ИК-канал

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, 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.

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