Качество функционирования оптоэлектронного атмосферного канала передачи информации в вычислительных сетях

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

[1] уже предпринимались. Однако совершенно ясно, что окончательно природа данного фактора, действующего на воду, будет выяснена тогда, когда лабораторные установки позволят не только регистрировать, но и создавать это «проникающее излучение».

Проведенное в настоящей работе экспериментальное исследование вязких свойств воды в предрассветное утреннее время и полученные результаты позволяют сделать выводы:

1. Существуют некоторые («особые») дни, в которые вода в утреннее время внезапно увеличивает свои свойства текучести через капиллярную трубку.

2. Путем организованного мониторинга показано, что такие «особые» дни следуют с интервалами 27 или 26 дней, обнаруживая тем

самым дополнительно солнечную природу исследуемого фактора.

3. Изменение вязкости во время «скачка» составляет около 20 - 30 %, т.е. довольно значительно, и в связи с этим может оказывать заметное влияние на некоторые геофизические (в частности сейсмические) процессы.

4. В настоящее время физическая природа действующего фактора достоверно не установлена. Автором предполагается, что она соответствует уже известной теории аксиальных частиц, т.к. свойства, предсказываемые теорией, оказываются подходящими [1].

Библиографический список

1. Клапдор - Клайнгротхаус, Г.В. Астрофизика элементарных частиц / ГВ. Клапдор - Клайнгротхаус, К. Цюбер. - М.: «Ред.журн.УФН», 2000. - 495 с.

КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННОГО АТМОСФЕРНОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

В.П. ДМИТРИЕВ, проф. каф. ВСиСМИЭМ, д-р техн. наук,

А.В. БЛЮМИН, ст. науч. сотр. ИППИРАН,

Л.Ю. МЕРЗЛОВ, информационно-аналитический отдел ФГУ КМЦЛРосздравнадзора, А.Т. НУРУЛЛАЕВ, руководитель группы ООО «Аргуссофт Интернешнл»,

П.А. БОБОВИЧ, программист ООО «Спектр»,

ИВ. КОРШУНОВ, заместитель генерального директора ЗАО НПО «Рапира»,

Р.Г. БАРЛЫБАЕВ аспирант МИЭМ

Рост спроса на широкополосные услуги требует внедрения прогрессивных сетевых технологий. Одним из механизмов предоставления информации является применение беспроводных систем. В современном мире о беспроводных сетях сказано уже столько, что удивить чем-то действительно новым, пожалуй, невозможно. И все же об одном аспекте сетей говорят реже всего -использование в качестве носителя информации оптического излучения, а среды передачи открытых каналов - атмосферы. В настоящее время существует две области применения беспроводной инфракрасной технологии связи:

- связь «точка-точка» между кабельными системами (компьютерными и телефонными сетями), находящимися в разных зданиях (расстояния до 10 км);

- связь между приборами внутри одного помещения (беспроводные LAN, связь между компьютерами и периферией и пр.).

Важными достоинствами инфракрасных (ИК) технологий беспроводной связи по отношению к радиосвязи являются:

- практически полная неподверженность электромагнитным помехам;

- высокая защищенность канала связи от несанкционированного доступа.

Эти достоинства позволяют значительно увеличить пропускную способность канала связи за счет отсутствия повторной передачи пакетов данных, как в радиоканалах, при возникновении коллизий сигналов от нескольких источников излучений. В случае несоблюдения электромагнитной совместимости при установке радиоустройств работа сети, построенной на данном принципе, может полностью парализоваться.

Конструктивно линия связи инфракрасного диапазона представляет собой два одинаковых блока, находящихся в климатических защитных кожухах для установки вне помещений. В каж-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

43

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

дом блоке находятся приемник и передатчик. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода (иногда обычного светодиода). Приемник в большинстве случаев имеет в основе скоростной p-i-n-фотодиод или лавинный фотодиод.

И приемник, и передатчик снабжены мощными объективами, благодаря чему луч обладает малым углом расходимости. Передаваемая информация кодируется короткими импульсами излучения. Приемопередатчики осуществляют двустороннюю связь, то есть два параллельных луча распространяются в противоположных направлениях от передатчиков к приемникам.

Передача и прием в каждом приемо-передающем блоке осуществляются одновременно и независимо. Излучение происходит в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны от 780 до 950 нм в зависимости от конкретной модели). Атмосферная оптическая связь осуществляется аналогично связи по оптическому волокну, отличаясь лишь средой распространения луча.

Одним из основных факторов, определяющих возможность применения ОАК, является качество и устойчивость связи при воздействии помех различного происхождения как естественного, так и искусственного, в частности снега, тумана, дыма и других явлений, снижающих прозрачность атмосферы.

Анализ экспериментальных данных показал следующее. В условиях отсутствия факторов, снижающих прозрачность атмосферы, вероятность ошибки передачи составляет в зависимости от модели ОАК от 10-8 до 10-9. При постепенном ухудшении погодных условий или задымлении воздуха вероятность ошибки передачи плавно растет до 10-6, а затем происходит резкое увеличение вероятности ошибки и связь рвется (это относится к случаям, когда расстояние между приемо-передающими блоками составляет несколько километров). После улучшения атмосферных условий связь восстанавливается.

Таким образом, характеристикой воздействия атмосферы на связь можно считать средний процент нерабочего времени, то есть периода, в течение которого связь отсутствовала. В частности, для линии, рассчитанной на дальность связи 3 км и при длине волны излучателя 820 нм, влияние естественных помех практически не ощущается, то есть линия функционирует при любых погодных условиях. С увеличением расстояния

возрастают помехи, и на дальности 10 км неблагоприятные для связи условия наблюдаются в течение срока, длительность которого составляет 1,5-2 % от общего времени работы за год. Причем снегопад является виновником отсутствия связи в половине всех случаев, на долю тумана приходится 30 % и дыма - 20 %.

Из приведенных данных в [1] можно извлечь следующую полезную информацию об оптических свойствах атмосферы на широте Москвы:

1. В течение 99 % времени затухание в в атмосфере для ^=0,63-1,06 мкм не превышает 18 дБ/км, т.е.

PJP = 0) / Рпр(Р = 18) = 63 (при L = 1 km);

Р

2. В течение 95 % времени года в не превышает 7,5дБ/км, т.е.

Рпр(Р = 0) / Рпр(Р = 7,5) = 5,6 (при L = 1 km);

Рпр

Эти данные позволяют оценить необходимый запас по уровню принимаемого сигнала, который обеспечит заданную «атмосферную» надежность связи (Р ). За меру Ратм разумно принять долю времени, в течение которого затухание в атмосфере не превышает заданной величины. В соответствии с вышеприведенными данными обозначим эту надежность как Р(0,99) и Р(0,95).

При чувствительности ФПУ 0,5 мкВт эти сигналы на входе ФПУ при длине трассы 2 км должны быть не менее

РФП099 = 0,5 х 4000 = 2000 мкВт = 2 х 10-3 Вт,

095 = 0,5 х 30 = 15 мкВт = 1,5 х 10-5 Вт, здесь РФП0,99 и РФП0,95 - мощность оптического сигнала, попадающего на линзу приемника, обеспечивающая соответственно 99 % и 95 % времени года уровень сигнала не ниже чувствительности ФПУ.

Рассчитаем необходимую мощность излучателя для 99 %, 95 %, минимальную мощность РФПМАКЕТ передатчика и реальную мощность, принимаемую в канале.

РИЗЛ0,99 = 2 х 10-3 / 3,47 х 10-6 = 576 Вт РИЗЛ0,95 = 1,5 х 10-5 / 3,47 х 10-6 = 4,32 Вт РИЗЛмин = 5 х 10-7 / 3,47 х 10-6 = 0,144 Вт РИЗЛМАКЕТ = 3,47 х 10-6 х 1,5 х 4,5 х 0,3 = 7,02 х 10-6 Вт

Вероятно, самым главным недостатком беспроводной оптической связи является небольшая дальность. Так, при сохранении конкурентоспособной цены (по сравнению с другими методами) можно организовать высокоскоростную связь

44

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

(от нескольких единиц до нескольких десятков мегабит в секунду) на расстоянии, не превышающем 1-2 км. А при попытке увеличить дальность связи возникают сложности. Рассмотрим их подробно,

- уменьшив пороговую чувствительность приемника;

- увеличив пиковую мощность излучения;

- увеличив диаметр линзы приемника;

- уменьшив коэффициент потерь в атмосфере;

- уменьшив угол расходимости излучения.

Пороговая мощность приемника является характеристикой фотоприемного устройства и напрямую зависит от современного состояния элементной базы.

Увеличение пиковой мощности приводит к увеличению средней мощности излучения, что грозит двумя неприятными последствиями:

- если средняя мощность излучения превысит 50 мВт, то неизбежна сертификация оборудования, а также получение разрешения уполномоченных органов.

- при увеличении средней мощности излучения повышается тепловыделение диода, в результате чего излучатель перегревается и срок его службы значительно уменьшается.

Можно установить более мощный диод или составить излучатель из линейки диодов, однако подобный путь ведет лишь к удорожанию системы и не решает первую проблему. Поэтому увеличивать пиковую мощность излучения можно только с одновременным уменьшением длительности импульса диода. В результате можно ожидать, что средняя мощность излучения останется на прежнем уровне.

В связи с этим всплывает проблема увеличения скорости передачи данных. Увеличить скорость связи можно только увеличив частоту импульсов излучения, что приведет к увеличению средней мощности излучения, так как на тот же отрезок времени будет приходиться больше импульсов. То есть уменьшение длительности импульсов излучателя позволяет либо увеличить пиковую мощность излучения и тем самым добиться увеличения дальности связи, либо увеличить частоту импульсов и тем самым поднять скорость связи. Иными словами, при одинаковой длительности импульсов излучателя произведение скорости связи на дальность связи есть

величина постоянная. Дальность связи можно увеличить за счет уменьшения скорости или путем уменьшения длительности импульсов. То же справедливо и для скорости связи.

Повысить дальность связи можно и путем увеличения диаметра линзы. В большинстве моделей ОАК установлены линзы диаметром около 10 см, то есть уже довольно дорогие. Дальнейшее их увеличение приводит к еще большему удорожанию системы. Существуют модели ОАК, использующие линзы Френеля достаточно большого диаметра, однако они весьма чувствительны к запылению.

Еще один способ увеличения дальности связи - уменьшение коэффициента потерь в атмосфере. Варьировать значение этого коэффициента можно путем изменения длины волны излучения. Атмосферные помехи по-разному воздействуют на излучение в разных частях спектра. С увеличением длины волны влияние атмосферных помех уменьшается, а на длинах волн около 1800 нм наблюдается так называемое окно прозрачности атмосферы. Связано это с тем, что длина волны света становится сравнима с размерами капель тумана и частичек пыли и поэтому распространяющаяся волна в меньшей степени рассеивается препятствиями и огибает их благодаря дифракции. То есть в этой области спектра туман не создает серьезных помех для распространения света. Тем не менее, в настоящее время не существует моделей ОАК, использующих излучение с длиной волны более 950 нм.

Последний метод увеличения дальности - уменьшение угла расходимости луча передатчика. Уменьшение этого параметра связано со следующими негативными моментами:

- чем меньше угол расходимости луча, тем сложнее настройка и юстировка ОАК и, соответственно, дороже работы по монтажу системы;

- все здания в течение суток совершают небольшие колебания, обусловленные изменением температуры окружающей среды и состояния фундамента. Углы наклона при таких колебаниях составляют до 0,1° соответственно, угол расходимости луча передатчика должен быть заведомо больше этой величины, иначе связь в течение суток будет периодически нарушаться из-за отклонения луча от нужного направления. С другой стороны, при установке ОАК на высоких зданиях (а именно крыши высоких зданий обычно используются для монтажа блоков ОАК) из-за су-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

45

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

точных колебаний здания происходят смещения приемо-передающего блока и выход его из области приема. На очень высоких зданиях эти сдвиги могут достигать величины порядка 1 м. Поэтому для обеспечения уверенного приема угол расходимости луча должен быть таким, чтобы диаметр луча в области приемника был не менее 2 м;

- для обеспечения более узкого луча необходим более дорогой объектив.

С увеличением дальности связана еще одна проблема. Большинство ОАК имеют совмещенные в одном корпусе приемные и передающие блоки. Делается это исключительно для упрощения процедуры монтажа. При достаточно больших расстояниях между приемо-передающими блоками остро встает проблема точного размещения приемника и передатчика внутри корпуса в процессе производства так, чтобы оптические оси обоих были строго параллельны (иначе просто невозможно настроить блоки так, чтобы связь была двусторонней). Для обеспечения высокой степени параллельности оптических осей необходимо современное высокоточное производство, что значительно повышает стоимость изделия.

Ниже представлен предварительный расчет энергетических и оптико-механических технических данных OAK.

На рис. 1 в схематическом виде представлен тракт открытой оптической приемо-передающей системы.

Расчет оптической системы сводится к определению доли излучаемой ИИ мощности, попадающей на ФП. Очевидно, чем эта доля больше, тем эффективнее передача оптического сигнала. В соответствии с законами геометрической оптики максимально возможное соотношение между Р и Р для безаберрационной оптической сис-

пер пр * *

темы выглядит следующим образом:

(

P

D • D

пер пр

L •С/ • A

у

-PL

•10 10

1

4

где Рии - мощность, излучаемая оптическим передатчиком, Вт;

Рпр - мощность, попадающая на фотоприемник, Вт;

А - размер источника излучения, м;

DHep - диаметр линзы передатчика, м;

U - линейный угол излучения источника излучения, рад;

DHp - диаметр линзы оптического приемника,

м;

L - расстояние между передатчиком и приемником, м;

Р - затухание в среде, дБ/км.

ОСпр

Рис. 1. Расчетная схема: ИИ - источник излучения - оптический передатчик. В нашем случае - ИК-излучающий диод с длиной волны излучения X = 0,85 + 0,87 мкм; Л - линза оптического передатчика; О - оптическая среда; ОС - оптическая система передатчика (ИИ + Лпер); Л^ - линза оптического приемника; ФПУ - фотоприемное устройство (Si - фотоприемник + ФП + усилитель-формирователь); ОСпр - оптическая система фотоприемника (Л + ФПУ); F - фокусное расстояние линзы передатчика, м

46

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Множитель 10-eL/10 представляет собой долю потерь мощности излучения в среде. Обозначим эту долю как

Кв = 10-eL/10.

При прозрачной, непоглощающей атмосфере Р = 0. и Кр = 1.

Подсчитаем (Р / Рии) Кр = 1.

Примем в качестве исходных следующие тактико-технические данные устройства:

- максимальное расстояние между передатчиком и приемником L = 400 м;

- оптический передатчик - ИК-излучающий диод;

- линейный угол излучения источника излучения 2U = 120° ~ 2,1 рад;

- размер источника излучения А = 0,6-10-3 м;

- фотоприемный элемент - p-i-n ИК фотодиод;

- пороговая чувствительность фотоприемного устройства Рпор = -42 дБм;

- скорость приемо-передачи V = 10 Мбит/сек

- функциональная надежность системы не менее 0,99

- габариты одного приемо-передающего модуля не более (20 х 13 х 20) см.

Дополнительно выберем параметры элементов оптической системы, ограниченные ее габаритами:

D = 0,080 м; D = 0,080 м; F = 0,160 м.

Подставляя данные из табл. 1 и 2 в формулу (1), получим для полностью прозрачной атмосферы

Р 1

пр А

Р ~ 4

8 -10-2 • 8 -10-2 v4•Ю2 1,05 • 0,6-10"3 j

= 1,6 •10"4.

2

В логарифмических единицах ослабление сигнала при Р = 0 составит величину др = 0) = 10lg(Pnp / Рии) = 10lg1,6 х 10-4 = - 38 дБ. (3) По данным наблюдений, на широте Москвы затухание оптического сигнала в ИК-диапазоне с X = 0,9 мкн с достоверностью 0,99 не превышает 60 дб/км [2].

Для дистанции L-0,4 км это затухание не превысит величины

В(Р = 60) = PL = 60 х 0,4 = - 24 дБ. (4) Суммируя это значение с (Р = 0), получим значение общего ослабления сигнала оптического излучателя

В, = В(Р = 0) + В(Р = 60) = -(38 = 24) = - 62 дБ. (5) Таким образом, для надежной связи соотношение между оптической мощностью Рии излучателя и пороговой мощностью (Рпор) фотопри-

емного устройства должно быть не менее этой величины. Далее, зная Р , легко определить Р В = Р - В, = - 42 + 62 = - 20 дБм,

В = 10lg Р , отсюда Р > 100мВт.

Это вполне реализуемое значение мощности ИК-излучающего диода.

Еще одним подходом к обеспечению качества и доступности связи через ОАК является применение адаптивного режима работы канала. В этом режиме работы стабилизирующим параметром канала является надежность связи, реализуемая путем поддержания соотношения сигнал/шум в пределах заданной величины. Поддержание такого соотношения достигается за счет дискретного изменения параметров сигнала с синхронным подключением частотных фильтров. При таком построении системы она «отслеживает» параметры, влияющие на состояние канала связи:

- состояние среды;

- изменение положения светового пятна за счет температурных воздействий на конструктивные элементы приемопередатчика;

- установка приемопередатчика на большее расстояние и т.д.

Таким образом, предлагаемый вариант системы и, соответственно, канал связи, становится адаптивным. Алгоритм работы адаптивной системы поясняется на рис. 2.

Другой проблемой, определяющей качество, является деградация излучающих диодов в процессе эксплуатации. Исследованию стабильности излучающих диодов (ИД) уделяется большое внимание. Одним из основных недостатков ИД первого поколения было снижение излучательной составляющей внутреннего квантового выхода и, соответственно, излучательной мощности (и параметров ОАК, связанных с этим, например снижение коэффициента передачи по току ОАК, «несрабатывание» выходных микросхем из-за малого выходного «вытекающего» тока микросхем и т.п.).

Наиболее интенсивная деградация ИД происходит в том случае, если изначально полупроводниковый материал (GaAs, GaAlAs и др.) имел повышенную дефектность, т.е. обладал высоким уровнем безызлучательной составляющей, например, из-за недостаточно высокой чистоты исходного арсенида галлия. Этот факт авторами был подтвержден экспериментально. При эксплуатации ИД в составе ОАК в радиоэлектронной аппаратуре были обнаружены отказы ОАК из-за снижения коэффициента передачи по току.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

47

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

[Uc / иш] [Uc / иш]з

[Uc / Цш]2

[Uc / иш]1

/

t

tmax

t-и

Рис. 2 Алгоритм работы адаптивной системы: Uc - величина амплитуды аналогового сигнала на выходе фотоприемного устройства; Um - величина шумовой составляющей аналогового сигнала на выходе фотоприемного устройства; Uc/Um - отношение «сигнал-шум» - характеристика качества принимаемого сигнала; ГИ - длительность оптического импульса на выходе передатчика; ГИ1, ГИ2,... fffi - фиксированные значения длительности оптического импульса на выходе передатчика; ГИ ГИ max - ми-

нимальное и максимальное значения длительности оптического импульса на выходе передатчика

Отказавшие приборы исследовались. Методика исследования заключалась в следующем. Вольт-амперная характеристика ИД может быть описана выражением

7упр = / 2kT + ^зл^Р^ / кГ>’

где I - прямой ток через ИД;

1без - безызлучательная составляющая тока ИД;

7изл - излучательная составляющая тока ИД;

U - прямое напряжение на ИД; е - заряд электрона; к - постоянная Больцмана;

Т - температура кристалла ИД, °К.

По виду ВАХ на начальном участке (диапазон нано- и микротоков) можно сделать вывод о наличии в теле кристалла ИД, отказавших ОАК дополнительных каналов безызлучательной рекомбинации. Наклон ВАХ дефектных ИД меньше наклона прямой eeU/2kT. Это, в свою очередь, сдвигает прямую ветвь ОАК.

Для подтверждения этого дефекта были проведены испытания двух групп ОАК. Первая группа ОАК была укомплектована ИД, у которых наклон ВАХ на начальном участке больше наклона прямой у eeU/2kT (имеется ввиду прямая в полулогарифмическом масштабе), а вторая группа ОАК - у которой наклон меньше. В результате испытаний на длительную работу было обнаружено повышенное число отказов в первой группе ОАК.

Данный факт может быть положен в основу методики отбраковки потенциально ненадежных ОАК на стадии их изготовления или в процессе эксплуатации, а на входном контроле - также с целью

отбраковки потенциально ненадежных ИД и ОАК, которые монтируются в узлы и блоки РЭА.

Выводы

Для создания надежного канала связи применение ОАК вполне оправдано. Однако при приближении заданной доступности канала к 100 % существуют проблемы, решение которых приводит к значительному росту стоимости оборудования ОАК. Стоимость ОАК также возрастает с увеличением рабочей дистанции между приемником и передатчиком. Для безотказной работы как ОАК, так и радиоканалов рекомендуется использовать резервные широкополосные каналы или ISDN. Для повышения надежности канала можно применить адаптивный режим работы, когда при ухудшении принимаемого сигнала канал переходит на режим с меньшей скоростью передачи и за счет этого поднимает соотношение сигнал/шум. Приведенная в статье методика отбраковки излучающих диодов позволит поднять качество изготовляемых на их основе каналов передачи данных.

Библиографический список

1. Криксунов, Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники / Л.З. Криксунов. - М.: Сов. Радио, 1978 - 400 с.

2. Смирнов, В.А. Введение в оптическую радиоэлектронику / В.А. Смирнов. - М.: Сов. Радио, 1973.

3. Применение оптоэлектронных приборов в радиоэлектронной аппаратуре / В.П. Дмитриев и др. - М.: ВИНИТИ, 1989. - 122 с.

4. Дмитриев, В.П. Оптоэлектронные атмосферные каналы передачи данных в вычислительных сетях / В.П. Дмитриев и др. // Международный Симпозиум по проблемам модульных систем и сетей: сб. науч. тр. - Институт ядерных исследований. - 2001.

48

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007