Оптимизация комбинированной телекоммуникационной системы с волоконными и атмосферными сегментами

Оптимизация комбинированной телекоммуникационной системы с волоконными и атмосферными сегментами

Ключевые слова: системы связи, передача информации, атмосферный канал, дальность, доступность системы, методы повышения эффективности.

Наряду с широко известными эффективными волоконными оптическими линиями связи разрабатываются и применяются атмосферные беспроводные оптические линии телекоммуникации. В них передача информации осуществляется в открытом пространстве остронаправленным лазерным лучом в условиях прямой видимости. В ряде случаев для реализации телекоммуникационной связи между разнообразными объектами необходимы комбинированные системы (КТС). На основе проведенного анализа выделены основные направления оптимизации, например, для повышения дальности и доступности атмосферного канала КТС: 1) повышение мощности источника излучения; 2) повышение чувствительности фотоприемника; 3) увеличение апертур передающей и принимающей оптических систем; 4] усовершенствование современных методов обработки поступающей информации в приемный модуль; 5] возможное комплектование дополнительным модулем передачи информации в радиодиапазоне (например, на частоте 72 ГГц); 6) возможное включение модуля мощных лазеров для просветления облачности, появляющейся в атмосферном канале; 7) использование бесселевых или конических пучков. На основе исследований по применению лазерного излучения для просветления облачности показано, что распространение интенсивного лазерного излучения в капельном аэрозоле носит характер самовоздействия, так как изменение свойств среды (ее просветление и нагрев) оказывает обратное влияние на прохождение излучения. Приведены значения параметров лазерного пучка, прошедшего через аэродисперсную среду, которые определяются главным образом характером и закономерностями разрушения конденсированной фазы.

Кузяков БА,

доц., к.ф.-м.н.,

МГТУ МИРЭА

Засовин ЭА,

проф., д.т.н.,

МГТУ МИРЭА

Нефедов В.И.,

проф., д.т.н., зав. каф. TC; МГТУ МИРЭА

Наряду с широко известными эффективными волоконными оптическими линиями связи (ВОЛС) разрабатываются и применяются атмосферные беспроводные оптические линии телекоммуникации (АОЛТ). Открытые оптические системы связи предназначены для создания каналов беспроводной передачи данных между разнообразными объектами [1, 2]. Оборудование функционирует по принципу преобразования электрических сигналов в оптические и обратно. Передача осуществляется в открытом пространстве остронаправленным лазерным лучом в условиях прямой видимости. В наше время структуру потребительского рынка аппаратуры АОЛТ в России формируют 3 сегмента: 46 % операторы связи; 35 % интернет-провайдеры; 19 % корпоративные заказчики. Актуальность использования АОЛС в качестве оборудования "последней мили" неоднократно подчеркивалась во многих источниках [1-4]. В случае территориальной общности пользователей воз-можно объединение их с помощью высокоскоростной ЛВС (100 Мбит/c или 1 Гбит/c и выше). В этом случае АОЛТ может использоваться для связи различных сегментов сети. Общая схема АОЛТ включает: источник лазерного излучения с модулятором; атмосферный канал с дальностью свыше 10000 м; модуль приёмной антенны; модуль фотоприёмного устройства на основе быстродействующего PIN диода или APD с предусилителем и системой обработки сигнала. Доступность АОЛТ непосредственно связана с величиной поступающей лазерной мощности на

Р. = aP,Grr,G, г.

приёмник Pr и отношением сигнал/шум SNR. Величину Pr можно оценить по следующему выражению:

їУШем 111

здесь, о — коэффициент затухания в атмосфере, Pt — мощность передатчика, Tt — потери мощности в передатчике, Tr — потери мощности в приёмнике, R — расстояние между передатчиком и приёмником, О, - (щ !Xf с _^п диаметр антенны передатчика, Dr - диаметр антенны приёмника, P(r) — коэффициент смещения центра пучка от центра антенны приёмника.

Факторами, определяющими затухание сигнала в атмосфере, являются селективное молекулярное поглощение и рассеяние, а также селективное рассеяние на частицах (аэрозолях). Коэффициент P(r) зависит от уровня турбулентности атмосферы. Данная формула позволяет оценить основные параметры ДОЛІ и провести

Рис. 1. Зависимость мощности попадающей на приемник Рг от величины О при диаметрах антенны передатчика 35 см, диаметре антенны! приемника 70 см и различной мощности: 1-2 Вт, 2-6 Вт, 3-10 Вт

40

T-Comm, #8-2Ol2

моделирование. В процессе выполнения работы были построены серии графических зависимостей величины Рг от всех параметров, входящих в (1), которые составили базу модели АОЛТ. В качестве примера, на рис.1 приведена зависимость мощности попадающей на приемник Рг от величины бо (о - бс) при различных мощностях оптического передатчика, дальность АОЛТ — 12 000 м.

На основе проведенного анализа, можно выделить основные пути повышения дальности АОЛТ:

1) повышение мощности источника излучения;

2) повышение чувствительности фото-приемника;

3) увеличение апертур передающей и принимающей оптических систем.

4) К методам повышения дальности при сохранении параметров надежности и доступности АОЛТ относятся усовершенствованные методы обработки поступающей инфор-мации.

(5. В дополнение к п. 4, некоторые серийные АОЛТ могут комплектоваться дополнительным модулем передачи информации в радиодиапазоне, например, на частоте 72 ГГц).

Следует отметить то, что в последнее десятилетие достигнут существенный прогресс по перечисленным пунктам и отмечается значительное расширение сферы применения АОЛТ, т.е. АОЛТ по пп. 1-4, приобрели "второе дыхание" [2-6].

6) В дополнение к пп. 4, 5, в комплект АОЛТ могут быть включены модули мощных лазеров для просветления облачности, которая может появиться на атмосферной трассе с определенной долей вероятности, зависящей от конкретного месторасположения АОЛТ и времени года.

Исследования по применению лазерного излучения для просветления облачности интенсивно проводились в середине 70-х и 80-х годов. В ходе этих работ, было показано, что распространение интенсивного лазерного излучения в капельном аэрозоле носит характер самовоздействия, так как изменение свойств среды (ее просветление и нагрев) оказывает обратное влияние на прохождение излучения. При этом значения параметров лазерного пучка, прошедшего через аэродисперсную среду, определяются главным образом характером и закономерностями разрушения конденсированной фазы.

Важным аспектом задачи просветления облаков и туманов интенсивным лазерным излучением является изучение оптической структуры каналов просветления и особенностей распространения в них пучков зондирующего излучения. В процессе просветления в зоне воздействия создается пространственно-неоднородное распределение диэлектрической проницаемости, и оптические свойства каналов просветления могут значительно отличаться от свойств безоблачной атмосферы.

Динамика разрушения конденсированной фазы и эволюция диэлектрической проницаемости в просветляемой облачной среде определяются параметрами пучка излучения (величиной и распределением интенсивности, длиной волны, расходимостью), турбулентностью атмосферы, водностью облака, распределением капель по размерам.

В настоящее время в научной литературе имеется достаточно много работ, посвященных изучению проблемы нелинейного распространения интенсивного лазерного излучения через облака и туманы. Значительный интерес представляет возможность пропускания информационных сигналов с малыми потерями через просветленный канал в атмосфере, как через своеобразный волновод. Исследованы изменения флуктуаций уровня интенсивности зондирующего пучка, распространяющегося в просветляемой среде, обусловленные влиянием газового поглощения воздействующего излучения на процесс просветления. Проведены иссле-

дования по выявлению трасс зондирования с минимальными ослаблением и флуктуациями излучения. Установлено, что в канале просветления, созданной, например, пучком СО2 — лазера конической формы или с Бесселе-подобным профилем интенсивности, зондирующее излучение претерпевает наименьшие флуктуа-ционные искажения и ослабляется незначительно.

Вместе с тем в обсуждаемой проблеме имеется ряд менее исследованных областей. К ним в первую очередь следует отнести воздействие на облака и туманы импульсами и особенно последовательностями коротких и свехкоротких импульсов лазерного излучения, просветление капельных сред во взрывных режимах разрушения конденсированной фазы, а также некоторые вопросы, касающиеся изучения оптических характеристик каналов повышенной прозрачности, анализа влияния статистической структуры атмосферы и лазерного пучка на просветление.

Поглощение излучения СО2 — лазера в приземной атмосфере вызывается водяным паром и углекислым газом, а также частицами аэрозоля. Анализ результатов измерений отношений мощностей, выполненных при авл = 4,5 г/м3, Т = 00 С и V = 2 - 4 м/с, показал, что среднее значение коэффициента передачи к=0,74. В отдельных опытах коэффициент передачи достигал величины к=0,84. Семь серий измерений на длинной трассе было выполнено непосредственно после снегопадов, когда ветер практически отсутствовал. При этом абсолютная влажность и температуры воздуха были равны для них 4,4 г/м3 и +1°С°, соответственно. Величина коэффициента передачи оказалась несколько выше, чем при ветре и составила в среднем 0,77, коэффициент ослабления изменялся в пределах 0,7-0,77 дБ/км (при ^=10,6 мкм). Ниже (табл. 1) приведены коэффициенты ослабления излучения СО2 — лазера на трассе длиной 760 м [7] в зависимости от абсолютной влажности воздуха авл и других параметрах атмосферы.

Каждая из приведенных величин является результатом усреднения по 10-20 опытам.

Представленная здесь совокупность экспериментальных данных показывает, что коллимированный мощный лазерный пучок на волне 10,6 мкм распространяется в свободной атмосфере практически без потерь энергии на расстоянии порядка километра. При этом просветление водного аэрозоля с оптической толщиной порядка 10 возможно излучением СО2 — лазера с мощностью 1216 кВт. Время образования канала ~0,035 с, скорость просветления неподвижного тумана составляет 140 м /с, а к.п.д. преобразования лучистой энергии в энергию испарения достигает 34 %.

Таким образом, в ряде работ теоретически исследовались нелинейное распространение в облачной среде одиночных: импульсов и последовательности импульсов излучения С02-лазера с параметрами, позволяющими реализовать взрывное разрушение капель на фрагменты, а также особенности формирования средних и пульса-ционных характеристик зоны воздействия и прохождения через просветляемую среду зондирующего пучка [7-10]. Предложенные модели взрывного просветления капельной аэрозольной среды позволяют проанализировать кинетику изменения прозрачности среды, рассчитать оптические характеристики зоны воздействия, рефракционные искажения излучения, провести сравнение по энергозатратам с просветлением в регулярном режиме испарения

Таблица 1

Коэффициенты ослабления излучения С02 -лазера

Т-Сотт, #8-2012

41

капель, показать преимущества взрывного просветления по сравнению с регулярным по энергозатратам и величине рефракционных искажений. Исследования оптической структуры зоны воздействия и распространения зондирующего пучка в просветляемой среде дают возможность определить область канала просветления, вносящую наименьшие случайные искажения в пучок. Интерес к использованию в АОЛТ лазеров в среднем ИК диапазоне подтверждается проводимыми работами рядом других научных коллективов, недавно опубликованных, например, в [11-14].

Реальность обретения "второго дыхания" для систем АОЛТ с модулями просветления облачности (МПО) базируется на том, что в настоящее время серийно выпускаются мощные и компактные С02-лазеры волноводного и щелевого типа с к.пд порядка 10% и мощные волоконные лазеры с к.п.д., превышающим 35%. Кроме того, дисперсия флуктуации фазы на оптической оси конической оптической волны пучка, сформированной коноидным аксиконом, оказывается меньше, чем на оптической оси плоской оптической волны [14] и фундаментального бесселева пучка.

При этом, системы АОЛТ МПО могут использоваться для решения ряда прикладных задач в сложных условиях сильно пересеченной местности и горных областей.

Литература

1. Вишневский В.М., Ляхов А.И., Портной С.Л., Шахнович И.В.

Широкополосные беспроводные сети передачи информации. // М., Техносфера, 2005. — 280 с.

2. Милютин Е.Р. Атмосферные оптические линии связи в России // Вестник связи. — 2008. — №2. — С.89-90.

3. Павлов Н.М. Коэффициент готовности атмосферного канала АОЛП и методы его определения // Фотон-Экспресс. — 2006. — №6. — Октябрь. — Спец. вып. — С.78-90.

4. Кузяков БА, Левашов Д.В., Серов А.Н. Оптимизация открытой

оптической линии связи в сфере гражданской авиации.// 59 Научнотехническая конференция МИРЭА (Технический Университет). — М., май 2010. — С.55.

5. Жаботинский М.Е., Григорьянц В.В., Кузяков БА, Рябова ЛА

Волноводный газовый лазер. Авторское свидетельство № 713465, Б.И., 1981, № 41.

6. Кузяков БА Анализ эффективности открытых систем связи ближнего и среднего ИК диапазонов в гражданской авиации. INTERMATIC-2009. Материалы мнтк "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного прибо-ростроения". — М.: "Энергоатомиздат", 2009. — В 4 частях. — Ч.4. — С.211-214.

7. Бисярин В.П., Ефременко В.В., Колосов МА, Пожидаев В.Н., Соколов A.B., Стрелков Г.М., Федорова Л.В. Распространение лазерного излучения в водном аэрозоле в условиях его разрушения // Известия вузов. Физика, 1983. — Т.26. — №2. — С.23-45.

8. Букатый В.И., Зуев В.Е., Кузиковский A.B., Хмелевцов С.С. Тепловое действие интен-сивных световых пучков на капельный аэрозоль // ДАН СССР, 1974. — Т.217. — №1. — С.52-55.

9. Andrews L.C., Phillips R.L. Laser Beam Propagation Through Random Media // SPIE Optical Engineering Press, 1998. — P132-138.

10. Kopeika N.S., Zilberman A., Sorani Y. Measured profiles of aerosols and turbulence for elevations of 2-20 km and consequences on widening of laser beams // Proc. SPIE Optical Pulse and Beam Propagation III, 2001. — Vol.4271. — P.284-289.

11. Краснов Р.П., Юдин В.И. Газовые лазеры для многоканальных линий оптической связи в атмосфере. Сб. н. трудов "Лазеры в науке, технике, медицине". — М., 2011. — C.94-96.

12. X. Yi, Z Liu, P. Yue. Inner-and outer-scale effects on scintillation index of an optical wave propagating through moderate-to-strong non-Kolmogorov turbulence // Optics Express, 2012. — Vol.20. — №4. — P4232-4247.

13. Garoa-Zamlbana A, Cas o-Vazquez C, Cas io-Vazquez B. Outage performance of MIMO FSO links over strong turbulence and misalignment fading channels // Optics Express, 2011. — Vol.19. — №14. — R13480-13496.

14. Лукин И.П. Флуктуации фазы оптических волн при конической фокусировке в турбулентной атмосфере // Оптика атмосферы и океана. — Т.24. — №12. — 2011. — С.1066-1071.

OPTIMIZATION OF TELECOMMUNICATION COMBINED SYSTEM WITH FIBER AND ATMOSPHERIC SEGMENTS Nefedov V.I., Zasovin EA, Kuzyakov BA

Abstract: Along with the well-known effective fiber optic communication lines are developed and applied in atmospheric wireless optical telecommunication lines. In their communication is carried out in the open space Sharply directed a laser beam in a line of sight. In some cases, for the implementation of telecommunications facilities necessary between the various combined systems (CBS). Based on the analysis highlights the main areas of optimization, for example, to increase the range and availability of the atmospheric channel CBS: 1) increase the power of the radiation source, 2) increasing the sensitivity of the photodetector, and 3) increasing the aperture of the transmitting and receiving optical systems, and 4) improvement modern methods of processing the incoming information to the receiving unit, and 5) the possible acquisition of an additional module in the radio transmission of information (for example, at a frequency of 72 GHz), 6) the possible inclusion of a module for high-power laser illumination of clouds appearing in the atmospheric channel.

On the basis of studies on the use of laser radiation for the enlightenment of clouds shows that the distribution of intense laser radiation in an aerosol droplet has the nature of self, as the change in properties of the medium (its illumination and heating) has the opposite effect on the passage of radiation. The values of the parameters of the laser beam transmitted through aero environment, which are mainly determined by the laws of nature and the destruction of the condensed phase.

Keywords: communication systems, information transfer, atmospheric channel, the range, systems availability, methods of effectivities increase.

42

T-Comm, #8-2012