Способ регулировки уровня сигнала на приемнике терминала оптической беспроводной связи
METHOD OF ADJUSTING A SIGNAL STRENGTH AT A RECEIVER OF AN OPTICAL WIRELESS COMMUNICATION TERMINAL

Изобретение относится к технике электрической связи и может быть использовано в системах двусторонней оптической связи.
Из уровня техники известен способ управления устройствами беспроводной связи через служебный сигнал, построенный на основе маяка (Патент WO 2015142678 A1 2015-09-24).
Наиболее близким по технической сущности является метод контроля мощности лазерного излучения в беспроводных оптических линиях связи (Патент США № US 6,643,466 B1 Nov. 04, 2003), который и выбран в качестве прототипа. Система в общем случае содержит оптический приемник, оптический передатчик и приемник, работающий не по принципу беспроводной оптической связи. Для контроля уровня мощности лазерного сигнала в беспроводных оптических линиях связи терминал передает в атмосферу пучок лазерного излучения и получает информацию об измеренном уровне мощности излученного сигнала не по лазерному каналу связи. На основе полученной информации, с помощью специального алгоритма терминал определяет, является ли снижение мощности лазерного луча, измеренного на расстоянии, следствием атмосферных эффектов или вызвано случайным перекрытием канала. Если снижение мощности произошло из-за атмосферных явлений, терминал увеличивает уровень мощности лазерного излучения чтобы скомпенсировать это снижение. Если же снижение мощности вызвано случайным перекрытием канала, то терминал снижает мощность передатчика, чтобы предотвратить потенциально возможное нанесение повреждений живым объектам.
Недостатками данного способа являются:
- обязательное наличие канала обратной связи, не являющегося атмосферным лазерным каналом, что требует использования другой технологии и усложняет оборудование;
- недостаточная эффективность регулирования выходной мощности лазерного излучения в зависимости от атмосферных условий на трассе, не учитывающей динамический диапазон приемника;
- использованные в способе решения не приводят к существенному улучшению качества связи, а в некоторых случаях еще и ухудшают его.
Техническим результатом изобретения является улучшение качества работы системы беспроводной оптической связи.
Технический результат достигается за счет того, что аппаратура беспроводной оптической связи, состоящая из двух идентичных приемо-передающих терминалов, обеспечивает одновременно информационный и служебный канал, работающие соответственно на длинах волн 1550 и 785 нм. При этом с каждого терминала по служебному каналу передается на другой терминал уровень сигнала на приемнике. Управляющий процессор каждого из терминалов, сравнивает значения принимаемой мощности на другом терминале с заданными допустимыми границами значений, определяемыми хранящимися в памяти коэффициентами и дает команду на управление выходной мощностью передатчика терминала, согласно формуле:
i
i-1
P=P+ΔP
i
где P - новое значение выходной мощности передатчика;
i-1
P - прежнее значение выходной мощности передатчика;
ΔP - изменение выходной мощности передатчика, определяемое согласно условиям:
где  - уровень мощности на приемнике противоположного терминала;
0
Р - целевое значение приемной мощности (точка стабилизации, ТС), соответствующее середине динамического диапазона приемника;
in
out
0
k, k - коэффициенты отстройки значений мощности от Р на 0.5 и 1 дБ соответственно;
n - делитель для расчета изменения выходной мощности передатчика.
Условие (1) задает две области регулирования вокруг целевого значения - во внутренней области, близкой к целевому значению изменения выходной мощности не происходит, во внешней области регулирования происходит изменение мощности в зависимости от соотношения текущего и целевого значений приемного сигнала. Алгоритм регулирования позволяет избежать постоянных колебаний мощности передатчика одного терминала при нахождении уровня сигнала на приемнике другого терминала вблизи оптимального значения. При этом передатчики терминалов автоматически поддерживают такое значение выходной мощности, которое позволяет получить уровень сигнала на приемниках терминалов, соответствующий середине их динамического диапазона, что позволяет минимизировать уровень ошибок, связанных с флуктуациями сигнала на трассе связи.
Еще одним техническим результатом является автономная автоматическая регулировка мощности передатчика каждого терминала, что позволяет компенсировать технологический разброс при изготовлении их оптических систем, приводящий к различным значениям потерь оптической системы приемопередатчиков от одного терминала к другому.
В дополнение к указанному способу регулировки мощности передатчика предлагается способ подстройки целевого значения мощности на приемнике. Это необходимо для работы оборудования в среде с переменными условиями распространения сигнала (например, в атмосфере при различных погодных условиях). Влияние условий распространения сказывается как в изменении глубины паразитной модуляции сигнала при его распространении в среде, так в искажении характера вероятностного распределения колебаний сигнала. Предлагаемый способ заключается в изменении целевого значения уровня сигнала на приемнике в соответствии с условиями работы канала связи на основе анализа собранной за фиксированный период времени статистики измеренных значений уровня приемного сигнала находящихся близко к границам динамического диапазона приемника согласно выражению:
i
i-1
0
Po=Po+ΔP
i
где Po - новое целевое значение приемной мощности;
i-1
Po - прежнее целевое значение приемной мощности;
0
ΔP - изменение целевого значения приемной мощности, определяемое в соответствии с условиями:
c
где P - уровень мощности соответствующий середине динамического диапазона приемника;
L
N - количество измерений при которых значение приемной мощности было ниже удвоенного значения чувствительности приемника;
H
N - количество измерений при которых значение приемной мощности было выше половинного значения мощности насыщения приемника;
m - делитель для расчета целевого значения мощности передатчика.
Предложенный способ позволяет поддерживать значение уровня сигнала на приемнике терминала оптимальное не только с точки зрения нахождения в середине его динамического диапазона, но и дополнительно смещать целевое значение с учетом текущей статистики приемного сигнала, подстраивая его под условия в канале связи.
Устройство аппаратуры.
На фиг. 1 изображена блок схема работы аппаратуры беспроводной линии связи, обеспечивающей автоматическую регулировку выходной мощности передатчиков.
Аппаратура оптической беспроводной связи состоит из оптического передатчика и оптического приемника, которые электрически соединены с управляющим процессором управляющим работой передатчика и собирающим данные об уровне сигнала на приемнике. Приемник и передатчик образуют информационный канал связи с использованием оптической системы. Также оптическая система формирует служебный канал связи между управляющими процессорами терминалов. Управляющий процессор также подключен к памяти для хранения данных об измеренных уровнях сигнала на приемнике, а также управляющих коэффициентах и целевом уровне мощности сигнала на приемнике другого терминала.
Работа устройства.
Для формирования канала связи используются два терминала, которые размещаются на разных концах линии связи.
Оптический передатчик каждого терминала направляет в канал сколлимированные оптической системой световые импульсы излучения сигналов связи на длине волны 1550 нм. Оптическая система приемника оптического излучения собирает прошедшее через канал излучение на приемник другого терминала.
Управляющий процессор каждого терминала подключен к приемопередатчику служебного канала, имеющему в своем составе передатчик на длине волны 785 нм и фотоприемник.
В процессе работы управляющий процессор каждого терминала передает на другой терминал через служебный канал данные об уровне приемного сигнала. Кроме того, управляющий процессор через служебный канал получает данные об уровне приемного сигнала другого терминала и записывает их в память. Периодически управляющий процессор считывает из памяти и проводит усреднение данных об уровне приемного сигнала другого терминала, сравнивает их с целевым значением и в соответствии с условием (1) изменяет мощность оптического передатчика.
В дополнение к изменению мощности передатчика управляющий процессор проводит анализ статистики уровней приемного сигнала, записанных в памяти и в соответствии с условием (2) передает через служебный канал управляющему процессору другого терминала команду на изменение целевого уровня приемного сигнала.
Практическая реализация (осуществимость предложенного способа).
Испытания предложенных способов регулировки мощности передатчика аппаратуры оптической беспроводной связи подтвердили их осуществимость и эффективность.
C
Для оценки работоспособности алгоритма подстройки ТС были проведены "стрессовые" измерения параметров работы аппаратуры оптической беспроводной связи на дистанции 620 м с диафрагмами 20 мм, установленными на один из терминалов, чтобы обеспечить уровень нестабильности приемного сигнала достаточный для фиксации ошибок. На обоих терминалах в двух сериях измерений были заданы начальные значения P, близкие верхней (1000 мкВт) и нижней (10 мкВт) границе динамического диапазона приемника. На фиг. 2 представлена динамика изменения Pc на двух терминалах линии 620 м, а также уровня потерь (количество утраченных пакетов в минуту) в канале связи.
Как видно из фиг. 2, предложенный алгоритм динамической подстройки Pc полностью работоспособен и обеспечивает выход к оптимальным (с точки зрения минимизации потерь в канале связи) значениям ТС
C
-10
-11
После определения работоспособности алгоритма было проведено долгосрочное тестирование его работы на дистанции 620 м с измерением уровня битовых ошибок BER. Данное тестирование показало существенное снижение ошибок по сравнению с работой канала связи с фиксированным значением P. Так, если за сутки ошибка в среднем составляла 5*10, то при использовании предложенного алгоритма ошибка снизилась до 9*10.