Оценка качества связи многочастотной атмосферной оптической системы передачи

References:

1. Abdulrazak L.F., Rahim S.K.A., and Rahman T.A. New Algorithm to Improve the Coexistence between IMT-Advanced Mobile Users and Fixed Satellite Service // In Proceeding of 2009 International Conference on Machine Learning and Computing. ICMCL 2009. - 2009. - Vol. 3. - Р. 294-301.

2. Mlinar T., Gregorac L. New Elements for the Coexistence of Digital Broadcasting Satellite Systems With Multi-Channel Multipoint Distribution Systems // IEEE Transactions on Broadcasting. - 2009. - № 55(2). - Р. 230-238.

3. Panagopoulos A.D. et al. Coexistence of the broadcasting satellite service with fixed service systems in frequency bands above 10 GHz // IEEE Transactions on Broadcasting. - 2009. - № 55(2). - Р. 230-238.

4. Timotijevic T., Schormans J.A. ATM-level performance analysis on a DS-CDMA satellite link using DTX // IEEE Proceedings on Communcation. - V. 147, № 1. - Р. 47056

5. Osipov D. On the probabilistic description of an asynchronous DHA FH OFDMA system with threshold noncoherent reception Multiple Access Communications // Lecture Notes in Computer Science. - 2010. - Volume 6235/2010. -Р. 180-187.

6. Groshev F., Osipov D. Increasing transmission rate in a DHA FH OFDMA system (in Russian) // Proceedings of the ITAS 2010, Gelendzhik, Russia. September 20-24. - Р. 69-73.

7. Verdu S., Weissman T., The Information Lost in Erasures // IEEE Transactions On Information Theory. - IEEE, USA, 2008. - Vol. 54, #11. - Р. 5030-5058.

8. Gallager R., Information Theory and Reliable Communication. - John Wiley & Sons, Chichester, UK. 1968.

9. Gallager R., Residual noise after interference cancellation on fading multi-path channels // Communications, Computation, Control, and Signal Processing. -1997. - Р. 67-77.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СВЯЗИ МНОГОЧАСТОТНОЙ АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

© Краснов Р.П.*

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж

Рассмотрено влияние атмосферного канала на качество приема в многочастотной оптической линии связи. Приведена оценка влияния метеоусловий на вероятность замираний в канале, показано, что применение углекислотных излучателей при организации частотно-разнесенного приема приводит к повышению качества связи.

* Доцент кафедры Радиотехники, кандидат технических наук, доцент.

Атмосферные оптические системы передачи (АОСП) предоставляют широкополосный доступ в условиях прямой видимости и могут рассматриваться как перспективная технология «последней мили» в сетях NGN [1]. Недостатком АОСП является сильное влияние атмосферного канала на качество связи.

Для корректного анализа работы АОСП достаточно оценки влияния эффектов атмосферного рассеяния и турбулентности среды, поскольку поглощение оптического излучения может быть снижено до пренебрежимо малых значений подбором длины волны, попадающей в окно прозрачности. Поглощение снижает мощность принимаемого сигнала, а турбулентность приводит к искажению фазового фронта, «блужданиям» оптического пучка и перераспределению мощности внутри поперечного сечения пучка (сцинтилляции).

Эффекты турбулентности среды имеют ярко выраженную частотную зависимость, поэтому введение резервного радиочастотного канала либо использование разнесенного приема (чаще всего пространственно-частотного разнесения) позволяют повысить качество связи.

Ослабление сигнала атмосферным каналом описывается законом Бира-Ламберта:

где 1Я, 10 - интенсивность светового сигнала на приемной стороне и на выходе оптического передатчика соответственно; Ь - длина оптической трассы;

у- коэффициент затухания (экстинкции), определяемый в наибольшей степени Ми-рассеянием:

где V - метеорологическая дальность видимости;

А0 - рабочая длина волны (нм);

qV - параметр, значения которого приведены, например, в [2].

Оптический сигнал при дальнейшем анализе будем считать гауссовским, описываемым приближением для плоской волны, что, согласно [3] наиболее точно соответствует условиям распространения реального лазерного пучка на приземных городских трассах.

Гауссовский пучок, появляющийся на выходе оптического передатчика, характеризуется двумя параметрами ©0 и Л0 [4, 5]:

Ir / Io = exp

где ©о - параметр кривизны;

^о - радиус кривизны пучка, принимающий значения ^0 =ж, ^0>0 и Fо<0 для коллимированного, расходящегося и сходящегося пучка соответственно; Л0 - параметр Френеля в точке испускания пучка; к - волновое число;

^о - радиус пятна, на котором интенсивность излучения снижается в 1/е2 раз от максимума в центре.

Диаметр пучка на расстоянии Ь в плоскости приемной оптики:

w = н'оЛ/©0+Л[

Интенсивность излучения при удалении г от центра описывается выражением [4]:

= 1о й-

Описание гауссовского пучка дополним половинным углом расходимости в, определяемым для случая распространения на расстояние Ь ^ ж [5]:

2

в = -

1 +

21 21 о у

Мощность на входе оптического приемника с диаметром входной оптики Б при углах расходимости излучения в пределах единиц мрад составляет [5]:

В1 Р

Р = 2^0 + в

где Р0 - оптическая мощность, излучаемая передатчиком.

При распространении в турбулентной среде интенсивность принимаемого оптического сигнала описывается случайной величиной. Вид турбулентности

(слабая, умеренная, сильная) определяется дисперсией &Р = 1,23С;£7/6}1/6, где СП2 - структурная константа показателя преломления. При этом сильной, умеренной и сильной турбулентности будут соответствовать значения аР2 < 1, аР2 и 1 и аР2 >> 1.

Плотность вероятности флуктуаций интенсивности принимаемого сигнала описывается гамма-гамма распределением [4, 6].

) - "-ГШ )

где а и р - эффективные размеры крупно- и мелкомасштабных вихрей в турбулентной среде соответственно, для плоской волны [6]:

(

а —

Р-

ехр

ехр

0,49о2

(1 + 0,65ё2 + 1Д1о],2/5)7/6

" 0,51о^(1 + 0,69о],2/5)-5/б 1 + 0,9ё2 + 0,62ё 2о12/5

V

-1

/

V1

-1

Ка(х) - модифицированная функция Бесселя второго рода порядка а.

Гамма-гамма распределение по сравнению с прочими моделями (например, лог-нормальным распределением) дает наиболее точное совпадение с экспериментальными данными для всех типов турбулентности.

Дисперсия флуктуаций (индекс сцинтилляции) о? дается выражением [4]:

о2 —

Ы^2

2

где (*) - операция усреднения по ансамблю, может быть снижена за счет апертурного усреднения. При этом для приемника, оснащенного линзой диаметром П, в приближении плоской волны, индекс сцинтилляции [6]:

о2 (П) — ехр

0,49о2

(1 + 0,65ё2 + 1,11о12/5)7/6

0,51о2(1 + 0,69о}2/5)-1 + 0,9ё2 + 0,62ё 2о12

-1

где ё —

кП 4Ь

При увеличении апертуры приемной оптики уровень сцинтилляций снижается, т.е. происходит апертурное усреднение интенсивности, эффективность которого оценивается коэффициентом А = о2(П) / о2(0),где о/(0) соответствует точечному приемнику (П = 0).

Качество связи будем оценивать вероятностью замираний. При возникновении замирания связь прерывается, поскольку интенсивность принимаемого оптического сигнала падает ниже некоторого порогового уровня

2

5/6

/тт, определяемого чувствительностью приемника. Вероятность такого события [4]:

Шк <Л™) = ]р(1 №

Пороговый уровень для приемника с чувствительностью [5]:

I =

тт 2

т>

1 - ехрI -

Б

2м!1

Моделирование проводилось для двухчастотной АОСП, состоящей из двух приемопередающих модулей, работающих на длинах волн Х\ = 950 нм и А2 = 10,6 мкм. Мощность излучателей полагалась равной Р0 = 0,1 Вт, диаметр пятна по уровню 1/е2 = 1 см, расходимость излучения составляла 2в =

2 13 2/3

= 2 мрад. Структурная константа показателя преломления Сп = 0,5-10" м- , метеорологическая дальность видимости V = 10 км, максимальная протяженность канала - до одного километра. Приемники излучения имели диаметр апертуры Б = 0,1 м и при ограничении тепловыми шумами обеспечивали чувствительность = 1 мВт. Зависимость средней принимаемой мощности от расстояния для каждого из приемопередающих модулей при условии некоррелированности фазовых эффектов в каналах представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость средней принимаемой мощности от расстояния

Наличие турбулентности в канале приводит к возникновению замираний, вероятность возникновения которых показана на рис. 2.

0

' 1 ___—" "

^

Ял = 0.95 M км

V

y 10:5 M км

- /

- / / 4

- / / /

/

/

/

/

/

/

/

/

1 / i , ! i

О 200 400 600 800 1000

L._ м

Рис. 2. Вероятность замирания в канале

При заданных параметрах атмосферного канала углекислотные излучатели, очевидно, обеспечивают лучшее качество приема. Однако, при наступлении иных метеоусловий более предпочтительным может оказаться прием сигнала полупроводникового излучателя. Поэтому важным становится подбор алгоритма обработки сигнала при разнесенном приеме. Алгоритм выбора максимального сигнала (Equal gain combining), при котором на вход приемника передается тот сигнал, который имеет максимальную амплитуду, даст в случае, проиллюстрированном выше, качество связи, обеспечиваемое углекислотным излучателем. Алгоритм линейного суммирования (Selection Combining), при использовании которого на вход приемника поступает сумма сигналов из ветвей разнесения, обеспечит вероятность замирания на среднем уровне между показанными кривыми.

Выбор углекислотного излучателя продиктован тем, что, согласно результатам исследований [2], в условиях сложных метеоусловий разница в качестве связи, которое обеспечивается лазерными диодами, работающими в окрестностях длин волн 800 нм и 1500 нм в соседних окнах прозрачности, отличается слабо. В то же время, главное ограничение на применение СО2-лазеров - значительные размеры - преодолевается применением малогабаритных излучателей, подобных предложенным, например, в [7].

Список литературы:

1. Kazaura K. et. аИ. Enhancing performance of next-generation FSO communication systems using soft computing-based predictions // Optics Express. -2006. - Vol. 14, No.12. - Р. 4958-4968.

2. Kim I.I., McArthur Bruce, Korevaar Eric. Comparsion of laser beam propagation at 785nm and 1550nm in fog and haze for optical wireless communications // Proc. of SPIE - vol. 4214, Optical Wireless Communications III. Ed. Eric J. Korevaar. - February. - 2001. - Р. 26-37.

3. Yuksel H., Milner S., Davis C.C. Aperture averaging for optimizing received design and system performance on free-space optical communication links // J. Opt. Netw. - 2005. - Vol. 4, No. 8. - Р. 462-475.

4. Andrews L.C., Philips R.L. Laser Beam Propagation Through Random Media. - 2nd ed. - Bellingham, Washington: SPIE Perss, 2005. - 820 p.

5. Prokes A. Modeling of atmospheric turbulence effects on terrestrial FSO link // Radioengineering. - 2009. - Vol. 18, No. 1. - Р. 42-47.

6. Arun R. Majumadar, Jennifer C. Ricklin Optical and fiber communication reports. Free-Space Laser Communication. - New York: Springer Science + Business Media, LLC, 2008. - 417 p.

7. Архипова HB. СО2 лазер с высокочастотным электромагнитным возбуждением I КВ. Архипова, И.К Полухин, В.И. Юдин II Приборы и техника эксперимента. - 2000. - № 1. - С. 1-2.

THE HISTORY OF TELECOMMUNICATIONS DEVELOPMENT AND ITS GOALS

© Нурмухамбетова С.А.*, Умарова Д.М.Ф, Кутлубаева А.Д.*

Астраханский государственный технический университет, г. Астрахань

The Internet has revolutionized the computer and communications world like nothing before. The invention of the telegraph, telephone, radio and computer set the stage for this unprecedented integration of capabilities. The Internet is a medium for collaboration and interaction between individuals and their computers without regard for geographical location.

The necessity to communicate at a distance appeared long ago. When the alphabet was invented, people began to use papyrus and there was something like the modern letter. The first to send letters were the ancient Egyptians. But the best postal system of ancient times was organized by the Romans.

However until the 19-th century there were practically no advances in the means of communication.

The first practical electromagnetic telegraph was invented by Russian scientist Pavel Shilling in 1828, and in 1832 he established telegraph communication

* Старший преподаватель кафедры «Иностранные языки в инженерно-техническом образовании», аспирант кафедры «Общая психология».

* Студент кафедры «Связь». " Студент кафедры «Связь».