Влияние окружающей среды на качество беспроводной оптической связи

существенное сокращение объема передаваемой информации по сравнению с традиционной разверткой. Так, для ТВ формата 1080р (1920 пикселей в строке, 16:9 - отношение сторон, 24 кадра в секунду) предельные значения объемов информации отличаются более чем в 750 тысяч раз при передаче разверткой или способом пространственного совмещения однотонного фона; столь же многократны и соотношения скоростей передачи. Безусловно, рассчитать выигрыш в объеме и скорости передачи реальных подвижных изображений просто невозможно, поэтому в работе исследуются простейшие модели - вертикальные разноцветные полосы, вложенные друг в друга прямоугольники разного цвета, различные скорости обновления разных участков кадра. Кроме того, моделируются разные траектории опроса пикселей, способов их нумерации, применение равномерного и неравномерного кодов при передаче адресов пикселей. Все эти модели и способы передачи рассматриваются для 18 телевизионных форматов - от HDTV (телевидение высокой четкости -объем видеоинформации 49,8 Мбит, скорость битового потока 1493 Мбит/с) до малокадрового телевидения (объем видеоинформации 3,1 Мбит, скорость битового потока 77,5 Мбит/с). В рассматриваемых примерах объем видеопотока и скорость передачи отличаются в сотни и тысячи раз в пользу систем с пространственным совмещением, причем наибольшим выигрыш оказывается для высококачественных форматов.

В работе рассматривается лишь возможный подход к построению новой системы ТВ и не затрагиваются вопросы технической и программной реализации такой системы, хотя трудности, возникающие при ее реализации, не представляются автору непреодолимыми.

X

УДК 210.100.62 Г.А. Стеценко

СТЕЦЕНКО Георгий Алексеевич - студент кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: goha-bolshoy@mail.ru © Стеценко Г.А., 2012

Влияние окружающей среды

на качество беспроводной оптической связи

Предпринята попытка систематизировать воздействие окружающей среды на беспроводной оптический канал связи. Рассматриваются и оцениваются основные факторы среды, влияющие как на сами устройства (лазеры, фотодиоды), так и на канал связи - атмосферу.

Ключевые слова: оптический канал, лазер, атмосфера, беспроводной доступ, АОЛС.

Environmental influences on the quality of wireless optical communications. George A. Stecenko - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

This article describes the impact of the environment on the wireless optical channel of communication. I will review the main factors of the environment, affecting how the device - lasers, photodiodes, and on the communication channel - the atmosphere.

Key words: optical channel, laser, atmosphere, wireless Internet access, FSO.

Основные работы по созданию атмосферной оптической линии связи (АОЛС) начались с 1970-х годов. Результаты опытной эксплуатации АОЛС в течение трех лет показали, что коэффициент готовности (относительное время возможного использования) атмосферного канала при эксплуатации аппаратуры АОЛС составлял от 0,72-0,73 (28 км) до 0,96-0,97 (1,6 км). Основной причиной отказов были сильные туманы и, частично, сильные снегопады. Сегодня благодаря развитию техники удалось обеспечить практически бесперебойную работу канала АОЛС [2].

Работа канала связи АОЛС (ББО-системы) прежде всего зависит от климатических условий и физических характеристик места установки. В целом погодные условия и параметры установки, воздействующие на видимость, оказывают влияние и на качество связи ББО-системы. Типичная ББО-система работоспособна на расстоянии, в два-три раза превышающем расстояние прямой видимости в любых условиях окружающей среды.

Главные факторы, воздействующие на ее работу, - атмосферное поглощение, сцинтилляция, потери на оконных стеклах, наклоны или движение здания, солнечная засветка и перекрытие прямой видимости - описаны в [1].

Цель статьи: выявить основные уязвимости ББО-систем для их учета при проектировании подобных систем.

Факторы окружающей среды

Затухание в атмосфере. Ослабление в атмосфере обычно связывается с туманом, но может быть также вызвано низкой облачностью, дождем, снегом, различными частицами, находящимися в воздухе. Конкретные значения указаны в табл. 1.

Таблица 1

Зависимость затухания оптического сигнала от состояния погоды

Погода Затухание, dB/км

Ясно < 3

Дождь 6-10

Снег 6-10

Морось < 50

Туман 50-300

Сцинтилляция. Атмосферная сцинтилляция может быть определена как временное и пространственное изменение интенсивности излучения в плоскости приемника, который обнаруживает сигнал от удаленного передатчика. Уровень принимаемого сигнала колеблется в результате перепадов температуры воздуха на пути прохождения излучения. Эти изменения связаны с тем, что атмосфера воздействует на свет подобно ряду маленьких линз, которые отклоняют часть излучения, направляя его как наружу, так и внутрь канала передачи. Временной масштаб данных флуктуаций имеет порядок миллисекунд, что приблизительно равно времени, которое требуется объему воздуха, соразмерному с поперечным размером луча, чтобы пересечь линию связи, и, следовательно, определяется скоростью ветра [1].

Сцинтилляция может изменяться больше чем на порядок величины в течение дня, будучи максимальной в полдень, когда температура наиболее высока [2].

Некоторые эксперименты показали, что в зависимости от атмосферных условий на пути изучения амплитуда сцинтилляционных колебаний достигает максимума, который не возрастает с увеличением расстояния [2].

В целом сцинтилляция вызывает быструю флуктуацию принимаемой мощности и в самом плохом случае приводит к высокому уровню ошибок ББО-систем. Однако на расстояниях меньше 1 км большинство ББО-систем имеют достаточный динамический диапазон или запас, чтобы компенсировать воздействие сцинтилляции. Кроме того, ББО-системы, обеспечивающие 99,9% или лучшую доступность, обычно имеют достаточный запас, чтобы компенсировать сильное ослабление в атмосфере, и, таким образом, имеют более чем достаточный запас для компенсации сцинтилляции. Для больших дистанций связи с меньшим уровнем готовности существенное снижение влияния сцинтилляции может быть обеспечено конструктивными решениями приемопередатчиков, такими как использование нескольких лазерных передатчиков.

Потери на окнах. Одно из преимуществ ББО-систем - они позволяют осуществлять связь через окна помещений, без необходимости установки антенн на крыше. Это особенно выгодно для заказчиков, которые не имеют доступа на крышу здания, а также должны оплачивать монтаж необходимой аппаратуры [1].

Хотя окна пропускают оптический сигнал, они его ослабляют. Стеклянные окна без покрытий обычно уменьшают сигнал на 4% на каждой поверхности из-за отражения. Это означает, что совершенно чистое окно с двойным стеклом уменьшает уровень всех оптических сигналов по крайней мере на 15% (четыре поверхности, каждая с отражением 4%). Окрашенные стекла и стекла с покрытием могут иметь намного большее ослабление, и его величина обычно сильно зависит от длины волны [2].

Для установки ББО-систем с высоким уровнем доступности внутри помещений рекомендуется предварительно провести измерения фактического ослабления окон, что позволит точно рассчитать качество связи. Кроме того, при планировании инсталляции на высоких зданиях необходимо соотносить влияние низкой облачности на систему, установленную на крыше, с уменьшением уровня сигнала, вызванным поглощением в окне, расположенным значительно ниже. Во многих случаях ослабление окна может иметь меньший эффект на доступность линии связи.

Юстировка. Одна из основных проблем ББО-систем - поддержание заданного направления оси приемопередатчика, передающего узконаправленные пучки излучения, которые должны попадать в приемную апертуру приемника на противоположном конце линии связи. Типичный приемопередатчик передает один

или несколько световых пучков, каждый составляет 5-8 см в диаметре непосредственно на передатчике и обычно расширяется примерно до 1-5 м в диаметре на расстоянии 1 км [1].

В добавление к этому ББО-приемники имеют ограниченный угол зрения, который может быть представлен как «конус приема» приемника и подобен конусу света, проецируемому передатчиком.

Для работы ББО-системы очень важно согласование передаваемого пучка и угла зрения приемника с теми же параметрами приемопередатчика на противоположной стороне линии связи.

Несмотря на общепринятые представления, здания фактически находятся в постоянном движении. Это движение - результат ряда факторов, включая тепловое расширение, влияние ветра, а также вибрации. Из-за узкой направленности излучения и ограниченного угла зрения приемника движение зданий может влиять на юстировку приемопередатчика и нарушать связь. Это влияние обычно упоминается как «движение опоры». В большинстве случаев угловые движения (по азимуту и склонению), в противоположность прямолинейному движению, составляют основную проблему для юстировки приемопередатчика. Движение опоры обычно классифицируется как низко-, средне- и высокочастотное. Низкочастотное - это движение с периодом колебаний от минут до месяцев, определяется суточными и сезонными колебаниями температуры. Средне-частотное движение имеет период масштаба секунд и связано с движением зданий под воздействием ветра. Высокочастотные колебания с периодом меньше чем 1 с, обычно называемые вибрацией, вызываются работой крупного оборудования (например, больших вентиляторов), деятельностью человека (ходьба, закрытие дверей). Каждый из перечисленных типов колебаний обсужден более подробно ниже [2].

Низкочастотные колебания. Температурные градиенты приводят к изгибу и скручиванию зданий. Амплитуда этих деформаций очень сильно зависит от размеров зданий, их формы и конструкции. Это движение настолько малое и медленное, что незаметно для жителей зданий. Была показана корреляция между низкочастотным движением и ежедневными температурными изменениями. Как и ожидалось, отклонение имеет тенденцию к увеличению с высотой здания и может быть существенно для оборудования, установленного на крыше, даже для невысоких зданий. Кроме того, отмечено, что данные отклонения влияют больше на углы возвышения, чем на азимутальные углы [1].

Колебания средних частот. Данные виды колебаний вызываются ветром и могут быть весьма существенны для высоких зданий. К счастью, устойчивость зданий при сильных ветрах - обычно основная цель при проектировании небоскребов. Таким образом, данные колебания могут быть вызваны только очень сильным ветром и, вероятно, только на высоких зданиях. Прерывание связи у ББО-систем по данной причине будет кратковременным, поскольку, когда прекращается порыв ветра, здание возвращается в исходное положение. Приемопередатчики с достаточно широким пучком, а также достаточно эффективной системой автоматического наведения и слежения способны компенсировать даже эти редкие и сильные отклонения без прекращения связи [1].

Высокочастотные колебания. Высокочастотные колебания вызываются вибрацией, имеют частоту выше нескольких герц и сильно зависят от способа установки терминала ББО. Установка на этаже, стене или крыше (т.е. на поверхности кровли или парапетной стенки) может дать различные уровни колебаний [1].

Исследования показывают большой разброс в амплитудах вибрации различных строений. Кроме того, величина вибрации зависит от действий жителей (например ходьба, закрытие дверей) и может сильно меняться в течение некоторого времени для одного здания. Интересно отметить, что почти все интегрированное движение находится в пределах полосы частот ниже 10 Гц.

Измерения показали, что максимум углового отклонения из-за вибрации с частотой выше 1 Гц редко превышает 1 мрад и во многих случаях редко приближается к половине этого значения. Однако установка оборудования должна быть тщательно спланирована таким образом, чтобы не усиливать колебания, испытываемые ББО-терминалом.

Влияние солнца. В ББО-системах используются высокочувствительный приемник в сочетании с линзами большой апертуры. В результате естественное освещение может потенциально воздействовать на прием сигнала. Это особенно сказывается в случае высокой интенсивности фонового излучения за счет солнечных лучей. В некоторых случаях прямое солнечное излучение может вызвать перерывы связи на период до нескольких минут, когда Солнце попадает в поле зрения приемника. Однако такие ситуации легко предсказуемы. В том случае, когда не удается избежать прямой засветки, работа системы может быть улучшена за счет сужения угла зрения, а также применения узкополосных световых фильтров. Важно также помнить о возможном воздействии солнечных лучей, отраженных от различных стеклянных поверхностей [1].

Ухудшение связи из-за колебаний опоры. Движение опоры может вызывать прекращение связи двумя способами: за счет увеличения геометрических потерь при ошибке прицеливания и/или большими потерями на поглощение в приемной системе, вызванными неверным наведением. Геометрические потери - это

оптические потери на пути от апертуры передатчика в апертуру приемника. Ошибки наведения лазерного луча в приемную апертуру противоположного терминала (пространственный угол связи) увеличивают геометрические потери. Потери на приемнике - это отношение мощности сигнала в плоскости приема к мощности, которая попадает в активную зону приемника. Потери данного типа растут по мере смещения пятна принимаемого излучения от центра приемника и могут выражаться как ошибка наведения. Когда эта ошибка наведения достигает величины, равной половине угла зрения приемника, эти потери резко возрастают [1].

Имеются два подхода к компенсации влияния колебаний опоры: системы без наведения и системы с автоматическим определением направления и наведением. При проектировании системы без наведения стремятся оптимизировать угол расходимости передатчика для уменьшения геометрических потерь и согласования с углом зрения приемника, чтобы отработать движение опоры. Системы с автоматическим наведением (автотрекингом) могут в значительной степени компенсировать колебания опоры до того, как они скажутся в ошибках наведения. Это дает возможность свести к минимуму геометрические потери (за счет узконаправленных передатчиков), а также потери на приеме (даже при малых углах зрения приемника). В связи с тем что системы с автотрекингом значительно более сложны и дорогостоящи, выбор между ними и системами без автонаведения заставляет пользователя выбирать между качеством связи и стоимостью решения.

В целом ошибки наведения и прицеливания должны определяться комбинированным движением опоры (как описано выше) с использованием таких критериев, как исходное поле ошибок отклонения (для систем без автонаведения), ошибки соосности и тепловой дрейф.

В табл. 2 приведены бюджеты ошибок наведения и слежения для ББО-терминалов без автонаведения и с ним. Движение опоры, которое должно быть компенсировано системой наведения, рассматривается как функция от частоты перемещения опоры. Колебания разных частот не являются независимыми. Следовательно, бюджет, напрямую добавляемый к компонентам движения опоры, можно использовать как увеличение низкочастотных колебаний при малом уровне колебаний средней и высокой частоты.

Таблица 2

Бюджет ошибок наведения и слежения для FSO-терминалов [2]

Источник ошибок Ошибки наведения Ошибки слежения

без автотрекинга с автотрекингом без автотрекинга с автотрекингом

Исходная расстройка 0.2 Отсутствует 0.2 Отсутствует

Несооснось приемника и передатчика 0.2 0.05 Отсутствует Отсутствует

Температурный дрейф 0.1 0.02 0.1 0.02

Низкочастотные колебания 1.5 0.01 1.5 0.01

Колебания средней частоты 0.5 0.02 0.5 0.02

Высокочастотные колебания 0.5 0.05 0.5 0.05

Всего 3 0.15 2.8 0.1

Перечисленные виды нестабильности опоры можно ввести в своего рода правила, позволяющие оценить, в каких случаях возможно влияние данных факторов.

• Низкие (до 3 этажей) каменные здания обычно движутся меньше, чем высокие здания или деревянные сооружения.

• Перемещение приемопередатчика может быть более существенным, чем движение здания.

• За годовой период здания отклоняются: более чем на 4 мрад - менее 15%; более чем на 6 мрад - менее 5%; более чем на 10 мрад - менее 1%.

Подводя итог, отметим, что, несмотря на множество влияющих факторов, на сегодняшний день прогресс в разработках позволяет использовать БОЛС практически в любых условиях, в основном благодаря применению гибридных технологий (оптика+радио), а также технологии увеличения мощности передачи, жертвуя при этом скоростью. Так как оптический диапазон сейчас очень активно осваивается, стоит ожидать в этой области большого числа инноваций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Блум C., Шустер Дж. Принципы работы FSO-систем // J. of Optical Networking. 2003. Вып. 2. С. 178-200. URL: http:// www.moctkom.ru/articles/fso-osa/fso-osa.htm (дата обращения: 01.06.2012).

2. Кулик Т.К., Прохоров Д.В., Сумерин В.В., Хюппенен А.П. Особенности применения оптических линий связи // Лазер-информ. 2001. Вып. 9-10. С. 216-217.