Сети и телекоммуникации (заочное обучение, бакалавриат)

Системы передачи данных на инфракрасном излучении.

Очень коротко отметим преимущества использования ИК-систем беспроводной передачи по сравнению с другими беспроводными решениями, т.к. этому вопросу в литературе было уделено уже достаточно много внимания.

Использование ИК диапазона (или неиспользование радио диапазона). Загруженность и засоренность радиоэфира приводит к тому, что в крупных городах получить частотную полосу становится весьма проблематичным, а вседоступность "открытых" диапазонов не может гарантировать качества канала в коммерческих и служебных системах связи, несмотря на использование технологий передачи со скачком частоты и сложным цифровым кодированием.

Высокая конфиденциальность связи. Передача осуществляется узким лучом при полном отсутствии боковых излучений.

Отсутствие необходимости в разрешениях на использование радиочастотного спектра часто является определяющим фактором при выборе оборудования передачи.

И, наверное, главное преимущество — отсутствие принципиальных сложностей в ИК технологии с пределом скорости передачи. Если в радиочастотных системах для занятия разумной ширины полосы передачи приходится применять изощренное кодирование, которое к тому же снижает другие характеристики системы (к примеру, отношение сигнал/шум в приемнике), то все эти сложности не имеют никакого отношения к инфракрасным системам. Скоростные характеристики канала передачи в ИК-системах в основном определяются техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов! Но технология, как известно, развивается весьма бурными темпами. Уже сейчас, когда самой старой коммерческой беспроводной ИК-системе вряд ли будет 12 лет, скорости достигли отметки 2.5 Гбит/с, а при мультиплексировании по длине волны — до 10 Гбит/с. И это не предел. Немыслимые скорости для радио доступа!

3. Краткое описание технологии (физика процессов)

Сигналы входного интерфейса системы используются для модуляции сигнала в открытом оптическом канале. Сама технология передачи основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит полупроводниковый излучающий диод. В качестве приемника используется высокочувствительный фотодиод. Излучение воздействует на фотодиод, вследствие чего регенерируется исходный модулированный сигнал. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. С обеих сторон используется система линз, на передающей стороне — для получения коллимированного луча, а на приемной стороне — для фокусирования принятого излучения на фотодиод. Для дуплексной передачи организуется точно такой же обратный канал.

Все выглядит достаточно просто, но это только на первый взгляд.

Самым непредсказуемым элементом в системе является среда передачи. Непрогнозируемость атмосферы с ее погодными явлениями нам всем понятна. Это и есть главное отличие от оптоволоконных систем, где параметры кабеля хорошо известны. Вкратце рассмотрим особенности передачи ИК сигнала через атмосферу.

Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 720–950 нм. Это близкий к видимому инфракрасный спектр. Но почему именно он? Дело в том, что существующие технологические наработки, включающие и разработку технологии производства полупроводниковых лазеров, были сделаны из расчета компромисса между принципиально доступными длинами волн излучателей и приемлемыми диапазонами пропускания оптоволокна. Поэтому выбор в длинах волн ограничен возможностями излучателей и приемников (фотодиодов). Кроме диапазона 720–950 нм, существуют компоненты для диапазонов около 1300 нм и 1500 нм. Как говорится, не разгуляешься.

Вот тут-то и понадобились знания о среде передачи, чтобы сделать правильный выбор.

Существует много публикаций о влиянии тумана, дождя, снега и прочих атмосферных и погодных явлений на ИК-системы. Однако, кроме достаточно простых, учитывающих ограниченный набор факторов, влияющих на атмосферный канал передачи, подходов к моделированию канала в этих публикациях найдено немного. Основная часть подходов базируется на определении метеорологической видимости (МВ — расстояние, на котором ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗ различает черный объект с угловыми размерами более 20 мрад при дневном освещении), и определяет ослабление сигнала в зависимости от этой самой метеорологической видимости. Сама же МВ определена для различных погодных условий и состояний атмосферы достаточно точно. В определении фактор "человеческий глаз" выделен не случайно. При этом мы сразу попадаем в заблуждение, считая что то, что мы видим, "видит" и ИК-система.

А это не совсем так, или даже совсем не так. За примерами ходить далеко не надо. Представьте — Швейцарские Альпы, почти 3 км над уровнем моря, чистейший воздух. Красота! Но даже в этих условиях атмосфера совершенно непрозрачна для длин волн в районе 2600 нм!

Частный пример прозрачности атмосферы для дистанции 300 метров, зафиксированный при хороших погодных условиях на уровне моря в южных широтах, приведен на рис.1 (График пропускания атмосферы приведен с разрешением 100 см^-1).

Построение всех ИКсистем передачи практически одинаково — интерфейсный модуль, модулятор излучателя, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор приемника и интерфейсный блок приемника. Но все системы по технологическому признаку можно разделить на две группы. Одна группа использует полупроводниковые ИК диоды (с излучением с поверхности), а вторая использует для излучения полупроводниковые ИК лазерные диоды (с излучение с торца перехода). Главное различие систем сказывается на их главных характеристиках — скорости и дальности передачи. Первая группа — это, в основном, короткоходные системы до 1 км со скоростями до 20 Мбит/с, вторая — обеспечивает значительно большие дальности передачи, в зависимости от погодных условий и требований к качеству канала, со скоростями до 622 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы). Откуда же такое существенное различие?

Главное преимущество ПП диодов — высокое время наработки на отказ. Величина в 400 000 часов при мощности в 400 мВт здесь не редкость. Кроме того, каналы, использующие п/п диоды, менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере благодаря широкой полосе излучения (типичные значения около 50 нм). Форма сечения луча от п/п диодов практически круглая. Но здесь все преимущества п/п диодов заканчиваются. И начинаются недостатки. Инерционность п/п диодов при высоких мощностях излучения не позволяет достичь высоких скоростей передачи. Из-за широкой полосы излучения существуют сложности (правда, чисто теоретические) в передаче высокоскоростного сигнала — разные моды сигнала добираются до приемника с различной задержкой и на больших дистанциях и очень высоких скоростях сигнал на выходе приемника распознать уже крайне сложно. Т.е. передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. В идеале это должна быть одна мода. Такими, или близкими к таким характеристиками обладают лазерные диоды. Однако при такой передаче нельзя забывать, что эта единственная мода может попасть на полосу резонансного поглощения какого-нибудь газа в атмосфере, и тогда все плюсы лазерных диодов обернутся явными минусами. При правильном выборе компонентов потенциальные возможности развития систем с применением лазерных диодов выглядят впечатляюще. Время наработки на отказ для лазерных диодов мощностью 1000 мВт и выше уже достигло уровней 130 000 часов.

И все же, у лазерных диодов есть один врожденный недостаток — сильно выраженная эллиптичность луча. Для борьбы с этим пороком применяют различные методы — от весьма корректных — оптических систем с призматическими линзами, до грубых — ограничением апертуры оптической системы с неизбежной потерей части мощности.

Однако, мир не только черно–белый. Есть промежуточная группа — системы, использующие для передатчиков VCSEL лазерные диоды (с излучением с поверхности в результате объемного резонанса/многоуровневого переотражения). Эти устройства обладают преимуществами как лазерных диодов — узкая полоса излучения (в некоторых режимах — всего одна мода), так и преимуществами п/п диодов — высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но ничего не бывает бесплатно. Жертвой является доступная мощность излучения. Сегодня она не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих синхронно. Но здесь уже начинаются другие сложности, т.к. обеспечить абсолютную синхронность с минимальными фазовыми сдвигами очень сложно. С развитием технологии, перспективы VCSEL диодов обнадеживают.

Все ИК-системы передачи внешне очень похожи. Однако параметры систем различаются значительно. Все дело, конечно, в сбалансированном выборе параметров. В отличие от многих других систем, здесь очень важна именно сбалансированность. За примером ходить далеко не надо. Многие разработчики, стремясь повысить дальность путем уменьшения угла расхождения луча, доводят его до таких величин, когда даже микровибрация зданий и конструкций от проходящей рядом дороги, ветровой нагрузки может привести к расстройке системы. На такие системы повышенное влияние оказывает эффект дрожания атмосферы из-за восходящих тепловых потоков в жаркий период. На практике, величина угла расхождения луча менее 2 мрад становится неприемлемой для очень многих условий эксплуатации. Некоторые российские и зарубежные системы грешат этим недостатком. Слишком же большое раскрытие луча приводит к неэффективному использованию светового потока.

Если говорить о самых эффективных системах на сегодняшний момент, т.е. обеспечивающих высокие скорости передачи на большие (для ИК-систем) расстояния, то здесь нельзя не отметить достижения фирмы PAV Data Systems Ltd. Благодаря самой высокой энерговооруженности луча, оригинальной технологии получения круглого сечения луча и сбалансированности параметров, сейчас серийно выпускаются системы на 622 Мбит/с, дальность систем превышает 6 км с достаточно высоким коэффициентом готовности для условий средней полосы России. Такие параметры получены благодаря большому опыту работы фирмы в данной области и, наверное, самой большой установленной базе систем (более 5000). Здесь нет ничего фантастического — просто для передачи используется система из 3-х лазеров, каждый со средней мощностью 100 мВт, и высокочувствительные APD (лавинные) фотодиоды в приемнике.

Кстати, о приемниках и фотодиодах. Здесь наметилось полное единодушие у проектировщиков систем. Все высокоскоростные системы используют лавинные фотодиоды, а низкоскоростные обычные кремниевые p-i-n фотодиоды, у которых чувствительность почти на порядок ниже.

Применение новейшей технологии мультиплексирования по длине волны, реализованной в оптоволоконных системах, не имеет принципиальных ограничений на применение ее в беспроводных ИК-системах передачи. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Первопроходцем оказалась компания Lucent Technologies со своим опытным продуктом WaveStar OpticAir, обеспечивающим скорость передачи до 10 Гбит/с на четырех длинах волн. Причем ранее эта компания не была заметна среди активных игроков на этом поле. Этот факт позволяет сделать вывод, что интерес к этому сектору рынка начинают проявлять киты индустрии, которые до последнего времени были просто наблюдателями. Единственным подводным камнем здесь может быть все то же резонансное поглощение в атмосфере, которое на разных длинах волн может существенно различаться. Но, несмотря на это, открывающиеся перспективы сулят потребителям огромные возможности.

 
Мы не стали проводить моделирование систем по всему диапазону излучения (вследствие разброса параметров у конкретных образцов излучателей), т.к. эта информация доступна у немногих производителей. Да и это отдельная тема для разговора. Как показывает моделирование, у большинства образцов систем из-за разброса характеристик излучения дальность связи может меняться в два и более раз. Например, Вы приобрели систему, для которой были заявлены усредненные характеристики для полосы излучения 1350 нм. В конкретном же образце эта величина оказалась, скажем, 1400 нм. Небольшая разница? Но характеристики атмосферы в этом диапазоне совершенно другие! И в этом случае дальность связи в аналогичных условиях может уменьшиться в пять раз! Найти причину отказа в канале во вполне приемлемых внешних условиях в этом случае будет крайне сложно.