ИК-канал

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.

2. Типовые схемы передачи

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.

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.

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 Р_э оптического канала:

Р_э = Р_пер – Р_пр

где: 
Р_пер – уровень мощности излучения передатчика  
Р_пр – 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	–60.0	84.8
SkyCell E1-T4000	24.8	–45.0	69.8
SkyCell E1-T338	20.0	–45.0	65.0
SkyCell E1-T456	14.8	–45.0	59.8

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 Р_э=60 дБ для работы на дистанциях выше 1 километра? Постараемся ответить на этот вопрос.

Суммарные потери Р_п в канале можно оценить по формуле:

Р_n = Р_опт + Р_атм + Р_ппр

где: 
Р_опт – потери оптического согласования  
Р_атм – затухание сигнала в атмосфере  
Р_ппр – потери в приемнике

Из всех составляющих только величина Р_ппр 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 Р_опт), и от физических характеристик атмосферы (для Р_атм).

В первом приближении Р_опт 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 Р_опт 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 Р_опт.

Для нормальной работы канала необходимо, чтобы:

Р_э > Р_п

Посмотрим какой величиной Р_атм 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

Р_опт = 29.5 дБ. Тогда для Р_э = 60 дБ и Р_ппр = 2 дБ:

Р_атм < Р_э – Р_опт – Р_ппр = 60 – 29.5 – 2 = 28.5 дБ

Или: Р_атм < 19 дБ/км

Что же означают величины Р_атм с практической точки зрения? Совершенно очевидно, что чем больше допустимая величина Р_атм, 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 Р_атм слишком просто на первый взгляд:

Р_атм = 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 Р_э = 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):