDA. Приемная часть. Переданные ИК-импульсы поступают на PIN-диод, преобразующий импульсы света в токовые импульсы, которые усиливаются, фильтруются и сравниваются с пороговым уровнем для преобразования в логические уровни. ИК-импульс в активном состоянии генерирует "0", при отсутствии света генерируется логическая "1". Протокол IrDA требует, чтобы приемник точно улавливал ИК-импульсы мощностью от 4m W/sm2 до 500mW/sm2 в угловом диапазоне ± 15°. Для ИК-излучения cуществует два источника интерференции (помех), основным из которых является солнечный свет, но к счастью в нем преобладает постоянная составляющая. Правильно спроектированные приемники должны компенсировать большие постоянные токи через PIN-диод. Другой источник помех – флуорисцентные лампы – часто применяются для общего освещения. Хорошо спроектированные приемники должны иметь полосовой фильтр для снижения влияния таких источников помех. Вероятность ошибок связи будет зависеть от правильного выбора мощности передатчика и чувствительности приемника. В IrDA выбраны значения, гарантирующие, что описанные выше помехи не будут влиять на качество связи. Стандарт IrDA включает в себя стек протоколов трех согласованных обязательных уровней: IrPL (Physical Layer), IrLAP (Link Access Protocol) и IrLMP (Link Management Protocol). Физический уровень (Physical Layer). Спецификация этого протокола устанавливает стандарты для Ir-трансиверов, методов модуляции и схемы кодирования/декодирования, а также ряд физических параметров. Стандарт предусматривает использование длины волны в диапазоне 850–900 nm. Минимальная и максимальная интенсивность передатчика (как уже говорилось) составляет 40–50 m W/Sr соответственно внутри 30° конуса. Для стандарта IrDA (скорость передачи данных 115.2Kbps) схема кодирования аналогична используемой в традиционной UART: бит старта ("0") и стоп-бит ("1") добавляются перед и после каждого байта соответственно. Но вместо схемы NZR (Non-Return to Zero) используется кодировка, подобная RZ (Return to Zero), т.е. двоичный "0" кодируется единичным импульсом, а "1" – его отсутствием. Кадры отделяются друг от друга байтами Escape-последовательности, содержащимися в теле самого кадра. Для определения ошибок (EDt – Error Detection) используется 16bit циклическая контрольная сумма. Например, уже в стандарте IrDA 1.1 для протокола обмена 1.152Mbps (синхронизация выполняется как в протоколе HDLP – High-level Data Link Protocol высокого уровня) и 4Mbps (использование 4-PPM – Pulse-Phase Modulation) старт-бит и стоп-бит не применяются. Так, фреймы, получаемые от более высокоуровневого протокола IrLAP, вкладываются в поле данных фреймов SIR, согласно используемому методу кодирования. Стандарт не содержит обязательных вариантов реализации этой процедуры и допускает варьирование алгоритмов в зависимости от возможностей конкретного оборудования. В зависимости от скорости соединения предлагаются методы кодирования: асинхронный (ASYNC, 9600–115200 bps), синхронный (HDLC, 0.576–1.152 Mbps) и 4-PPM (4Mbps). Программный протокол. Он включает в себя: IrLAP (Link Access Protocol), занимающийся разбиением данных на блоки, контролем ошибок и другими функциями низкого уровня, и IrLMP (Link Management Protocol), позволяющий по одной ИК- линии обмениваться данными между несколькими приложениями. Данный протокол базируется на существующих стандартах асинхронной полудуплексной передачи данных HDLC и SDLC. Инфракрасная технология поддерживает только однонаправленную передачу информации, поэтому, в следствие полудуплексной природы SIR, возникла архитектура с одним главным (первичным) и множественными подчиненными (вторичными) устройствами. Схема обращения устройств представляет собой обычный протокол обмена данными, где есть фазы запросов (Request) и ответов (Response). Так, первичное устройство отвечает за организацию соединения, обработку ошибок, и посланные им фреймы называются управляющими (Command Frames), а пакеты вторичных устройств именуются ответными (Response Frames). Обмен информацией идет только с первичным устройством, которое всегда выступает инициатором соединения, однако его роль может играть любое из устройств, поддерживающих необходимые для этого функции. По желанию может быть включен протокол транспортного уровня, позволяющий осуществлять контроль передачи между приложениями в случае одновременной работы нескольких приложений на одной физической линии. Для разных уровней имеется три интерфейса. Служебные примитивы уровня LM-SVC позволяют одному из устройств IrDA узнать какие сервис и протоколы зарегистрированы на другом устройстве. Примитивы доступа к уровню M-SVC управляют режимом связи, открытием и закрытием независимых соединений между клиентами, а так же отправкой и приемом данных. Интерфейс L-SVC дает доступ к функциям протокола IrLAP. Устройства, соответствующие стандарту IrDA, перед началом передачи должны в первую очередь попытался выявить (прочитать) нет ли в ближайшей окрестности активности в ИК-диапазоне, установить не ведется ли какая-либо передача в пределах его досягаемости. Если такая активность обнаружена, то программе, выдающей запрос, посылается соответствующее сообщение, а сам блок откладывает передачу. Поскольку оба соединяющихся устройства могут быть компьютерами (а не компьютер и принтер, или клавиатура, мышь), то любое из них может быть ведущим. Выбор зависит от того, какое устройство первым проявит инициативу. Каждое устройство имеет 32bit адрес, вырабатываемый случайным образом при установлении соединения. Каждому кадру в пределах соединения ведущее устройство при старте присваивает 7bit-адрес соединения. Для возможных, но нежелательных случаев, когда два устройства имеют одинаковый адрес, предусмотрен такой механизм, когда ведущее устройство дает команду всем подчиненным устройствам изменить их адреса. В процессе установления связи два устройства "договариваются" о максимальной скорости, с которой они оба могут работать. Все первичные передачи, выполняемые до фазы переговоров, по умолчанию ведутся на скорости 9.6Kbps. Максимальный квант передачи может быть равен 100, 200 или 500 ms. Он представляет собой максимальное время, в течение которого устройство передает данные до того, как перейдет к прослушиванию подтверждения приема и зависит от скорости передачи, емкости буфера в принимающем устройстве. Минимальная длительность передачи определяется неспособностью передающего устройства перейти к приему данных сразу после выдачи последнего бита. Дело в том, что усилитель PIN-диода в передающем устройстве входит в состояние насыщения от собственной передачи. Время восстановления приемника – переменная величина, составляющая 0.001–10 ms. Этот параметр для данного устройства должен быть заранее известен и учитывается в фазе переговоров об установлении соединения. Процедуры расширенного восстановления включают в себя функцию сброса, которая прерывает связь, но потом восстанавливает активное состояние с параметрами соединения, используемые по умолчанию. Стандартом предусмотрено два основных состояния: NRM (Normal Response Mode) и NDM (Normal Disconnect Mode). Первое – это состояние соединения с распределенными ролями первичного и вторичных устройств. Второе предусматривает функции детектирования доступных устройств, сбор информации о них, разрешение адресных конфликтов, а также позволяет передавать данные широковещательно, без установления соединения. В протоколе IrLAP используется три типа кадров по аналогии с HDLC. Поле данных присутствует только у первого и последнего вида фреймов, оно не ограничено по длине, но число бит в нем должно быть кратно 8. Ненумерованные (U-кадры) используются для установления связи: операции соединения и разъединения, информирования об ошибках и передачи данных, если нет необходимости в нумерации последовательностей. Информационные (I-кадры) используются для передачи информации и предназначены для передачи данных. Их командное поле содержит номер фрейма в последовательности, помогающей принимающему устройству отслеживать нарушения очередности. Нумерация организована так, что служит одновременно средством подтверждения приема: S- и I-фреймы могут нести номер пакета, который ожидается на входе устройства-отправителя. Счетчик позволяет идентифицировать только 8 фреймов, таким образом, номер следующего ожидаемого приемником пакета может высылаться не с каждым фреймом, а только по получении нескольких промежуточных пакетов. Величина, определяющая их количество, называется размером окна. Четвертый бит контрольного поля у фрейма, сгенерированного первичным устройством, означает запрос данных, а в ответном фрейме он играет роль конечного бита, сигнализирующего о завершении передачи. Супервизорные (S-кадры) используются для функций handshaking (процедура договора устройств о параметрах синхронизации). Договариваясь о соединении, устройства обмениваются информацией о скорости, максимальной и минимальной длительности цикла, максимальной величине фрейма, размере окна, количестве дополнительных флагов BOF (Beginning Of Frame) и пороговом времени разрыва соединения (промежуток, в течение которого не было принято ни одного корректного фрейма). Под максимальным циклом (maximum turn- around time) подразумевается отрезок времени, по истечении которого устройство должно установить в своем фрейме конечный бит, а под минимальным – длительность паузы, начиная с момента отсылки последнего байта последнего фрейма, запрошенного передающим устройством, чтобы подготовиться к приему данных. BOF выполняет роль задержки перед посылкой очередного фрейма устройствам с большей задержкой. Предусмотрена команда смены ролей XCHG, позволяющая передавать право называться первичным устройством, как эстафету. Для проверки правильности передачи фрейма к нему в конце дописывается поле FCS (Frame Check Sequence), которое содержит контрольную сумму формата CRC- CCITT. Протокол IrLAP устанавливает правила доступа к ИК-среде, процедуры открытия канала, согласование абонентов сети, обмена информацией и т.д. Хотя IrLAP и обязательный уровень IrDA, но не все его особенности являются таковыми. Любая станция, не принимающая в данный момент времени участия в обмене, перед тем как начать передачу, должна прослушивать канал не менее 500ms, чтобы убедиться в отсутствии трафика. С другой стороны, станция, участвующая в обмене, должна вести передачу не более 500ms. Доступ к среде передачи регулируется посредством специального бита PF (Poll/Final), который устанавливается в теле кадра и выполняет функции, аналогичные маркеру. IrLAP допускает передачи без установления предварительного соединения. По своей природе такая передача является широковещательной и не требует получения подтверждения станции получателя. Процедура открытия канала в этом случае предусматривает обмен идентификационной информацией (ID). Инициатор широковещательного обмена передает ID предопределенное количество раз и прослушивает канал в интервалах между ссылками (слот, Slot). Станция- получатель случайным образом выбирает слот и посылает в ответ свой ID. При обнаружении коллизии процедура повторяется и применяется для согласования операционных параметров станций (скорость посылки бит, максимальная длина пакета). При установлении соединения обмен данными, объем которых не должен превышать 64 байта, осуществляется со скоростью 9.6Kbps. После того, как соединение установлено, скорость обмена и величина пакета данных могут быть по "договоренности" увеличены до максимальных. Кроме пакетов с пользовательскими данными, в обмене участвуют специальные, служащие для управления потоком, коррекции ошибок и передачи маркера. Связь может осуществляться в режиме "1:1" или "1:n". В процессе обмена одна станция является первичной, а остальные – вторичными. Помимо описанных процедур существуют и другие: разрешение конфликтов адресов, изменение роли станции "первичная-вторичная" и т.д. Протокол управления каналом IrLMP является обязательным, однако его некоторые особенности могут быть опциональны. Каждое устройство IrDA содержит таблицу сервисов и протоколов, доступных в настоящий момент. Эта информация может запрашиваться у других устройств. Мультиплексор администратора соединений и его схема управления позволяют нескольким приложениям обмениваться данными по одному физическому соединению. Протокол IrLMP содержит два компонента: LM-IAS (Link Management Information Access Service) и LM-MUX (Link Management MUltipleXed). LM-IAS управляет информационной базой так, что станции могут запросить, какие службы предоставляются. Эта информация храниться как ряд объектов, с каждым из которых связан набор атрибутов. Например, Device является обязательным и имеет атрибуты DeviceName, IrLMPSupport (номер версии протокола, поддержка ISA и MUX). LM-MUX выполняет мультиплексирование каналов поверх одного соединения, устанавливаемого протоколом IrLAP. С этой целью в Ir-станции определяется множество точек доступа канала – LSAP (Link Service Access Point) – каждая с уникальным селектором. Таким образом каждое из LSAP- соединений определяет логически различные информационные потоки. Протокол LM- MUX обеспечивает передачу данных между точками доступа как внутри одной, так и между другими станциями. Он может работать в одном из двух режимах: эксклюзивном (активизируется только одно соединение LSAP) и мультиплексивном (несколько соединений LSAP могут разделять один канал IrLAP). В этом случае управление потоком должно быть обеспечено протоколами верхнего уровня или непосредственно приложением. Итак, IrLMP функционирует в двух режимах: мультиплексирования и эксклюзивном. Первый позволяет разделять одно физическое соединение нескольким задачам, второй отдает все ресурсы одному- единственному приложению. Каждое виртуальное соединение представлено своей LSAP, таким образом, связь происходит на уровне двух LSAP (LSAP Connection). Также предусмотрено три варианта доступа: с установлением предварительного соединения, без установления предварительного соединения (Сonnectionless) и режим сбора информации о возможностях, сервисах и приложениях удаленного устройства (XID_Discovery). IrDA TP (Transport Protocol) работает над использованием в качестве транспортного протокола ISO-8073. Его применение позволяет пропускать по линии IrDA несколько потоков данных, с собственным управлением для каждого. Но использование этого протокола не обязательно. TinyTP (Tiny Transport Protocol) – транспортный протокол, осуществляющий функции управления потоком независимыми для любого LSAP-соединения. Каждая точка доступа этого протокола (TTPSAP – TinyTP Service Access Point) идентифицируется с единственной точкой доступа IrLMP и использует единый с ней адрес. TinyTP также ведает сегментацией и сборкой фреймов). IrCOMM – протокол эмуляции последовательного и параллельного портов, основанный на четырех типах сервиса: 3-Wire Raw, 3- Wire, 9-Wire и Centronics. Первый работает только через одно эксклюзивное соединение и используется, когда необходимо передавать исключительно данные. Второй эмулирует параллельную передачу по трем каналам (Signal Common, TD, RD), используя возможности TinyTP, Девятипроводный предназначен для эмуляции последовательных портов и обрабатывает, помимо трех вышеупомянутых, еще шесть сигналов (RTS, CTS, DSR, DTR, CD, RI). Centronics – это не что иное, как виртуальный параллельный интерфейс на базе TinyTP). Протокол IrTran-P, введенный для передачи изображений, состоит из трех слоев (SCEP, bFTP, UPF) и пользуется услугами упоминавшегося ранее IrCOMM. Назначение SCEP (Simple Command Execute Protocol) – изоляция вышележащих уровней от реалий конкретного интерфейса. Благодаря высокому уровню абстракции удалось спроектировать протокол bFTP (binary File Transfer Protocol) таким образом, что он может единообразно обслуживать нужды самых разных устройств в самых разных конфигурациях соединения. Имя файла упаковывается вместе с данными в единый блок, предусмотрены функции опроса удаленного устройства и согласования параметров представления информации, что максимально автоматизирует процесс. UPF (Uni Picture Format) обеспечивает гарантированное воспроизведение изображений, переданных с одного устройства на другое. UPF основывается на формате JPEG и позволяет сохранять, помимо изображения, еще и все дополнительные сведения о нем, обычно фиксируемые цифровыми камерами (дата, ориентация, уровень белого, уровень черного и т. д.). Чтобы устройства, содержащие аппаратно-зафиксированные алгоритмы обработки изображений, могли адекватно воспринимать модифицированный формат, вся расширенная информация вынесена в заголовок, а само изображение остается нетронутым. VFIR (Very Fast IR) – дополнение к стандарту IrDA, позволяющее повысить скорость передачи данных до 16Mbps. Введен новый формат фрейма, в котором первым идет поле преамбулы (Preamble), состоящее из 240bit или слотов, после IrLAP-фрейма и контрольной суммы – поле FB (Flush Byte – 8 нулевых бит), в конце – поле Null (24 нулевых бита). Вся переданная информация кодируется по алгоритму HHH, обеспечивающему от 1 до 13 пустых слотов между импульсами. Конечно, необходимые изменения были сделаны и в протоколе IrLAP: добавлено обозначение для скорости 16Mbps в поле Baud Rate, а также увеличен максимально возможный размер окна с 7 до 127 фреймов. IrBus (IrControl). Спецификация, регулирующая вопросы, связанные с подключением различной периферии, требующей взаимодействия с системными контроллерами. Ее положения применимы также к устройствам удаленного управления ПК, телевизорами высокой четкости (HDTV) и бытовыми приборами. Физический уровень обеспечивает передачу данных, закодированных по схеме модуляции последовательными импульсами 16-PSM (Pulse Sequence Modulation – 8 слотов, где только 2 или 4 могут содержать импульс) со скоростью 75Kbps. Однако, при использовании такой схемы кодирования, импульс означает "1", его отсутствие – "0". Частота несущей основного сигнала – 1.5MHz с минимальной дальностью действия 5м. Данные пересылаются в пакетах двух видов: длинные (776bit) и короткие (72bit), структура которых абсолютно идентична за исключением значения стартового флага, а также разрядности контрольной суммы. Так, протокол MAC (Media Access Control) регламентирует процессы взаимодействия множественной периферии с единственным основным устройством (Host) и обмена информацией между ними. Существует три режима работы ведущего устройства: сон (с низким энергопотреблением), нормальный и сосуществование с IrDA (поддержка IrDA SIR 1.1 и IrControl). Если от периферии долгое время не поступает никаких данных, то Host автоматически переходит в состояние сна, причем само периферийное устройство в случае необходимости может самостоятельно перевести его в нормальный режим работы. Host получает данные путем циклического опроса периферии (Poll) с периодом 13.8m s, в ходе которого обслуживается до четырех устройств с критическим временем латентности (для менее требовательной периферии гарантируется период опроса в 69m s). Формат MAC-пакета состоит из поля адреса основного устройства (HA – Host Address), поля адреса периферии (PA – Peripheral Address) и контрольного поля (MAC). Значение структуры MAC зависит от того, основное или периферийное устройство являются "автором" пакета, и содержит вспомогательную системную информацию. Прежде чем начнется обмен данными, должен пройти процесс идентификации всей доступной "лидеру" периферии (Enumeration), для чего предназначен специальный формат пакета, называемый "окликом" (Hail). После идентификации устройства и регистрации сведений о его максимально возможном времени опроса оно включается в общий цикл Host-опроса. В зависимости от его дальнейшей активности частота обращений может быть повышена или понижена. В режиме сосуществования основное устройство в первые 50m s отводит на осуществление IrDA SIR 1.1-коммуникаций, а следующие 10m s производит опрос периферии. Устройства, чувствительные к времени задержки, не могут получить в этом режиме надлежащего обслуживания, да и количество некритичного к циклу опроса оборудования уменьшается до двух устройств. Над уровнем MAC располагается слой LLC (Logical Link Control), функции которого сводятся к обеспечению надежного соединения для вышележащих уровней. Именно LLC ведает пересылкой подтверждений об успешной доставке пакетов. Каждому устройству тут присваивается четыре оконечные точки (Endpoints): первая обслуживает "виртуальное" контрольное соединение, вторая и третья – входное и выходное соединения соответственно, а четвертая является опциональной и может служить для еще одного входного или выходного соединения. На прикладном же уровне определено только два стандартных, обслуживающих LLC, протокола – HA (Home Appliances) и HID (Human Interface Device). Последний поддерживает подключение USB-периферии с помощью IrDA Control Transceiver Module (IRB-TM), также являющегося USB-устройством и функционирующего как хаб (Hub). IrLAN. Протокол обеспечивает доступ в локальную сеть с помощью инфракрасного соединения (сетевая среда IrLAN), где основными являются клиент и провайдер. Провайдер пассивен и ожидает проявления иницативы со стороны клиента, на которого возлагаются все функции по детектированию и конфигурированию соединения. Для этого используется контрольный канал – через него клиент получает необходимые сведения о провайдере из его IAS. Предусмотрено три метода доступа в сеть: через точку доступа (Access Point), типа "порт–порт" (Peer-to-Peer) и режим основного функционирования (Hosted). Access point представляет собой специализированное устройство, имеющее как доступ к сети, так и IR-адаптер. При соединении "порт–порт" два устройства связываются через инфракрасное соединение, а IrLAN лишь эмулирует локальную сеть. В этом случае каждый из участников должен играть роли клиента и провайдера одновременно. В режиме "хост" компьютер-провайдер не только предоставляет услуги подключения к сети для удаленных устройств, но и сам пользуется ими, потому что провайдер и клиент делят один и тот же сетевой адрес и возникает потребность в специальном маршрутизирующем и фильтрующем ПО. При инициализации соединения устанавливаются два "виртуальных канала" – данных и контроля, причем оба используют TinyTP. В канале данных в настоящий момент поддерживаются пакеты типов 802.3 (Ethernet) и 802.5 (Token Ring). Формат фрейма данных IrLAN аналогичен формату ретранслируемого сетевого протокола. Драйвер IrLAN обычно не модифицирует содержимое пакетов, за исключением дескрипторов, и лишь в режиме Hosted могут быть внесены определенные изменения. В канале контроля обмен осуществляется на основе фреймов другого формата. В первом его 8bit- поле содержится команда, в таком же следующем – количество сопутствующих параметров, а дальше идут сами параметры, которые "укладываются" в промежуток 0–8160 bit. Практически, сегодня уже нет мало-мальски уважающей компании, которая бы не производила компоненты для ИК портов. Например, компания Crystal Semiconductor выпускает микросхему ИК приемопередатчика серии CS8130. Этот прибор является интерфейсом между блоком UART, излучающим светодиодом и светочувствительным PIN-диодом. Он работает в форматах IrDA, ASK и TV формате беспроводного управления, имеет функции программирования мощности передачи и порога срабатывания приемника. Микросхема выполнена в корпусе типа SSOP очень малого размера (5х7 mm). В качестве примера "интеграции" можно рассмотреть интерфейс IrDA, добавленного на материнскую плату обычного ПК (в связи со сложностью схемы она не прилагается). Блок UART, имеющийся на плате, можно использовать как для того, чтобы управлять проводным СОМ-портом интерфейса RS-232, используя, например, преобразователь напряжения МАХ562, так и для управления ИК-портом, соответствующим стандарту IrDA, используя трансивер CS8130. Внешний вывод PWRDN# микросхемы CS8130 используется для перевода в третье состояние линий RXD и FORM/BSY, что позволит использовать UART. И наоборот, с помощью выводов EN и SHDN# можно перевести в третье состояние выходы R2OUT и R3OUT микросхемы МАХ562, передавая управление UART трансиверу CS8130. В качестве второго примера можно привести схему (также не прилагается) внешнего модуля, который можно подключить к имеющемуся СОМ-порту любого компьютера. Этот модуль очень компактен и расположен в конце метрового кабеля, свободно ориентируемого в пространстве.

6.2 Типовые схемы передачи

6.2.1 Точка-точка

Длина соединения "точка-точка" варьируется в зависимости от конкретной модели оборудования. При создании такого соединения следует всегда выбирать трассу таким образом, чтобы исключить появление в будущем непреодолимых препятствий, например рост деревьев. Установка приемопередатчиков может быть осуществлена как на крыше здания, так и на стене. Идеальная альтернатива любому кабельному решению по цене, скорости установки, ликвидности капиталовложений.

6.2.2 Точка доступа

Инфракрасная передача данных от точки доступа имеет все предпосылки на успех благодаря комитету по стандартам, активно взявшемуся за дело, скорости передачи в 4 Мбит/c и совместимости между конкурирующими продуктами.

6.2.3 Магистраль

Стандарт Ethernet (IEEE 802.3) определил, что между двумя узлами локальной сети может находиться не более 4 активных устройств: HUB-ов, репитеров. Однако это ограничение легко устраняется с помощью более интеллекутуальных устройств: коммутаторов, мостов, маршрутизаторов. Оборудование инфракрасных каналов (для локальных сетей) не относится к классу активных или пассивных устройств Ethernet, а является конвертером электрических сигналов в оптические. Поэтому при создании магистралей ограничение на 4 активных устройства не будет действовать, если в точке соединения двух отрезков магистрали для связи двух приемопередатчиков используется cross - over кабель. При соблюдении этого правила протяженность магистрали теоретически не ограничена.

7 Беспроводная оптическая связь. Мифы и реальность

Пожалуй, ни одна технология беспроводной связи в нашей стране не обросла таким количеством мифов и не сопровождается таким недоверием, как технология беспроводной оптической (инфракрасной) связи. Вместе с тем, в других странах мира продвижение ее на рынок телекоммуникаций идет существенно более быстрыми темпами. Причем это относится не только к таким технологически продвинутым регионам и странам, как западная Европа, США, Южная Африка, но и ко многим развивающимся странам, например, Египет, Малайзия, Кувейт, Китай, Танзания и прочие. Основная причина востребованности этой технологии 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 – Vodafone, Sprint, Nextel, Verizon (в прошлом Bell Atlantic), Вымпелком, Motorola, Siemens. Некоторые операторы уже развернули по несколько сотен оптических систем в своих сетях. Только за последний год одна из самых успешных компаний-производителей в этой отрасли PAV Data Systems поставила в одну лишь Англию оборудования на сумму свыше 1.5 миллионов долларов США, несмотря на то, что в этой стране весьма тяжелые погодные условия для атмосферной передачи данных (частые туманы). В абсолютных значениях для всей телекоммуникационной отрасли это немного, но для зарождающегося направления это весьма заметная величина. В чем же дело, в чем причина такого недоверия у нас? Разве мы находимся на другой планета, или туманы у нас гуще, чем в Англии, а снег идет сильнее, чем в Канаде? На наш взгляд, причина недоверия кроется в мифах, опутывающих технологию беспроводной оптической связи. Основной миф состоит в широко бытующем (но, как мы покажем далее, необоснованном) мнении, что качество оптических каналов находится под якобы неприемлемо сильным влиянием погодных условий. На самом деле, работа оптических каналов действительно зависит от состояния атмосферы, как, впрочем, и работа радиосистем. Но, правильно рассчитанные и установленные оптические системы обеспечивают качество канала не хуже, а в условиях высоких радиопомех значительно лучше, чем радиосистемы. Это подтверждается опытом работы большого количества действующего оборудования и, как результат, интенсивным внедрением оптических систем связи в мире. Мифы возникают не на пустом месте. Многие производители и продавцы этого оборудования, стремясь продать свой товар во что бы то ни стало, обещают невозможное – рабочие дистанции, на которых оптические каналы оказываются неработоспособными при плохих погодных условиях просто в силу физических законов. Объясняется это тем, что большинство компаний-производителей и тем более продавцов данного оборудования не имеют достоверных методик расчета качества оптического канала. В лучшем случае в спецификациях приводится допустимая рабочая дистанция для некоторых величин затуханий сигнала в атмосфере. В большинстве случаев вообще указывается только дистанция для хороших погодных условий. С практической точки зрения это слишком мало для проектировщиков. Ведь нужно иметь данные как сопоставить эти величины затуханий с реальными погодными условиями в данном регионе. Для того чтобы прогнозировать поведение беспроводных оптических каналов с хорошей достоверностью, необходимо учесть весь комплекс конструктивных особенностей оборудования и использовать общепризнанную модель атмосферы. Сочетая опыт в области физики атмосферы с опытом в области телекоммуникаций, специалисты MicroMax Computer Intelligence, Inc. решили данную задачу, создав компьютерную программу моделирования инфракрасных систем. В России MicroMax предлагает своим клиентам услугу по прогнозированию параметров оптических каналов как рекомендуемую и бесплатную, продвигая оборудование PAV Data Systems (серии SkyCell, SkyNet). Важно отметить, что MicroMax осознанно выбрал системы SkyCell и SkyNet для продвижения в России после анализа всего спектра доступного в мире оборудования атмосферной оптической передачи. Именно энергетические характеристики канала передачи, построенного на оборудовании PAV, обусловили этот выбор. Для примера рассмотрим энергетический запас Рэ оптического канала: Рэ = Рпер – Рпр где: Рпер – уровень мощности излучения передатчика Рпр – уровень мощности излучения на входе приемника Этот параметр для систем с интерфейсом G.703/Е1, как наиболее востребованных на российском рынке телекоммуникаций, представлен в Таблице 1. Таблица 1.

Система

Pпер, дБм

Pпр, дБм

Pэ, дБ

SkyCell E1-T6000

24.8–60.084.8

SkyCell E1-T4000

24.8–45.069.8

SkyCell E1-T338

20.0–45.065.0

SkyCell E1-T456

14.8–45.059.8
Надо отметить, что блоки SkyCell E1-T6000 и SkyCell E1-T4000 обладают уникальными характеристиками, существенно превосходящими остальные системы, и не только от PAV. Подавляющее большинство существующих систем имеют выходную мощность не выше 50 мВт (17 дБм), а чуствительность приемника около –43 дБм. При этом, производители обещают рабочие дистанции намного выше 1 км для средней полосы России. Остается только узнать – так ли это? А главное – достаточно ли энергетического запаса оптической системы в Рэ=60 дБ для работы на дистанциях выше 1 километра? Постараемся ответить на этот вопрос. Суммарные потери Рп в канале можно оценить по формуле: Рn = Ропт + Ратм + Рппр где: Ропт – потери оптического согласования Ратм – затухание сигнала в атмосфере Рппр – потери в приемнике Из всех составляющих только величина Рппр не зависит от расстояния между оптическими блоками и для большинства систем находится в диапазоне от 1 до 2 дБ. Две остальные величины, кроме прямой зависимости от расстояния, зависят от телесного угла, в котором распространяется поток, размера линзы приемника (для Ропт), и от физических характеристик атмосферы (для Р атм). В первом приближении Ропт можно определить из простого соотношения площади пятна от луча на стороне приемника к площади линзы этого приемника, т.е это величина постоянная для каждой конкретной дистанции. Естественное желание некоторых производителей уменьшить Ропт путем уменьшения угла расхождения луча иногда не знает меры. При очень малых углах расхождения системы становятся чувствительными к дрожанию атмосферы в жаркий период и к стабильности положения опор. Например, при допустимом уходе положения здания в 1.5 минуты (0.43 мрад) при смене сезонов, и учитывая, что допуск на точность позиционирования систем составляет около 30 секунд (0.15 мрад), на здания можно устанавливать системы с полным углом расхождения только более 1.16 мрад. Если для компенсации нестабильности опор можно применить системы автокоррекции положения, то избавиться от влияния дрожания атмосферы можно только расширяя луч. Таким образом, оптимальная величина этого угла лежит в пределах от 2 до 10 мрад. При слишком большом угле расхождения резко увеличиваются потери Ропт. Для нормальной работы канала необходимо, чтобы: Рэ > Рп Посмотрим какой величиной Ратм располагает типовая оптическая система на дистанции, например, в 1.5 километра. Принимая угол расхождения луча в 2 мрад, как минимально приемлемый, и диаметр входной линзы в 100 мм, путем несложных вычислений получим Ропт = 29.5 дБ. Тогда для Рэ = 60 дБ и Рппр = 2 дБ: Ратм < Рэ – Ропт – Рппр = 60 – 29.5 – 2 = 28.5 дБ Или: Ратм < 19 дБ/км Что же означают величины Ратм с практической точки зрения? Совершенно очевидно, что чем больше допустимая величина Ратм, тем более суровые погодные условия может преодолеть оптическая система. Однако, пользователям само это значение говорит только о возможностях конкретной системы по сравнению с другими. В то же время, запас в 28.5 дБ на дистанции 1.5 км может оказаться мал для хорошей работы канала в Москве и вполне достаточен для Астрахани. Сложность задачи состоит в том, чтобы выяснить соответствие этой величины конкретным погодным условиям. Выражение для Ратм слишком просто на первый взгляд: Ратм = W • L где: L – расстояние в км W – удельное затухание сигнала в атмосфере дБ/км Однако, вычисление параметра W и составляет основную проблему, потому что в расчетах необходимо учитывать химический состав атмосферы, наличие аэрозолей, спектральные характеристики атмосферы. Необходимы специальные алгоритмы для описания различного типа осадков (дождя, снега, тумана) и других полупрозрачных сред (пыльные бури, смог). И все это с учетом конкретного региона, высот установки и еще огромного числа параметров, влияющих на конечное значение W. Значения W лежат в очень широком диапазоне от 0.2 дБ/км, для отличной погоды, до 350 дБ/км, для самых густых туманов. Обладая необходимым набором инструментов для расчета, можно точно показать возможности систем уже в «прикладной плоскости». Расчеты показывают, что затуханию 19 дБ/км для типового полупроводникового DFB-лазера с длиной волны 890 нм соответствует легкий туман с видимостью 920 метров. Такие погодные условия, например, в районе аэропорта Шереметьево могут быть до 90 часов в году. Нетрудно посчитать, что коэффициент готовности канала в этом случае будет ниже 99%. Для операторов связи в Москве это неприемлемая величина, если нет резервных каналов. Таким образом, можно сделать вывод, что уже на дистанции 1.5 км оптические системы с энергетическим запасом в Рэ = 60 дБ в Московском регионе не соответствуют требованиям операторов к качеству канала связи. Увеличить этот диапазон можно улучшая чувствительность приемника и повышая выходную мощность систем. Среди систем SkyCell только системы начального уровня (Е1-Т456), позиционирующиеся на дистанцию до 1 км, имеют близкий к 60 дБ с энергетический запас. Все остальные его существенно превосходят. Вообще, возможности оборудования SkyCell очень велики, а двух старших моделей просто уникальны. Они не имеют аналогов среди оптических систем других производителей. Для примера приведем графики стойкости систем SkyCell к туману и дождю в зимнее время и вне мегаполисов (чтобы уменьшить влияние примесей в атмосфере):

График 1.

Максимальные рабочие дистанции в зависимости от метеорологической видимости в туман.

Максимальные рабочие дистанции в зависимости от метеорологической видимости в туман.

Обозначения:

Distance – расстояние между приемо-передатчиками, м

Visibility – метеорологическая видимость в условиях тумана, м

График 2.

Максимальные рабочие дистанции в зависимости от интенсивности дождя.

Максимальные рабочие дистанции в зависимости от интенсивности дождя.

Обозначения:

Distance – расстояние между приемо-передатчиками, м

Precipitation – интенсивность осадков, мм/час

Области, находящиеся под линиями на графиках, определяют рабочие зоны инфракрасных (оптических) систем. Сами же линии означают границу, когда уровень ошибок в канале становится BER=1.0E-9. Из Графика 1 становится очевидным, что установленная на дистанции 2000 метров система SkyCell E1-T6000, способна нормально работать при метеорологической видимости в туман около 709 метров. А как будет вести себя канал передачи вблизи этой границы? При ухудшении погодных условий сначала будет увеличиваться уровень ошибок. Значения BER ниже 1.0Е-3 будут означать, фактически, отказ канала передачи. Дальнейшее ухудшение видимости приведет к полной блокировке канала. Реально канал будет сохранять работоспособность вплоть до падения видимости до 640 метров. Поведение систем SkyCell E1-T6000 можно проиллюстрировать Графиком 3.

График 3.

Уровень ошибок в канале в туман на дистанции 2 км.

Уровень ошибок в канале в туман на дистанции 2 км.

Приведенные выше результаты расчетов подтверждаются данными испытаний и опытной эксплуатации систем как в России, так и за рубежом. Для получения же самого «практического» параметра – коэффициента готовности канала, необходимо иметь статистику погоды в конкретном регионе. Опыт работы MicroMax показывает, что метеослужбы с пониманием относятся к подобным запросам и оперативно на них реагируют. Зная стойкость систем ко всем вероятным на месте установке погодным явлениям, можно с высокой достоверностью прогнозировать этот параметр и гарантировать эффективную работу системы передачи данных. Подведем же итог вышесказанному. На этапе проектирования канала атмосферной оптической связи необходимо задать четкие требования к качеству канала (определяемому коэффициентом готовности и допустимым уровнем ошибок). Исходя из таковых требований, а также анализируя статистику погоды в конкретном регионе, где планируется установка канала, и, возможно, прочие особенности объекта, квалифицированный специалист способен (и должен) помочь заказчику в правильном и тщательном выборе подходящего оборудования. Весь набор технических характеристик оборудования должен быть рассмотрен в комплексе, но, пожалуй, наиболее важным, как было показано выше, является энергетический запас системы. При таком подходе не будет последующих разочарований, а миф о нежизнеспособности атмосферных оптических систем связи развеется сам собою. Инфракрасные линии связи в последнее время являются объектом пристального внимания операторов связи и администраторов корпоративных сетей. Эволюция систем беспроводной передачи данных идет в направлении постоянного увеличения пропускной способности. И, как в свое время волоконная оптика разрешила проблемы высокоскоростной передачи в кабельных сетях, так в настоящее время в беспроводных сетях уже можно констатировать свершение новой технологической революции. Интересным фактом здесь является то, что системы БОЛС (беспроводных оптических систем) со скоростью передачи 622 Мбит/с в коммерческом исполнении появились раньше радиочастотных систем. О сравнении максимальных скоростей передачи, полученных в опытных установках, даже говорить нескромно. Применение беспроводных оптических систем на «традиционных» скоростях (2-100 Мбит/с) стало уже обыденностью из-за несоизмеримо меньших организационных издержек при установке каналов. Однако предметом самых горячих дискуссий в отношении инфракрасных систем является их применение в регионах со сложными погодными условиями. Здесь было сломано немало копий. Производители отечественные и иностранные, создавая оборудование, а дистрибьюторы, продавая его, слабо представляли то, на каких дистанциях и в каких условиях системы обеспечат нормальную работу. В результате, информацию об этом получали путем экспериментов над первыми пользователями, и эксперименты эти продолжаются до сих пор. Несомненно, это оказывает медвежью услугу новой технологии, и некоторые операторы связи «поставили на ней крест». Сейчас, наконец-то, производители и дистрибьюторы стали обращать внимание на необходимость расчетов перед тем, как рекомендовать системы заказчику. Первые попытки расчета, как и предполагалось, вышли «комом». Несмотря на уже солидную историю развития оптических систем, расчет лазерных беспроводных систем представляет достаточно сложную задачу и под силу только специалистам, освоившим вопросы физики атмосферы. Те же, кто применяет только различные интегральные характеристики, такие как метеорологическая дальность видимости (МДВ), в моделях расчета ЛАЗЕРНЫХ систем, могут попасть под гипноз результатов такого расчета и сильно обмануться в реалиях. Не будем голословны, пора рассмотреть эти самые реалии. Итак, у кого-то есть данные о МДВ. Есть даже экспериментальные графики зависимости коэффициента пропускания атмосферы от длины волны, которые обычно приводятся в справочниках. Что это дает? Да, в общем-то, слишком мало! Когда речь идет о пропускании через атмосферу ЛАЗЕРНОГО излучения, необходимо говорить не только о конкретной частоте, но и конкретном типе лазерного излучателя и его характеристиках, конкретном состоянии атмосферы в регионе, с учетом погодных условий (туман, дождь и т.п.). Спросите, почему так конкретно? А вот почему. Приведем пример типичного спектра излучения лазерного диода (см. Рис. 1). Причем, спектр этот сильно зависит не только от модели полупроводникового лазера, но и от режима его работы. Главное, что надо отметить, это то, что спектр состоит из узких полос шириной около 0.2 нм, а общая ширина его не превышает 4 нм.

Рисунок 1.

Спектр излучения лазерного диода.

Спектр излучения лазерного диода.

Рисунок 2.

График пропускания атмосферы.

(По оси ординат – коэффициент пропускания, по оси абсцисс указана длина волны в нм)

График пропускания атмосферы.

Теперь посмотрим на график пропускания атмосферы, снятый с низким разрешением. Можно увидеть, что в диапазоне длин волн 690-700 нм относительно широкополосный сигнал практически не ослабляется. А теперь посмотрим на тот же диапазон, снятый с высоким разрешением (см. Рис. 3).

Рисунок 3.

Спектр атмосферного поглощения, записанный с высоким разрешением.

(По оси абсцисс указана длина волны в нм)

Спектр атмосферного поглощения, записанный с высоким разрешением.

Становится, очевидно, что при работе с очень узким спектром излучения, то пропускание будет кардинально зависеть от взаимного расположения полос излучения лазера и поглощения атмосферы, несмотря на высокий средний уровень пропускания. И существует такое их взаимное расположение, когда пропускание может снизиться в несколько, а то и сотни раз. Сдвиг в сторону всего на несколько нанометров из-за технологического разброса характеристик диода может привести к фатальным результатам. Поэтому, расчет какой-либо атмосферной лазерной системы необходимо делать с учетом всего диапазона рабочих длин волн, заявленных производителем и, обязательно, с высоким разрешением пропускания атмосферы. Можно было бы поставить точку в вопросе расчета инфракрасных систем только на основе различных интегральных параметров (МДВ и т.п.). Вопрос этот оказался значительно сложнее и несоизмеримо более емким (в том числе, по усилиям процессоров компьютеров), чем могло показаться с первого взгляда, т.к. расчеты обязательно надо вести с учетом спектральных характеристик атмосферы и лазерных диодов. Вообще, при проектировании беспроводных оптических (инфракрасных) систем есть очень много нюансов, игнорирование или незнание которых приводит к тому, что системы оказываются неработоспособными. В то же время, учет этих особенностей позволяет создавать оборудование, которое прекрасно работает. И радует то, что те, кому был сделан правильный расчет и корректная установка этого оборудования, довольны эксплуатацией и приобретают новые. Есть операторы, в сетях которых уже установлено до 350 систем (Vodafone). Стараются не отставать и отечественные операторы. В постоянной эксплуатации находятся системы в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, на Дальном Востоке, Сибири и Урале

8 Расчет инфракрасного канала

8.1 Релеевское рассеяние оптического сигнала в атмосфере Энергетические потери оптического сигнала из-за аэрозольного и молекулярного (релеевского) рассеяния являются одним из главных факторов, определяющих искажение сигнала. Из теории молекулярного (релеевского) рассеяния света следует выражение для коэффициента рассеяния в газах:

\begin{displaymath}
\sigma_{p}(\lambda)=\frac{8\pi^{3}(n^{2}-1)^{2}}{3N\lambda^{4}}\cdot\frac{6+3\delta}{6-7\delta}
\end{displaymath}

(1)

, где N - число молекул в единице объема; n - показатель преломления среды; $\lambda$- длина волны излучения; $\delta$- фактор деполяризации рассеянного излучения, равный 0,035. В таблице приводены значения коэффициентов $\sigma _{p}(\lambda )$ оптических толщ вертикального слоя всей атмосферы $\tau _{p}(\lambda )$ для различных длин волн, при температуре $t=15^{\circ}C$ и давлении $p=1.013\cdot10^5$ Па в приземном слое.

Table: Коэффициенты молекулярного рассеяния $\sigma _{p}(\lambda )$оптические толщи $\tau _{p}(\lambda )$вертикального слоя всей атмосферы

$\lambda$, мкм

$\sigma _{p}(\lambda )$, км${}^{-1}$

$\tau_{p}$

$\lambda$, мкм

$\sigma _{p}(\lambda )$, км${}^{-1}$

$\tau_{p}$

0.30

$1.446\cdot10^{-1}$

1.22370.65

$5.893\cdot10^{-3}$

0.0499
0.32

$1.098\cdot10^{-1}$

0.92900.70

$0.364\cdot10^{-3}$

0.0369
0.34

$8.494\cdot10^{-2}$

0.71880.80

$2.545\cdot10^{-3}$

0.0215
0.36

$6.680\cdot10^{-2}$

0.56530.90

$1.583\cdot10^{-3}$

0.0134
0.38

$5.237\cdot10^{-2}$

0.45081.06

$8.458\cdot10^{-4}$

0.0072
0.40

$4.303\cdot10^{-2}$

0.36411.26

$4.076\cdot10^{-4}$

0.0034
0.45

$0.644\cdot10^{-2}$

0.22381.67

$1.327\cdot10^{-4}$

0.0011
0.50

$1.716\cdot10^{-2}$

0.14522.17

$4.586\cdot10^{-5}$

0.0004
0.55

$0.162\cdot10^{-2}$

0.09843.50

$6.830\cdot10^{-6}$

0.0001
0.60

$8.157\cdot10^{-3}$

0.06904.00

$4.002\cdot10^{-6}$

0.0000
Как видно из приведенной таблицы, энергетические потери инфракрасных (оптических) сигналов, обусловленные молекулярным рассеянием, могут быть определены с большой точностью, если известно распределение плотности по высоте. Обычно принято считать, что до высот 30 км. достаточно хорошо выполняется условие стандартной модели атмосферы, поэтому проблема количественной оценки указанных потерь считается решенной. На больших высотах плотность атмосферы может существенно изменяться в зависимости от места и времени, соответственно будут изменяться и коэффициенты молекулярного рассеяния. Однако при любом изменении мы всегда можем быть уверенными в том, что энергетическими потерями за счет релеевского рассеяния в инфракрасной области можно пренебречь.

8.2 Аэрозольное ослабление

Наиболее часто встречающиеся в атмосфере аэрозоли представляют собой капли воды в жидком и твердом состояниях, объединяемые общим понятием-гидрометеоры (дождь, туман, снег и т.д.). Ослабление энергии волны видимого и ИК-диапазонов объясняется тем, что волна наводит в каплях токи смещения. Кроме того, токи смещения являются источниками вторичного и рассеянного излучения, что также создает эффект ослабления в направлении распространения волны, причем в видимом диапазоне основные потери энергии создаются за счет явления рассеяния. Аэрозоли - это нормальная составляющая атмосферы; у поверхности Земли ее содержание меняется от нескольких мкг/м${}^3$ в очень чистом воздухе, до величины более 100 мкг/м${}^3$ в загрязненной атмосфере. К аэрозолям в атмосфере относятся переносимые ветром частицы пыли и морской соли, продукты сгорания (сажа, пепел), конденсированные органические остатки и вещества, образующиеся в результате химических реакций в атмосфере, включая такие соединения, как сульфаты, нитраты, $H_{2}S$ , $NH_3$, герпенты и т.п. Макрочастицы, в своем большинстве, удаляются из атмосферы в следствии гравитации, конденсации на частицах с последующим выпадением с дождем, а также за счет захвата выпадающими осадками. Коэффициенты аэрозольного рассеяния очень сильно зависят от размеров, химического состава и концентрации частиц аэрозоля, которые подвержены большой изменчивости во времени и пространстве. Несмотря на то, что размеры, концентрация, химический состав частиц атмосферных аэрозолей меняются в весьма широких пределах, можно выделить некоторые характерные типы аэрозолей (облака, туманы, дымки, осадки, пыль). С достаточной для инженерных расчетов точностью можно сказать, что концентрация аэрозоля с ростом высоты до 10 км уменьшается.

8.3 Влияние молекулярного поглощения

Атмосфера состоит главным образом из азота, кислорода и аргона, процентное содержание которых приведено в таблице . Кроме того, в таблице приводятся данные о других компонентах атмосферы, за исключением водяного пара.

Table: Состав сухого воздуха

Составляющие атмосферыСредняя объемная концентрация в тропосфере, %Примечание

$N_2$

$78.084$

В верхней ионосфере диссоциирует; на более низких уровнях перемешан.

$O_2$

$20.946$

Диссоциирует выше 95 км; на более низких уровнях перемешан.

$0.934$

Перемешан до высоты 110 км; выше-диффузионное разделение.

$CO_2$

$3.3\cdot10^{-2}$

Испытывает незначительные изменения; перемешан до 100 км; выше-диссоциирует

$1.818\cdot10^{-3}$

Перемешан до 100км; выше-диффузионное разделение.

$5.24\cdot10^{-4}$

Перемешан до 110 км; выше-диффузионное разделение.

$CH_4$

$1.6\cdot10^{-4}$

В тропосфере перемешан; в стратосфере окисляется; в мезосфере диссоциирует.

$1.14\cdot10^{-4}$

Перемешан до 100 км; выше-диффузионное разделение.

$H_2$

$5\cdot10^{-5}$

В тропосфере и стратосфере перемешан, выше диссоциирует.

$N_{2}O$

$3.5\cdot10^{-5}$

У поверхности земли испытывает незначительные изменения; постепенно диссоциирует в стратосфере и мезосфере.

$7\cdot10^{-6}$

Продукт окисления, содержание изменчиво.

$O_3$

$10^{-6}$

Испытывает сильные изменения, имеет фотохимическое происхождение.

$NO_2$

от до $2\cdot10^{-6}$

В тропосфере имеет промышленное происхождение; в мезосфере и ионосфере-фотохимической природы.
В атмосфере содержатся так же следы многих других газов, не оказывающих однако сколько-нибудь существенного влияния на поглощение видимых и инфракрасных волн. В отдельных локальных районах можно встретить газы, поглощающие видимые и инфракрасные излучения, но не приведенные в таблице . Такие районы должны быть исследованы дополнительно. Уменьшение давления с высотой достаточно хорошо описывается экспоненциальным законом. Концентрация водяного пара чрезвычайно изменчива во времени и пространстве. Однако, с увеличением высоты (по крайней мере до 10 км) она убывает. В первом приближении энергию изолированной молекулы можно представить в виде:

\begin{displaymath}
E=E_p+E_e+E_k+E_v
\end{displaymath}

(2)

где: $E_p$-энергия поступательного движения, которая зависит от скорости движения и может принимать любые значения; $E_e$-энергия электронов; $E_k$, $E_v$-колебательная и вращательная энергии. $E_e$, $E_k$ и $E_v$ могут принимать только дискретные значения. Их изменение может происходить только скачком, сопровождающимся или поглощением или излучением кванта света определенной частоты. Формула (2) справедлива только для случая, когда можно пренебречь взаимодействием различных видов движения молекулы. В общем случае, энергия молекулы записывается:

\begin{displaymath}
E=E_p+E_e+E_k+E_v+E_{ek}+E_{ev}+E_{kv}
\end{displaymath}

(3)

где последние три члена обязаны учету взаимодействия различных видов движения молекулы. Величины электронной, колебательной и вращательной энергии молекулы имеют разные порядки. Так, энергия электронных переходов имеет порядок нескольких электрон-вольт, колебательная энергия измеряется десятыми и сотыми долями электрон-вольт и вращательная энергия - тысячными и десятитысячными долями электрон-вольт. Соответственно величине энергии электронные спектры молекул занимают ультрафиолетовую и видимую часть спектра, колебательные - близкую инфракрасную, вращательные - далекую инфракрасную и микроволновую. Электронно-колебательно-вращательный спектр представляет собой набор полос. Каждой совокупности переходов молекулы между двумя электронными состояниями соответствует электронная полоса, состоящая из набора колебательно- вращательных полос. Каждая полоса имеет конечную ширину, контур спектральных линий определяется действием трех эффектов: · радиационным затуханием; · эффектом Доплера; · эффектами столкновения молекул. Кратко рассмотрим спектр основных поглощающих газов.

8.3.1 Водяной пар

Анализ колебательно-вращательного спектра водяного пара показывает, что наиболее интенсивная и широкая полоса поглощения молекулы находится в диапазоне от 5.5 мкм до 7.5 мкм. Следующая сильная полоса поглощения от 2.6 до 3.3 мкм. В этих полосах полностью поглощается солнечное излучение в вертикальном столбе атмосферы. Другие колебательно-вращательные полосы поглощения с центрами около длин волн: 1.87; 1.38; 1.1; 0.94; 0.81; 0.72 мкм. Несколько слабых полос имеется в видимой области спектра. Тонкая структура колебательно-вращательного спектра водяного пара чрезвычайно сложна и запутана. Каждая из этих полос состоит из сотен и даже тысяч отдельных линий, идентификация которых представляет собой весьма сложную задачу.

8.3.2 Углекислый газ

Одна из основных колебательно-вращательных полос с центром около длины волны 15 мкм вместе с 14 полосами верхних состояний занимает довольно широкий интервал спектра, примерно от 12 до 20 мкм. В районе центральной части этой полосы (13,5-16,5 мкм) вертикальный столб атмосферы полностью поглощает солнечное излучение. Вся эта совокупность полос часто в литературе называется полосой 15 мкм. Еще одна основная колебательно-вращательная полоса с центром в 4,3 мкм шириной от 4,2 до 4,4 мкм имеет такую высокую интенсивность, что полностью поглощает в этом диапазоне солнечное излучение уже на высоте 20 км. Кроме основных полос, есть еще ряд небольших полос поглощения с центрами в: 10.4; 9.4; 5.2; 4.8; 2.7; 2.0; 1.6; 1.4 мкм и ряд слабых полос в районе от 1.24 мкм до 0.78 мкм.

8.3.3 Озон

Молекулы озона имеют полосы поглощения с центрами: 9.1; 9.6; 14.1 мкм. Обертоны и составные частоты колебаний молекулы озона создают колебательно-вращательные полосы этой молекулы в районах: 2.7; 3.27; 3.59; 4.75; 5.75 мкм, из которых наиболее интенсивной является полоса 4.75 мкм. Поглощение полосы $O_3$ в 9.6 мкм находится в центре длинноволнового ``окна'' прозрачности атмосферы 8-13 мкм. Ее центральная часть шириной около 1.0 мкм в вертикальном столбе атмосферы поглощает примерно половину солнечного излучения.

8.3.4 Кислород

В ближней инфракрасной области молекула $O_2^{16}$ . Имеет заметные полосы, центры которых располагаются около длин волн 1,2683 мкм и 1,0674 мкм. Молекула изотонической модификации кислорода $O^{16}O^{18}$ имеет полосы, лежащие в красной области в районах около длин волн: 0.7620 мкм, 0.6901 и 0.6317 мкм.

8.3.5 Закись азота

Молекула $N_2O$ имеет много полос обертонов, составных частот и верхних состояний. Большинство их этих полос очень слабы. В солнечном спектре проявляются следующие полосы: 2.11; 2.16; 2.27; 2.28; 2.87; 2.97; 3.57; 3.88; 3.90; 4.06; 4.50; 4.52; 7.78; 9.56; 17.0 мкм.

8.3.6 Метан

Молекула $CH_4$ имеет следующие полосы поглощения с центрами: 1.67; 1.71; 1.73; 2.20; 2.32; 2.37; 2.43; 3.31; 3.55; 3.85; 7.66 мкм.

8.3.7 Окись углерода

Основная колебательно-вращательная полоса молекулы находится около 4.67 мкм.

8.4 Учет всех линий поглощения

Учет всех линий поглощения молекул в атмосфере весьма сложная задача. Учесть молекулярное поглощение можно двумя путями: составить физическую модель атмосферы и снять эксперимнтальные данные и экстраполировать их. Проблемой составления физической модели атмосферы занимался в частности Институт Оптики Атмосферы СО РАН. За годы исследования проделана большая работа. Как результат этих работ появился веб-сайт, на котором можно расчитать молекулярное поглощение атмосферы при заданных условиях. На рисунке (аналогичном на стр.69) показана зависимость пропускания атмосферы снятая экспериментально.

Зависимость пропускания атмосферы от длины волны

Figure: Зависимость пропускания атмосферы от длины волны

При расчете оптических атмосферных линий связи выбирается так называемое "окно'' прозрачности атмосферы, в котором будет работать оптико-электронный прибор. В случае использования в качестве передающих элементов лазеров, необходимо с большой точностью знать спектр излучения лазера, спектр поглощения атмосферы на выбранном участке и закон изменения спектра излучения лазера от воздействия внешних возмущений (изменение давления, нагрев рабочего тела).

8.5 Влияние турбулентности

Плотность воздуха и его коэффициент преломления понижаются с увеличением температуры. Благодаря постоянному перемешиванию теплых и холодных масс воздуха показатель преломления пульсирует в пространстве и во времени. Влияние этих пульсаций показателя преломления турбулентной атмосферы на оптическое излучение сильно зависит от отношения $2\omega/L_{t}$ , где $2\omega$- диаметр пучка, $L_{t}$- пространственный период изменения показателя преломления. При $\omega<<L_{t}$ градиент преломления одинаков по всему сечению оптического пучка и он отклоняется целиком. При $\omega\approx L_{t}$ турбулентность действует как линза, которая переформировывает волну. При $\omega>>L_{t}$ турбулентности отклоняют разные элементы в поперечном сечении оптического пучка по различным направлениям, т.е. рассеивают лучи. В действительности характеристическая длина $L_{t}$ атмосферных турбулентностей настолько велика, а потому рассеивающее действие их столь мало, что потери на рассеяние из-за турбулентностей малы, затухание от рассеяния на турбулентностях всегда намного ниже 1дБ/км. Поскольку, однако, поперечный размер оптического пучка $\omega$ меньше либо примерно равен $L_{t}$ , то турбулентности могут заметно переформировывать волну, а так же сильно отклонять. При этом потери передачи колеблются во времени, а когда оптический пучек совсем уходит от приемника, связь прекращается. Чтобы уменьшить указанные колебания до допустимого уровня и сделать малыми время перерыва из-за качания луча, нужно соответственно увеличить диаметр пучка. Атмосферные турбулентности с их пространственными и временными колебаниями показателя преломления зависят от погодных условий, характера местности и высоты прохождения луча над землей. Кроме того, они меняются в зависимости от времени дня и года. Флуктуации амплитуды и фазы волны в оптическом пучке приводят к появлению помех, связанных с изменением структуры оптических пучков: расширению оптического пучка, флуктуациям направления его распространения и расщеплению оптического пучка. Расширение пучка турбулентной атмосферой делает невозможной фокусировку оптического излучения на больших расстояниях. По мере увеличения диаметра источника дифракционное пятно в фокусе уменьшается в турбулентной атмосфере не в соответствии с известным в оптике однородных сред формулами, а до некоторого конечного размера, которое называют размером насыщения. Флуктуации направления оптического пучка проявляются в смещении ''центра тяжести`` пучка относительно точки наблюдения. Различий в горизонтальной и вертикальной плоскостях не обнаружено. При проведении экспериментов максимальное отклонение луча лазера составило 1 мрад. Расщепление оптического пучка на небольших расстояниях проявляется в виде сложной структуры наблюдаемого пятна (например на экране). С увеличением расстояния глубина пространственной модуляции возрастает. На больших расстояниях (в области сильных флуктуаций) оптический пучек оказывается расщепленным на тонкие нити, имеющие в сечении вид круглых и серповидных пятен. Форма пятен меняется от серповидной и круглой при боковом ветре до ячеистой при продольном. Происходит перераспределение оптической мощности в сечении, средняя мощность остается неизменной, хотя в отдельных локальным точках может меняться на 40дБ. Для борьбы с этим явлением, используют увеличение диаметра приемника. Данный эффект присутствует только при использовании лазеров в качестве излучающих элементов (обусловлен когерентностью лазерного излучения). Рассеяние инфракрасных волн на случайных неоднородностях показателя преломления воздуха приводит флуктуациям интенсивности распространяющегося в атмосфере оптического излучения. Экспериментальное измерение флуктуации интенсивности оптического сигнала показало, что спектр флуктуации находиться в диапазоне от 0 до 5000Гц, увеличение диаметра приемника приводит к уменьшению высокочастотной составляющей. Уменьшение происходит за счет усреднения большего количества принятого излучения. При диаметра приемника 100 мм, основной спектр флуктуации лежит от 0 до 2800 Гц. Среднее изменение мощности оптического сигнала было не более ±1 дБ.

8.6 Нелинейные эффекты распространения

При распространении в атмосфере оптического излучения мощностью более нескольких сотен киловатт, возникает целая серия нелинейных эффектов. Рассмотрим некоторые из них, не требующих учета интерференционных явлений, многофотонные эффекты (многофотонная ионизация, диссоциация, приводящие к пробою слоя чистого воздуха), спектроскопический эффект насыщения, вызывающий частичное просветление поглощающего слоя газа, эффект самофокусировки луча, вызванный нелинейной зависимостью показателя преломления среды при ее облучении мощным потоком радиации, и эффект испарения частиц аэрозолей под действием импульсных и непрерывных источников излучения большой мощности. Распространение мощного лазерного излучения в среде может приводить к изменению величины показателя преломления в канале луча. Разница между значениями показателя преломления среды в канале луча и вне его может быть такой, при которой устраняется расходимость луча. Это явление получило название самофокусировки луча лазера. Облучение частиц атмосферных аэрозолей мощным направленным излучением сопровождается рядом эффектов, приводящих к изменению условий распространения радиации в среде. Среди этих эффектов наибольший практический интерес представляет испарение частиц за счет поглощенной ими энергии поля. Изменение размеров частиц обуславливает соответствующее изменение объемных полидисперсных коэффициентов ослабления. Таким образом, прозрачность слоя рассеивающей среды становится зависящей от интенсивности падающего излучения. При воздействии на водный аэрозоль световых импульсов большой мощности и малой длительности частицы аэрозоля приобретают направленное движение, вызванное их неравномерным нагреванием. В результате такого направленного движения может происходить коагуляция частиц. 8.7 Общая характеристика фоновых помех различной природы Все фоновые помехи имеют две составляющие, первая - медленно меняющаяся во времени часть, которую в данный конкретный момент времени можно считать постоянной. И вторая, быстро меняющаяся фоновая помеха (модулированная по интенсивности). Большинство природных источников фонового излучения меняют интенсивность излучения медленно, при расчетах его необходимо учитывать как постоянную составляющую фоновых помех. Для борьбы с этим типом помех, необходимо использовать развязывающие конденсаторы. Вторая составляющая фоновых помех, естественных источников, модулированная по интенсивности в настоящее время не обнаружена. Техногенные, быстро меняющиеся фоновые помехи имеют локальный характер, для борьбы с ними необходимо использовать пространственную фильтрацию. Среди естественных посторонних источников, взаимодействие оптического излучения которых с атмосферой приводит к появлению заметных фоновых помех, Солнце является наиболее мощным. Не только прямое, прошедшее сквозь атмосферу, но и рассеянное и отраженное солнечное излучение во многих случаях является основным источником фоновых помех в атмосфере. Однако определяющим для уровня фонов при работе конкретных оптико-электронных систем является спектральный диапазон. Селективный спектральный состав приходящего излучения от источников (Солнце, Луна, молнии, метеоры и др.), требуют известной осторожности при оценке роли фоновых помех того или иного происхождения. В инфракрасной области спектра становится заметным вклад энергии от теплового излучения атмосферы и земной поверхности. Соотношение вкладов теплового излучения и солнечного рассеянного или отраженного излучения в уровень фоновых помех в дневное время, зависит от многих факторов (от состояния атмосферы, условий наблюдения, положения солнца и др.). Тем не менее приближенно во всех случаях можно считать, что в области больше 4 мкм доминирует тепловое излучение атмосферы и земной поверхности с максимумом в спектре излучения области около 10 мкм. В спектральной области меньше 3 мкм преобладает роль фоновых помех, обусловленных солнечным излучением с максимумом видимой области спектра. В интервале длин волн 3-4 мкм имеет место минимум уровня помех, обусловленных двумя составляющими излучению, одна из которых (солнечное излучение) убывает, а другая (тепловое излучение атмосферы и земной поверхности) возрастает с ростом длины волны. В таблице приведены данные по максимальной яркости фона для помех различной природы.

Table: Максимальная яркость фона для помех различной природы

Максимальная яркость фона Вт/см${}^2\cdot$ср$\cdot$мкм

Природа фоновых помех

$\lambda=1$мкм

$\lambda=10$мкм

Отражение солнечного излучения водной поверхностью

$10^{-1}$

$10^{-5}$

Рассеяние солнечного излучения атмосферой (яркость безоблачного неба)

$10^{-2}$

$10^{-7}$

Рассеяние солнечного излучения облаками (яркость облачного неба)

$10^{-3}$

$10^{-7}$

Тепловое излучение атмосферы

$10^{-7}$

$10^{-3}$

Свечение атмосферы

$10^{-10}$

$10^{-6}$

Кроме теплового равновесного излучения в атмосфере всегда присутствует неравновесное излучение, вызванное рядом физических и химических процессов, которое имеют место при взаимодействии оптической и жесткой солнечной радиации с атмосферой. Результатом этих процессов является слабая люминесценция атмосферы. Принято нетепловое оптическое излучение называть свечением атмосферы. Характерным для этого неравновесного излучения атмосферы является значительная спектральная селективность. В видимой области спектра свечение является линейчатым, в инфракрасной области эмиссионные линии имеют несколько большую спектральную ширину. При работе оптико-электронных систем в ночное время свечение атмосферы является существенной помехой.

8.8 Пример расчет инфракрасного канала

8.8.1 Введение упрощений

Данная методика расчета разрабатывается применительно к малым и средним (до 1000м) расстояниям. Для больших дистанций может потребоваться учет большего числа факторов влияющих на распространение оптического сигнала в атмосфере. Для упрощения расчетов введем ряд допущений: · Релеевским рассеянием можно принебречь ввиду малых вносимых затуханий; · Нелинейными эффектами распространения можно принебречь ввиду небольшой импульсной и средней оптических мощностей; · Мультипликативными помехами рассеяния вперед можно принебречь; · Затухание сигнала на наклонной трассе для высот до 10 км всегда меньше, чем на горизонтальной трассе той же протяженности на высоте 0 км над уровнем земли; · Спектр флуктуаций интенсивности сигнала находится в диапазоне от 0 до 5000Гц; · Максимальное отклонение луча из-за турбулентности атмосферы-1 мрад; · В выбранном окне прозрачности отсутствуют сильные полосы молекулярного поглощения. Спектр оптического излучения имеет вид:
  • 0.01 -- 5нм рентгеновское
  • 0.005 -- 0.4 мкм ультрафиолетовое
  • 0.4 -- 0.76 мкм видимое
    • 0.4 -- 0.45 мкм фиолетовая
    • 0.45 -- 0.48 мкм синее
    • 0.48 -- 0.5 мкм голубая
    • 0.5 -- 0.56 мкм зеленая
    • 0.56 -- 0.59 мкм желтая
    • 0.59 -- 0.62 мкм оранжевая
    • 0.62 -- 0.76 мкм красная
  • 0.76 -- 1000 мкм инфракрасное
    • 0.76 -- 3 мкм ближнее
    • 3 -- 6 мкм среднее
    • 6 -- 15 мкм дальнее
    • 15 -- 1000 мкм очень далекое
Исходя из данных о молекулярном поглощении, можно выделить следующие ''окна прозрачности`` пригодные для передачи оптического сигнала, это: 400-1050 нм; 1200-1300 нм; 1500-1800 нм; 2100-2400 нм; 3300-4200 нм; 4500-5000 нм. 8000-13000 нм. Наибольший интерес представляет ''окно`` 400-1050 нм, это часть видимого и ближний инфракрасный диапазоны. На сегодняшний момент создано достаточно большое количество источников излучения, рабочая длина волны которых находиться в указанном диапазоне. Если использовать в качестве излучающего элемента излучающий диод (СИД) на основе арсенид галлия с добавлением алюминия, спектр его излучения находится на 870нм±25нм, то он попадает в описанный выше диапазон. Далее все выкладки будем делать применительно к СИД работающим в ближнем ИК-диапазоне

8.8.2 Учет влияния погодных условий

Для оценки ослабления оптического сигнала в атмосфере, введено такое понятие, как видимость, это такое расстояние $\nu$ (в км), на котором видимое излучение источника света уменьшается в 50 раз по отношению к первоначальной величине. С точностью достаточной для инженерных расчетов можно использовать формулу:

\begin{displaymath}
S=\frac{17}{\nu}
\end{displaymath}

(4)

,где: S-затухание дБ/км; $\nu$-дальность видимости. В таблице приведем типичные потери в зависимости от погодных условий для связи по атмосферному каналу в инфракрасном диапазоне 850нм.

Table: Влияние погодных условий на затухание оптического сигнала

Погодные условияЗатухание, дБ/км
Ясная погода0-3
Слабый дождь3-6
Сильный дождь6-17
Снег6-26
Легкий туман20-30
Густой туман50-100
Облачность300-400
Примем для расчета максимальное затухание -60 дБ/км, что соответствует густому туману концентрации меньше среднего.

8.8.3 Учет фонового излучения

Шум, на фотоприемнике, состоит из 3-х составляющих: · атмосферные оптические помехи; · дробовые шумы; · собственные шумы фотоэлемента и усилителя. Рассмотрим характеристики каждого из шумов. По свойствам и физической природе атмосферные оптические помехи можно разделить на две группы: · постоянно присутствующие в атмосфере фоновые помехи, вызванные собственным излучением атмосферы и Земли или рассеянием оптического излучения от различных посторонних источников, в том числе Солнца, Луны, подстилающей поверхности и др.; · помехи, за счет искажений оптического сигнала, вызванные взаимодействием сигнала с атмосферой. Первая группа представляет собой в основном аддитивные помехи, которые суммируются с передаваемым сигналом и состоят из постоянной во времени (точнее медленно меняющейся, например, в течение суток) и случайной (быстро меняющейся) составляющих. Обе составляющие уменьшают динамический диапазон преемника и тем самым снижают эффективность всей системы передачи информации. Вторая группа помех представляет как аддитивные, так и мультипликативные атмосферные помехи, которые являются сомножителем в принимаемом сигнале. Другим сомножителем регистрируемого сигнала в этом случае является полезный сигнал. Этот вид помех снижает эффективность информационной системы, изменяя и величину и форму самого передаваемого сигнала. Причем увеличение мощности оптического сигнала не ведет к линейному росту отношение сигнал/шум. К мультипликативным помехам относится одно- и многократное рассеяние вперед оптического сигнала. Дробовые шумы обусловлены изменением интенсивности из-за флуктуации количества принятых квантов оптического сигнала. Собственные шумы фотоэлемента характеризуют шумовые свойства фотоэлемента и первого усилительного каскада входного усилителя. Собственные шумы зависят как от типа фотоэлемента, так и от его схемы включения, типа усилительного элемента входного усилителя и др. Как было описано выше, фоновыми помехами имеющими быстрые флуктуации сигнала можно пренебречь. Ограничивать чувствительность приемника будут его собственные шумы. В зависимости от используемого способа модуляции оптического сигнала, меняется и минимально допустимое отношение сигнал/шум, при которых информация будет принята правильно. Таким образом, минимальная мощность оптического сигнала будет:

\begin{displaymath}
P_s=N_{min}\cdot P_n
\end{displaymath}

(5)

где $N_{min}$-минимально возможное отношение сигнал/шум (в разах) для выбранного вида модуляции оптического сигнала.

8.8.4 Учет отклонения луча от нормали

Исходя из сделанного допущения, что максимальное отклонение луча от нормали не больше 1 мрад, примем минимальный угол расходимости луча – 2.5 мрад, при нацеливании оптического передатчика точно на приемник, отклонение луча на 1 мрад в любую сторону, не будет вызывать пропадание сигнала в приемнике. Наибольшее влияние на угол расхождения луча будет оказывать при расчете суточные колебания несущих конструкций, зданий, подвижка грунтов, давление ветра.

8.8.5 Оптическая система

Величина полного светового потока характеризует излучающий элемент, и ее нельзя увеличить никакими оптическими системами. Действие этих систем может лишь сводиться к перераспределению светового потока, например, большей концентрации его по некоторым направлениям. Таким способом достигается увеличение силы света по данным направлениям при соответствующем уменьшении ее по другим направлениям. Таково, например, действие сигнальных аппаратов или прожекторов, позволяющих при помощи источников обладающих средней сферической силой света в несколько сто кандел, создавать на оси прожектора силу света в миллионы кандел. Диаметр приемной антенны в данном случае меньше диаметра светового пятна создаваемого источником оптического сигнала. Для оценки потерь мощности можно использовать:

\begin{displaymath}
P_{lost}=10lg(\frac{\angle\lambda\cdot l}{D})^2
\end{displaymath}

(6)

, где: $\angle\lambda$ – угол расходимости луча, рад; – расстояние до приемника, м; – диаметр приемника, м. Так же необходимо учесть, что оптическая система вносит затухание оптического сигнала

8.8.6 Пример расчета

Задание для расчета
  • Оптическая система передатчика
    1. Одиночная линза, стекло К8
      • фокусное расстояние - $F=80$ мм
      • коэффициент пропускания - 95% (затухание - $N_{lens\_trans\_opt}=0.22$ дБ)
      • диаметр - $D=80$ мм
      • расходимость пучка - $\angle\lambda_{lens\_trans\_opt}=1.2^{\circ}$ или $\angle\lambda_{lens\_trans\_opt}=0.0209$ rad
    2. Объектив "Юпитер-9"
      • фокусное расстояние - $F=80$ мм
      • коэффициент пропускания - 80% (затухание - $N_{obj\_trans\_opt}=1$ дБ)
      • диаметр - $D=31$ мм
      • расходимость пучка - $\angle\lambda_{obj\_trans\_opt}=0.017^{\circ}$ или $\angle\lambda_{obj\_trans\_opt}=0.0002967$ rad
  • Оптическая система приемника
    1. Одиночная линза, стекло К8
      • фокусное расстояние - $F=80$мм
      • коэффициент пропускания - 95% (затухание - $N_{lens\_recv\_opt}=0.22$ дБ)
      • диаметр - $D=80$ мм
  • Дальность действия -- $l=150$ м;
  • Работа гарантирована при густом тумане, затухание не более $\alpha<60$ дБ/км;
  • Минимально отношение сигнал/шум -- $N_{s/n}=15$ дБ.
  • Излучающий элемент
    1. Излучающий диод
    2. Длина волны -- $\lambda=870$ нм;
    3. Размер светящейся площадки - 1х1 мм
    4. Расходимость - $2\omega=30^{\circ}$
    5. Излучаемая мощность N1 - $P_{opt\_1}=10$ мВт
    6. Излучаемая мощность N2 - $P_{opt\_2}=250$ мВт
  • Приемный элемент
    1. приемный элемент - p-i-n фотодиод
    2. площадь приемного элемента - 2х2 мм
    3. чувствительность ограниченна собственными шумами приемника, которые составляют $I_{noise}=1$ мкА
    4. крутизна ватт-амперной характеристики - $k=5$ А/Вт
Расчитаем эквивалентную мощность оптических шумов для собственного шума приемника:

\begin{displaymath}
P_{opt\_noise}=\frac{I_{noise}}{k}=\frac{1\cdot 10^{-6} A}{5 A/W}=0.2\cdot 10^{-6} W
\end{displaymath}

(7)

Эквивалентная мощность оптических шумов составляет $0.2\cdot 10^{-6}$Вт. Расчитаем потери за счет погодных условий для заданной дальности:

\begin{displaymath}
N_{lost\_150m}=\alpha\cdot l = 60\cdot 0.150 = 9
\end{displaymath}

(8)
Потери при густом тумане на трассе 150 м составят 9 дБ. Рассчитаем геометрические потери за счет расхождения луча: для линзы

\begin{displaymath}
N_{geom\_lens}=10lg(\frac{\angle\lambda\cdot l}{D})^2 = 10\lg(\frac{0.0209\cdot 150}{0.08})^2 = 32
\end{displaymath}

(9)
для объектива

\begin{displaymath}
N_{geom\_obj}=10lg(\frac{\angle\lambda\cdot l}{D})^2 = 10\lg(\frac{0.0002967\cdot 150}{0.031})^2 = 3.14
\end{displaymath}

(10)
Для упрощения расчета в данном случае примем, что все излучение попавшее на входную линзу приемника будет собрано на приемном элементе. Тогда потери мощности для линзовой системы и системы с объективом, составят:

\begin{displaymath}
N_{lens} = N_{s/n}+N_{lens\_trans\_opt}+N_{lost\_150m}+N_{geom\_lens}+N_{lens\_recv\_opt} = 15+0.22+9+32+0.22=56.44
\end{displaymath}

\begin{displaymath}
N_{lens} = N_{s/n}+N_{lens\_trans\_opt}+N_{lost\_150m}+N_{geom\_lens}+N_{lens\_recv\_opt} = 15+0.22+9+32+0.22=56.44
\end{displaymath}\begin{displaymath}
N_{lens} = N_{s/n}+N_{lens\_trans\_opt}+N_{lost\_150m}+N_{geom\_lens}+N_{lens\_recv\_opt} = 15+0.22+9+32+0.22=56.44
\end{displaymath}

(11)

\begin{displaymath}
N_{obj} = N_{s/n}+N_{obj\_trans\_opt}+N_{lost\_150m}+N_{geom\_obj}+N_{lens\_recv\_opt} = 15+1+9+3.14+0.22=28.37
\end{displaymath}

\begin{displaymath}
N_{obj} = N_{s/n}+N_{obj\_trans\_opt}+N_{lost\_150m}+N_{geom\_obj}+N_{lens\_recv\_opt} = 15+1+9+3.14+0.22=28.37
\end{displaymath}

(12)
Потери при использовании линзы будут больше на 28.07дБ или в 641.21 раз. Минимальная мощность оптического (инфракрасного) сигнала будет:

\begin{displaymath}
P_{opt\_lens}=10^{\frac{N_{lens}}{10}}\cdot P_{opt\_noise} = 10^{\frac{56.44}{10}}\cdot 0.2\cdot 10^{-6} = 0.0881
\end{displaymath}

(13)

\begin{displaymath}
P_{opt\_obj}=10^{\frac{N_{obj}}{10}}\cdot P_{opt\_noise} = 10^{\frac{28.37}{10}}\cdot 0.2\cdot 10^{-6} = 0.0001374
\end{displaymath}

(14)
Минимальная излучаемая мощность в случае использовании одиночной линзы составляет 88.1 мВт, при использовании объектива типа "Юпитер-9" минимальная излучаемая мощность резко уменьшается и составляет 0.14 мВ

9 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. ТАБЛИЦА Основные производители оборудования 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. ТАБЛИЦА 2. Сравнительные характеристики оборудования * Н/Д - нет данных Все остальные параметры приведем из доступных источников так, как 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 предоставилось 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 врядли 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 немногих производителей. Хотя, 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, ведь, 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.

10 Нормы и требования

Санитарные нормы эксплуатации беспроводных оптических систем передачи на основе лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне, регулируются документом "Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров", выпущенного Московским научно-исследовательским институтом охраны труда в 1991 году. Правила являются обязательными для всех предприятий, государственных, кооперативных, совместных и арендных организаций, всех министерств и ведомств, которые проектируют, изготавливают и эксплуатируют лазерные изделия. В соответствии с этим документом, по степени опасности генерируемого излучения лазеры и устройства на их основе подразделяют на несколько классов. К лазерам I класса относят приборы, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи. К II классу относят лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз человека коллимированным пучком (опасность при облучении кожи отсутствует в диапазоне длин волн 380 - 1400 нм). Диффузно отраженное излучение безопасно как для кожи, так и для глаз. Лазеры и системы на их основе классифицирует предприятие-изготовитель по выходным характеристикам излучения расчетным методом в соответствии с методикой, приведенной в Правилах. Системы связи, работающие в инфракрасном диапазоне, не нуждаются в получении разрешений Минсвязи РФ на использование частот, так как не относятся к сфере радиосвязи и не подпадают под действие регламентирующего документа - "Таблицы распределения полос между радиослужбами Российской Федерации в диапазоне частот от 3 кГц до 440 ГГц". В то же время при эксплуатации лазерных средств связи во взаимоувязанных сетях общего пользования необходимо наличие на них сертификата Минсвязи по системе "Электросвязь".

11 Заключение

Всего лишь два-три года назад беспроводные оптические линии рассматривались, скорее, как экзотика. Компании, которые сейчас принято считать мировыми лидерами по атмосферным оптическим линиям передачи данных (или которые считают себя таковыми), с блеском в глазах и необычайным восторгом трубили на весь мир о двух-трех подключенных клиентах, а обстоятельства таких подключений становились предметом анализов экономической эффективности. Наряду с малым временем инсталляции, принципиальным преимуществом инфракрасных линий является самодостаточность. Затраты на их установку единовременны. Любые другие средства передачи данных требуют постоянных отчислений – либо на аренду канала, провода или оптоволокна, либо на место в кабельной канализации, либо на использование радиочастот, то есть, как правило, привлечения сторонних организаций и существенного повышения и стоимости, и сроков исполнения проекта. Затраты на аренду канала или использование радиочастот могут составлять, в зависимости от требуемой скорости передачи данных, до нескольких сот или даже тысяч долларов в месяц. При таком уровне платежей оптическая линия может полностью окупиться за один-два года только на арендных платежах – не говоря уже об инсталляционных затратах. Инфракрасные соединения станут вскоре неотъемлемой частью локальных сетей благодаря высокой цене, жизнеспособным отраслевым стандартам и высокой скорости передачи данных. В России, несмотря на жесткость регламента выдачи разрешений на использование радиочастот, ИК технология еще не получила широкого распространения. По крайней мере, так считают представители зарубежных компаний, продвигающих на российский рынок системы оптической лазерной связи. Скажем, представительства некоторых фирм утверждают, что имеется огромное количество запросов на эту продукцию со стороны потенциальных заказчиков, но дальше любопытства дело идет с трудом. Причина, как они полагают, состоит в том, что у российских заказчиков успело сложиться негативное представление о способности беспроводной оптики решать реальные производственные задачи. Этим якобы мы обязаны деятельности различных отечественных НИИ, которые в свое время поставляли на рынок дешевое и не готовое к коммерческой эксплуатации оборудование. 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.

12 Список использованных источников

1. Журнал «Технологии и средства связи», номер 5, 1999 г. 2. Журнал «Технологии и средства связи», номер 6, 2000 г. 3. Журнал «Информост», номер 18, 2001 г. 4. Журнал «Computerworld Россия», номер 21, 2000 г. 5. Журнал «Фотон-Экспресс», номер 2, 2002 г. 6. Зуев В.Е. Распространение видимы и инфракрасных волн в атмосфере.-М.: 1997. 7. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей.-М.: 1996. 8. Николаев А.Ю. Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи. Информост - Средства связи, 2001, 4(17), с. 26-27. 9. Электронный журнал - Труды МАИ 10. Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. Вестник связи, 2001, 4, с. 154-157. 11. Журнал «Открытые системы», номер 5, 1997 г. 12. Infrared Data Association Control Specification (Formerly IrBus). IrDA CIR (Control IR) Standard, http://www.irda.org/ 13. Infrared Data Association Minimal Protocol Implementation (IrDA Lite), http://www.irda.org/ 14. Infrared Data Association Serial Interface Physical Layer Specification, http://www.irda.org/ 15. Журнал «Сети», номер 5, 2001 г.