ИК-канал

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.

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:

(6)

, где: 

 – угол расходимости луча, рад;

 – расстояние до приемника, м;

 – диаметр приемника, м.

Так же необходимо учесть, что оптическая система вносит затухание оптического сигнала

6. Пример расчета

Задание для  расчета

• Оптическая система передатчика
1. Одиночная линза, стекло К8
• фокусное расстояние - мм
• коэффициент пропускания - 95% (затухание - дБ)
• диаметр - мм
• расходимость пучка - или rad
2. Объектив "Юпитер-9"
• фокусное расстояние - мм
• коэффициент пропускания - 80% (затухание - дБ)
• диаметр - мм
• расходимость пучка - или rad
• Оптическая система приемника
1. Одиночная линза, стекло К8
• фокусное расстояние - мм
• коэффициент пропускания - 95% (затухание - дБ)
• диаметр - мм
• Дальность действия -- м;
• Работа гарантирована при густом тумане, затухание не более дБ/км;
• Минимально отношение сигнал/шум -- дБ.
• Излучающий элемент
1. Излучающий диод
2. Длина волны -- нм;
3. Размер светящейся площадки - 1х1 мм
4. Расходимость -
5. Излучаемая мощность N1 - мВт
6. Излучаемая мощность N2 - мВт
• Приемный элемент
1. приемный элемент - p-i-n фотодиод
2. площадь приемного элемента - 2х2 мм
3. чувствительность ограниченна собственными шумами приемника, которые составляют мкА
4. крутизна ватт-амперной характеристики - А/Вт

Расчитаем эквивалентную мощность оптических шумов для собственного шума приемника:

(7)

Эквивалентная мощность оптических шумов  составляет Вт.

Расчитаем потери за счет погодных условий  для заданной дальности:

(8)

Потери при густом тумане на трассе 150 м составят 9 дБ.

Рассчитаем геометрические потери за счет расхождения луча: для линзы 

(9)

для объектива 

(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:

(11)

 

(12)

Потери при использовании линзы  будут больше на 28.07дБ или в 641.21 раз.

Минимальная мощность оптического (инфракрасного) сигнала будет:

(13)

 

(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.