
Телекоммуникационные системы и сети. Структура и основные функции. Том 1 / Содержание / Раздел 4. Линии связи / Тема 4.10. Атмосферная лазерная связь
- Раздел 1. Основы построения телекоммуникационных систем
- Тема 1.1. Місце систем телекомунікацій в інформаційній інфраструктурі сучасного суспільства
- Тема 1.2. Общая архитектура и задачи телекоммуникационных систем
- Тема 1.3. Классификация сетей, клиентов, операторов и услуг связи
- Тема 1.4. Краткая характеристика существующих телекоммуникационных технологий
- Тема 1.5. Требования к современным и перспективным ТКС
- Тема 1.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 2. Сети связи последующего поколения: архитектура, основные характеристики и услуги
- Тема 2.1. Определение и характеристика основных возможностей NGN
- Тема 2.2. Инфокоммуникационные услуги. Особенности услуг связи следующего поколения
- Тема 2.3. Многоуровневая архитектура и функциональный состав NGN
- Тема 2.4. Перспективы концепции NGN
- Тема 2.5. Контрольные вопросы и задания
- [→] Раздел 3. Стандартизация сетевых протоколов и телекоммуникационного оборудования
- Тема 3.1. Открытые системы и их взаимодействие
- Тема 3.2. Основные организации по стандартизации сетевых решений
- [→] Тема 3.3. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
- 3.3.1. Многоуровневый подход и декомпозиция задачи сетевого взаимодействия
- 3.3.2. Интерфейс, протокол, стек протоколов
- 3.3.3. Общая характеристика модели OSI
- 3.3.4. Физический уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.5. Канальный уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.6. Сетевой уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.7. Транспортный уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.8. Сеансовый уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.9. Представительский уровень. Функции и примеры протоколов
- 3.3.10. Прикладной уровень. Функции и примеры протоколов
- [→] 3.3.11. Деление ЭМВОС на сетенезависимые и сетезависимые уровни
- Тема 3.4. Стандартные стеки сетевых протоколов
- 3.4.1. Стек протоколов OSI
- 3.4.2. Стек протоколов TCP/IP
- 3.4.3. Стек протоколов IPX/SPX
- 3.4.4. Стек протоколов NetBIOS/SMB
- 3.4.5. Стек протоколов технологии Х.25
- 3.4.6. Стек протоколов технологии Frame Relay
- 3.4.7. Стек протоколов технологии B-ISDN и АТМ
- 3.4.8. Семейство протоколов DECnet
- 3.4.9. Сетевая модель DoD
- 3.4.10. Связь стандартов IEEE 802 с моделью OSI
- 3.4.11. Стек протоколов сетей следующего поколения
- Тема 3.5. Стандартизация сетевого оборудования
- Тема 3.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 5. Способы формирования групповых сигналов
- Тема 5.1. Краткая характеристика способов формирования групповых сигналов
- Тема 5.2. Способы формирования аналоговых групповых сигналов
- Тема 5.3. Способы формирования цифровых групповых сигналов
- Тема 5.4. Объединение синхронных цифровых потоков
- Тема 5.5. Объединение асинхронных цифровых потоков
- Тема 5.6. Объединение низкоскоростных потоков
- Тема 5.7. Кодовое уплотнение сигналов
- Тема 5.8. Виды сигналов в системах с кодовым разделением
- Тема 5.9. Технология спектрального уплотнения
- Тема 5.10. Формирование группового сигнала с использованием IP-технологий
- Тема 5.11. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 6. Методы доступа
- Тема 6.1. Общая характеристика методов доступа
- Тема 6.2. Методы решения конфликтов в алгоритмах доступа
- Тема 6.3. Модели и архитектура сети доступа
- Тема 6.4. Оптические технологии в сети доступа
- Тема 6.5. Методы использования физических ресурсов в сетях доступа
- Тема 6.6. Особенности использования пространственно-поляризационных параметров при радиодоступе
- Тема 6.7. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 7. Методы распределения информации
- Тема 7.1. Общие положения
- Тема 7.2. Системы распределения в сетях следующего поколения
- Тема 7.3. Системы коммутации каналов
- 7.3.1. Требования к системам коммутации ISDN
- 7.3.2. Структура узла коммутации каналов ISDN
- Принцип работы цифрового коммутационного поля типа ПВП
- 7.3.4. Общие требования к коммутационным системам в Ш-ЦСИО
- 7.3.5. Выбор коммутационной технологии для Ш-ЦСИО
- 7.3.6. Системы коммутации для АТМ
- 7.3.7. Архитектура и характеристики коммутационных систем на базе быстрой коммутации пакетов (БКП)
- Тема 7.4. Коммутационные системы в NGN
- Тема 7.5. Системы коммутации Ш-ЦСИО на базе асинхронного режима доставки (АТМ)
- Тема 7.6. Пропускная способность систем распределения информации
- 7.6.1. Основные положения пропускной способности систем распределения информации
- 7.6.2. Пропускная способность полнодоступного пучка с потерями простейшего потока вызовов
- 7.6.3. Пропускная способность полнодоступного пучка с потерями примитивного потока вызовов (потока ВОЧИ)
- 7.6.4. Расчет вероятности условных потерь и среднего времени ожидания при случайной продолжительности обслуживания
- 7.6.5. Поток с повторными вызовами
- Тема 7.7. Способы распределения нагрузки в сетях связи
- Тема 7.8. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 8. Системы синхронизации
- Тема 8.1. Виды синхронизации, их роль, место и задачи в современных цифровых системах связи
- Тема 8.2. Фазовая (частотная) синхронизация
- Тема 8.3. Тактовая (символьная) синхронизация
- Тема 8.4. Джиттер и вандер цифровых сигналов
- Тема 8.5. Цикловая (кадровая) синхронизация
- Тема 8.6. Сетевая синхронизация цифровой связи
- Тема 8.7. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 9. Системы сигнализации
- Тема 9.1. Виды и состав сигналов
- Тема 9.2. Классификация протоколов сигнализации
- Тема 9.3. Внутрисистемная сигнализация в ЦСК
- Тема 9.4. Особенности сигнализации в стыках V.5
- Тема 9.5. Абонентская сигнализация
- Тема 9.6. Оборудование сигнализации современных ЦСК
- Тема 9.7. Специфические особенности украинских систем сигнализации
- Тема 9.8. Методология спецификации и описания систем сигнализации
- Тема 9.9. Цифровая многочастотная сигнализация R2D
- Тема 9.10. Общеканальная система сигнализации № 7
- Тема 9.11. Сигнализация DSS1
- Тема 9.12. Сигнализация в корпоративных сетях
- Тема 9.13. Сигнализация в сетях с коммутацией пакетов
- Тема 9.14. Сигнализация в сетях B-ISDN/ATM
- Тема 9.15. Сигнализация в сети ІР-телефонии
- Тема 9.16. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 10. Технологии и протоколы управления в ТКС
- Тема 10.1. Содержание задач управления в сетях следующего поколения
- Тема 10.2. Подсистема управления услугами
- Тема 10.3. Подсистема контроля и управления сетью
- Тема 10.4. Подсистема сетевого управления на уровнях транспорта и доступа
- 10.4.1. Базовая архитектура управления на уровнях транспорта и доступа ТКС
- 10.4.2. Классификация и маркировка пакетов трафика
- 10.4.3. Управление интенсивностью трафика
- 10.4.4. Управление очередями на сетевых узлах
- 10.4.5. Маршрутизация: цели, основные задачи и протоколы
- 10.4.6. Сигнальные протоколы резервирования сетевых ресурсов
- 10.4.7. Функции управления канального уровня относительно обеспечения QoS
- 10.4.8. Уровни качества обслуживания и соответствующие им модели обслуживания
- Тема 10.5. Перспективы развития технологий сетевого управления
- Тема 10.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 11. Конвергенция в телекоммуникационных системах
- Тема 11.1. Конвергенция в ТКС: история, цели и задачи
- Тема 11.2. Виды конвергенции
- Тема 11.3. Примеры решений относительно конвергенции в системах телекоммуникаций
- Тема 11.4. Качество конвергентных услуг
- Тема 11.5. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 12. Методы обеспечения информационной безопасности объектов телекоммуникационной системы
- Тема 12.1. Основные термины и понятия в сфере информационной безопасности
- Тема 12.2. Основные подходы к обеспечению информационной безопасности
- Тема 12.3. Криптографическая защита информации
- Тема 12.4. Использование механизма электронной цифровой подписи
- Тема 12.5. Техническая защита информации
- Тема 12.6. Контрольные вопросы и задания
- Раздел 13. Электропитание телекоммуникационных систем связи
- Тема 13.1. Общие положения
- Тема 13.2. Системы электропитания предприятий электросвязи
- Тема 13.3. Типовое оборудование электроустановок предприятий электросвязи
- Тема 13.4. Дистанционное электропитание
- Тема 13.5. Источники бесперебойного питания (ИБП)
- Тема 13.6. Электромагнитная совместимость источников электропитания
- Тема 13.7. Перспективы развития электропитания ТКС
- Тема 13.8. Контрольные вопросы и задания
4.10.1. Атмосферная лазерная связь
Лінія оптичної атмосферної системи зв’язку між двома пунктами складається з двох приймально-передавальних пристроїв, розташованих у межах прямої видимості на обох кінцях лінії і спрямованих один на одного. У передавачі знаходиться генератор-лазер і модулятор його оптичного випромінювання переданим сигналом. Модульований лазерний промінь оптичної системи спрямовується у бік приймача. У приймачі випромінювання фокусується на фотоприймач, де виконується його детектування і виділення переданої інформації.
Схему одного з варіантів приймально-передавального пристрою атмосферної системи зв’язку з напівпровідниковим лазером подано на рис. 4.10.1.
Рис. 4.10.1. Схема приймально-передавального пристрою атмосферної системи зв’язку
Передавальна частина системи містить підсилювач електричних сигналів ЕП, генератор струму накачування ГСН, що виконує роль перетворювача напруги в струм і каскаду джерела випромінювання (лазера) ДВ. Оптичне випромінювання фокусується за допомогою антени.
Приймальна частина містить антену, фокусуючу випромінювання на приймальну площадку фотодіода. Каскад з фотодіодом ФД через погоджувальний каскад ПК підключений до підсилювачів ЕП1, ЕП2.
Живлення передавального і приймального пристрою здійснюється від блоку живлення БЖ.
Реальних схем таких систем існує багато.
Як джерела випромінювання можуть використовуватися лазери газові, на основі твердого тіла і напівпровідникові.
Детектування оптичного сигналу може здійснюватися за допомогою звичайних і лавинних фотодіодів, а також фотоелектронних перемножувачів.
В оптичних системах може застосовуватися стабілізація потужності оптичного випромінювання. Цифрові системи зв’язку містять також, як правило, порогові пристрої для регенерації прямокутних імпульсів з метою відновлення форми імпульсів.
Окрім зазначених основних вузлів, станція атмосферного лазерного зв’язку (АЛЗ) може бути забезпечена монокуляром — цілевказівником і пристроєм автоматизованого юстування. Разом з цим можуть бути передбачені системи термостабилізації, самодіагностики, індикації робочих параметрів тощо.
Поширення лазерного променя в атмосфері значною мірою залежить від метеоумов, від наявності диму, пилу й інших забруднень повітря. Крім того, в атмосфері спостерігаються турбулентні явища, що приводять до флуктуації показника переломлення середовища, коливань променя і перекручень прийнятого сигналу. Однак, незважаючи на зазначені проблеми, атмосферний лазерний зв’язок виявився цілком надійним на відстанях декількох кілометрів і особливо перспективним для розв’язання проблеми «останньої милі».
У перших АЛЗ використовувався гелій-неоновий лазер з довжиною хвилі випромінювання 0,63 мкм і потужністю декілька десятків міліват. Амплітудна модуляція здійснювалася модулятором на базі ефекту Поккельса, а фотоприймачем служив фотоперемножувач.
Сучасне значне поширення АЛЗ у багатьох країнах світу почалося, коли були створені недорогі напівпровідникові лазери потужністю в 100 мВт і більше. У цей же час виникла потреба в лазерному зв’язку, оскільки почали стрімко розвиватися інформаційні технології. Різко збільшується кількість абонентів, що вимагають надання таких телекомунікаційних послуг, як Інтернет, IP-телефонія, кабельне телебачення з великою кількістю каналів, комп’ютерні мережі тощо.
Переваги безпроводових ліній зв’язку очевидні: це економічність, не вимагаються земляні роботи; низькі експлуатаційні витрати; висока пропускна здатність і якість цифрового зв’язку; швидке розгортання і зміна конфігурації мережі; легке подолання перешкод — залізниць, річок, гір тощо.
На відміну від НВЧ оптичний діапазон цілком вільний, і його використання не вимагає узгодження частот. Він дозволяє забезпечити високу швидкість передачі інформації, її захист від несанкціонованого доступу, завадостійкість, низьке енергоспоживання. Тому найбільш повним розв’язанням проблеми «останньої милі» є передача інформації лазерним променем.
Поширення лазерного випромінювання в атмосфері супроводжується цілою низкою явищ лінійної і нелінійної взаємодії світла із середовищем. При цьому жодне з цих явищ не виявляється окремо. За суто якісними ознаками зазначені явища можна поділити на три основні групи: поглинання і розсіювання молекулами газів повітря, ослаблення на аерозолях (пил, дощ, сніг, туман) і флуктуації випромінювання на турбулентностях атмосфери. Коротко зупинимося на кожному з цих явищ.
Поглинання світлового потоку видимого й інфрачервоного діапазонів визначається, насамперед, молекулярним поглинанням, украй нерівномірним за частотою. Воно максимальне на резонансних частотах молекул повітря, води, вуглекислого газу, озону й інших компонентів атмосфери.
Існують ділянки спектра, де поглинання незначне. Вони називаються вікнами прозорості.
Якщо лазерне випромінювання потрапляє в центр сильної лінії спектра, то воно поглинається атмосферою на 100 % навіть на невеликій відстані. Тому для АЛЗ слід брати лазери з випромінюванням, що знаходиться на ділянках спектра атмосфери, зайнятих широкими вікнами прозорості чи в проміжках між слабкими лініями поглинання, у мікровікнах прозорості.
Окрім молекулярного поглинання поширенню променя заважає молекулярне розсіювання променистої енергії мікрозгустками молекул повітря, що мають різну щільність і різні показники заломлення.
Атмосфера являє собою механічну суміш з газів, пару, крапель рідини і твердих частинок. У ній завжди в змінній кількості присутні пил, дим, кришталики льоду. Тому атмосфера є аерозолем, склад якого безупинно змінюється через перемішування.
Усі типи атмосферних аерозолей можна об’єднати в такі основні класи: хмари, тумани, димки, наморозь і опади — дощ чи сніг. У хмарах і туманах найбільш імовірне значення радіуса частинок складає 5—6 мкм, а в димках на 1—2 порядки менше. Тому ослаблення мікронного випромінювання в димках нижче. При цьому характерно, що ослаблення оптичного сигналу при дощі та снігопаді менше, ніж при тумані (табл. 4.10.1).
Таблиця 4.10.1 Приклад ослаблень випромінювання в діапазоні 0,85 мкм залежно від погодних умов
Погодні умови
|
Загасання, дБ/км
|
Ясна погода | 0—3 |
Слабкий дощ | 3—6 |
Сильний дощ | 6—17 |
Сніг | 6—26 |
Легкий туман | 20—30 |
Густий туман | 50—100 |
Головними обмежувачами дальності АЛЗ є густий сніг і густий туман, для яких аерозольне ослаблення максимальне. На поширення лазерного променя значний вплив чинить також турбулентність атмосфери, тобто випадкові просторово-часові зміни показника заломлення, викликані пересуванням повітря, флуктуаціями його температури та щільності. Тому світлові хвилі, що поширюються в атмосфері, піддаються не тільки поглинанню, але і флуктуації переданої потужності.
Найпростішим способом боротьби із завмираннями є збільшення розміру приймальної оптичної антени чи використання декількох приймальних антен. При цьому відбувається усереднення флуктуацій випромінювання, прийнятого окремими елементами, і вирівнювання сигналу. Інший спосіб полягає в некогерентному додаванні в одному каналі випромінювання декількох лазерів.
При практичному використанні лазерів у системах атмосферного зв’язку необхідно враховувати сукупний вплив взаємодії випромінювання з атмосферою — одночасно поглинаючою, розсіюючою з випадково неоднорідним середовищем. Цей вплив може змінюватися в надзвичайно широкому діапазоні. Тому для забезпечення працездатності АЛЗ на заданій дистанції з визначеним рівнем надійності (чи доступності каналу) необхідно мати достатній динамічний запас енергетичного потенціалу.
Для характеристики взаємодії оптичної хвилі на основі аналізу зміни енергії випромінювання, що проходить крізь середовище, вводиться об’ємний коефіцієнт ослаблення αλ.
Коефіцієнт ослаблення можна представити як
αλ = σλ + kλ | (4.10.1) |
де σλ і kλ — об’ємні коефіцієнти розсіювання і поглинання відповідно. Ці коефіцієнти залежать від довжини (частоти) хвилі і розташування точки спостереження, але не залежать від напрямку випромінювання в ізотропному середовищі.
З огляду на наявність у спектрах молекулярного поглинання великої кількості окремих ліній поглинання, що виникають при переходах молекул з одного енергетичного стану в інший, сумарний коефіцієнт поглинання для конкретної молекули можна записати як
![]() | (4.10.2) |
де ki(ν) — коефіцієнт поглинання окремої i-ї спектральної лінії. Слід зазначити, що співвідношення, яке здається очевидним, насправді є наближеним. В основу співвідношення покладено припущення, що окремі спектральні лінії поглинання формуються незалежно одна від одної. Іншими словами, переходи молекул між різними енергетичними станами здійснюються незалежно. Насправді, як випливає із загальної теорії молекулярного поглинання в газах, це не зовсім так. Принцип адитивності особливо явно порушується, якщо відповідні лінії поглинання істотно перетинаються. Цей ефект у молекулярній спектроскопії називається інтерференцією спектральних ліній. В більшості випадків (для простоти) слід користуватися співвідношенням (4.10.2), не забуваючи, однак, про його приблизність, і використовувати більш строгий вираз для поглинання сукупності близько розташованих спектральних ліній в особливих випадках.
Якщо врахувати, що в атмосфері Землі присутня велика кількість різних атмосферних газів, то коефіцієнт молекулярного поглинання повітря слід записати як
![]() | (4.10.3) |
де індекс підсумовування k відповідає різним газам, що входять до складу повітря, а індекс i — окремим лініям кожного газу. Таким чином, загальний коефіцієнт молекулярного поглинання в атмосфері являє собою, у першому наближенні, суму коефіцієнтів поглинання в окремих лініях поглинання різних атмосферних газів.
Доступність лінії АЛЗ залежить від припустимого ослаблення потужності сигналу між передавачем і приймачем на заданій відстані між терміналами і від статистики розподілу максимальної видимості у місці установки лінії. Чим більший запас потужності системи, тим менше погодні умови впливають на працездатність лінії.
Системи АЛЗ можуть використовуватися не тільки на «останній милі» каналів зв’язку, але також як вставки у волоконно-оптичні лінії на окремих важкопрохідних ділянках; для зв’язку в гірських умовах, в аеропортах, між окремими будинками (органи керування, торгові центри, промислові підприємства, університетські містечка, лікарняні комплекси, будмайданчики тощо); при створенні рознесених у просторі локальних комп’ютерних мереж; при організації зв’язку між центрами комутації і базових станцій стільникових мереж; для оперативної прокладки лінії при обмеженому часі на монтаж. Тому останнім часом зростає інтерес виробників до цього нового і перспективного сектора ринку.
Технічні характеристики атмосферних ліній зв’язку наведені в табл. 4.10.2, 4.10.3.
Таблиця 4.10.2 Параметри сучасних багатоканальних АЛЗ
Виробник
|
Модель
|
Початкова потужність, мВт
|
Тип джерела випромінювання
|
Дальність зв'язку (при МДВ = 250 м), м
|
Примітка
|
PAV Data Systems | SkyCell 4E1-4000 |
300
|
Лазер
|
716
|
3 лазери
|
PAV Data Systems | SkyCell 4E1-2000 |
100
|
Лазер
|
592
|
|
НИИПП (Квантово-оптичні системи) | КС-300 (500) 4Е1 |
200
|
Лазер
|
614
|
4 лазери
|
НИИПП (Квантово-оптичні системи) | КС-210 4Е1 |
30
|
Лазер
|
468
|
|
Катарсис | БОКС Е2-ОС3 |
500
|
Світлодіод
|
544
|
|
Катарсис | БОКС Е2-700 |
250
|
Світлодіод
|
480
|
|
Державний Рязанський приладовий завод | МІСТ 100/500 |
160
|
Лазер
|
522
|
Вбудований
мультиплексор 4хЕ1 |
LaserBit Comms | LB 2500E2 |
280
|
Лазер
|
500
|
|
LaserBit Comms | LB 1200E2 |
140
|
Лазер
|
438
|
|
MRV Comms | TS-940/4E1 |
22
|
Лазер
|
480
|
|
MRV Comms | TS-707/4E1 |
8
|
Лазер
|
294
|
|
Sceptre (ОКБ МЕІ) | EasyLink 4 |
100
|
Світлодіод
|
424
|
|
ISONA Comms | Sonabeam 52M |
640
|
Лазер
|
776
|
|
ISONA Comms | Sonabeam 8E |
100
|
Лазер
|
580
|
|
LightPointe | FST 52/4000 |
16
|
Лазер
|
568
|
|
LightPointe | FST 52/1000 |
4
|
Лазер
|
342
|
Таблиця 4.10.3 Європейська космічна АЛЗ
Параметр
|
Значення
|
Робочі довжини хвиль, мкм |
0,81—0,87
|
Середня випромінювана потужність, мВт |
50
|
Швидкість передачі інформації, Мбіт/с/канал |
1—120
|
Діаметр антени геостаціонарного супутника, см |
35
|
Діаметр антени низькоорбітального супутника, см |
20
|
Динамічна помилка наведення, мкрад |
20
|
Статична помилка наведення, мкрад |
0,5
|
Імовірність помилкового прийому символу |
10−6
|
Розрахункова дальність зв'язку, км |
45000
|
Таким чином, зв’язок по лазерному променю через атмосферу на сьогодні забезпечує передачу великих обсягів інформації з високою надійністю на відстанях в одиниці кілометрів у земних умовах, а у космічному просторі на десятки тисяч кілометрів.