Цифровые маяки коммуникаций

Введение

Исторически сложилось так, что слово "беспроводный" применительно к оборудованию большинство специалистов в области технологий связи автоматически понимают как "радио". За примерами далеко ходить не надо. Однажды, занимаясь переводом кое-каких материалов, я попробовал воспользоваться известным электронным переводчиком Stylus. Так вот, слово "wireless" в большинстве случаев Stylus переводил как "радио", а вовсе не как "беспроводный"!

Подобное однозначное сопоставление беспроводных и радиотехнологий не ограничивается только системами перевода и досужими домыслами. Очень часто системные интеграторы и телекоммуникационные компании отказываются от беспроводного решения проблемы последней мили из-за невозможности в силу ряда причин применить оборудование радиосвязи (наиболее распространенные из этих причин рассматриваются ниже). Происходит это из-за того, что далеко не все специалисты знают о существовании технологии беспроводной передачи информации, которая не использует излучение в радиодиапазоне, - а если и знают о существовании подобного метода связи, то имеют о нем весьма искаженные представления. Что же на самом деле представляет собой оборудование связи такого рода, каковы его характеристики и условия функционирования?

Вспомним физику. Для передачи информации используются волны самой разной природы. Например, общение людей между собой является беспроводной передачей информации посредством акустических волн. Для технических систем связи в настоящее время основным средством передачи являются электромагнитные волны. Все системы радиосвязи передают информацию посредством электромагнитных волн радиодиапазона. Однако радиодиапазон занимает только часть спектра электромагнитных волн. Более высокие частоты, непосредственно перед видимым светом, располагаются в инфракрасной части спектра. Об использовании инфракрасного излучения для передачи информации и пойдет речь далее.

В настоящее время существует две области применения беспроводной инфракрасной технологии связи:

1. связь "точка-точка" между кабельными системами (компьютерными и телефонными сетями), находящимися в разных зданиях (расстояния до 10 км);
2. связь между приборами внутри одного помещения (беспроводные LAN, связь между компьютерами и периферией и пр.).

В перечисленных задачах связи существуют решения, использующие радиодиапазон. И в радио, и в инфракрасных технологиях есть плюсы и минусы. Чтобы в конкретной ситуации сделать адекватный выбор той или иной технологии, необходимо знать достоинства и недостатки каждого метода.

Специфика России заключается в том, что любое устройство, мощность излучения которого превышает 50 мВт, должно быть зарегистрировано в соответствующих государственных органах. Кроме этого, для использования любого излучающего в радиодиапазоне устройства необходимо получить разрешение в Госкомитете по радиочастотам и массе других государственных и муниципальных органов. В отличие от России, в большинстве развитых стран существуют диапазоны частот, для использования которых не требуется никаких разрешений. Большой спектр беспроводных устройств связи, выпускаемых за рубежом, рассчитан на работу именно в этих диапазонах. Однако в России это не играет никакой роли, так как для использования любого радиопередающего устройства с частотой излучения вплоть до 100 ГГц необходимо получить многочисленные разрешения, а это влечет за собой дополнительные затраты средств, времени и нервов. Использование же незарегистрированного радиопередающего оборудования грозит полной конфискацией всей электронной аппаратуры, находящейся в том же помещении, что и радиопередатчик. В данном аспекте уникальность инфракрасных технологий беспроводной связи заключается в том, что

1. мощность излучения передатчика не превышает 50 мВт;
2. в системах инфракрасной беспроводной связи отсутствуют радиоизлучающие устройства.

Несмотря на это устройства для беспроводной оптической связи, как и любое оборудование связи, должны иметь сертификат Министерства связи РФ.

Другими важными достоинствами инфракрасных (ИК) технологий беспроводной связи являются:

1. практически полная неподверженность электромагнитным помехам;
2. высокая защищенность канала связи от несанкционированного доступа.

Ниже приведена краткая сравнительная таблица характеристик обоих методов для связи между зданиями (здесь не имеются в виду конкретные модели, это общее сравнение технологий).

Сравнительная таблица характеристик

Связь между зданиями. Основные положения

Конструктивно линия связи инфракрасного диапазона между зданиями представляет собой два одинаковых блока, находящихся в климатических защитных кожухах для установки вне помещений. Каждый блок имеет разъемы для непосредственного подключения к кабельной сети здания через стандартные интерфейсы (от V.35 до ATM-155). В каждом блоке находится приемник и передатчик. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода (иногда обычного светодиода). В связи с этим инфракрасные беспроводные линии связи чаще называются лазерными атмосферными линиями связи (ЛАЛС). Приемник в большинстве случаев имеет в своей основе скоростной pin-фотодиод или лавинный фотодиод.

И приемник, и передатчик снабжены мощными объективами, благодаря чему луч обладает малым углом расходимости. (В отличие от мощных лазеров полупроводниковый лазерный диод не является истинно когерентным излучателем, и, как следствие, излучение происходит не строго в одном направлении. Угол расходимости излучения полупроводникового лазера достигает 20 поэтому и необходим объектив, собирающий лучи в узкий пучок.) Передаваемая информация кодируется короткими импульсами излучения. Лазерные приемопередатчики осуществляют двустороннюю связь, то есть два параллельных луча распространяются в противоположных направлениях от передатчиков к приемникам.

Передача и прием в каждом приемо-передающем блоке осуществляются одновременно и независимо. Излучение происходит в ближнем инфракрасном диапазоне (длина волны от 780 до 950 нм в зависимости от конкретной модели). Атмосферная лазерная связь осуществляется аналогично связи по оптическому волокну, отличаясь лишь средой распространения луча.

Другое отличие от волоконно-оптических линий заключается в том, что мощность излучателя при атмосферной связи гораздо больше (в некоторых моделях пиковая мощность достигает 2 Вт), а длительность импульса излучения составляет малую часть такта передачи данных, что делается с целью уменьшения средней излучаемой мощности. В результате средняя мощность излучения большинства моделей не превышает 20 мВт.

Еще одно важное отличие ИК-связи от оптоволоконной - применение кодирования информации. Производители ЛАЛС, как правило, применяют собственные методы кодирования, поэтому приемо-передающие блоки разных моделей не совместимы друг с другом.

Для обеспечения прямой видимости между абонентами приемо-передающие блоки устанавливаются вне помещений, например, на крышах зданий, балконах последних этажей и т. п. Лазерные линии обычно рассчитаны на функционирование при температуре окружающей среды от -40 до +50С. (Существуют отечественные модели, работающие в интервале температур от -60 до +50С.)

Устанавливаются блоки ЛАЛС таким образом, чтобы оптические оси двух соседних приемопередатчиков совпадали. Сложность монтажных работ по установке и настройке ЛАЛС зависит от конкретной модели устанавливаемой линии (некоторые производители снабжают свои изделия рядом сервисных функций, облегчающих монтаж). Однако, существует закономерность, которая не зависит от марки оборудования: чем больше расстояние между связываемыми зданиями, тем сложнее настройка оборудования. В целом, время затрачиваемое на установку и настройку ЛАЛС варьируется от 30 минут до нескольких часов. Основную сложность представляет юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5 Разумеется, точность юстировки должна соответствовать этим значениям. Для облегчения точной настройки все ЛАЛС устанавливаются на специальных юстировочных платформах, позволяющих плавно изменять угол наклона корпуса приемо-передающего блока. Большинство ЛАЛС, кроме этого, снабжаются специальным оптическим прицелом для облегчения наведения на противоположный приемо-передающий блок.

Устанавливая приемо-передающие блоки, следует учитывать, что направление линии связи не должно совпадать с горизонтальным направлением с запада на восток. Иначе говоря, солнечный диск не должен попадать в конус обзора приемников, так как солнечные лучи, будучи сфокусированными объективом, могут сжечь фотоприемное устройство. К счастью, избежать не трудно, поскольку приемники в большинстве случаев имеют такие же узкие углы обзора, что и передатчики, то есть менее 0,5

После установки приемо-передающих блоков необходимо подключить их к существующим кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей ЛАЛС с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от производителей оборудования радиосвязи, производители ЛАЛС придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). То есть для всех устройств, участвующих в кабельной сети связываемых зданий, эта линия не видна, не накладывает никаких ограничений на оборудование, не вносит никаких дополнительных протоколов связи или изменений и дополнений к протоколам связи.

На иллюстрациях представлены наиболее распространенные варианты топологий с использованием ЛАЛС:

Рисунок 1. Соединение компьютерных сетей.

Рисунок 2. Соединение по каналу Е1 (голос и данные).

Сети в связанных зданиях функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели имеют совмещенные интерфейсы на Ethernet и поток E1. В результате одна линия связи соединяет LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Важнейшим свойством ЛАЛС является высокая степень защиты канала от несанкционированного доступа. Защищенность канала является следствием самой природы ЛАЛС, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно в силу острой направленности луча и уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. По оценкам специалистов, вероятность перехвата информации составляет 10^-8. Тем не менее для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах, как-то: обращение волнового фронта, анализ характера изменения принимаемого сигнала и пр., что еще больше повышает защищенность канала связи.

Влияние атмосферных факторов

Одним из основных факторов, определяющих возможность применения ЛАЛС, является устойчивость связи при воздействии помех различного происхождения как естественного, так и искусственного, в частности, снега, тумана, дыма и других явлений, снижающих прозрачность атмосферы.

Анализ экспериментальных данных показал следующее. В условиях отсутствия факторов, снижающих прозрачность атмосферы, вероятность ошибки передачи составляет в зависимости от модели ЛАЛС от 10^-8 до 10^-9. При постепенном ухудшении погодных условий или задымлении воздуха вероятность ошибки передачи плавно растет до 10^-6, а затем происходит резкое увеличение вероятности ошибки, и связь рвется (это относится к случаям, когда расстояние между приемо-передающими блоками составляет несколько километров). После улучшения атмосферных условий связь восстанавливается.

Таким образом, характеристикой воздействия атмосферы на связь можно считать средний процент нерабочего времени, то есть периода, в течение которого связь отсутствовала. В частности, для линии, рассчитанной на дальность связи 10 км и при длине волны излучателя 820 нм, на расстоянии до 3 км влияние естественных помех практически не ощущается, то есть линия функционирует при любых погодных условиях. С увеличением расстояния возрастают помехи, и на дальности 10 км неблагоприятные для связи условия наблюдаются в течение срока, длительность которого составляет 1,5-2% от общего времени работы за год. Причем снегопад является виновником отсутствия связи в половине всех случаев, на долю тумана приходится 30% и дыма - 20%.

Особо следует отметить тот факт, что дождь не оказывает серьезных помех для связи в ИК-диапазоне, тогда как для радиорелейных линий, работающих на высоких частотах (десятки гигагерц), дождь является вредным фактором. Связано это с тем, что распространение в атмосфере инфракрасного и СВЧ-излучения происходит по разным физическим законам. "На пальцах" это можно описать следующим образом. ИК-излучение подчиняется, в основном, законам оптики. Капли дождя, как и тумана, рассеивают видимый свет и ИК-излучение путем отражения части луча от поверхности капли и преломления луча внутри капли. Однако во время дождя на единицу объема приходится значительно меньше капель, чем во время тумана, поэтому дождь существенно меньше рассеивает ИК-излучение. Во время же распространения СВЧ-волн происходит примерно следующее. При дожде в атмосфере распределена в виде капель масса воды. Являясь проводником, она создает своего рода экран, который препятствует распространению электромагнитных волн. Кстати, во время тумана количество воды, взвешенной в воздухе, гораздо меньше, чем при дожде, поэтому туман не оказывает помех распространению радиоволн.

Проблемы увеличения дальности связи

Вероятно, самым главным недостатком беспроводной оптической связи является небольшая дальность. Так, при сохранении конкурентоспособной цены (по сравнению с другими методами) можно организовать высокоскоростную связь (от нескольких единиц до нескольких десятков мегабит в секунду) на расстоянии, не превышающем 1-2 км. А при попытке увеличить дальность связи возникают сложности. Рассмотрим их подробно.

Приведенная выше формула показывает, что увеличить дальность связи можно следующими способами:

1. уменьшив пороговую чувствительность приемника;
2. увеличив пиковую мощность излучения;
3. увеличив диаметр линзы приемника;
4. уменьшив коэффициент потерь в атмосфере;
5. уменьшив угол расходимости излучения.

Пороговая мощность приемника является характеристикой фотоприемного устройства и напрямую зависит от современного состояния элементной базы.

Увеличение пиковой мощности приводит к увеличению средней мощности излучения, что грозит двумя неприятными последствиями:

1. Если средняя мощность излучения превысит 50 мВт, то неизбежна сертификация оборудования, а также получение разрешения уполномоченных органов.
2. При увеличении средней мощности излучения повышается тепловыделение лазера, в результате чего излучатель перегревается и срок его службы значительно уменьшается.

Можно установить более мощный лазер или составить излучатель из линейки лазеров, однако подобный путь ведет лишь к удорожанию системы и не решает первую проблему. Поэтому увеличивать пиковую мощность излучения можно только с одновременным уменьшением длительности импульса лазера. В результате можно ожидать, что средняя мощность излучения останется на прежнем уровне.

В связи с этим всплывает проблема увеличения скорости передачи данных. Увеличить скорость связи можно только увеличив частоту импульсов излучения, что приведет к увеличению средней мощности излучения, так как на тот же отрезок времени будет приходиться больше импульсов. То есть уменьшение длительности импульсов излучателя позволяет либо увеличить пиковую мощность излучения и тем самым добиться увеличения дальности связи, либо увеличить частоту импульсов и тем самым поднять скорость связи. Иными словами, при одинаковой длительности импульсов излучателя произведение скорости связи на дальность связи есть величина постоянная. Дальность связи можно увеличить за счет уменьшения скорости или путем уменьшения длительности импульсов. То же справедливо и для скорости связи.

В качестве примера рассчитаем предельное значение пиковой мощности излучения для высокоскоростной связи. Современные полупроводниковые лазеры позволяют уменьшать длительность импульсов до 10^-9 с. Для связи на скорости 100 Мбит/с необходимо излучать импульсы с частотой, например, 125 МГц, то есть примерно 108 импульсов в секунду. Таким образом, суммарная длительность импульсов за секунду составит 0,1 с. Средняя мощность излучения не должна превышать 50 мВт. Отсюда легко получить максимально допустимую в настоящее время пиковую мощность для скоростной связи, которая равна 500 мВт. Такой пиковой мощности достаточно для установления связи на расстоянии в несколько километров.

Повысить дальность связи можно и путем увеличения диаметра линзы. В большинстве моделей ЛАЛС установлены линзы диаметром около 10 см, то есть уже довольно дорогие. Дальнейшее их увеличение приводит к еще большему удорожанию системы. Существуют модели ЛАЛС, использующие линзы Френеля достаточно большого диаметра, однако они весьма чувствительны к запылению.

Еще один способ увеличения дальности связи - уменьшение коэффициента потерь в атмосфере. Варьировать значение этого коэффициента можно путем изменения длины волны излучения. Атмосферные помехи по-разному воздействуют на излучение в разных частях спектра. С увеличением длины волны влияние атмосферных помех уменьшается, а на длинах волн около 1800 нм наблюдается так называемое окно прозрачности атмосферы. Связано это с тем, что длина волны света становится сравнима с размерами капель тумана и частичек пыли и поэтому распространяющаяся волна в меньшей степени рассеивается препятствиями и огибает их благодаря дифракции. То есть в этой области спектра туман не создает серьезных помех для распространения света. Тем не менее в настоящее время не существует моделей ЛАЛС, использующих излучение с длиной волны более 950 нм.

Последний из отмеченных в начале раздела метод увеличения дальности - уменьшение угла расходимости луча передатчика. Уменьшение этого параметра связанно со следующими негативными моментами:

1. Чем меньше угол расходимости луча, тем сложнее настройка и юстировка ЛАЛС и, соответственно, дороже работы по монтажу системы.
2. Все здания в течение суток совершают небольшие колебания, обусловленные изменением температуры окружающей среды и состояния фундамента. Углы наклона при таких колебаниях составляют до 0,1 Соответственно, угол расходимости луча передатчика должен быть заведомо больше этой величины, иначе связь в течение суток будет периодически нарушаться из-за отклонения луча от нужного направления. С другой стороны, при установке ЛАЛС на высоких зданиях (а именно крыши высоких зданий обычно используются для монтажа блоков ЛАЛС) из-за суточных колебаний здания происходят смещения приемо-передающего блока и выход его из области приема. На очень высоких зданиях эти сдвиги могут достигать величины порядка 1 м. Поэтому для обеспечения уверенного приема угол расходимости луча должен быть таким, чтобы диаметр луча в области приемника был не менее 2 м.
3. Для обеспечения более узкого луча необходим более дорогой объектив.

С увеличением дальности связана еще одна проблема. Большинство ЛАЛС имеют совмещенные в одном корпусе приемные и передающие блоки. Делается это исключительно для упрощения процедуры монтажа. При достаточно больших расстояниях между приемо-передающими блоками остро встает проблема точного размещения приемника и передатчика внутри корпуса в процессе производства, так чтобы оптические оси обоих были строго параллельны (иначе просто невозможно настроить блоки так, чтобы связь была двусторонней). Для обеспечения высокой степени параллельности оптических осей необходимо современное высокоточное производство, что значительно повышает стоимость изделия.

Всему выше сказанному можно подвести итог: стоимость оборудования ЛАЛС значительно возрастает при увеличении дальности связи.

Возможные заблуждения

Лазерное излучение опасно для здоровья, значит, ЛАЛС опасны.

Конечно, работа с оборудованием ЛАЛС, как и с любым другим оборудованием, требует соблюдения техники безопасности. Лазерное излучение ЛАЛС является в определенной степени опасным для глаз, особенно в непосредственной близости от источника, где луч очень узок и мощность излучения на единицу площади превышает безопасную для здоровья величину. Тем не менее кратковременное воздействие излучения на органы зрения является безвредным. Для большинства моделей ЛАЛС не рекомендуется вблизи излучателя смотреть незащищенным глазом непосредственно в точку выхода луча более 5 с. Для каждой модели ЛАЛС определены минимальные безопасные расстояния до излучателя, находящиеся в пределах от нуля (некоторые ЛАЛС абсолютно безопасны) до 20 м.

Любая пролетевшая мимо птица вызовет сбой связи.

Птицы, в отличие от людей, способны видеть в инфракрасном диапазоне. Поэтому в большинстве случаев птица пролетит мимо луча. Если же какой-либо предмет все же пересечет луч, то это может вызвать ошибку передачи нескольких битов. Большинство сетевых протоколов предусматривает повторную передачу пакета при обнаружении ошибки.

Если нет прямой видимости между объектами, которые необходимо связать, то ЛАЛС неприменимы.

В большинстве случаев приемо-передающие блоки устанавливаются на крышах зданий, где проблема прямой видимости стоит не так остро. Если между связываемыми объектами находится, например, высокое здание, перекрывающее обзор, то достаточно на крыше этого здания установить ретранслятор, который находится в прямой видимости обоих объектов. К ретранслятору потребуется лишь подвести питание от сети переменного тока (если не считать проблем, связанных с получением разрешения у администрации здания). Таким же образом, то есть путем установки ретранслятора, можно увеличить максимальное расстояние между связываемыми объектами.

Монтаж оборудования ЛАЛС является сложной процедурой.

Масса приемо-передающих блоков составляет в зависимости от модели от 3,4 до 11,2 кг, поэтому крепление блоков на стене или крыше здания не требует специальных навыков. Наиболее сложной процедурой является юстировка блоков, то есть совмещение оптических осей. Однако большинство моделей снабжено специальными устройствами, упрощающими юстировку. Таким образом, для проведения этой процедуры достаточно минимальных навыков.

ЛАЛС, как любое оборудование WAN, требует внимания высококвалифицированного специалиста, а также немалых затрат на обслуживание.

ЛАЛС не имеют никаких собственных протоколов и не требуют никакой программной настройки. Единственным управляющим элементом многих лазерных линий является тумблер выключения питания. Все обслуживание ЛАЛС сводится к следующей простой процедуре: 1-2 раза в месяц необходимо проводить внешний осмотр и, если нужно, очищать от пыли объективы приемника и передатчика.

ЛАЛС является малоизвестным, экзотичным методом связи, а значит, малопрактичным.

В настоящее время в мире успешно функционирует более 2 тыс. лазерных линий связи. ЛАЛС используются крупнейшими западными компаниями, правительственными учреждениями, финансовыми институтами, университетами, медицинскими центрами и пр. Существует несколько компаний, выпускающих лазерные линии связи. Наиболее известные из них: Canon Inc, Laser Communications Inc, Jolt Communications Ltd, Freebird Communications Ltd, Modular Technology PLC, A.T. Schindler Communications.

Что же на практике?

В настоящее время можно смело сказать, что для любой разумной задачи создания связи между объектами существует решение в виде ЛАЛС. Судите сами. Основными параметрами, которые нужно учесть при организации связи, являются дальность, используемый интерфейс (то есть скорость связи, протокол, тип кабельного соединения и пр.) и, главное, цена.

Что касается цены, то ЛАЛС зарубежных производителей находятся в той же ценовой нише, что и радиорелейные линии, то есть в зависимости от технических характеристик их стоимость в большинстве случаев лежит в пределах от 10 до 20 тыс. долларов.

К поддерживаемым интерфейсам относятся V.35, G.703, Ethernet (Half и Full Duplex), ATM-155; кроме того, существуют модели с интерфейсом в виде оптоволоконного разъема, которые поддерживают такие протоколы, как Fast Ethernet, E1, E3, FDDI, ATM. Существуют ЛАЛС, предназначенные для передачи видеосигнала. Они используются в системах замкнутого телевидения (в частности, в охранных системах наблюдения), а также для оперативной организации врeменных каналов передачи видео.

Дальность связи для большинства моделей варьируется от 300 до 1200 м.

Кроме дальности связи, перечня поддерживаемых интерфейсов и, конечно, цены, каждое изделие обладает рядом характеристик, которые также влияют на выбор той или иной модели.

Например, все изделия фирмы Jolt Communications используют в качестве излучателя не полупроводниковый лазер, а светодиод, благодаря чему даже длительное воздействие излучения на близком расстоянии не сможет нанести вреда зрению. Другим следствием применения светодиода является вдвое большее время наработки на отказ по сравнению с моделями, основанными на лазерных диодах. Время наработки на отказ для ЛАЛС производства фирмы Jolt Communications составляет 70 тыс. часов. Правда, максимальная дальность связи для моделей Jolt Communications не превышает 500 м.

Наиболее интересной ЛАЛС в плане практической реализации уникальных технологий и, соответственно, наиболее дорогой является Canobeam II - продукт известной во многих других областях фирмы Canon. Canobeam II поддерживает связь со скоростью 155 Мбит/с (АТМ или 4 канала видео) при дальности до 4 км. Угол расходимости луча передатчика сделан очень узким - порядка 4 угловых минут, за счет чего средняя мощность излучения не превышает 10 мВт при дальности связи до 4 км. При таком узком угле луча связь не может быть устойчивой из-за ветра и суточных смещений зданий. Эта проблема решена путем отслеживания направления на следующий приемо-передающий блок и автоматической корректировки оптической оси излучения. Корректировка осуществляется путем смещения специальных зеркал внутри блока. Амплитуда смещения луча составляет 5 Другой важной особенностью Canobeam является специальное расширение лазерного луча непосредственно в передатчике, вследствие чего выходящий луч имеет пониженную мощность на единицу площади в непосредственной близости от передатчика и удовлетворяет стандарту безопасности IEC 825. Таким образом, на расстоянии 30-40 см от линзы передатчика безопасное время воздействия излучения на органы зрения составляет 7 минут. Разумеется, все уникальные черты этой ЛАЛС отразились на ее цене, которая составляет 110 тыс. долларов.

К сожалению, большинство зарубежных моделей ЛАЛС имеют диапазон рабочих температур от -30 до +50С, что делает их неприемлемыми для многих районов нашей страны. Распространенной задачей беспроводного соединения с помощью ЛАЛС в России является связь между полевыми точками в районах Севера, где вечная мерзлота препятствует прокладке кабеля, северные сияния создают помехи для радиосвязи, а температура зимой нередко опускается до -60С. Некоторые производители, например, Laser Communications, предлагают помещать приемо-передающие блоков в специальный саркофаг. Разумеется, это вызывает дополнительные финансовые затраты.

Исторически сложилось так, что на территории России разработкой и производством оборудования ЛАЛС, как и большинства другого высокоточного оборудования, занимаются предприятия, связанные с военными ведомствами. Спектр оборудования российских производителей не так широк, как за рубежом, меньше выбор поддерживаемых интерфейсов, практически отсутствуют встроенные сервисные функции, однако конкурентоспособные цены и способность работать в более жестких климатических условиях позволяют успешно применять отечественные лазерные линии.

В России давно производится и имеет богатый опыт внедрения ЛАЛС с самой большим в мире допустимым расстоянием связи - 10 км. Скорость передачи данных у этой ЛАЛС невелика: всего 115,2 кбит/с, а единственный поддерживаемый интерфейс - RS232. Тем не менее в ряде случаев альтернативы этой линии практически не существует.

Максимальная дальность связи большинства отечественных моделей ЛАЛС лежит в пределах от 200 м до 4 км. Они способны передавать данные с максимальной скоростью 2 Мбит/с. Причина этого ограничения кроется в том, что большинство российских разработчиков ориентировано по старой военно-советской традиции на использование исключительно отечественной элементной базы. Сейчас, конечно, это не является обязательным условием для запуска изделия в производство, однако переквалификация старых специалистов происходит медленно и со скрипом либо вообще не происходит за отсутствием мотивации, а новое поколение инженеров не идет работать в государственные предприятия по известным всем причинам.

Тем не менее прогресс не стоит на месте. В числе недавно запущенных в производство новинок можно отметить линию связи на 100 Мбит/с, разработанную Воронежским НИИ связи. Дальность этой ЛАЛС выше, нежели у большинства зарубежных моделей, и составляет 1,5 км. Интерфейс - оптоволоконные разъемы, что позволяет делать соединения по Fast Ethernet (Half и Full Duplex), FDDI, E3. Диапазон рабочих температур - от -60 до +50С - не обеспечивается ни одной зарубежной ЛАЛС. Для монтажа и настройки эти линии снабжены юстировочной платформой и оптическим прицелом.

Слабым местом большинства российских производителей является отсутствие налаженного рынка продаж, в результате чего производство ЛАЛС происходит не постоянно, а на заказ, поэтому покупателю в большинстве случаев приходится ожидать окончания всего цикла производства, который составляет около трех месяцев (поставка в Россию ЛАЛС импортного производителя займет не намного меньше времени).

Работы по развитию технологий лазерной связи ведутся во многих российских институтах, наиболее значительные из них - это Воронежский научно-исследовательский институт связи и Институт лазерной физики Сибирского отделения Академии Наук. Коллективом Института лазерной физики недавно предложена теоретическая идея построения сети лазерных приемопередатчиков. С помощью сети разбросанных по обширной территории подвижных и стационарных приемо-передающих блоков можно осуществлять высокоскоростную связь между точками, значительно удаленными друг от друга. Расстояние между точками связи ограничивается площадью территории, охватываемой сетью приемопередатчиков, которые могут функционировать как ретрансляторы. Изюминкой концепции новосибирских физиков является предлагаемый ими метод связи между двумя лазерными приемопередатчиками, не имеющими между собой прямой видимости.

_

Осадки или туман приводят к ослаблению лазерного сигнала, однако сам эффект рассеяния излучения в атмосфере позволяет расширить зону связи и осуществить передачу данных между точками, находящимися вне зоны прямой видимости. Возможная схема связи в этом случае показана на рисунке. Согласно схеме, для достижения наиболее уверенной связи при меняющихся погодных условиях предполагается адаптивно изменять такие параметры приемо-передающих блоков, как направление и величины углов излучения и приема, длина волны излучения.

Что лучше?

В каких же случаях инфракрасная технология связи оказывается незаменимой?

Прежде всего, ЛАЛС, как технологию беспроводной связи, имеет смысл применять там, где нет возможности осуществить проводное соединение - в тех случаях, когда прокладка кабеля вызывает большие трудности или неоправданные финансовые или временные затраты. Например, между точками связи находится водная преграда, область вечной мерзлоты или проходит крупная автострада. Кроме того, финансовые затраты на прокладку кабеля, как правило, превышают затраты на создание беспроводного канала связи.

Другой причиной для использования ЛАЛС может быть непостоянное положение точек связи. Например, одна или обе точки связи находятся в арендуемых помещениях. В таком случае, при смене места аренды достаточно демонтировать оборудование и установить его на новом месте.

Еще одна область применения беспроводной связи - создание резервных каналов на случай выхода из строя основных кабельных коммуникаций.

И, наконец, последнее: возможна установка врeменного беспроводного канала связи за счет аренды оборудования на период проведения работ по прокладке кабельного соединения.

Теперь, если вы решили организовать беспроводную связь "точка-точка", необходимо выбрать метод: радио или оптическая связь. Радиосвязь заведомо не годится в следующих случаях:

1. Неблагоприятная электромагнитная обстановка на объектах.
2. Наличие проблем с лицензированием радиочастоты.
3. Несоответствие требований секретности возможностям методов радиосвязи.

Перечисленные ситуации встречаются часто, и в большинстве подобных случаев применение ЛАЛС могло бы решить указанные проблемы.

Впрочем, существуют ситуации, когда применение ЛАЛС невозможно:

1. Самое серьезное ограничение для применения ЛАЛС - это ограничение по дальности связи. Если расстояние между точками превышает 10 км и отсутствует возможность установки ретрансляторов, то применение оптических методов беспроводной связи невозможно.
2. Связь должна быть абсолютно надежной, она не должна прерываться ни на секунду. Общее нерабочее время за год для большинства ЛАЛС составляет не более 0,1%. Тем не менее на расстояниях свыше 1 км для любой ЛАЛС существуют такие атмосферные условия, при которых связь становится невозможной.

Как видно из сказанного выше, ЛАЛС не являются панацеей от всех бед. Они, конечно, имеют свои недостатки, однако есть случаи, когда ЛАЛС может оказаться наиболее удобным и экономически выгодным решением.

ЛАЛС в космосе - связь между спутниками

Несмотря на все достоинства ЛАЛС в решении задачи связи на земле, гораздо больше показаний для применения лазерных технологий существует в космосе. В основном по следующим причинам:

1. Отсутствие атмосферы и, следовательно, многочисленных факторов, препятствующих прохождению сигнала.
2. Значительно меньшие массогабаритные характеристики по сравнению со средствами радиосвязи, обладающими аналогичными техническими показателями (дальность связи и скорость передачи данных).

Интерес к использованию лазерных средств в космических линиях связи появился сразу же после разработки первых промышленных лазеров, примерно в 1963-65 годах. Начиная со второй половины 80-х годов интенсифицировался процесс разработки опытных образцов. Примерно тогда же были проведены первые эксперименты с лазерными космическими линиями связи (ЛКЛС).

До настоящего времени информация, передаваемая на космический аппарат или получаемая от него, в большинстве случаев идет по каналу борт - Земля, что связано со сложностью и громоздкостью организации межспутниковых каналов передачи информации в радиодиапазоне. Это резко ограничивает оперативность передачи сообщений и снижает их объем, так как сброс информации происходит за короткое время пролета космического аппарата над наземным пунктом. Лазерные каналы при относительно небольшой массе бортовой аппаратуры позволяют по-новому строить информационные потоки в космическом секторе, используя как низкоорбитальные группы спутников, так и комбинацию низко- и высокоорбитальных аппаратов.

Предполагается, что основное применение ЛКЛС найдут при организации информационного обмена между:

• низкоорбитальными космическими аппаратами;
• низкоорбитальными космическими аппаратами и геостационарными спутниками (ретрансляторами);
• геостационарными спутниками (ретрансляторами);
• низкоорбитальными космическими аппаратами и наземными станциями.

За рубежом большое внимание уделяется вопросу передачи информации путем совместного использования оптических и радиоканалов. Сейчас по результатам моделирования можно сказать, что за счет внедрения ЛКЛС возможно увеличение пропускной способности систем спутниковой передачи данных более чем на 33-100%.

В настоящее время имеется ряд зарубежных и отечественных программ, нацеленных на внедрение ЛКЛС. Такие работы ведутся в NASA (США), NASDA (Япония), SILEX (Франция), НПО космического приборостроения, РКК "Энергия". Характеристики ЛКЛС достигают следующих величин: скорость передачи данных - 1,2 Гбит/с при дальности связи до 6 тыс. км или 128 Мбит/с при дальности 40 тыс. км.

Особенностью применения лазерных линий для организации межспутниковой связи является необходимость автоматического обнаружения и наведения на корреспондирующий спутник. В общем случае ЛКЛС работает последовательно в трех режимах:

1. Поиск абонента.
2. Захват источника излучения и переход в режим сопровождения (производится точное наведение приемопередатчика на второго абонента).
3. Сопровождение, информационный обмен (в этом режиме происходит отслеживание перемещения абонента в поле зрения и коррекция направления приемо-передающего блока).

В настоящее время основной задачей разработок в области ЛКЛС является демонстрация перспективности лазерных систем, поскольку широкое их внедрение сдерживается двумя основными причинами:

• Первая причина связана с повышенными начальными затратами на создание аппаратуры ЛКЛС, вызванными необходимостью отработки новой технологии серийного производства.
• Вторая причина обусловлена естественным недоверием потенциальных потребителей к новой технике, требующей изменения привычных подходов и отработанных решений.

Другой аспект ИК-технологий - связь на небольших расстояниях

Идея беспроводных компьютерных сетей реализовалась не только в виде радио-Ethernet. Задача организации беспроводной связи внутри помещения на основе оптических технологий существенно легче задачи связи между наружными объектами в силу отсутствия множества мешающих атмосферных факторов, а также значительно меньших расстояний.

В настоящее время существует несколько вариантов беспроводных LAN, работающих на принципе передачи данных по инфракрасному каналу. Их общей характерной особенностью является необходимость нахождения всех узлов сети в одной комнате - по той простой причине, что ИК-излучение не может проникать через стены. Инфракрасные LAN можно условно разделить на три основных типа:

1. Работающие в режиме прямой видимости между приемником и передатчиком.
2. Использующие рассеянное ИК-излучение. В этом случае сигнал, отражаясь от стен и потолков, охватывает площадь с характерными расстояниями до 30 м. Этот метод удобен тем, что приемники и передатчики могут находиться вне зоны прямой видимости, однако скорость передачи сигнала достаточно мала.
3. Инфракрасные LAN, работающие через центральный отражатель. В подобных системах оптические приемопередатчики, установленные рядом с компьютерами, направлены в одну общую точку - отражатель, укрепленный на потолке. Такие сети хорошо работают в помещениях с высокими потолками.

Инфракрасные LAN производятся компаниями Photonics, FiRLAN и др. Скорость передачи данных достигает 16 Мбит/с (что заметно больше 2 Мбит/с в радио-Ethernet), однако стоимость таких сетей больше, а организация их сложнее, нежели беспроводных радиосетей.

Кроме создания беспроводных LAN на основе оптических технологий, существует несколько иная задача: соединение различной аппаратуры внутри помещений на небольших расстояниях, например, беспроводная связь между компьютером и многочисленной периферией (принтеры, сканеры, мыши, клавиатуры, мониторы и пр.). Действительно, одним из самых главных недостатков PC является изобилие соединительных проводов между различными блоками. Однако ИК-соединение компьютера с периферией должно иметь приемлемую стоимость.

В 1993 году была основана ассоциация IrDA (Infrared Data Association), целью которой является разработка стандартов на дешевое беспроводное инфракрасное соединение широкого класса аппаратуры как для мобильных пользователей, так и для стационарных соединений "точка-точка". В настоящее время членами ассоциации IrDA являются более 150 производителей аппаратуры, программного обеспечения, кабельных и телефонных компаний.

Стандарты IrDA поддерживают последовательную half-duplex-передачу данных на скоростях до 115,2 кбит/с. В 1995 году был разработан специальный стандарт для высокоскоростных соединений, поддерживающий скорости в 1,152 Мбит/с и 4 Мбит/с.

К характерным особенностям стандартов IrDA можно отнести:

1. Низкую стоимость соединения - несколько долларов на прибор. Можно ожидать, что со временем соединение через порты IrDA обойдется в некоторых случаях дешевле, чем кабельное соединение.
2. Невысокое энергопотребление, что является немаловажным фактором для пользователей мобильной аппаратуры: ноутбуков, палмтопов, мобильных принтеров, цифровых фотокамер, модемов, электронных органайзеров и записных книжек, пейджеров, мобильных телефонов (порты IrDA в пейджерах и мобильных телефонах предназначены не для связи с ретрансляторами, а для связи с другой аппаратурой пользователя, например, с компьютером или электронной записной книжкой, и служат для синхронизации по времени, передачи баз данных, расписаний и пр.).
3. Связь в концепции IrDA - это связь "точка-точка". Инфракрасные порты связываемых приборов должны быть ориентированы друг на друга, но не требовать точной настройки, чтобы не вызывать лишних сложностей.
4. Высокая помехозащищенность обеспечивает вероятность ошибки передачи бита не более 10^-9 при расстоянии связи менее 1 м.

Стандарты IrDA нашли широкую поддержку как среди производителей оборудования, так и среди софтверных компаний. Hewlett Packard, IBM, NEC, National Semiconductor, Siemens, Standard Microsystems, TEMIC, Texas Instruments производят оборудование и компоненты систем, поддерживающие стандарты IrDA. Подавляющее большинство мобильных компьютеров снабжается встроенными инфракрасными портами. Hewlett Packard, JetEye и др. производят устройства стандарта IrDA для беспроводного доступа к кабельным сетям Ethernet и Token Ring. Поддержка IrDA включена в Windows 95 и Windows СЕ, а также в операционные системы от Apple, IBM, Geoworks. В ближайшем будущем ожидается выпуск беспроводных USB-адаптеров стандарта IrDA.

Так или иначе, а именно для соединения между мобильными устройствами и блоками PC оптические технологии беспроводной связи нашли сейчас наиболее широкое применение и только для этих задач существуют признанные стандарты.

Особняком стоит стандарт IEEE 1394 FireWire, регламентирующий высокоскоростную (до 400 Мбит/с) последовательную шину передачи данных. Этот стандарт изначально определял кабельное (на витых парах) соединение для создания недорогих сетей, позволяя подключать до 63 устройств разного типа (камкодеры, принтеры, сканеры, камеры для проведения видеоконференций, дисковые накопители и т. д.) без применения какого-либо дополнительного оборудования. Однако недавно анонсированы технические решения, базирующиеся на данном стандарте и реализующие с помощью оптических технологий как кабельные (оптоволоконные), так и беспроводные соединения.

Компания NEC планирует представить в будущем году техническое решение на основе стандарта FireWire, способное на небольших расстояниях (до 10 м) передавать между узлами информацию в ИК-диапазоне со скоростью 125 Мбит/с. На бoльших расстояниях будет использоваться оптоволоконный кабель. Цена пока не объявлена, но можно предположить, что она будет вполне конкурентоспособной, так как NEC планирует позиционировать свою разработку на рынке недорогих систем для малого офиса и дома.

Беспроводные ИК-соединения, базирующиеся на FireWire, рассчитаны на небольшие расстояния между узлами и являются логическим продолжением решений на основе стандартов IrDA.