Реферат по теме

«Лазерные системы передачи данных»

Введение

Технология FSO (Free Space Optics, атмосферная оптическая связь, АОЛС, АОЛП, беспроводный оптический канал связи (БОКС) – это способ беспроводной передачи информации в коротковолновой части электромагнитного спектра. В ее основе лежит принцип передачи цифрового сигнала через атмосферу (или космическое пространство) путем модуляции излучения в нелицензируемом диапазоне длин волн (инфракрасном или видимом) и его последующим детектированием оптическим фотоприемным устройством. Импульс светового излучения при прохождении в атмосфере практически не испытывает дисперсионных искажений фронтов, характерных для любых оптических волокон. Это принципиально позволяет передавать поток данных со скоростями до террабит в секунду. К основным преимуществам такого способа передачи информации можно отнести: высокие скорости передачи (которые невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий), простота инсталляции, а также отсутствие необходимости платить за использование частотного диапазона. В настоящее время технология обеспечивает передачу цифровых потоков до 10 Гбит/с, что позволяет:

• • решать проблемы «последней мили» при высокой защищенности канала связи,
• • развивать городские сети передачи данных и голоса (MAN),
• • развивать решения WDM (волновое мультиплексирование) для сетей SONET/SDH.

Современное состояние FSO технологии (беспроводной оптической связи) позволяет создавать надежные каналы связи на расстояниях от 100 до 1500-2000 м в условиях атмосферы и до 100 000 км в открытом космосе, например для связи между спутниками. Являясь альтернативным решением по отношению к оптоволокну, атмосферные оптические линии передачи данных (АОЛП) позволяют сверхоперативно сформировать беспроводный оптический канал связи (мобильные системы с автонаведением обеспечивают установление связи за 10-15 минут) при значительно меньших затратах

1. АОЛС – технология будущего

«Атмосферные Оптические Линии Связи (АОЛС) можно смело назвать системами нового века! Радиочастотный диапазон, увы, не бесконечен, коммуникации мегаполисов становятся все более сложными для прокладывания оптоволоконных и проводных линий – человечеству приходится находить все новые, более совершенные и удобные способы передачи информации…

АОЛС, или, в английском варианте, FSO (Free Space Optics) – вид связи, получивший свое развитие и коммерческое применение в конце 90-х годов XX века в результате объединения лазерных и телекоммуникационных технологий. Использование инфракрасного оптического диапазона для передачи данных открыло широкие возможности для проектировщиков систем связи, нуждающихся в максимальной оптимизации процесса передачи информации как с технической, так и коммерческой сторон. Оптическая связь нашла свое основное воплощение в виде оптоволоконных и атмосферных систем, каждая из которых имеет свои достоинства, особенно в условиях современных мегаполисов. Информационная революция, начавшаяся в конца двадцатого века, продолжается; все более сложные технические решения применяются в новых технологиях, требующих все новых и новых ресурсов. Что такое крупный информационный город сегодня? Это сложная инфраструктура, состоящая из государственных служб, корпоративных и частных пользователей, операторов связи и других образований, нуждающихся в постоянном обмене информацией.
Большинство из них используют радиочастотный диапазон, спрос и цена на который с каждым годом только увеличиваются. Разрастаются города, строятся новые учреждения, улицы теперь все чаще представляют собой сложные коммуникационные сооружения. Чтобы в городе осуществить какое-либо мероприятие по вмешательству в ландшафт или структуру, например, прокладку кабеля, требуется затратить немало усилий и денег.
Возникает вопрос: «что делать?». Атмосферные Оптические Системы позволяют решить этот и многие другие вопросы.
Лазерные системы передачи данных работают в инфракрасном диапазоне спектра. К настоящему моменту не существует никаких ограничений на его использование, что исключает процесс согласования с радиочастотным и регулирующим органом. На момент зарождения и в первые годы эксплуатации FSO наблюдалось некое недоверие к данным системам из-за особенности среды распространения – атмосферы. Зачастую подвергалась сомнению доступность канала связи при различных атмосферных условиях, например, осадках, имеющих существенное влияние на инфракрасный спектр. Но, как показывает практика, основные причины возникновения таких ситуаций кроются в неверных расчетах характеристик оптических каналов и завышении показателей дальности работы в целях получения дополнительной прибыли. При правильном подходе и соблюдении всех требований к эксплуатации современные системы обеспечивают уровень доступности 99,9% , а показатели битовых ошибок составляют 10-12.

Благодаря особенностям среды распространения, атмосферные оптические системы имеют минимальное время развертывания относительно других решений, предназначенных для аналогичных целей. Для организации канала связи достаточно получить разрешение владельцев зданий, на которые можно установить приемо-передающее оборудование, и произвести необходимые настройки, после чего система готова к эксплуатации.

Важным качеством АОЛС является возможность быстрой модернизации системы. Технология FSO не стоит на месте, передающие модули постоянно обновляются. Сегодня уже созданы системы со скоростью передачи данных 2,5 Гбит/с, тогда как РРЛС имеют жесткую привязку к ширине выделенной полосы частот, поэтому скорости передачи в несколько гигабит на современном уровне развития не доступны. Более того, можно сказать, что технология радиосистем близка к своим предельным возможностям. Рассмотрим особенности модернизации на примере продукции компании PAV Data, являющейся лидером в области производства систем FSO для операторов и корпоративных пользователей. В системах предусмотрена возможность замены приемо-передающего модуля на оптическом блоке, что позволяет расширять возможности оборудования.

Рассмотрим типичную ситуацию: связь между офисами осуществляется посредством 2Мбит/с потока E1, т.е. изначально с расчетом на несколько телефонных линий. Возникает потребность связи с удаленным сервером со скорости 10 Мбит/с. Что делать? Закупать РРЛС, получать частоты, тянуть оптику? Дорого, и, главное – долго. Достаточно заменить внутренний модуль прямо на месте установки оборудования, при необходимости провести корректировку оптического канала, и вы продолжаете работать, но уже на других уровнях. Финансовые и временные затраты минимальны! Далее компания расширяется, и теперь 10 Мбит/с уже недостаточно, необходим канал100Мбит/с. Нет проблем, меняется тот же модуль на более скоростной FastEthernet, и так до 1 Гбит/с. Кроме того, уже есть системы, работающие на скоростях от 2 Мбит/с до 155 Мбит/с – без изменений в составе оборудования!

Для операторов связи принцип наращивания пропускной способности тот же. Без демонтажа оптических блоков, только путем замены приемо-передающих модулей канал E1 легко модернизируется до 2 или 4E1.
Проведем сравнительный анализ АОЛС с классическими оптическим и медным кабелями. Традиционно проводной вид связи считается самым надежным и доступным. Действительно ли это так? На Западе, в условиях крупного мегаполиса, где права собственника соблюдаются неукоснительно, стоимость организации проводного канала между двумя зданиями может достигать $200-300 тыс. В Москве эта цифра, конечно, ниже, но такая ситуация сохраняется благодаря наличию старых телекоммуникационных «колодцев», которые практически исчерпали свой ресурс, и в ближайшем будущем о них придется забыть. Организационная сторона этого вопроса отнимет достаточно много времени, а именно 2-3 месяца в лучшем случае, и потребует немалых финансовых затрат. Тогда как установка комплекта PAV Data Systems займет 2, максимум 3 дня. По расчетам специалистов, по надежности проводной и АОЛС каналы имеют практически одинаковые показатели. Повреждение коммуникаций в результате строительных работ и грызунами приравнивается к влиянию атмосферных и температурных изменений.

Рассмотрим ситуацию, когда высокая скорость передачи не требуется, а среда распространения – атмосфера. При передаче данных на частотах более 23 ГГц посредством РРЛС так же, как и в случае с FSO, необходимо соблюдать условие прямой видимости, при этом атмосферные осадки, особенно дождь, оказывают сильное влияние на доступность канала и дальность связи. В итоге линия связи ограничена дистанцией 3-5 км на частотах около 38 ГГц. В свою очередь, на более длинных волнах для увеличения дистанции приходится увеличивать высоту расположения антенн.

Следующий момент – это расположение радиолинии. Ее ориентация в пространстве по отношению к аэропортам, воинским частям и другим специальным объектам имеет ограничения и требует согласования. В современных городских условиях это часто оказывается трудновыполнимым условием. Оборудование FSO не имеет таких строгих условий по инсталляции. Типично размещение систем на крыше, за окном, на мачте и даже в офисе на подоконнике.

Можно перечислить еще ряд преимуществ технологии FSO, но ясно одно: атмосферные оптические системы передачи данных – это простое, эффективное, современное и перспективное решение проблемы «последней мили». И если вы все равно остаетесь поклонником классических каналов связи, АОЛС поможет ликвидировать проблемный участок на время строительных работ кабельных каналов или период получения необходимых разрешений». http://www.optica.ru/" rel="external">http://laseritc.ru/?id=93, http://www.optica.ru/

2.БОКС – устройство для создания беспроводных оптических каналов связи

«Вычислительные сети предприятий в нашей стране развиваются все более быстрыми темпами. Поэтому любая компания рано или поздно вынуждена решать две основные проблемы – модернизации существующей сети в сторону увеличения мощности всех ее компонентов (рабочих станций, активного и сетевого оборудования) и реорганизации обработки информации. Задача объединения в единую сеть нескольких подразделений (склад, головной офис, удаленный офис, бухгалтерский отдел, конструкторское бюро и т.д. и т.п.) зачастую возникает не сразу, а решать ее начинают лишь тогда, когда разрозненная обработка информации приводит к потере времени и становится экономически невыгодной. Помимо закупки и установки активного сетевого оборудования необходимо организовать линии связи между подразделениями, для чего обычно используется медный или оптический кабель. Однако его прокладка часто влечет за собой дополнительные затруднения – необходимо получить разрешение на прокладку кабеля, особенно в городских условиях, а затем потратить много средств и времени на создание новых коммуникаций. При этом зачастую существующие линии связи уже не могут справиться с дополнительным трафиком, а получить в аренду телефонные линии от оператора нет возможности, либо качество связи по арендованным линиям очень плохое.
Поэтому в ряде случаев выгоднее и удобнее оказывается использовать беспроводные соединения. Более того, они незаменимы там, где прокладка кабеля физически или технически невозможна. Сегодня решения на базе беспроводного доступа предлагают почти все крупные системные интеграторы. Как правило, речь идет о радиодоступе (RadioEthernet). При построении беспроводных сетей используется сотовая, спутниковая и пакетная радиосвязь; беспроводные мосты; радиоинтерфейсы; лазерная связь и другие технологии и устройства. Для соединения отдельных ЛВС могут использоваться оптические линии, работающие в инфракрасном участке спектра.
В общем случае применение беспроводных оптических каналов связи (БОКС) целесообразно при решении следующих задач:

• • создания основного и/или резервного канала связи;
• • объединения нескольких локальных вычислительных сетей;
• • решения проблемы «последней мили»;
• • в аварийной ситуации, когда необходимо быстрое развертывание связи;
• • организации связи типа «точка-точка» при максимальном удалении между «точками» до 1 км;
• • создания магистральных каналов;
• • организации доступа к общим и ведомственным сетям передачи данных или для доступа в Интернет.

Наиболее типичный случай применения оптических каналов связи – это создание беспроводных соединений между отдельными зданиями, разделенными преградами: дорогами, площадями, железнодорожной полосой, водной преградой, промышленной зоной и т.д.
Для кого представляют интерес такие решения? Потенциальными заказчиками могут быть предприятия:

• • расположенные в нескольких отдельно стоящих зданиях на расстоянии до 1 км друг от друга;
• • имеющие интенсивный трафик данных, несколько локальных вычислительных сетей и удаленных терминалов;
• • предъявляющие повышенные требования к надежности функционирования всей сети;
• • решающие задачу распределенной обработки информации в единой корпоративной сети.

К преимуществам беспроводных оптических каналов связи можно отнести сравнительно низкую стоимость оборудования, высокую скорость (до 10 Мбит/с) и надежность передачи информации. Такие каналы обладают повышенной устойчивостью к помехам и работают в любых погодных условиях (снег, дождь и т.д.). На организацию беспроводной связи не требуется разрешения органов Госсвязьнадзора. Сроки установки и ввода системы в эксплуатацию минимальны – от 2 до 3 ч (см. табл. 1). Компактность и малый вес существенно облегчают как установку, так и демонтаж системы. Следует оговориться, что при установке системы, несмотря на малые сроки, нужен определенный навык. Поэтому лучше обратиться к специалистам, которые сумеют выполнить все требования, предъявляемые к монтажу, и будут нести ответственность за работу системы.
Спектр БОКСов достаточно широк и подходит для большого круга задач. Характеристики некоторых устройств, предлагаемых на российском рынке, приведены в табл. 2. В частности, петербургская компания «Акрополис» http://www.acropolis.ru устанавливает устройства БОКС отечественного производителя «Катарсис», показавшие хорошую надежность и возможность эксплуатации практически в любых погодных условиях. В настоящий момент «Акрополис» предлагает три модели, предназначенные для замены кабельных соединений в локальных сетях стандарта Ethernet 802.3 (10Base-T). Это БОКС-10МЛ (рабочая дистанция до 250 м, 10 Мбит/с, симплекс), БОКС-10М (рабочая дистанция до 500 м, 10 Мбит/с, симплекс) и БОКС-10МПД (рабочая дистанция до 1000 м, 10 Мбит/с, дуплекс). Кроме того, выпускается еще около десяти моделей, рассчитанных на рабочие расстояния от 0,5 до 3 км и скорость передачи от 64 Кбит/с до 100 Мбит/с, в том числе и для передачи потоков Е1 на расстояние до 2 км. Это оборудование можно использовать в цифровых системах передачи типа ИКМ-30, распространенных в российских телефонных сетях. Отметим еще, что теоретическое (расчетное) расстояние превышает рабочее в три раза.
Базовое изделие семейства – БОКС-10М предназначено для создания канала передачи данных стандарта Ethernet. Оно состоит из двух одинаковых приемопередатчиков (оптических труб), устанавливаемых на обеих сторонах канала связи. Каждый блок состоит из приемопередающего модуля, козырька, интерфейсного кабеля (длиной 5 м), системы наведения, кронштейна, блока питания и блока доступа.
Приемопередающий модуль включает передатчик остронаправленного оптического излучения ИК-диапазона (состоящий из инфракрасного полупроводникового светодиода) и приемник – высокочувствительный светодиод. Светодиоды работают на длине волны 0,87 мкм». http://www.connect.ru/article.asp?id=5610,http://www.connect.ru/article.asp?id=5081

«Рассмотрим процесс передачи данных с использованием оптического канала (рис. 1). Электрический сигнал с порта Ethernet поступает по интерфейсному кабелю на передатчик, где светодиод преобразует его в ИК-излучение, которое проходит через светоделительное устройство и фокусируется объективом в узконаправленный луч. Пройдя через атмосферу, часть излучения попадает на объектив другого приемопередатчика, фокусируется и светоделительным устройством подается на приемник. Приемник преобразует ИК-излучение в электрический сигнал, который по интерфейсному кабелю поступает на порт Ethernet. Источник питания обеспечивает работу передатчика, приемника, блока индикации и системы предотвращения запотевания/обледенения объектива.

Надежность передачи достигается в первую очередь за счет правильного наведения и энергетического запаса. При правильном наведении энергетический запас системы должен быть четырехкратным для моделей БОКС-10МЛ и БОКС-10М (иными словами, закрывая 4/5 линзы объектива, мы имеем надежный 100%-ный канал при хорошей погоде). Модель БОКС-10МПД имеет 16-кратный энергетический запас. В этом случае доступность канала в течение года будет составлять 99,7-99,9%. Чем выше энергетический запас системы, тем выше надежность канала, которая в идеальном случае достигает 99,99%.
Кроме того, надежная работа системы обусловлена методом доступа к среде передачи CSMA/CD, используемым в сетях Ethernet. Любая коллизия – ухудшение погодных условий или появление кратковременной преграды приводит к повторной передаче пакета на физическом уровне, но даже если случится так, что коллизия не будет услышана (это возможно, например, в моделях БОКС-10МЛ и БОКС-10М из-за того, что время переключения с приема на передачу, конечно, и равно 4 мкс) и пакет будет потерян, то протоколы более высокого уровня, работающие с гарантией доставки, отследят это происшествие, и запрос будет повторен.
Соединение через атмосферу никогда не дает 100%-ной гарантии наличия связи, поэтому возможно, что, например, в плохих погодных условиях (сильный снежный заряд, очень плотный туман, мощный ливень и т.д.) канал не будет работать. Но в этом случае прекращение связи будет временным, и после улучшения условий связь сама восстановится. Чтобы уменьшить вероятность потери связи по метеоусловиям, необходимо ставить модели с большей рабочей дистанцией, что повышает энергетику светового потока и, как следствие, надежность системы в целом.
Еще одно условие надежной и стабильной работы системы – совпадение центра геометрического пятна освещенности передатчика с центром объектива приемника. Ветровые нагрузки, а также механические и сезонные колебания опоры могут вывести систему из зоны пятна освещенности, в результате чего связь исчезнет. Вся конструкция систем и размер пятна освещенности от передатчика согласованы таким образом, чтобы вероятность потери связи из-за вышеперечисленных причин была сведена к минимуму. При наведении решается следующая геометрическая задача: из точки, полученной при грубом наведении, требуется переместить систему в геометрический центр пятна освещенности от светового потока излучателя, окончательно зафиксировав систему наведения в этом положении. С помощью стандартной системы наведения эта задача решается за 35 – итераций».

«Приемопередатчики можно устанавливать на поверхности крыш или стен. БОКС монтируется на металлической опоре, которая позволяет регулировать угол наклона по горизонтали и вертикали. Приемопередатчик подключается через специальный блок доступа, в качестве соединительных кабелей обычно используют витую пару категории 5 (UTP). Со стороны оптического канала блок доступа соединяется с приемопередатчиком интерфейсным кабелем, в качестве которого используется обычная витая пара, снабженная специальными разъемами. С другой стороны блок доступа соединяется с компьютером или сетевым устройством (маршрутизатором или коммутатором).
Блок доступа и блок питания приемопередатчика всегда устанавливают внутри помещения рядом друг с другом. Их можно крепить на стене или размещать в таких же стойках, какие используются для оборудования ЛВС.
Для надежной работы необходимо учесть следующие рекомендации:

• • здания должны находиться в пределах прямой видимости (на всем пути луч не должен встречать непрозрачных препятствий);
• • лучше, если устройство будет находиться как можно выше над землей и в труднодоступном месте;
• • при установке системы следует избегать ориентации приемопередатчиков в направлении восток – запад (такое специфическое требование объясняется достаточно просто: солнечные лучи на восходе или закате могут на несколько минут перекрыть излучение, и передача прекратится);

вблизи от места крепления не должно быть моторов, компрессоров и т.д., поскольку вибрация может привести к сдвигу трубы и разрыву соединения». http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=6562

«Длина наиболее простого типа соединения – «точка-точка» варьируется в зависимости от конкретной модели оборудования. При создании такого соединения следует всегда выбирать трассу таким образом, чтобы исключить появление в будущем непреодолимых препятствий (например, нужно учитывать рост деревьев). Приемопередатчики можно устанавливать как на крыше здания, так и на стене. В зависимости от типа решаемой задачи могут использоваться схемы «точка доступа» и «магистраль». На практике наиболее распространена комбинированная схема. Она позволяет моделировать коммуникационную инфраструктуру в соответствии с решаемой задачей, целесообразностью, ценой и эффективностью. В умелом применении всех способов и технологий и заключается искусство системной интеграции». http://www.micromax.ru/about/faq/faq4.shtml#1

«В практике петербургской компании "Компьютерные системы Акрополис" есть опыт применения БОКСов для объединения в единую корпоративную сеть вычислительных средств предприятия ОАО "Пивоваренная компания Тульское пиво". Этот проект показал, что оборудование стабильно работает в условиях прямой видимости соединяемых объектов на расстояниях до 500 м (модель БОКС-10М) и до 1000 м (модель БОКС-10МПД). Надежная связь при этом обеспечивается практически в любых погодных условиях. Канал позволяет обмениваться данными на скоростях 10 Мбит/с (комплект 10М) или 20 Мбит/c (для 10МПД). Качество связи аналогично тому, что имеет место при использовании обычного медного или оптоволоконного кабеля.
В целом решение об установке ИК-оборудования для организации корпоративной сети пивоваренного завода позволило снизить общую стоимость проекта (включая стоимость оборудования и проделанных работ) на 60-70%».

Скорость передачи информации - 10 Мбит/с
Режим передачи Полудуплексный, по стандарту IEEE - 802.3
Рабочая дистанция - до 500 м
Режим работы - Непрерывный
Вероятность возникновения ошибки - Менее 10-9
Время наработки на отказ - Не менее 100 000 ч
Источник излучения - Инфракрасный светодиод
Приемник - Высокочувствительный фотодиод
Интерфейс - Ethernet 10Base-T
Импеданс интерфейсного кабеля UTP 5cat - 100 Ом

Заключение

«Связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и наиболее просто и эффективно решает проблему "последней мили".
Системы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес к этому виду связи».http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=6562

Список используемой литературы

1. Что такое атмосферные оптические линии связи (электронный ресурс)\\ ЛАЗЕРНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ (сайт) URL: http://laseritc.ru/?id=93 (дата обращения 20.05.2011)
2. A C R O P O L I S C o m p u t e r S y s t e m s (электронный ресурс)\\ Новости в мире компьютерных технологий (сайт) URL: http://www.acropolis.ru/News (дата обращения 20.05.2011)
3. БОКС - устройства для создания беспроводных оптических каналов связи (электронный ресурс)\\ BYTE РОССИЯ (сайт) URL: http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=6562 (дата обращения 20.05.2011)