Рынок систем атмосферных оптических линий связи
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО»
Базовая кафедра инноватики
РЫНОК СИСТЕМ АТМОСФЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
маркетинговое исследование
КУРСОВАЯ РАБОТА
студентки 2 курса 241 группы
направления 222000.62 «Инноватика»
факультета нано- и биомедицинских технологий
Нечкиной Ксении Сергеевны
Саратов 2014
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
. История атмосферных линий связи
. Рынок атмосферных оптический линий связи
. Принцип работы атмосферных оптических линий связи
. Потенциальные потребители атмосферных оптических линий связи
. Преимущество атмосферных оптических линий связи
. Влияние атмосферы на АОЛС
.1 Поглощение
.2 Рассеяние
.3 Турбулентность
Заключение
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
Современные средства связи и управления в основном работают в радиодиапазоне, но важную роль начинают играть информационные каналы работающие в других диапазонах электромагнитных волн. В настоящее время становится очевидным, что управление аппаратурой и быстро растущая потребность в высокоскоростных помехоустойчивых системах связи, обладающих высокой информационной пропускной способностью, требует использования новых перспективных методов. Одним из решений данной проблемы является использование оптического диапазона (т.е. диапазона видимых и инфракрасных волн). К достоинствам инфракрасных волн следует отнести их большую информационную емкость и техническую сложность их перехвата и подавления, по сравнению с видимым излучением. К тому же, по сравнению с видимым излучением, инфракрасные лучи менее подвержены поглощению и рассеянию атмосферой (при воздушной дымке и слабом тумане), благодаря чему обладают лучшей проницаемостью.
Одной из основных проблем при построении современных цифровых сетей передачи данных (это могут быть ЛВС, стационарные телефонные сети, сети операторов сотовой связи и т.д.) является проблема выбора каналообразующего оборудования. Один из перспективных вариантов - использование технологии беспроводной связи - АОЛС (атмосферных оптических линий связи, или FSO - Free Space Optics).
Целью данной работы было рассмотреть рынок АОЛС, принцип работы, узнать преимущества АОЛС перед аналогами, узнать потенциальных потребителей .
.ИСТОРИЯ АЛС
Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применявшуюся в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи. Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване. В целом, испытания были успешными, но на тот момент специалисты посчитали, что плохие погодные условия делают лазерную связь ненадёжной, и она была признана неперспективной. Использование сигналов с непрерывной (аналоговой) модуляцией, применявшейся в те годы, приводило к ненормированному затуханию оптического сигнала из-за влияния атмосферы.
Современное широкое распространение АЛС во многих странах мира началось в 1998 году, когда были созданы недорогие полупроводниковые лазеры мощностью в 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигнала позволило избежать ненормированного затухания сигнала и выполнять повторную передачу пакета информации при обнаружении ошибки.
В это же время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема "последней мили" (подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю). Прокладка новых кабельных сетей требует крупных капиталовложений, а в ряде случаев, особенно в условиях плотной городской застройки, очень трудна или даже невозможна.
Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.
. РЫНОК АОЛС
Еще в 2000 г. более десяти отечественных и зарубежных фирм предлагали свою продукцию, но жесткая конкуренция и повышение требований к аппаратуре привели к тому, что в настоящее время на рынке АОЛС доминируют компании: "Оптические ТелеСистемы" (ОТС), торговая марка БОКС (беспроводные оптические каналы связи); "Мостком", разрабатывающая и представляющая продукцию ГРПЗ (Государственного Рязанского приборостроительного завода), торговая марка МОСТ (многоцелевые оптические системы для телекоммуникаций) и MicroMax (США), продвигающая изделия фирмы PAV Data Systems (Англия) под марками PAV Light и PAV Express. Новейшие разработки ОТС и "Мосткома" называются соответственно "Лантастика" и Artolink. С 2003 г. компания Ray Com Wireless предлагает в России АОЛС LaserLink производства фирмы GBL ,но ее присутствие на рынке незначительно. По словам генеральных директоров компаний ОТС С. Никулина и "Мостком" С. Полякова, доля их предприятий составляет приблизительно 70% и 10% рынка, что для ОТС означает продажу примерно 1 тыс. комплектов приемопередающей аппаратуры. Все компании поставляют на рынок свыше 1,4 тыс. АОЛС ежегодно.
3.ПРИНЦИП РАБОТЫ АОЛС
Простейшая и наиболее часто встречающаяся архитектура, на базе которой создаются все прочие топологии, - «точка-точка», когда канал связи обслуживают два трансивера: передающее и принимающее устройства, направленные друг на друга. В состав системы входят модулятор излучателя и демодулятор приемника, а также оптические системы (объективы) и интерфейсные модули на передающей и принимающей стороне (блоки сопряжения, обрабатывающие сигналы от различных сетевых и телекоммуникационных устройств). В качестве излучателей производители используют либо инфракрасные светодиоды, либо полупроводниковые лазеры - именно они определяют тип и мощность системы. Фотоприемники изготавливаются на основе кремниевых фотодиодов (PIN) или лавинных фотодиодов (APD). Модулированные импульсы от источников инфракрасных волн передаются через атмосферу примерно так же, как сигнал по кабелю от применяемых в волоконно-оптических системах лазеров. Излучение полупроводникового лазера поступает на передающий объектив, а на принимающей стороне нерассеянная часть энергии лазерного луча через объектив попадает на фотоприемник, где оптические импульсы преобразуются в электрический информационный сигнал. Системы FSO - двунаправленные, они способны одновременно как принимать, так и передавать сигнал.
Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода.
Ключевой принцип АОЛС основан на компромиссе: чем большую продолжительность простоев вследствие неблагоприятных погодных условий (туманов) допускает заказчик, тем протяженнее будет канал связи.
Системы FSO характеризуются четырьмя основными параметрами: суммарной мощностью излучателей, чувствительностью фотоприемника, а также диаметром передающего луча и диаметром аппаратуры принимающего объектива. Мощность излучателей может быть повышена за счет применения эрбиевых волоконных усилителей либо увеличения количества некогерентных полупроводниковых лазеров. Высокой чувствительности приемников добиваются за счет использования небольших низкоемкостных фотодетекторов или лавинных детекторов APD со встроенными механизмами усиления сигнала, в результате чего энергетический запас линии у таких систем на 5-10 дБ выше, чем в случае кремниевых фотодиодов. Лавинные детекторы APD отличаются более высоким уровнем чувствительности - примерно в четыре раза выше по сравнению с детекторами PIN - и более высокой стоимостью. Что касается диаметра светового луча, то этот параметр приходится учитывать в связи с таким явлением, как колебания зданий, из-за чего ориентация приемного и передающего устройств может оказаться рассогласованной. Проблема решается путем расширения в передающем объективе пятна исходящего луча, однако такая система менее эффективна из-за рассеивания мощности. Большинство производителей поставляют оборудование, у которого телесный угол луча составляет 3-6 миллирадиан, или от 3 до 6 м на каждый километр дальности, - этого вполне достаточно для компенсации любых колебаний здания. Некоторые производители оснащают свои продукты системами автотрекинга (что сказывается на их цене), чтобы не приходилось периодически проводить выравнивание приемного и передающего устройств, при этом передающий луч может оставаться достаточно тонким. Размер объектива приемника увеличивают для снижения помех из-за «мерцания» сигнала вследствие сцинтилляций - атмосферного явления, при котором возникающие из-за разности температур восходящие турбулентные потоки воздуха ведут к образованию зон с неоднородной плотностью. При прохождении лазерного луча через такие зоны коэффициент его отражения меняется, а вследствие этого и интенсивность луча, попадающего на приемник. Сигнал принимает форму всплесков и провалов, т. е. «мерцает». Один из способов противостоять нежелательному эффекту состоит в расширении апертуры приемника, при другом подходе рекомендуется увеличить количество передающих оптических модулей, у которых траектории лучей немного отличаются друг от друга. Ряд производителей для борьбы с подобным явлением предлагают сложные и более дорогие системы активного оптического наведения.
.ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Технологию АОЛС используют многие организации и компании, которым требуется оперативно развернуть надежные, недорогие и безопасные широкополосные линий связи. Два недавних случая демонстрируют уникальное преимущество использования систем АОЛС в зданиях, которые имеют историческую ценность и являются памятниками архитектуры. В одном случае, потребовалось в недавно отреставрированном историческом здании срочно расширить Gigabit Ethernet сеть с помощью технологии АОЛС.
В другом случае, не удавалось установить видеокамеры из-за невозможности прокладки кабеля. Препятствием для прокладки кабелей была охраняемая историческая достопримечательность. Только при помощи развертывания системы АОЛС удалось решить задачу.
Такие физические препятствия как автотранспортные и железнодорожные магистрали, и даже другие здания в промышленной зоне являются основным фактором использования систем беспроводной связи. Один из системных интеграторов использовал систему АОЛС, когда потребовалось соединить два здания, которые были разделены четырехполосной дорогой.
Использование системы АОЛС для передачи данных между зданиями практически делает невозможным считывание и незаметный перехват сигнала. Это было определяющим фактором для одной крупной финансовой организации, которая стала использовать линии связи АОЛС в качестве средства обеспечения сетевого резервирования каналов.
Управление рисками имеет критическое значение для больниц и оздоровительных центров, которые должны соблюдать федеральное законодательство, требующие от них сохранения конфиденциальности историй болезни пациентов. Вот почему один крупный провайдер установил систему АОЛС для создания безопасного сетевого соединения между своим медицинским центром и арендованными помещениями в здании, находящемся на расстоянии приблизительно в 300 метрах от медицинского центра. В дополнение к требованиям по безопасности, линию связи необходимо было установить быстро и она должна была пересекать дорогу. Линия АОЛС отвечала всем этим требованиям, а ее высокие пропускные способности позволяли легко передавать большие файлы с рентгенографическими снимками.
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 АОЛС, являются реальной альтернативой, если сетевому разработчику необходимо учитывать воздействие обычных в данной местности погодных условий, протяженность линии беспроводной связи, требования к полосе пропускания и потенциальную возможность использования системы FSO в качестве вспомогательных резервных каналов связи. Возможность быстрого развертывания безлицензионной и безопасной беспроводной системы, которая имеет большую полосу пропускания и не зависит от протокола передачи данных, обеспечивает использование и применение АОЛС при построении корпоративных сетей.
.ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ
Атмосферные оптические линии связи будут применяться:
·когда прокладка кабеля невозможна (промышленные зоны, горная местность, железная дорога) или стоимость этой прокладки велика;
·когда необходимо срочно организовать канал связи;
·когда требуется закрытый канал связи, не восприимчивый к радиопомехам и не создающий их (аэропорты, близость радиолокаторов, линий электропередач).
.ПРЕИМУЩЕСТВА АОЛС
атмосферный оптический линия связь
Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий - железных дорог, рек, гор и т.д.
Беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам, в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов, повышенным энергопотреблением. Одно из преимуществ FSO систем - то, что они позволяют осуществлять связь через окна помещений без необходимости установки антенн на крыше. Это особенно выгодно для заказчиков, которые не имеют доступ к крыше здания, а также должны оплачивать монтаж необходимой. Хотя окна пропускают оптический сигнал, они все его ослабляют. Стеклянные окна без покрытий обычно уменьшают сигнал на 4 % на каждой поверхности, из-за отражения. Это означает, что совершенно чистое окно с двойным стеклом уменьшает уровень всех оптических сигналов по крайней мере на 15 % (четыре поверхности, каждая с отражением 4 %). Кроме того, для радиосвязи необходимо длительное согласование и регистрация с назначением частот органами Госсвязьнадзора РФ, арендная плата за канал, обязательная сертификация радиооборудования Государственной комиссией по радиочастотам. Применение лазерных средств снимает этот сложный вопрос. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование (в России), во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.
Рассмотрим влияние атмосферы на качество беспроводной инфракрасной связи.
Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой.
По качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы:
.поглощение (непосредственное взаимодействием луча фотонов с молекулами атмосферы)
.рассеяние на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман)
. флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы
7.1ПОГЛОЩЕНИЕ
Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов определяется, прежде всего, молекулярным поглощением, крайне неравномерным по частоте. Оно максимально на резонансных частотах молекул воздуха, воды, углекислого газа, озона и других компонент атмосферы.
Если лазерное излучение попадает в центр сильной линии спектра, то оно поглощается атмосферой на 100% даже на небольшом расстоянии. Поэтому для АЛС следует брать лазеры с излучением, находящимся на участках спектра атмосферы, занятых широкими окнами прозрачности (участками, где поглощение незначительно).
7.2РАССЕЯНИЕ
Атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морозь и осадки - дождь или снег
Ослабление излучения в диапазоне 0,85 мкм в зависимости от погодных условий.
Погодные условияЗатухание, дБ/кмЯсная погода0-3Слабый дождь3-6Сильный дождь6-17Снег6 - 26Легкий туман20-30Густой туман50-100
.3ТУРБУЛЕНТНОСТЬ
На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. При этом иногда возникают замирания сигнала и связь становится неустойчивой.
В мире не существует аппаратуры FSO, которая может обеспечить в условиях России связь с надежностью выше 99,9 % на расстоянии 1 км. Всегда имеется ненулевая вероятность ухудшения погодных условий, когда связь прервется при любой дистанции.
В связи с этим при выборе аппаратуры атмосферной связи потребителям и производителям необходимо обязательно учитывать статистику погодных условий в конкретной местности, оценку допустимого уровня надежности связи и, соответственно, выбор длины трассы.
Считается, что в России для сетей Интернет допустима надежность связи FSO систем в 99,7 % из-за погодных условий. Реально это может приводить к потере связи 1-2 раза в осенне-весенний период не более чем на 1-2 часа в течение одних суток. В течение года это время суммарно составит не более, чем 24 часа. При этом самое неблагоприятное время приходится на 4-6 часов утра.
Технология FSO не стоит на месте. Производители учитывают ее ограниченные возможности и разрабатывают комбинированные решения. Технология Hybrid FSO/Radio (HFR) преодолевает ограничения из-за чувствительности технологии FSO к туманам и нестабильности работы радиооборудования в условиях сильного дождя на миллиметровых волнах, сочетая в себе функциональность и достоинства обеих технологий. Накладывая серьезные ограничения на работоспособность систем беспроводной связи в диапазоне 25-60 ГГц, сильный дождь практически не сказывается на функциональности оборудования FSO. И наоборот, туманы не препятствуют осуществлению связи на радиоволнах этой длины. Поскольку оба природных явления одновременно практически не встречаются, технологии взаимно дополняют друг друга, а гибридные системы HFR представляют собой надежное решение для последней мили. Такое решение, например, предлагает компания AirFiber.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Серьезным препятствием для распространения технологии FSO остаются природные явления. Чтобы рассеять туман в вопросе о качестве связи, заказчику еще до приобретения оборудования FSO нужно обсудить все детали с производителем системы, выяснить, какой энергетический запас линии обещает обеспечить поставщик, и убедиться, что оборудование поддерживает приемлемую дальность с требуемым уровнем доступности. Просто надо установить экспериментальную связь на необходимое расстояние в том регионе, где система будет эксплуатироваться.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Жилкина Н. , Эквилибристика на красной волне, Журнал сетевых решений/ LAN, №07-08, 2003
2.Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. Вестник связи, 2011, № 4, с. 154-157.
.Лазерная связь на 115200 Бит/c, #"justify">.Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере.-М.: Советское радио, 1970.
5.Клоков А., Беспроводная оптическая связь. Мифы и реальность., Технологии и средства Связи, фев. 2009