ИК-канал

График 1.	Максимальные рабочие дистанции  в зависимости от метеорологической  видимости в туман.
Обозначения:  Distance – расстояние между приемо-передатчиками, м  Visibility – метеорологическая видимость в условиях тумана, м

 

График 2.	Максимальные рабочие дистанции  в зависимости от интенсивности дождя.
Обозначения:  Distance – расстояние между приемо-передатчиками, м  Precipitation – интенсивность осадков, мм/час

Области, находящиеся под линиями  на графиках, определяют рабочие зоны инфракрасных (оптических) систем. Сами же линии означают границу, когда уровень ошибок в канале становится BER=1.0E^-9.

Из Графика 1 становится очевидным, что установленная на дистанции 2000 метров система SkyCell E1-T6000, способна нормально работать при метеорологической  видимости в туман около 709 метров. А как будет вести себя канал  передачи вблизи этой границы? При ухудшении погодных условий сначала будет увеличиваться уровень ошибок. Значения BER ниже 1.0Е^-3 будут означать, фактически, отказ канала передачи. Дальнейшее ухудшение видимости приведет к полной блокировке канала. Реально канал будет сохранять работоспособность вплоть до падения видимости до 640 метров. Поведение систем SkyCell E1-T6000 можно проиллюстрировать Графиком 3.

График 3.	Уровень ошибок в канале в туман  на дистанции 2 км.

Приведенные выше результаты расчетов подтверждаются данными испытаний  и опытной эксплуатации систем как  в России, так и за рубежом.

Для получения же самого «практического» параметра – коэффициента готовности канала, необходимо иметь статистику погоды в конкретном регионе. Опыт работы MicroMax показывает, что метеослужбы с пониманием относятся к подобным запросам и оперативно на них реагируют. Зная стойкость систем ко всем вероятным на месте установке погодным явлениям, можно с высокой достоверностью прогнозировать этот параметр и гарантировать эффективную работу системы передачи данных.

Подведем же итог вышесказанному. На этапе проектирования канала атмосферной оптической связи необходимо задать четкие требования к качеству канала (определяемому коэффициентом готовности и допустимым уровнем ошибок). Исходя из таковых требований, а также анализируя статистику погоды в конкретном регионе, где планируется установка канала, и, возможно, прочие особенности объекта, квалифицированный специалист способен (и должен) помочь заказчику в правильном и тщательном выборе подходящего оборудования. Весь набор технических характеристик оборудования должен быть рассмотрен в комплексе, но, пожалуй, наиболее важным, как было показано выше, является энергетический запас системы. При таком подходе не будет последующих разочарований, а миф о нежизнеспособности атмосферных оптических систем связи развеется сам собою.

Инфракрасные линии связи в последнее время являются объектом пристального внимания операторов связи и администраторов корпоративных сетей. Эволюция систем беспроводной передачи данных идет в направлении постоянного увеличения пропускной способности. И, как в свое время волоконная оптика разрешила проблемы высокоскоростной передачи в кабельных сетях, так в настоящее время в беспроводных сетях уже можно констатировать свершение новой технологической революции. Интересным фактом здесь является то, что системы БОЛС (беспроводных оптических систем) со скоростью передачи 622 Мбит/с в коммерческом исполнении появились раньше радиочастотных систем. О сравнении максимальных скоростей передачи, полученных в опытных установках, даже говорить нескромно. Применение беспроводных оптических систем на «традиционных» скоростях (2-100 Мбит/с) стало уже обыденностью из-за несоизмеримо меньших организационных издержек при установке каналов.

Однако предметом самых горячих  дискуссий в отношении инфракрасных систем является их применение в регионах со сложными погодными условиями. Здесь было сломано немало копий. Производители отечественные и иностранные, создавая оборудование, а дистрибьюторы, продавая его, слабо представляли то, на каких дистанциях и в каких условиях системы обеспечат нормальную работу. В результате, информацию об этом получали путем экспериментов над первыми пользователями, и эксперименты эти продолжаются до сих пор. Несомненно, это оказывает медвежью услугу новой технологии, и некоторые операторы связи «поставили на ней крест». Сейчас, наконец-то, производители и дистрибьюторы стали обращать внимание на необходимость расчетов перед тем, как рекомендовать системы заказчику.

Первые попытки расчета, как  и предполагалось, вышли «комом». Несмотря на уже солидную историю развития оптических систем, расчет лазерных беспроводных систем представляет достаточно сложную задачу и под силу только специалистам, освоившим вопросы физики атмосферы. Те же, кто применяет только различные интегральные характеристики, такие как метеорологическая дальность видимости (МДВ), в моделях расчета ЛАЗЕРНЫХ систем, могут попасть под гипноз результатов такого расчета и сильно обмануться в реалиях.

Не будем голословны, пора рассмотреть  эти самые реалии.

Итак, у кого-то есть данные о МДВ. Есть даже экспериментальные графики зависимости коэффициента пропускания атмосферы от длины волны, которые обычно приводятся в справочниках. Что это дает? Да, в общем-то, слишком мало! Когда речь идет о пропускании через атмосферу ЛАЗЕРНОГО излучения, необходимо говорить не только о конкретной частоте, но и конкретном типе лазерного излучателя и его характеристиках, конкретном состоянии атмосферы в регионе, с учетом погодных условий (туман, дождь и т.п.). Спросите, почему так конкретно? А вот почему.

Приведем пример типичного спектра излучения лазерного диода (см. Рис. 1). Причем, спектр этот сильно зависит не только от модели полупроводникового лазера, но и от режима его работы. Главное, что надо отметить, это то, что спектр состоит из узких полос шириной около 0.2 нм, а общая ширина его не превышает 4 нм.

Рисунок 1.	Спектр излучения  лазерного диода.

Рисунок 2.	График пропускания  атмосферы.  (По оси ординат – коэффициент пропускания, по оси абсцисс указана длина волны в нм)

Теперь посмотрим на график пропускания  атмосферы, снятый с низким разрешением. Можно увидеть, что в диапазоне  длин волн 690-700 нм относительно широкополосный сигнал практически не ослабляется. А теперь посмотрим на тот же диапазон, снятый с высоким разрешением (см. Рис. 3).

Рисунок 3.	Спектр атмосферного поглощения, записанный с высоким  разрешением.  (По оси абсцисс указана длина волны в нм)

Становится, очевидно, что при работе с очень узким спектром излучения, то пропускание будет кардинально зависеть от взаимного расположения полос излучения лазера и поглощения атмосферы, несмотря на высокий средний уровень пропускания. И существует такое их взаимное расположение, когда пропускание может снизиться в несколько, а то и сотни раз. Сдвиг в сторону всего на несколько нанометров из-за технологического разброса характеристик диода может привести к фатальным результатам. Поэтому, расчет какой-либо атмосферной лазерной системы необходимо делать с учетом всего диапазона рабочих длин волн, заявленных производителем и, обязательно, с высоким разрешением пропускания атмосферы.

Можно было бы поставить точку в вопросе расчета инфракрасных систем только на основе различных интегральных параметров (МДВ и т.п.). Вопрос этот оказался значительно сложнее и несоизмеримо более емким (в том числе, по усилиям процессоров компьютеров), чем могло показаться с первого взгляда, т.к. расчеты обязательно надо вести с учетом спектральных характеристик атмосферы и лазерных диодов. Вообще, при проектировании беспроводных оптических (инфракрасных) систем есть очень много нюансов, игнорирование или незнание которых приводит к тому, что системы оказываются неработоспособными. В то же время, учет этих особенностей позволяет создавать оборудование, которое прекрасно работает. И радует то, что те, кому был сделан правильный расчет и корректная установка этого оборудования, довольны эксплуатацией и приобретают новые. Есть операторы, в сетях которых уже установлено до 350 систем (Vodafone). Стараются не отставать и отечественные операторы. В постоянной эксплуатации находятся системы в Москве, Санкт-Петербурге, Краснодаре, на Дальном Востоке, Сибири и Урале

8. Расчет инфракрасного канала

1. Релеевское рассеяние оптического сигнала в атмосфере

Энергетические потери оптического сигнала из-за аэрозольного и молекулярного (релеевского) рассеяния являются одним из главных факторов, определяющих искажение сигнала. Из теории молекулярного (релеевского) рассеяния света следует выражение для коэффициента рассеяния в газах:

 

(1)

 

, где 

N - число молекул в единице  объема;

n - показатель преломления среды; 

- длина волны излучения; 

- фактор деполяризации рассеянного  излучения, равный 0,035.

В таблице приводены значения коэффициентов  оптических толщ вертикального слоя всей атмосферы для различных длин волн, при температуре и давлении Па в приземном слое.

Table: Коэффициенты молекулярного рассеяния оптические толщи вертикального слоя всей атмосферы
, мкм	, км		, мкм	, км
0.30		1.2237	0.65		0.0499
0.32		0.9290	0.70		0.0369
0.34		0.7188	0.80		0.0215
0.36		0.5653	0.90		0.0134
0.38		0.4508	1.06		0.0072
0.40		0.3641	1.26		0.0034
0.45		0.2238	1.67		0.0011
0.50		0.1452	2.17		0.0004
0.55		0.0984	3.50		0.0001
0.60		0.0690	4.00		0.0000

Как видно из приведенной таблицы, энергетические потери инфракрасных (оптических) сигналов, обусловленные молекулярным рассеянием, могут быть определены с большой точностью, если известно распределение плотности по высоте. Обычно принято считать, что до высот 30 км. достаточно хорошо выполняется условие стандартной модели атмосферы, поэтому проблема количественной оценки указанных потерь считается решенной. На больших высотах плотность атмосферы может существенно изменяться в зависимости от места и времени, соответственно будут изменяться и коэффициенты молекулярного рассеяния. Однако при любом изменении мы всегда можем быть уверенными в том, что энергетическими потерями за счет релеевского рассеяния в инфракрасной области можно пренебречь.

2. Аэрозольное ослабление

Наиболее часто встречающиеся  в атмосфере аэрозоли представляют собой капли воды в жидком и твердом состояниях, объединяемые общим понятием-гидрометеоры (дождь, туман, снег и т.д.).

Ослабление энергии волны видимого и ИК-диапазонов объясняется тем, что волна наводит в каплях токи смещения. Кроме того, токи смещения являются источниками вторичного и рассеянного излучения, что также создает эффект ослабления в направлении распространения волны, причем в видимом диапазоне основные потери энергии создаются за счет явления рассеяния.

Аэрозоли - это нормальная составляющая атмосферы; у поверхности Земли ее содержание меняется от нескольких мкг/м в очень чистом воздухе, до величины более 100 мкг/м в загрязненной атмосфере. К аэрозолям в атмосфере относятся переносимые ветром частицы пыли и морской соли, продукты сгорания (сажа, пепел), конденсированные органические остатки и вещества, образующиеся в результате химических реакций в атмосфере, включая такие соединения, как сульфаты, нитраты, , , герпенты и т.п. Макрочастицы, в своем большинстве, удаляются из атмосферы в следствии гравитации, конденсации на частицах с последующим выпадением с дождем, а также за счет захвата выпадающими осадками.

Коэффициенты аэрозольного рассеяния  очень сильно зависят от размеров, химического состава и концентрации частиц аэрозоля, которые подвержены большой изменчивости во времени и пространстве.

Несмотря на то, что размеры, концентрация, химический состав частиц атмосферных  аэрозолей меняются в весьма широких  пределах, можно выделить некоторые  характерные типы аэрозолей (облака, туманы, дымки, осадки, пыль). С достаточной  для инженерных расчетов точностью можно сказать, что концентрация аэрозоля с ростом высоты до 10 км уменьшается.

3. Влияние молекулярного поглощения