Андрей КЛИМЕНКО, технический директор ТОО «ADVANTEK SYSTEMS», г. Алматы
При построении систем корпоративной технологической связи, АСКУЭ, АСУТП, АСУ начальники служб СДТУ, служб главного энергетика предприятий, начальники подразделений связи очень часто встают перед выбором типов каналов связи. Нужно отметить, что на сегодня в разной степени имеют место применение на практике проводные каналы связи (медный кабель, ВОЛС), радиорешения (радиорелейные каналы, широкополосный радиодоступ) и, конечно, не столь ещё популярные в силу своей новизны атмосферные оптические линии связи - АОЛС. Понятно, что, выбирая технологию организации каналов связи, подсознательно отдаётся предпочтение так называемым традиционным решениям.
На сегодня к таковым можно отнести проводные и беспроводные радиолинии. Но всё относительно во времени. Так, в первой половине прошлого столетия и радиорешения были нетрадиционными по отношению к проводным линиям. Прогресс не стоит на месте, и уже сейчас в разряд традиционных можно отнести беспроводные радиосоединения. А вот атмосферные оптические линии связи, появившиеся в начале XXI века, по сей день с настороженностью воспринимаются и проектировщиками, и специалистами телекоммуникационного сектора. Так что же такое АОЛС и в чем их преимущество перед «традиционными» линиями связи?
Технология, по которой разработаны AOЛC - Free Space Optics, основана на передаче данных в оптическом диапазоне через атмосферу. Верхняя граница радиоспектра, на которую необходимо получать разрешение на его использование, - 400 ГГц. Частоты, используемые в АОЛС, на три порядка выше. Поэтому использование оборудования АОЛС не требует никаких проектных, согласовательных, разрешительных мероприятий, в том числе и оплаты использования радиочастотного спектра. Это, безусловно, один из важнейших факторов в пользу применения такой технологии и оборудования в телекоммуникационных системах.
Немного историиВ 1880 году Белл запатентовал фототелефон, в котором солнечный луч, отражённый от зеркальца, модулировался голосом, передавался через атмосферное пространство и поступал на твёрдотельный детектор. Так появился прототип современных атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Коэффициент готовности такой линии в среднем за год не мог быть более 50%, так как после захода солнца связь обрывалась (http://ru.wikipedia.org/wiki/FSO).
Естественно, для современных линий связи параметр готовности должен быть не менее 99,999%, поскольку речь идет не только о голосовых сообщениях, но и о важнейших применениях в производственно- технологических процессах обменов информационными потоками (телеуправление, телеизмерение, SCADA и т.д.). Внедрение IP-протоколов и применение современной элементной базы позволили лишь в XXI веке создать высокоэффективные АОЛС, обеспечив внедрение этой технологии связи в индустрию телекоммуникаций.
Для того чтобы говорить о преимуществах беспроводной оптики перед традиционными решениями, необходимо прежде всего понять, как это работает.
Принципы действия
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.
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 служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Входной электрический сигнал поступает в приёмопередающий 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. При этом чем выше частота, тем больше объём передаваемой информации. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.
Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода.
Оборудование не зависит от протокола, однако настроено на определённые стандарты: Ethernet, Fast Ethernet, G.703. Универсальность интерфейсов и широкая полоса пропускания позволяют использовать самые различные передовые криптографические алгоритмы, и это никак не влияет на скорость передачи данных. Сигнал, передаваемый через атмосферу, может быть только цифровым.
Основные характеристики FSO
Термин «абсолютно чистая атмосфера», определяющий состояние атмосферы, при котором ослабление оптических сигналов в ней равно 0 dB/km. Если учитывать, что локальные показатели воздействия атмосферы на оптическое излучение очень сильно зависят от региона и конкретного географического места, то сравнение и оценку систем атмосферных линий связи необходимо производить по единому критерию.
Дальность связи - это характеристика энергетического бюджета системы АОЛС в километрах. Расчётная величина - величина, которая получается при измерении энергетического запаса конкретной системы беспроводной оптической связи на эталонной трассе при нормальном состоянии атмосферы с помощью оптических аттенюаторов, фильтров и диафрагм. Уменьшение коэффициента пропускания излучения проводится до заданного уровня BER (обычно 10-6). Диаметр пятна освещённости при этом на входе приёмника должен быть больше диаметра приёмника и рассчитывается по формуле:
Lmax = Lэт.тр. * 1/K,
где: Lmax - максимальная дальность связи (км), Lэт.тр. - длина эталонной трассы (км), К - коэффициент пропускания оптического аттенюатора на излучаемой длине волны.
Именно эта характеристика уже включает в себя все виды реальных потерь, имеющихся при реализации подобных систем за счёт расходимости, размера апертуры, поля зрения, потерь на оптических элементах и фильтрах, разрешающей способности, размеров источников и фоточувствительных элементов и т.д. При отсутствии данной характеристики расчёт энергетики и доступности в системах беспроводной оптической связи становится некорректным.
«Приведённое воздействие атмосферы»
Для корректного применения систем беспроводной оптической связи необходимо учитывать статистику наблюдений, метеорологическую дальность видимости (МДВ) в конкретном географическом месте, собираемую локальными метеослужбами. Статистику МДВ, собираемую метеослужбами, необходимо увязать с используемым в конкретной беспроводной оптической системе излучением. Такие данные может дать только производитель каждой конкретной системы на основе собственных наблюдений. На сегодня это недостаток унификации расчётов энергетического бюджета АОЛС.
Аспекты применения
После количественной оценки вышеописанных характеристик становится возможным расчёт доступности связи для конкретной модели на конкретном расстоянии в конкретном регионе. Сегодня максимальная дальность систем в «абсолютно чистой атмосфере» (O dB/км) составляет 320 км, что обеспечивает в реальных климатических условиях необходимый уровень доступности. Так для операторской доступности 0,999 (это соответствует метеорологической дальности видимости >100 м) рекомендованная дистанция установки составит 1 км. Скорость передачи информации, достигаемая в беспроводном оптическом канале, сравнима с оптоволоконным. Некоторые модели позволяют построить соединение с пропускной способностью 100/200 Мбит/с. А есть модели с пропускной способностью 155 Мбит/с. В настоящий момент так же есть и модели с интерфейсом Gigabit Ethernet - 1 Гбит/с.
Когда два объекта находятся в прямой видимости и расстояние не превышает 2 км, соединение безволоконной оптикой становится не менее эффективным, чем проводное. Безусловно, когда оптоволоконное соединение возможно и экономически выгодно, ничего другого не надо. Однако, к сожалению, сложности в организации оптоволоконных соединений начинаются почти всегда при выходе за пределы зданий. Во-первых, протяжённость кабельного соединения в 2-3 раза превышает реальную дистанцию между объектами, а стоимость складывается из затрат не только на кабель, но и на услуги по его прокладке за каждый метр. Во-вторых, работы за пределами здания всегда надо с кем-либо согласовывать и ожидать значительное время. В-третьих, хорошо, когда вы - собственник зданий и территории между ними принадлежат вам. А если нет, то вам придётся пройти всю череду согласований и возможно построить дополнительную инфраструктуру. Все эти вопросы не имеют актуальности при использовании АОЛС. Кроме всего прочего, вы сможете организовать требуемый канал связи с небольшими инвестициями в аспекте вышеизложенного, к тому же эти инвестиции быстро окупятся, а оборудование в отличие от проложенного оптоволоконного кабеля можете повторно использовать на других объектах, демонтировав за пару часов. 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. Пропускная способность линии АОЛС не определяется частотой передачи сигнала, а зависит от способности отправлять и принимать оптический сигнал с максимально возможной скоростью. Если передаётся и принимается достаточная мощность пучка света в системе АОЛС, то скорость передачи данных остается высокой.
В волоконно-оптической сети скорость передачи данных не уменьшается из-за ослабления сигнала, а данные либо не передаются вообще, либо передаются с большим количеством ошибок. Если уровень вносимых потерь (затухания) в волоконно-оптической линии связи будет слишком высоким, передача данных будет невозможна. Наоборот, беспроводная система AOЛC реагирует на ослабление мощности принимаемого сигнала уменьшением скорости передачи данных. Канал на оборудовании FSO, который в ясную погоду работает со скоростью 24 Мб/с, будет передавать данные во время непогоды со скоростью 18 Мб/с, 12 Мб/с или 6 Мб/с. Также если говорить о качественной оценке каналов АОЛС, то можно сказать следующее: ключевой принцип АОЛС основан на компромиссе. Чем большая продолжительность простоев вследствие неблагоприятных погодных условий (туманов) допускается, тем больше будет дистанция канала связи.
Защита от несанкционированного доступа
Безопасность 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 луч света атмосферной оптической линии связи перехватить трудно. Поскольку системы АОЛС обычно устанавливают на крышах, то нарушителю нужно преодолеть физическую преграду и попасть на крышу. Да еще нужно перехватить луч света и постараться при этом не прервать передачу данных. У многих производителей систем АОЛС простые модели точек доступа очень похожи на камеры слежения, что является сдерживающим фактором для потенциальных вредителей. И в заключение еще немного о достоинствах систем FSO-технологии. Безволоконная оптика без труда преодолевает водные и транспортные магистрали, железнодорожные пути и ЛЭП. Она вне конкуренции в случае сжатых сроков, т.к. запуск канала занимает всего несколько часов. Системы могут применяться только на соединениях типа «точка-точка» и оперируют очень узкой диаграммой направленности излучения, поэтому можно создать почти неограниченное количество каналов в непосредственной близости друг от друга. В случае радиолиний их пропускная способность зависит не только от электромагнитных помех, но и от возможной близости подобных каналов. АОЛС-системы нечувствительны к электромагнитному шуму, не производят его. У них лучшая, чем у радио, защищённость. Наконец, инфракрасное излучение безвредно для здоровья, а обслуживание оборудования сводится к ежегодной профилактике оптики (перед началом осенне-зимнего сезона).
Резюме
К основным преимуществам использования систем АОЛС можно отнести следующее:
- быстрая организация канала связи;
- отсутствие необходимости получения разрешений на частоты;
- отсутствие влияний соседних каналов и электромагнитного шума;
- отсутствие арендной платы за канал;
- высокая степень безопасности.
Технологию FSO используют многие предприятия и организации для оперативного развертывания надёжных, недорогих и безопасных широкополосных линий связи. Такие физические препятствия как автотранспортные и железно-дорожные магистрали и даже другие здания в промышленной зоне, являются основным фактором использования систем беспроводной связи. Использование системы АОЛС для передачи данных между зданиями практически делает невозможным считывание и незаметный перехват сигнала. Важно признать, что нет технологии, которая была бы в равной степени пригодна во всех ситуациях, и что каждое средство связи имеет свои преимущества. Высокоэффективные беспроводные системы, основанные на использовании технологии FSO, являются реальной альтернативой в телекоммуникационных системах линиям беспроводной радиосвязи и ВОЛС. Возможность быстрого развертывания безлицензионной безопасной беспроводной системы, которая имеет большую полосу пропускания и независимость от протокола передачи данных, позволяет использовать FSO при построении корпоративных сетей передачи данных. Компания «ADVANTEK SYSTEMS», являясь интегратором в телекоммуникациях, использует в своих решениях системы атмосферных оптических линий связи. Зачастую при обращении к нам мы сталкиваемся с часто задаваемыми вопросами: «А насколько надёжны такие системы и на какие дистанции реально работают АОЛС?». Как и любая другая система связи, правильно спроектированная АОЛС обеспечит должный уровень надёжности с регламентированными стандартными коэффициентами готовности и должными качественными показателями.
По интересующим вопросам и за предоставлением дополнительной информации можно обращаться в компанию «ADVANTEK SYSTEMS». E-mail: sales@as.kz