ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ ДЛЯ РЯДА СХЕМ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

CAPACITY OF ATMOSPHERIC OPTICAL COMMUNICATION INES FOR A NUMBER OF TRANSMISSION SYSTEMS OF TELECOMMUNICATION SIGNALS

Boris Kuzyakov

Candidate of Physical and Mathematical Science, Associate Professor, MIREA – Russian Technological  University, Moscow; Laser Association of the Russian Federation, Russia, Moscow

Аннотация. Представлены основныепреимущества использования систем атмосферной оптической линии связи (АОЛС). Показаны отличия пропускнойспособностиАОЛС для разных конфигураций системы и разнообразных параметров. Приведены варианты ряда аппроксимаций пропускной способностиразными функциями для условий относительно сильной турбулентности.

Abstract. The article presents the main advantages of using atmospheric optical communication line (AOCL) systems. The article shows the differences in the AOCL capacity for different system configurations and various parameters. The article presents variants of a number of approximations of the capacity by different functions for conditions of relatively strong atmospheric turbulence.

Ключевые слова: атмосферная, оптическая, линия связи, преимущества, пропускная способность, отличия, варианты, аппроксимация, функция, турбулентность атмосферы.

Keywords: atmospheric, optical, communication line, advantages, throughput, differences, options, approximation, function, atmospheric turbulence.

Введение. Работа системы Free Space Optics (FSO) или атмосферной оптической линии связи (АОЛС) основана на беспроводной передаче данных в оптическом диапазоне в земной атмосфере. Верхняя граница радиоспектра, на который необходимо получать разрешение на его использование, - 400 ГГц. Частоты, используемые в АОЛС, на несколько  порядков выше. Поэтому использование оборудования АОЛС не требует никаких дополнительных разрешительных мероприятий, что доказывает большую привлекательность применения такой технологии и оборудования в телекоммуникационных системах.

Базовые особенности. В основе беспроводных оптических систем лежат технологии организации высокоскоростных каналов связи посредством инфракрасного излучения, которые делают возможной передачу данных (текстовые, звуковые, графические данные) между объектами через атмосферное пространство, предоставляя оптическое соединение без использования стекловолокна [3-4, 11]. Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка - точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком, как правило,  служит высокомощный полупроводниковый лазерный диод. Входной электрический сигнал поступает в приёмно-передающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируется оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу. На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный диод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса. Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в диапазонах  700 - 950 нм  или 1530 - 1560 нм (рисунок 1).

Рисунок 1. Варианты конструкции  передающего и приёмного (справа)  модулей  системы  АОЛС

Оборудование поддерживает определённые стандарты: Ethernet, FastEthernet, G.703 и его работане зависит от действующих протоколов. Универсальность интерфейсов и широкая полоса пропускания позволяют использовать самые различные передовые криптографические алгоритмы. Стандартные системы АОЛС имеют скорость передачи данных от 6 Мб/с до 1,25 Гб/с. На реальном объекте в большинстве систем скорость передачи ограничивается пропускной способностью локальной сети, которую она может поддерживать. Однако, беспроводная система AOЛC реагирует на ослабление мощности принимаемого сигнала некоторым уменьшением скорости передачи данных. Если в ясную погоду, канал на оборудовании FSO работает со скоростью 24 Мб/с, то в условиях, например, моросящего дождя его скорость может снизиться до 18 Мб/с и менее. Обеспечение безопасности имеет особое значение во всех системах беспроводной связи. Поскольку радиочастотные системы излучают сигналы во всех направлениях, то сигналы можно просто и легко перехватывать. Поэтому для повышения безопасности радиочастотных сетей обычно применяют кодирование и различные средства защиты передаваемой информации. Однонаправленный узкий луч света атмосферной оптической линии связи без прерывания передачи данных. перехватить практически невозможно. При этом, беспроводная оптика без труда преодолевает значительные водные пространства (рисунок 2).

Рисунок 2. Пример реализации телекоммуникационной системы АОЛС на материке и между берегами залива

Заметим, что на рисунке 2,  расстояние между берегами залива  превышает 300 м. Транспортные магистрали, железнодорожные пути и ЛЭП так же легко преодолимы для систем АОЛС, без особенных затруднений (рисунок 3).

Рисунок 3. Пример применения АОЛС в сложных техногенных условиях

Запуск канала  АОЛС  занимает всего несколько часов, поэтому оптические линии связи не имеют конкурентов при ограниченных сроках реализации связных систем. Технология АОЛС позволяет создавать почти неограниченное количество каналов в непосредственной близости друг от друга. АОЛС-системы нечувствительны к электромагнитным помехам и  не производят их. Кроме того, инфракрасное излучение безвредно для здоровья людей, а обычное обслуживание оборудования состоит в ежегодной профилактике оптики. Все перечисленные особенности подтверждаются многочисленными фирмами во многих странах, в частности, компания «ADVANTEK SYSTEMS», которая считается  интегратором в телекоммуникациях, широко использует системы АОЛС. Таким образом, вкратце, можно констатировать, что основными преимуществами использования систем АОЛС являются [3-4, 11]: 1) быстрая организация канала связи; 2) отсутствие необходимости получения разрешений на частоты; 3) отсутствие влияний соседних каналов и электромагнитного шума; 4) отсутствие арендной платы за канал; 5) высокая степень безопасности.

Для подкрепления перечисленных преимуществ АОЛС приводим сравнительную таблицу 1.

Таблица 1.

Наиболее используемые системы связи

Конкретные данные в таблице 1 подтверждают ряд преимуществ АОЛС в сравнении с другими системами связи. Значения пропускных способностей атмосферных оптических линий связи (АОЛС) могут отличаться для разных конфигураций систем и разнообразных параметров. Наибольшее распространение [3, 12] получили системы: А) Одновременной адаптации мощности и скорости передачи (ППМС); Б) Преобразование при постоянной мощности передачи (ППМ); В) Преобразование с фиксированной скоростью передачи (ПФСП). Величины {C} перечисленных пропускных способностей АОЛС могут быть представлены математическими выражениями:

{C}(ППМС) = ((2^{α + β -1} ) / (2 πln(2) Г(α) Г (β))G₂₆⁶⁰[[ (α² β² γ_TH) / 16γ^*]|_{ξ 2,0,0} ^ξ1 ],                                            (1)

где ξ 1= {1, 1}  и ξ 2 = { α/2, (α +1)/2, β/2, (β +1)/2}.

{C}(ППМ) = ((2^{α + β -1} )/ (2 π ln(2) Г(α) Г (β))G₆₂ ¹⁶[[ 16 γ^*/ (α² β²)]|_{ξ 4} ^{ξ 3} ],                                                (2)

где ξ 3= {1, 1, (1- α)/2, (2- α)/2, (1 – β)/2, (2 – β)/2} и  ξ 4= {1, 0}.

{C}(ПФСП) = [1 / ln(2)] ln{ 1 + [(α² β² γ_TH) /(16 γ^*)|_{ξ 2,1} ²( G₁₅⁵⁰(2^{α + β -1} ) /(2 πГ(α) Г (β)γ^*)]^-1 } x[ 1 – (αβ√(γ_TH/ γ^*) |_{α, β, 0}) G₁₃²¹/ ( 2 Г(α) Г (β)], (3)

здесь, обозначения соответствуют вышеприведённым.

Эти математические выражения имеют весьма непростой вид и включают много разнообразных параметров [7 - 9]. Для повышения наглядности рассматриваемой пропускной способности АОЛС приводим графическую экспериментальную (рисунок 4) зависимость (точки зелёного цвета).

Рисунок 4. Экспериментальная зависимость{C} системы ПФСП и варианты аппроксимаций разными функциями для условий относительно сильной турбулентности С_n² = 0.9866 x 10^-14

Хотя, измеренная зависимость на рисунке 4, имеет нелинейный вид [4 - 6], её можно аппроксимировать несколькими функциями (таблица 2).

Таблица 2.

Виды регрессии функции при аппроксимации экспериментальных данных

Из графиков рисунка 4 и таблицы 2, видно, что наименьшей средней ошибкой аппроксимации, менее 2 %, обладает кубическая регрессия (1,9737 %):

{C} = - 0.0007 S³ + 0.0493 S² – 0.8179 S + 6.0155                                                                      (4)

В дальнейшем, мы именно ей мы будем отдавать предпочтение (рисунок 4, сплошная линия зелёного цвета). На рисунке 5, показаны разности зависимостей пропускной способности канала АОЛС для двух схем передачи сигналов [10-12]. На этом рисунке 5, нижняя кривая носит более плавный характер, однако все её величины C* значительно меньше верхней кривой. Поэтому можно считать, что рядом преимуществ по пропускной способности канала АОЛС, обладают системы ПФСП (верхняя кривая).

Рисунок 5. Зависимости разности значений  пропускной способности канала АОЛС для двух схем передачи сигналов от величин SNR: сплошная линия -ПФСП ; пунктир - ППМ;  C* - в (bit/sec/Hz); C(max) = C_n² = 0.9866 x 10^-14 ; C(min) =C_n² = 0.1409 x 10^-14

Для нижней кривой все её значения меньше верхней в 1,5 – 2 раза, поэтому предпочтение остаётся за сплошной кривой.

Заключение. Таким образом, проведённые исследования пропускной способности атмосферных оптических линий связи показывают ряд преимуществ систем ПФСП и имеют большое значение для повышения их надёжности и эффективности.