Оптическая связь без оптоволокна

Евгений Чепусов, Сергей Шаронин

Изобретатели лазера вряд ли могли представить себе все возможные области его применения. А сегодня лазеры используются даже в компьютерных сетях...

Корпоративные сети передачи речи и данных последние несколько лет развиваются чрезвычайно интенсивно. В этой ситуации обеспечение надежной ближней связи между главным офисом и расположенными неподалеку подразделениями, например между корпусами в университетском городке или офисном центре, приобретает огромное значение. Кроме того, потребность в передаче пакетов данных и/или голосовых сообщений по общему каналу связи с высокой скоростью и без потери качества выходит на первый план. Немаловажный фактор при этом - расходы на приобретение, монтаж и обслуживание такого сетевого оборудования.

Находящие широкое применение и хорошо отработанные решения для организации ближней связи с использованием медных или волоконно-оптических линий (ВОЛС) не всегда удобны главным образом из-за больших затрат средств и времени на прокладку новых коммуникаций, а также из-за высокой арендной платы за использование уже существующих коммуникаций. Общеизвестно, что из-за своей перегруженности старые коммуникации уже не справляются с потоками информации. Поэтому в городах, где высока плотность подземных и наземных коммуникаций, а также в слабо освоенных районах с неблагоприятными условиями для ведения земляных работ или низкой плотностью застройки, разумнее использовать беспроводное оборудование, позволяющее обойти указанные выше трудности.

В настоящее время для беспроводного обмена информацией широко применяется радио (радиорелейные линии и радиомодемы). Однако трудно найти хотя бы одного пользователя, который не сталкивался бы с проблемой искажения или даже потери сигнала из-за засоренности радиоэфира. Необходимость же получения специального разрешения и связанная с этим бумажная волокита сильно затрудняют применение радио в крупных городах. Даже такие появившиеся в последнее время технологии, как быстрый перескок радиочастоты и цифровое кодирование путем свертки сигнала с использованием псевдослучайной шумовой последовательности, полностью не решают данных проблем.

Однако выход есть! В последнее время интенсивно развивается еще одна возможность организации беспроводной связи - лазерная связь, имеющая явное преимущество перед радиосвязью, когда дело касается организации беспроводных мостов ("точка-точка") на дальность до 1200 метров. Она имеет более высокую пропускную способность, обладает большей помехозащищенностью и не требует получения разрешения на пользование радиочастотой. В то же время цены на оборудование лазерной связи вполне сопоставимы с ценами на радио. Использование лазерных систем позволяет пользователю избежать головной боли, возникающей при одной мысли о необходимости получения разрешения на прокладку коммуникаций или использования радиочастоты и связанных с этим финансовых затрат.

В нашей статье мы попытаемся рассмотреть возможности лазерных систем, их достоинства, недостатки и предполагаемые области применения. Решение за вами.

ЧТО ТАКОЕ ЛАЗЕРНАЯ ПЕРЕДАЧА?

Метод передачи звукового сообщения от передатчика к приемнику при помощи модулированного пучка света был предложен еще в начале двадцатого столетия. Первые же коммерческие продукты в этой области появились всего лишь десять лет назад - именно тогда, в середине 80-х, удалось достигнуть компромисса между скоростью передачи данных, качеством волоконно-оптических линий связи и ценой на излучатели света.

Лазерная система связи представляет собой открытую систему и поддерживает практически любой протокол из физической спецификации передающей системы. Кабельное или волоконно-оптическое устройство сопряжения доставляет сетевой трафик лазерному приемопередатчику, затем полученный сигнал модулируется оптическим лазерным излучателем и фокусируется в узкий коллимированный световой луч в передатчике, использующем систему линз. На принимающей стороне оптический пучок возбуждает фотодиод, который позволяет регенерировать модулированный сигнал. Сигнал демодулируется и преобразуется в коммуникационный протокол, поддерживаемый сетью. Иными словами, система использует тот же принцип действия, что и модемы для волоконно-оптических кабелей. Разница заключается только в другой среде для распространения светового луча и вытекающих из этого конструктивных особенностях.

Для дуплексных конфигураций на каждом конце двухточечной линии связи требуются и приемник, и передатчик (обычно они собраны в моноблоке). Стоимость таких изделий является функцией требуемых скорости и расстояния, все же остальные параметры несущественны.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНЫХ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ

Существующие в настоящее время коммерческие лазеры имеют выходную мощность сигнала менее 100 мВт и не требуют специального технического лицензирования для безопасной работы и управления. Они поддерживают высокую скорость передачи данных на расстояние до 1,2 км, однако их пропускная способность зависит от расстояния: чем выше пропускная способность, тем меньше расстояние передачи. Так, например, передача данных с пропускной способностью 34-52 Мбит/с возможна на расстояние до 1200 м, а с пропускной способностью 100-155 Мбит/с - на расстояние до 1000 м. Этого вполне достаточно для организации сервисов IP телефонии, для которой требуются IP телефоны и IP АТС, и даже для разворачивания сервисов видеоконференцсвязи.

Очевидно также то, что чем больше мощность лазера, тем большее расстояние он покрывает. Так, например, лазерные передатчики Freespace или OmniBeam, имеющие выходную мощность от 20 до 40 мВт, способны передавать сигнал на расстояние до 1200 м. Если же использовать военные лазеры с выходной мощностью в 10 Вт, то информацию можно передавать на расстояние до нескольких километров. Однако чем выше мощность излучателя, тем меньше срок службы лазера. Поэтому в настоящее время, в основном, применяются коммерческие лазеры (чаще всего диодные лазеры с гетероструктурой на основе соединения GaAlAs и длиной волны 820 нм) с выходной мощностью до 50 мВт. При передаче информации на расстояние до 1200 м такие лазеры обеспечивают пропускную способность до 155 Мбит/с с частотой появления ошибок по битам порядка 1Е-9 и поддерживают стандарты Е1, Е3, ОС1, ОС3 и др. Ниже приводится сводная таблица наиболее интересных характеристик для упомянутых нами изделий.

ТАБЛИЦА 1 - ЛАЗЕРНЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Как видно из таблицы, лазерные передающие системы - это очень перспективные устройства для обеспечения связи. Они поддерживают практически все существующие протоколы и работают в различных климатических условиях.

ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Мы уже говорили, что использование лазерной связи наиболее привлекательно в крупных городах с высокой плотностью застройки. Наиболее типично применение лазерной связи для создания беспроводных мостов между зданиями, разделенными улицами, площадями, железной дорогой, рекой, промышленной зоной и т.п.

Так кто же является потенциальным пользователем лазерных систем? В первую очередь, это комплексы, занимающие несколько зданий (университетские городки, промышленные объекты, склады, бизнес-центры).

Приведем один из примеров удачного решения проблемы ближней связи. Госпиталю св. Бернарда в Бронксе (шт.Нью-Йорк) потребовалось соединить основной центр обработки данных с центром информационных систем, находящимся на другой стороне улицы, и одной из клиник, расположенной на той же улице, но в другом здании.

Только 100 метров разделяли эти точки, но госпиталь не мог перекапывать улицу для прокладки подземного кабеля и не имел возможности тянуть кабель по воздуху. Требовалось решение, при котором госпиталь не нуждался бы в лицензии на использование радиоканала (тут могбы также подойти GSM шлюз, если бы не ограниченная скорость передачи данных по каналам GSM). И такое решение было найдено благодаря применению лазерной связи для передачи трафика данных между зданиями. Две системы OmniBeam 2000 Quad T1 и сеть Ethernet позволили решить проблему передачи аудио- и видеосигналов и данных на расстояние до 1200 метров с пропускной способностью до 150 Мбит/с.

Таким образом, лазерная связь может быть использована для:

• создания основного и/или резервного канала связи;
• объединения нескольких локальных сетей;
• соединения с опорной АТС или выноса абонентской емкости в телефонии (решение проблемы "последней мили");
• систем видеонаблюдения и охранного телевидения;
• обслуживания мини-сотовой связи;
• аварийной связи, когда необходимо быстрое развертывание.

Существующие в настоящее время лазерные системы имеют огромный набор интерфейсов, обеспечивающих сопряжение с учрежденческими АТС, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами и повторителями. Кроме этого, они могут быть сопряжены с другими приемопередатчиками, например каналами кабельного телевидения. В зависимости от выбранной конфигурации информационный поток доставляется к лазерному передатчику по проводной линии с соответствующими характеристиками или по волоконно-оптическому кабелю, если в состав сопрягаемых устройств входит встроенный оптический конвертер (модем).

Чтобы не быть голословными, приведем список поддерживаемых интерфейсов и возможные способы их использования.

Высокоскоростная лазерная связь обеспечивает передачу информации с пропускной способностью от 34 до 155 Мбит/с. Данные от локальной сети поступают на лазерный передатчик через коммутатор (Рисунок 1). Причем передача данных между коммутатором, установленным в помещении, и лазером, установленным на крыше или стене здания, ведется по волоконно-оптическому кабелю. Лазерная связь поддерживает передачу следующих потоков данных:

• 34 Мбит/с - Е3;
• 51 Мбит/с - SONET1, OC1 или ATM52;
• 100 Мбит/с - Fast Ethernet, IEEE 802.3u;
• 25 Мбит/с - FDDI;
• 155 Мбит/с - SONET3, OC3 или ATM.

Рисунок 1.
Высокоскоростная лазерная связь для передачи информации с пропускной способностью от 34 до 155 Мбит/с.

В случае передачи данных внутри локальных сетей различной топологии идеология построения лазерной связи оказывается такой же, как и в предыдущем случае, а пропускная способность ограничена только скоростью передачи данных внутри сети. Самый распространенный пример из этой области применения (Рисунок 2) - использование лазерной связи для объединения двух сегментов сети, находящихся в разных зданиях. Поддерживаются следующие интерфейсы:

• Ethernet - 10 Мбит/с, IEEE 802.3;
• Token Ring - 4 и 16 Мбит/с, IEEE 802.5.

Рисунок 2.
Использование лазерной связи для объединения двух сегментов сети, находящихся в различных зданиях.

Передача речи и данных по общему каналу может осуществляться с помощью оборудования лазерной связи с комбинированным интерфейсом (Рисунок 3), одновременно обеспечивающим обмен информацией между двумя сегментами локальной сети (аналогично Рисунок 2) и передачу 30 каналов тональной частоты в групповом потоке ИКМ30 (Е1, 2,048 Мбит/с, G.703) между двумя УАТС, а также для организации вынесенной абонентской емкости.

Рисунок 3.
Передача речи и данных по общему каналу с помощью оборудования лазерной связи.

Передача групповых потоков ИКМ30/ИКМ480 (Е1/Е3) может быть использована для организации связи между ГТС и УАТС или двумя УАТС (Рисунок 4), между УАТС и вынесенной абонентской емкостью, как каналообразующее оборудование при уплотнении абонентских линий или для других целей.

Передача видеоизображения может быть весьма кстати и в системах замкнутого телевидения (Рисунок 5), например, когда необходимо получить сигнал от удаленной телекамеры систем производственного или охранного видеонаблюдения. Используемое для этих целей оборудование обеспечивает не только одно- или двустороннюю передачу видеоизображения, но и имеет дополнительный интерфейс для передачи управляющих данных или звука:

• RS232C (до 19,2 Кбит/с);
• RS422A (до 2,048 Мбит/с);
• RS423 (до 2,048 Мбит/с).

Рисунок 4.
Организация связи между ГТС и УАТС или двумя УАТС.

В настоящее время во всем мире эксплуатируется несколько тысяч коммерческих лазерных систем, качество исполнения которых (а стало быть и популярность) растет день ото дня. С увеличением пропускной способности и расстояния количество их будет возрастать и впредь. Лазерные передающие системы совместимы практически со всеми существующими сетевыми интерфейсами, легки в эксплуатации и отличаются большим диапазоном настройки. Такие системы - лучшее решение проблемы ближней связи между зданиями, находящимися в поле прямой видимости.

Рисунок 5.
Передача видеоизображения в системах замкнутого телевидения.

ЧТО ДОЛЖЕН ЗНАТЬ КАЖДЫЙ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

Носителем информации в лазерной системе является промодулированный лазерный пучок. Приемник и передатчик расположены на некотором удалении друг от друга. Лазерный луч распространяется в атмосфере, поэтому в процессе передачи происходит уменьшение плотности энергии сигнала. Рассеяние энергии лазерного луча происходит вследствие отличия коэффициента преломления атмосферы от единицы. На качество передачи влияют микроскопические частички пыли, присутствие в воздухе паров или капелек жидкости, вызывающих дифракцию или интерференцию сигнала. Чем меньше таких препятствий, тем, разумеется, выше и качество связи. Колебания температуры или выпадение осадков (дождь, снег) приводят к изменению плотности атмосферы, а следовательно, к рассеянию волны. Не исключена возможность и непосредственной интерференции солнечных лучей с лазерным лучом прямо в приемопередатчике.

При кратковременном попадании каких-либо крупных предметов в область прохождения луча (птиц или листвы) передача автоматически повторяется, и информация не теряется. Следует отметить, что птицы видят луч лазера и уклоняются от него, но, даже попадая в область прохождения луча, они ни коим образом не страдают: мощность излучения коммерческих лазеров слишком мала и поэтому абсолютно безвредна (исключение составляют только военные лазеры).

Внешние факторы способны также влиять и на само устройство (порою это может повредить лазер). Поэтому разработчикам лазерных систем приходится создавать такую конструкцию, которая позволила бы компенсировать интерференцию или дифракцию сигнала в окружающей среде и сдвиг зданий относительно друг друга (что особенно важно для высотных зданий, амплитуда колебаний которых достигает временами нескольких метров). Каждое устройство помещается внутри алюминиевого корпуса, стойкого к воздействиям окружающей среды. Защитный корпус лазера должен обеспечивать надежную работу устройства в любую погоду, поэтому лазерные устройства испытываются на стойкость к коррозии и прочность в условиях высокой влажности, в условиях воздействия низких и высоких температур и т.п.

Большинство лазерных систем работают в дождь со скоростью выпадения осадков до 8 см в час и в снегопад - до 5 см в час, и практически в условиях сплошного тумана.

Кстати говоря, все вышеперечисленное позволяет сделать вывод, что существующие в настоящее время лазерные системы реально использовать и в России, во всяком случае, на большей части ее территории.

Особо стоит упомянуть о чувствительности системы к вибрации и движению. Для снижения вибрации систему помещают на массивную опору (обычно стальную или бетонную и ни в коем случае не на деревянную). Выше упоминалось о возможном сдвиге зданий относительно друг друга. Это может привести к отклонению луча при прохождении им достаточно большого отрезка пути. Так, отклонение луча при выходе из передатчика на угол в 1 миллирадиан приведет к сдвигу луча относительно приемника на 1 метр при передаче на 1 километр. Существует несколько способов борьбы с такого рода трудностями. Некоторые фирмы, например, увеличивают диаметр луча передатчика (до 2-х метров для требуемого диапазона) и устанавливают угол уверенного принятия луча приемником в 3-5 миллирадиан. Другие производители используют специальные устройства для автоподстройки, которые не позволяют лучу отклониться от заданного направления. (В скобках заметим, что первый подход гораздо дешевле и более прост в решении, чем второй.)

Как видим, использование лазерной связи возможно даже при наличии каких-либо временных препятствий на пути луча, хотя выполнение требования нахождения приемопередатчиков в области прямой видимости является обязательным. Все лазерные приемопередатчики обеспечивают передачу сетевого трафика со статистической достоверностью более чем 99,9% во всем допустимом диапазоне их рабочих скоростей и расстояний.

Отдельно хотелось бы рассказать о границе замирания сигнала. Как упоминалось выше, лазерный луч теряет свою световую энергию при следовании от приемника к передатчику, а максимальное количество световой энергии, которое может быть потеряно, определяет границу замирания. Затухание сигнала в 20 дБ означает, что получить удастся только 1% световой энергии - 99% будет потеряно. Длина волны лазера 820 нм выбиралась исходя из необходимости уменьшить затухание сигнала.

Нужно учитывать и эффект сцинтилляции. Поднимающиеся от нагретых предметов вихревые потоки горячего воздуха приводят к дифракции луча. В итоге количество световой энергии в приемнике может оказаться меньше порога чувствительности, что может привести к ошибкам при приеме. Правильный выбор места и оптического пути способны свести на нет этот эффект, а посему прежде, чем устанавливать приемопередатчик, обратитесь за советом к специалистам.

Во избежание травм органов зрения не рекомендуется смотреть на лазерный луч (находясь на пути луча) на расстоянии ближе 15 метров от точки излучения, а также смотреть на отраженный от окна лазерный луч с расстояния меньше метра.

Как правило, приемопередатчики монтируют на крыше или стене здания, что позволяет максимально снизить влияние различных внешних факторов и исключить нахождение людей в непосредственной близости от излучателя, как того требуют правила по эксплуатации и технике безопасности устройств такого класса. Размещение лазерной системы возможно и внутри помещения. Правда, в данном случае необходимо учитывать, что передача будет осуществляться через стекло, а стало быть, уменьшение интенсивности сигнала (приблизительно на 5% на каждом стекле) неизбежно; если же окна в вашем офисе с поглощающим или отражающим инфракрасное излучение покрытием, то передача в принципе невозможна. Нельзя забывать и о критическом угле отражения, при котором луч будет отражаться даже от чистого стекла. Он составляет примерно 42 градуса.

Хотелось бы упомянуть еще об одной немаловажной детали - о монтаже. Два подготовленных человека могут установить такую систему за 30 минут, имея специальный набор инструментов. Вес устройства всего 6-12 кг. Хотя устройство снабжено специальными индикаторами, которые облегчают его настройку, желательно обратиться за помощью к специалистам, и тогда вы сможете быть абсолютно уверены в том, что учтены все факторы и правильность функционирования системы гарантирована. Демонтаж системы, очевидно, займет ровно столько же времени. Это значит, что в случае передислокации тратить силы и ломать голову над тем, что делать с проложенными вами коммуникациями, не придется. Таким образом, лазерная передающая система хороша как для постоянного, так и для временного использования.

ТАКИМ ОБРАЗОМ...

Подытоживая все вышесказанное, можно с уверенностью заявить, что широчайшие перспективы применения лазерной связи в учрежденческих системах связи и локальных вычислительных сетях для организации связи между двумя зданиями несомненны. В настоящее время лазерная технология развивается в направлении повышения скорости обмена и дальности связи, что делает ее особо перспективной для применения в высокоскоростных локальных вычислительных сетях. Не за горами тот день, когда на рынке появятся системы с гигабитной скоростью передачи данных.

В отличие от систем, использующих радио, для использования лазерной связи лицензия не требуется, стоимость же оборудования примерно одна и та же. Плюс к этому производители лазерных систем связи имеют хороший технологический потенциал для снижения цен в ближайшем будущем.

Лазерная связь обеспечивает высокий уровень защиты информации от несанкционированного считывания в то время, как передача по радио может быть перехвачена и записана даже на большом удалении от оборудования передачи.

Вы можете использовать лазерную систему для организации временной связи без прокладки кабеля. Такой же тип соединения подходит и для применения в качестве дублирующей системы.

Система надежно защищена от любых погодных условий и безопасна.

Компактность и малый вес существенно облегчают как развертывание, так и демонтаж системы. Однако для правильного проектирования и установки системы все же лучше обратиться к специалистам, которые сумеют выбрать правильную конфигурацию и выполнить требования, предъявляемые к ее монтажу.

ВЛИЯНИЕ ДОЖДЯ, ТУМАНА И СНЕГА

У природы нет плохой погоды

Атмосферное рассеивание лазерного луча является функцией длины волны излучения, а также числа и размера частиц пыли и газа в воздухе, на которых и происходит рассеяние.

Туман. Туман является одним из основных препятствий, ограничивающих видимость при оптической передаче. Туман появляется, когда относительная влажность воздуха превышает точку насыщения. При значительном превышении этой точки может происходить объединение мельчайших частичек влаги в капли воды (конденсирование). Их размер обычно не превышает несколько микрон. Затухание сигнала происходит именно на таких капельках воды. Туман вызывает рассеяние луча во всех направлениях. В результате этого эффекта приемника достигает лишь небольшой процент переданного сигнала, то есть мощность излучения падает. Среднее значение границы замирания (см. Таблицу 1) составляет величину порядка 17 дБ. Таким образом, уверенный прием окажется невозможным, если видимость (расстояние, на котором человеческий глаз может различить черный объект, имеющий площадь 1 м², на белом фоне) на пути прохождения луча окажется ниже 80%. То есть, если дальность связи составляет 1000 метров, а видимость - 800 метров, то связь будет практически невозможной. Как только произойдет увеличения видимости, связь автоматически восстановится. Зависимость между видимостью и дальностью передачи нелинейна, однако для нее верно следующее утверждение: чем короче расстояние передачи, тем меньше может быть видимость (см. Таблицу 2).

ТАБЛИЦА 2

Дождь. Для того чтобы охарактеризовать дождь, используют понятие плотности. Для сильного ливня плотность составляет 1000 мг/м3, что в 10 раз больше, чем для густого тумана. Однако размер дождевых капель в 1000 раз больше размера капель воды тумана. Поэтому вызванное дождем затухание сигнала в 100 раз меньше, чем из-за тумана. Затухание сигнала в условиях сильных и затяжных дождей составляет величину порядка 6 дБ/км на волне излучения. Для лазерной связи перебои наступают только при скорости выпадения осадков 75-85 мм/ч (см. Таблицу 3).

ТАБЛИЦА 3

Снег. Снег также приводит к рассеянию сигнала, однако его влияние определяется содержанием воды в нем. Мокрый снег подобен дождю. Если же снег очень сухой, то он подобен туману. Реальное затухание сигнала, вызванное снегом, находится внутри диапазона затухания для дождя и для тумана и может составлять величину от 6 до 40 дБ/км.

Приборы и инструменты для работы с ВОЛС

Скалыватели оптического волокна: всё, что нужно знать!

2 способа сократить время тестирования оптоволокна вдвое

Сертификация и диагностика волоконно-оптических линий: полное руководство!