ИК-канал

При создании беспроводных сетей возникает  проблема распределения в эфире  полос электромагнитного спектра. Поэтому каждое государство разделяет  спектр на полосы, выделяемые для определенных целей. Для использования полосы необходимо брать лицензию. Исключение составляет так называемая Промышленная, научная, медицинская полоса ISM. В Европе для указанной цели служит диапазон не лицензируемых частот 2,4-2,5 ГГц, а в США - диапазоны (ГГц): 5725-5850; 2400-2485; 0,902-0,928. Кроме этого в США не лицензируется персональный коммуникационный сервис, работающий в полосе 1830-1990 МГц. Указанные полосы выделяются межгосударственными и правительственными организациями. Так, в США предоставление услуг электронной связи регламентирует Федеральная комиссия связи FCC.

3. Простое описание технологии (физика процессов)

Беспроводные оптические линии  связи используют спектральный диапазон лазерного инфракрасного излучения (как правило, от 400 до 1400 нм). Этот участок  спектра соответствует так называемому "окну прозрачности" атмосферы, благодаря чему поглощение излучаемого сигнала атмосферными газами пренебрежимо мало.

Функциональная схема системы  лазерной связи очень проста:

• блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;
• преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения;
• на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;
• усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.

Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5^o, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.

После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к  кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Таким образом, для всех устройств, используемых в кабельной сети связываемых зданий, эта линия не видна; она не накладывает каких-либо ограничений на оборудование, не требует дополнительных протоколов связи или изменений/дополнений к таким протоколам. Передача сигналов по беспроводному оптическому соединению осуществляется так же, как по оптическому волокну. Различаются лишь среды, в которых распространяется луч.

Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют  так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Важнейшее свойство беспроводной оптической связи - высокая степень защищенности канала от несанкционированного доступа. Это является следствием самой природы  лазерной передачи сигнала, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно - в силу острой направленности луча и применения уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. Тем не менее, для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах - обращения волнового фронта, анализа изменения принимаемого сигнала и др., что еще больше повышает защищенность канала связи.

Сигналы входного интерфейса системы используются для модуляции сигнала в открытом оптическом канале. Сама технология передачи основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит – полупроводниковый излучающий диод. В качестве приемника используется высокочувствительный фотодиод. Излучение воздействует на фотодиод, вследствие чего регенерируется исходный модулированный сигнал. Далее, сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. С обеих сторон используется система линз, на передающей стороне - для получения коллимированного луча, а на приемной стороне, для фокусирования принятого излучения на фотодиод. Для дуплексной передачи организуется точно такой же обратный канал.

Все выгдядит достаточно просто, но это только на первый взгляд.

Самым непредсказуемым элементом  в системе является среда передачи. Непрогнозируемость атмосферы с  ее погодными явлениями нам всем близка и понятна. Это и есть главное  отличие от оптоволоконных систем, где параметры кабеля хорошо известны. Вкратце рассмотрим особенности передачи ИК сигнала через атмосферу.

Длина волны в большинстве реализованных  систем варьируется в пределах 720 – 950 нм. Это близкий к видимому инфракрасный спектр. Но почему именно он? Дело в том, что существующие технологические наработки, включающие и разработку технологии производства полупроводниковых лазеров, были сделаны из расчета компромисса между принципиально доступными длинами волн излучателей и приемлемыми диапазонами пропускания оптоволокна. Поэтому, выбор в длинах волн ограничен возможностями излучателей и приемников (фотодиодов). Кроме диапазона 720-950 нм, существуют компоненты для диапазонов около 1300 нм и 1500 нм. Как говорится, не разгуляешься.

Вот тут то и понадобились знания о среде передачи, чтобы сделать правильный выбор.

Существует много публикаций о  влиянии тумана, дождя, снега и  прочих атмосферных и погодных явлений  на ИК системы. Однако, кроме достаточно простых, учитывающих ограниченный набор факторов, влияющих на атмосферный канал передачи, подходов к моделированию канала в этих публикациях найдено немного. Основная часть подходов базируется на определении метереологической видимости (МВ - расстояние, на котором ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗ различает черный объект с угловыми размерами более 20 мрад при дневном освещении), и определяет ослабление сигнала в зависимости от этой самой метеорологической видимости. Сама же МВ определена для различных погодных условий и состояний атмосферы достаточно точно. В определении фактор "человеческий глаз" выделен не случайно. При этом мы сразу попадаем в заблуждение, считая то, что мы видим, "видит" и ИК система.

А это не совсем так, или даже совсем не так. За примерами ходить далеко не надо. Представьте - Швейцарские  Альпы, почти 3 км над уровнем моря, чистейший воздух. Красота! Но даже в этих условиях атмосфера совершенно непрозрачна для длин волн в районе 2600 нм!

Затухание ИК сигнала включает в  себя аэрозольное затухание т.е. на мельчайших капельках влаги, находящейся  в воздухе, и резонансное поглощение на молекулах различных газов, входящих в состав атмосферы (О₂, О₃, СО, СН₄, N₂O, CO₂, H₂O и др.). На резонансное поглощение особенно сильное влияние оказывают параметры спектра излучения, такие как , ширина, структура и количество мод излучения и т.д. Расчеты резонансного поглощения производятся "линия к линии" (line by line) с учетом огромной базы данных по спектральным характеристикам атмосферы.

Знание всех этих нюансов дает возможность  не только выбрать правильный диапазон для передачи, но также правильно спроектировать систему, а в эксплуатации - правильно предсказать параметры канала и поведение систем при различных погодных условиях.

Затухание сигнала при различных  погодных явлениях также достаточно точно моделируется. Например, туманы и дожди легко формализуются расширенной моделью аэрозольного поглощения. На самом деле, такая преграда, как дождь не представляет серьезной угрозы для ИК соединения. Даже уровни осадков до 75 мм/час (почти тропический ливень), практически плохо преодолеваемые радиорелейными системами в диапазонах 18-54 ГГц, не нарушают работу современных ИК беспроводных каналов на рабочих дистанциях.

Чтобы получить высококачественный канал  передачи данных, нужно не только иметь  хорошую ИК систему, необходимо еще  ее правильно применять (устанавливать). Есть простейшие требования к месту установки систем - к жесткости опоры, например, учет роста деревьев и т.д. Все они очень просты, как и требование правил дорожного движения о запрещении проезда на красный свет (что может быть проще?), но их нарушение приводит к плачевным результатам и разочарованиям. Но есть и более тонкие вопросы установки систем. Суть дела проста - например, Вам необходимо связать два здания. Одно из них, скажем небоскреб, этажей этак 70, а другое - обычное невысокое, но стоит на холме. Самое удобное место - крыша. Прямая видимость обеспечена, чего же еще? Но вот набежали тучи и закрыли Ваши ИК блоки. Нет, это не "конец связи", если Ваша система была рассчитана с учетом влияния затухания от нижней кромки облаков, типичной для данного региона.

У лазерного луча хороший потенциал, но для получения хороших характеристик  применять ИК системы нужно после  рекомендаций со специалистами.

Грамотно спроектированная и установленная  система может обеспечить высокое  качество канала связи с уровнем доступности 99,1- 99,9%. Что характерно, битовые ошибки в ИК канале практически отсутствуют. Однако, получить значения выше 99,97% в реальных условиях крайне сложно. И причина тому - птицы! Лазерный луч может преодолеть практически все погодные явления, но физические преграды - нет. Дело, конечно, в мощности и фокусировке луча... Но в целях безопасной эксплуатации плотность светового потока искусственно ограничивается. Это приводит к тому, что птицы при пересечении луча, кратковременно прерывают канал передачи. Цифры реально достижимых уровней доступности канала приведены из накопленного опыта эксплуатации систем в средней полосе России. Впрочем, есть реальный выход из положения - применение многолучевых систем. Это дороже, но оправдывает затраты дополнительных средств. За каждую дополнительную девятку после запятой в параметре доступности канала приходится платить. Но это справедливо не только для ИК систем, но и для всех остальных систем тоже.

4. Технология (компоненты)

Как и большинство технологий беспроводной передачи данных, беспроводная оптика требует условий прямой видимости. Правда, в отличие от радиочастотных методов, допускающих соединения в топологии точка – многоточка, атмосферные оптические линии, как правило, двухточечные. Данные передаются направленным пучком модулированного света. В качестве источника такого света обычно используются светодиоды (и тогда для формирования луча приходится применять оптические системы) или лазеры (в этом случае приходится, наоборот, бороться с точечностью источника, но об этом немного позднее). Механизмы поглощения света в прозрачной атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В результате, в атмосфере свет распространяется в тех же окнах прозрачности – 850, 1310 и 1550 нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу, применяемую в оптоволоконной оптике (производимую во все нарастающем количестве) и заимствовать заметную часть наработок и технологий, на разработку которых иначе потребовались бы немалые средства: микролинзы, оптические усилители, спектральные маски, голографическая оптика и методы спектрального уплотнения каналов.

Общая элементная база и принципы обработки сигнала определяют общий  диапазон скоростей – от нескольких мегабит до терабит в секунду (верхний предел обусловлен, скорее, платежеспособным спросом). По существу, атмосферные оптические линии комплиментарны оптоволоконным: этот тезис только подтверждают пассивные атмосферные оптические линии, не содержащие никаких активных элементов. На вход такой линии поступает оптический сигнал из специализированного световода (рассчитанного, видимо, на чуть большие мощности сигнала). Принятый сигнал усиливается оптической системой и по специальному многомодовому оптоволокну с малой дисперсией поступает на вход конвертера. Отсутствие активных элементов позволяет не заботиться о подаче электропитания (проблемы с выпадением росы, видимо, решаются с помощью специальных покрытий) и минимизировать стоимость выносного блока (по существу, содержащего только оптическую часть, большая часть ноу-хау сосредоточена в модуле специализированного конвертера). И, соответственно, минимизировать ущерб от вандализма и обеспечить повышенную защиту данных. В качестве наглядного примера: пассивные беспроводные оптические системы⁴ TereScope 1 (рис.3), представляющие собой набор линз в относительно красивой коробке, обеспечивают беспроводную передачу данных, подаваемых со специализированных интерфейсов, со скоростью 100 Мбит/с на расстояния до 200–500 метров (в зависимости от типа активного оборудования). В минимальной комплектации такими интерфейсами могут быть медиаконвертеры MC-102/P (10/100BaseT). Другой вариант комплекта TereScope 1 включает два приемопередающих устройства TereScope 1, два отрезка специального оптического кабеля длиной 25 или 50 м и два коммутатора OptiSwitch-200 с интерфейсами PAL и четырьмя портами Ethernet 10/100 Мбит/с. Специализированные модули расширения EM2004-2PAL для коммутаторов OptiSwitch выпускаются в вариантах для расстояний работы до 200 м (модель EM2004-2PAL/A) и до 500 м (EM2004-2PAL/C). Реализованная в них поддержка (QoS) обеспечивает разделение полосы пропускания сети на потоки с гарантированной доставкой пакетов и определенной скоростью (от 1 Кбит/с до 1 Гбит/с).

В более общем случае атмосферные  беспроводные оптические (инфракрасные) системы, разумеется, содержат активное оборудование.

Нелицензируемость, а по сути –  неограниченность используемого оптического  частотного спектра позволяет не прибегать к сложным схемам модуляции – большинство ИК систем использует простейшее кодирование по принципу «включено/выключено» (On-Off Keying, OOK) – в точности такое же, что используется в волоконно-оптических системах передачи данных. Общий метод модуляции позволяет реализовать прозрачность ИК систем для различных протоколов передачи данных (ATM, Ethernet, Feber Channel, и т. д.) и использовать, по сути, общую элементную базу.

Простая калькуляция – два медиаконвертера  общей ценой в 200–300 долларов и набор оптики, пусть даже ценой около 300 долларов за комплект, позволяют предположить, что стоимость атмосферной оптической линии может быть уже сейчас в пределах одной тысячи долларов. Жизнь, между тем, показывает обратное: цены начинаются с отметки 2–2,5 тысяч долларов, со средним значением около 4–5 тысяч долларов за линию со скоростью 100 Мбит/с. Столь впечатляющий разрыв обусловлен, увы, стоимостью входящих в решение ноу-хау и затратами на разработку и все еще относительно низкими объемами производства.

Вместе с тем, определяющее влияние  на жизненность применяемых сетевых  решений все еще имеет американский рынок, на который сейчас выходят  беспроводные решения, использующие нелицензируемые  диапазоны частот 2,4 и 5 ГГц и обеспечивающие реальные скорости передачи данных на уровне 25–30 Мбит/с. Можно предположить, что результатом намечающейся конкуренции может стать значительное снижение цен на атмосферные линии, в особенности с учетом того, что затраты на разработку, как правило, уже неоднократно окупились.

Построение всех ИК систем передачи практически одинаково – интерфейсный модуль, модулятор излучателя, оптическая система передатчика, оптическая система  приемника, демодулятор приемника  и интерфейсный блок приемника. Но все  системы по технологическому признаку можно разделить на две группы. Одна группа, которая использует полупроводниковые ИК диоды (с излучением с поверхности), а вторая группа, которая использует для излучения полупроводниковые ИК лазерные диоды (с излучение с торца перехода). Главное различие систем сказывается на их главных характеристиках – скорости и дальности передачи. Первая группа – это в основном короткоходные системы до 1 км со скоростями до 20 Мбит/с, вторая – обеспечивает значительно большие дальности передачи, в зависимости от погодных условий и требований к качеству канала, со скоростями до 622 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Откуда же такое существенное различие?