Оптические каналы связи

9.1. Беспроводные оптические каналы

Для стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица 9.3.1, где сравниваются параметры различных беспроводных систем.

Таблица 9.3.1. (GBL – Communication by light GmbH http://www.cbl.ru)

	Беспроводные телекоммуникационные системы
	Широкополосные системы (802.11; 802.16)	Оптические каналы	Радиорелейные системы
Скорость передачи	Несколько Мбит/c	155 Мбит/c	До 155 Мбит/c
Максимальное расстояние	Несколько км	2 км	50 км
Защита от прослушивания	высокая	Крайне высокая	Очень высокая
Проблемы интерференции	имеются	отсутствуют	малые
Интерфейсы	10/100 MbpsEthernet	E1, волоконный стандарт, FE, GE	E1, STM-1 Eth, FE
Точность настройки	малая	Очень высокая	средняя
Разрешение на применение	Лицензия не требуется	Лицензия не требуется	Нужна лицензия PTT
Относительная стоимость	5200 евро	6000 евро	26000 евро

Пример характеристики приемопередающего оборудования. Таблица 9.3.2.

Таблица 9.3.2.

	LED-LINK 300	LaserLink 4E1/300
Рекомендуемое расстояние [m]	< 300	< 300
Полоса пропускания [Mbps]	2-43	4*2,048
BER	10-9	10-6
Передатчик	IP-LED	IP-LED
Передаваемая мощность [мВт]	50/60	50/60
Расходимость луча [мрад]	< 10	< 10
Динамический диапазон [дБ]	>30 (1:1000)	>40 (1:10000)
Сетевой интерфейс	Мультимодовое волокно	4*E1, G.703
Диаметр волокна [мкм]	50-60/120	-
Длина волны (RX) [нм]	780..900	-
Длина волны (TX) [нм]	850	-
Рабочая температура 0C	-20ч+50	-20ч+50

В качестве принимающего устройства используются PIN.диоды или лавинные фотодиоды (APD). Таблица 9.3.3. VCSEL (Vertical Cavity Emitting Laser) – излучающий лазер с вертикальным резонатором. Вышеназванные лазеры (CBL – Мюнстер, ФРГ) относятся к классу 1М (безопасны для глаз).

На рис. 9.10 показана зависимость вероятности отказов канала изза погодных условий (снег – сильный дождь) в Германии на основе 1000 инсталляций (доступность канала и число минут неработоспособности за год). Если требуется 100% эффективность, рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN.

Рис. 9.10. Зависимость вероятности отказа канала от расстояния в условиях плохой погоды

Принципиально новые возможности открыло изобретение инфракрасных лазеров. Лазер генерирует слабо расходящийся в воздухе пучок света (диаметр порядка 1 мм). Это позволяет осуществлять передачу открытым лучом на относительно большое расстояние (до 10 км). Но это же свойство луча создает и определенные проблемы. В атмосфере от горячих предметов поднимаются вверх конвекционные потоки горячего воздуха, варьирующие коэффициент преломления. Многие наблюдали это явление над шоссе жарким летним днем, когда идущая впереди машина как бы отрывается от земли и парит в колышущемся мареве. То же самое явление лежит в основе появления миражей. Следует также учитывать, что солнце создает поток излучения в инфракрасной области не меньше, чем в видимой области. Оптические каналы предполагают использование двух параллельных лучей, по одному для каждого направления передачи (смотри рис. 9.11). Диаметр чувствительной поверхности детектора обычно не превышает 1 мм.

Рис. 9.11.

Чтобы исключить влияние конвективных воздушных потоков от разогретой поверхности крыши, обычно используют дефокусировку пучка, при которой даже при отклонении оси пучка пятно засветки не покидает чувствительную область детектора. Этот метод предполагает, что имеется избыток световой мощности передающего лазера.

По этой причине, а также из-за поглощения луча дождем и туманом, каналы связи с открытым лазерным пучком широкого применения не находят. Но иногда из-за отсутствия нужных кабельных каналов, или из-за возражений телефонных компаний, открытый луч может оказаться полезным для организации связи между не слишком удаленными зданиями. Открытый луч предоставляет достаточно высокий уровень безопасности, так как для перехвата сообщений нужно "дотянуться" до пучка. Да и обнаружить инфракрасный луч без специальных средств не так легко. Проектируя такие каналы связи надо учитывать ослабление сигнала [дБ], связанное с геометрией пучка:

где — угол расхождения в радианах, R – расстояние передачи в метрах, d_вх – диаметр входного окна в метрах. Необходимо также принимать во внимание ослабление, связанное с поглощением и рассеянием:

где – ослабление в децибелах на километр, — длина волны излучения в микронах, S – дальность видимости [км]. Надо сказать, что дальность и надежность передачи в этом случае сильно зависит от погодных условий, в чем можно убедиться на рис. 9.12.

Рис. 9.12. Зависимость ослабления лазерного сигнала лазерного луча в зависимости от состояния атмосферы

Главным преимуществом варианта с открытым лазерным лучом является отсутствие необходимости лицензирования или получения специальных разрешений для прокладки кабеля, в условиях РФ этим обстоятельством не следует пренебрегать.

А вот для связи в пределах залов с большими объемами этот вариант вполне привлекателен. Здесь используются специальные дефокусирующие системы и рефлексы от стен и других предметов. Такая схема привлекательна также с точки зрения безопасности. Ведь, в отличие от радиоволн, инфракрасное излучение не может пройти через стены и даже стекла. Локальная сеть, построенная на таком принципе, представляет собой односегментную LAN.

Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделала возможным широкое распространение оптоволоконных каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1-100 Гбит/c. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 10-100 раз. Учитывая, что

, где — скорость света, — частота, а — длина волны, для наиболее популярного диапазона и , мы имеем .

Телефонные компании шаг за шагом переходят со скрученных пар на оптические волокна, предлагая широкополосные услуги SMDS и B-ISDN (ATM).

Рассматривая параметры оптоволоконных каналов и радиорелейных линий нужно помнить, что последние имеют задержку , а оптоволоконные — , что иногда оказывается существенным (в воздухе электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в кварце).

Сопоставляя возможности спутниковых каналов с оптоволоконными, следует учитывать, что одна волоконная пара обладает пропускной способностью больше, чем все запущенные до сих пор телекоммуникационные спутники.

Но это не означает, что спутниковая связь не имеет перспективы, у нее имеется несколько ниш, где она имеет неоспоримые преимущества.

1. Представим себе одинокий остров, где размещена метеорологическая или геофизическая станция. Прокладывать туда кабель по дну моря совершенно не выгодно с экономической точки зрения.
2. Мобильная телефония, которая стала достоянием десятков миллионов человек, вошла в привычку, и люди не хотят терять связь со своими близкими или деловыми партнерами ни на борту лайнера, ни за рулем автомобиля на пустынной автостраде. Здесь спутниковый вариант также трудно заменим.
3. Преимущество широковещательности создает еще одну нишу для этого вида связи. Трансляция биржевых новостей или курса акций в реальном масштабе времени сразу на целые континенты делает спутниковый вариант привлекательным.
4. Не следует упускать из виду и военные приложения, где оптоволоконика не всегда применима, а иногда и неприменима вовсе.
5. Оптоволоконные системы связи в городе часто могут предоставить индивидуальному пользователю только определенную полосу. Спутниковый канал может быть смонтирован быстро и дать пользователю, то, что ему нужно.

Проводные, радио и оптоволоконные каналы образуют физический уровень транспортировки данных (L1). Далее пойдет речь о следующем уровне (L2), к которому относятся Ethernet, ISDN, ATM, Frame Relay и многие другие. Среди них одно из почетных мест занимает протокол точка-точка PPP.