Оптоволоконные каналы и беспроводные оптические связи

О "кирпичиках" телекоммуникационной отрасли - каналах связи - каналах передачи информации говорят бесконечно и, кажется, сказано все, что только можно. Однако прогресс не стоит на месте, постоянное появление новых технологий передачи данных возвращает нас к этой теме.
Можно констатировать наличие трех равноправных транспортов для передачи данных:

• медный кабель или волоконная оптика,
• радиорешения "точка-точка" или широкополосный доступ,
• безволоконная оптика (FSO-технология).

Технология FSO - Free Space Optics - основана на передаче данных в оптическом диапазоне через атмосферу. Верхняя граница радиочастотного спектра, требующая получения разрешения на его использование, составляет 400 ГГц. Частоты беспроводной оптики - около 400 ТГц - на три порядка выше. И как следствие - использование FSO оборудования не требует никаких проектных, согласовательных, разрешительных мероприятий. Равно как и оплаты использования радиочастотного спектра.
Принцип действия:
Входной сигнал из электрического преобразуется в излучение в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн, оптической системой формируется в узконаправленное излучение, передается через атмосферу, принимается детектором и превращается опять в электрический сигнал. Изменяется только среда передачи. Никакого активного преобразования сигнала не происходит. Оборудование протоколонезависимо, однако, настроено на определенный стандарт: Ethernet, Fast Ethernet, G.703. Подобная "свобода" и необычайно широкая полоса пропускания позволяют, кроме всего прочего, использовать институт криптографирования без потери скорости передачи данных. Сигнал, передаваемый через атмосферу, может быть только цифровым.
Основные преимущества использования систем FSO:

• быстрая организация канала связи между базовыми станциями или подключение микросот, соединение сегментов локальных сетей зданий, подключение выделенных каналов к Интернет;
• отсутствие необходимости получения разрешений на частоты;
• отсутствие влияний соседних каналов и электромагнитного шума;
• отсутствие арендной платы за канал.

Основные характеристики FSO:
"Абсолютно чистая атмосфера"
Термин, определяющий состояние атмосферы, при котором ослабление оптических сигналов в ней составляет 0dB/km. Так как локальные показатели воздействия атмосферы на оптическое излучение существенно зависят от специфики и конкретного географического места, сравнение и оценку систем беспроводной оптической связи необходимо производить по единому критерию.
"Максимальная дальность связи"
Интегральная, комплексная характеристика энергетического бюджета системы в километрах. Расчетная величина, получаемая 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). При этом диаметр пятна освещенности на приемнике должен быть больше диаметра приемника. Рассчитывается по формуле:
Lmax = Lэт.тр. * 1 / K,
где - Lmax - максимальная дальность связи, км; Lэт.тр. - длина эталонной трассы, км; K - коэффициент пропускания оптического аттенюатора на излучаемой длине волны. Следует отметить, что именно эта характеристика уже включает в себя все виды реальных потерь, имеющихся при реализации подобных систем за счет: 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 расчет энергетики и доступности в системах беспроводной оптической связи становится некорректным.
"Приведенное воздействие атмосферы"
Для корректного применения систем беспроводной оптической связи необходимо учитывать статистику наблюдений, метеорологическую дальность видимости (МДВ) в конкретном географическом месте, собираемую локальными метеослужбами. Другой статистики просто нет, разве только в лично Вашем жизненном опыте. Однако данные измерения являются верными для излучения с длиной волны 550%5нм (зеленый свет). Во всех системах беспроводной оптической связи используются разные источники ближнего инфракрасного диапазона. Например, используются светодиоды с длиной волны 870%50нм, а в гибридных передатчиках еще и лазерные диоды с l= 780%5нм. Отличие от длины волны, используемой для МДВ почти в 2 раза!
К тому же без учета ширины спектра и когерентности. Поэтому 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.
Аспекты применения
После количественной оценки вышеописанных характеристик становится возможным расчет доступности связи для конкретной модели на конкретном расстоянии в конкретном регионе. Для удобства такого расчета мы предлагаем семейство номограмм. Как показывает опыт, при выборе систем беспроводной оптической связи для использования как канал передачи данных следует ориентироваться на график приведенного воздействия атмосферы с МДВ > 100м. В корпоративном использовании эта планка поднимается до МДВ > 200м. При этом вхождение в номограммы (после выбора интерфейса) производится по реальной дистанции на трассе, а результатом является оптимальная модель для получения необходимого уровня доступности (см. Рис. 1-3 "Номограммы").
Рис. 1. Номограмма для подбора моделей работающих в стандарте Ethernet - 10 Мбит/сек

Рис. 2. Номограмма для подбора моделей работающих в стандарте Ethernet - 100 Мбит/сек

Рис. 3. Номограмма для подбора моделей работающих в стандарте G.703 со скоростями 2 или 8 Мбит/сек

Сегодня максимальная дальность систем в "абсолютно чистой атмосфере" (0dБ/км) составляет 320 км, что обеспечивает в реальных климатических условиях средней полосы России 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 НПК "КАТАРСИС" готовит 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, протяженность кабельного соединения в 2-3 раза превышает реальную дистанцию между объектами, а стоимость складывается из затрат не только на кабель, но и за 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 - в противном случае, такие инвестиции могут быть очень ограничены во времени и в возможности повторного применения на новом месте.
Кроме стандартных вариантов использования оборудования эти системы можно с успехом использовать, как канал связи в системах безопасности для передачи тревожных сообщений от удаленных объектов на ПЦН, когда отсутствуют проводные линии или как дополнительный канал передачи данных. Оборудование данной технологии можно использовать как канал передачи видеосигнала, так как к нему возможно подключение камер видеонаблюдения. В настоящий момент на рынке достаточно широко представлены цифровые камеры наблюдения, или Ethernet-камеры. Аналоговые камеры могут быть подключены с помощью дополнительных преобразователей. Существует широкий спектр оборудования, которое способно любой видеосигнал преобразовать в сигнал Ethernet. А скорости передачи и полосы пропускания достаточно даже для потокового видео.
Защита от несанкционированного доступа.
Одно из важнейших преимуществ технологии беспроводной оптики - высокая степень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа в канал связи. Данные передаются узконаправленным лучом в свободном пространстве. Любые попытки поместить "дополнительные" приемопередающие устройства непосредственно в канал связи прервут работу канала.
И в заключение еще немного о достоинствах систем FSO-технологии. Безволоконная оптика без труда преодолеет водные и транспортные магистрали, железнодорожные пути и ЛЭП. Она вне конкуренции в случае сжатых сроков - запуск канала занимает 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. FSO системы нечувствительны к электромагнитному шуму, не производят его. У них лучшая, чем у радио, защищенность. Наконец, инфракрасное излучение безвредно для здоровья, а обслуживание оборудования сводится к ежегодной профилактике оптики (перед началом осенне-зимнего сезона).

А.Г.Белл в 1880 году запатентовал фотофон - прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.

В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала) В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9000000 км.

В 2000 году общая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 10 13 - 10 16 Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100-1000 раз.

Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). В последнее время (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит/c при длине кабеля 30м и со скоростью 5,35 Гбит/c при длине кабеля 220м (Lightware N4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10 -10 , что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.

При построении сетей используются многожильные кабели (рис.3.; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [А] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет вводится в оптоволокно с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем, коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем. Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Рис. 3. Сечение оптоволоконного кабеля

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 4 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Рис. 4. Разновидности оптических волокон,
отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.

Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км.

Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 5, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

Рис. 5. Схема оптического разъема

Если длина волокна должна быть велика из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис. 6, присутствие ЭВМ необязательно).

Рис.6. Промежуточный волоконный усилитель

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Структура оптического канала утечки информации имеет вид, показанный рис. 31.

Объект наблюдения в оптическом канале утечки информации является одновременно источником информации и источником сигнала, потому что световые лучи, несущие информацию о видовых признаках объекта, представляют собой отраженные объектом лучи внешнего источника или его собственные излучения.

Отраженный от объекта свет содержит информацию о его внешнем виде (видовых признаках), а излучаемый объектом свет о параметрах излучений (признаках сигналов).

Длина (протяженность) канала утечки зависит от мощности света, от объекта, свойств среды распространения и чувствительности фотоприемника. Среда распространения в оптическом канале утечки информации возможна трех видов:

безвоздушное (космическое) пространство;

атмосфера;

оптические световоды.

Если объект наблюдения и наблюдатель находятся на земле, то протяженность канала утечки зависит не только от состояния атмосферы, но и ограничивается влиянием кривизны Земли. Дальность прямой видимости D пв в км с учетом кривизны Земли можно рассчитать по формуле:

где h o высота размещения объекта над поверхностью земли в м;

h н высота расположения наблюдателя над поверхностью земли в м.

Например, для ho = 3 м иh H = 5 мD пв = 14 км, что меньше метеорологической дальности при хорошей видимости. Эта формула не учитывает неровности Земли и различные инженерные сооружения (башни, высотные здания и т. д.), создающие препятствия для света.

Так как параметры источников сигналов и среды распространения зависят от значений спектральных характеристик носителя информации, то протяженность оптического канала утечки ее в видимом и ИК-диапазонах могут существенно отличаться.

Однако в общем случае потенциальные оптические каналы утечки информации имеют достаточно устойчивые признаки. Типовые варианты оптических каналов утечки информации приведены в табл. 6.

Таблица 6.

Объект наблюдения	Среда распространения	Оптический приемник-
Документ, продукция в помещении	Воздух + стекло окна	Глаза человека + бинокль, фотоаппарат
Продукция во дворе, на машине, ж/платформе	Атмосфера + безвоздушное пространство	Фото, ИК, телевизионная аппаратура на КА
Человек в помещении, во дворе, на улице	Воздух + стекло	Глаза человека + бинокль, фото, кино, телевизионная аппаратура

До недавнего времени атмосфера и безвоздушное пространство были единственной средой распространения световых волн. С разработкой волоконно-оптической технологии появились направляющие линии связи в оптическом диапазоне, которые в силу больших их преимуществ по отношению к традиционным электрическим проводникам рассматриваются как более совершенная физическая среда для передачи больших объемов информации. Линии связи, использующие оптическое волокно, устойчивы к внешним по­мехам, имеют малое затухание, долговечны, обеспечивают большую безопасность передаваемой по волокну информации.

Волокно представляет собой нить диаметром около 100 мкм, изготовленную из кварца на основе двуокиси кремния. Волокно состоит из сердцевины (световодной жилы) и оболочки с разными показателями преломления.

Волокно с постоянным показателем преломления сердцевины называется ступенчатым, с изменяющимся  градиентным. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое.

В одномодовом волокне световодная жила имеет диаметр порядка 8-10 мкм, по которой может распространяться один луч (одна мода). В многомодовом волокне диаметр световодной жилы составляет 50-60 мкм, что делает возможным распространение в нем большого числа лучей.

Волокно характеризуется двумя основными параметрами: затуханием и дисперсией. Затухание измеряется в децибелах на километр (дБ/км) и определяется потерями на поглощение и рассеяние света в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, а потери на рассеяние  от неоднородности показателя преломления. Лучшие образцы волокна имеют затухание порядка 0.15-0.2 дБ/км, разрабатываются еще более «прозрачные» волокна с теоретическими значениями затухания порядка 0.02 дБ/км для волны длиной 2.5 мкм. При таком затухании сигнала могут передаваться на расстояние в сотни км без ретрансляции (регенерации).

Волокна объединяют в волоконно-оптические кабели, покрытые защитной оболочкой. Хотя возможность утечки информации из волоконно-оптического кабеля существенно ниже, чем из электрического, но при определенных условиях такая утечка возможна. Для съема информации разрушают защитную оболочку кабеля, прижимают фотодетектор приемника к очищенной площадке волокна и изгибают кабель на угол, при котором часть световой энергии на­правляется на фотодетектор приемника.