Передача данных лазером. Лазерная связь - еще один способ беспроводной связи

Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применяемую 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, передающих не только телефонные, но и телевизионные и компьютерные сигналы.
Оптические системы связи делятся на открытые, где сигнал передается в атмосфере или космосе, и закрытые, то есть использующие световоды . Далее рассматриваются только открытые атмосферные линии связи.
Оптическая атмосферная система связи между двумя пунктами состоит из двух спаренных приемопередающих устройств, расположенных в пределах прямой видимости на обоих концах линии и направленных друг на друга. В передатчике находится генератор-лазер и модулятор его оптического излучения передаваемым сигналом. Модулированный лазерный луч коллимируется оптической системой и направляется в сторону приемника. В приемнике излучение фокусируется на фотоприемник, где производится его детектирование и выделение передаваемой информации. Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Кроме того, в атмосфере наблюдаются турбулентные явления, которые приводят к флуктуации показателя преломления среды, колебаниям луча и искажениям принимаемого сигнала. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней миРаспространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. 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. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности.
Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветреСистемы АЛС могут использоваться не только на "последней миле" каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес отечественных производителей к этому новому и перспективному сектору

Функциональная схема системы лазерной связи очень проста:

· блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств (телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;

· преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в виде инфракрасного излучения;

· на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;

· усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.

Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых минут до 0,5°, и точность юстировки должна соответствовать этим значениям.

После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического кабеля). Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так, как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети зданий без использования мультиплексора.

Вот так выглядит установленная система атмосферной лазерной связи. Пропускная способность системы - 100Mbit/sec на расстояние до 3! километров. фото:

Некоторые беспроводные удаленные мосты применяют для передачи данных инфракрасное излучение лазера. Обычно такое устройство содержит традиционный проводной Ethernet-мост и лазерный модем, обеспечивающий физическую связь. Другими словами, лазерное устройство только посылает биты данных, а всю остальную работу выполняет обычный мост. Лазерные модемы генерируют излучение с длиной волны 820 нм, которое не может быть обнаружено без специальных приборов. Очевидно, что для лазерных мостов излучатель и приемник должны располагаться на линии прямой видимости. Типичное расстояние между мостами составляет немногим больше 1 км и ограничивается мощностью лазера.
Одним из основных преимуществ таких систем является их большая пропускная способность. Второе преимущество - достаточная помехозащищенность, поскольку инфракрасное излучение не взаимодействует с радиоволнами. Подобно оптоволоконным системам лазерные мосты обеспечивают высокий уровень безопасности. Для перехвата информации необходимо поместить соответствующий прибор на линии луча, что, во-первых, легко может быть обнаружено, а во-вторых, это весьма сложно осуществить, так как такие системы устанавливаются на крышах высотных зданий. Недостатками лазер-базированных систем является влияние на устойчивость связи погодных условий. Сильный дождь, снег или туман приводят к значительному рассеянию луча и ослаблению сигнала. На связь может повлиять также солнечный восход или заход, если канал ориентирован с востока на запад.
Беспроводные мосты используются для постоянного соединения сетей, в качестве запасного канала или как временное средство. Их производством занимаются множество компаний. Цены в зависимости от пропускной способности и расстояния связи составляют от 5 до 75 тыс. долл. за канал. Дорого, однако со временем такое решение может окупиться.

2,5 Гбит/с по лазерному лучу

Компания fSONA Communications представила новую систему беспроводной оптической связи SONAbeam 2500-M, позволяющую достичь скорости передачи данных порядка 2,5 Гбит/с. Основа системы – четыре избыточных передатчика, работающих на длине волны 1550 нм с выходной мощностью лазерного сигнала 560 мВт. На пятикилометровом испытательном полигоне в ясную погоду, система отработала на максимальной скорости и практически без ошибок.

Контрольные вопросы

1. Какие технологии применяются для создания беспроводных сетей?

2. Перечислить основные технологии радиосетей.

3. Что такое точка доступа (access point)?

4. Охарактеризовать технологию 802.11.Что такое направленная и всенаправленная антенна?

5. Что такое роумингом (roaming).?

6. Перечислить технологии, альтернативные стандарту IEEE 802.11;

7. Охарактеризовать технологию Bluetooth .

8. Охарактеризовать технологию HiperLAN .

9. Что такое оптические сети?

10. Что такое микроволновые системы?

11. Охарактеризовать стандарт IEEE 802.16 (WiMAX)?

12. Что такое беспроводные сети на базе низкоорбитальных спутников Земли?

13. Какие устройства входят в состав инфракрасной системы?

14. Что такое ИК-излучение?

15. Что такое атмосферная лазерная связь?

16. Как происходит прием и передача при атмосферной лазерной связи?

«Беспилотники стали очень популярной темой. Для чего их только не пытаются использовать — они и пиццу развозят, и поле боя разведывают… При этом все вынуждены преодолевать главное препятствие — слишком краткое время полета. Мультикоптеры остаются в воздухе по 10−20 минут, на самых современных аккумуляторах — 25−30. Этого часто не хватает», — говорит инженер из РКК «Энергия» Виталий Капранов.

В самом деле, многим аппаратам требуется оставаться в воздухе часами, ведя мониторинг газопроводов или состояния железных дорог, аэрофотосъемку районов бедствий, охрану территорий, ретрансляцию радиосигнала. Для таких задач можно использовать беспилотники «самолетного типа» с двигателями внутреннего сгорания, но они не слишком маневренны и неспособны зависать в одной точке. Во многих случаях электрические квадрокоптеры удобнее, и их пользователи идут на разные ухищрения, чтобы продлить срок работы: возят дополнительные аккумуляторы или даже запасные дроны, чтобы быстро проводить замену, пока отработавший свое время аппарат остается на подзарядке.

Инжененер РКК «Энергия» // Образование: МИФИ // Цели: провести эксперимент с передачей энергии на беспилотник, защитить диссертацию.

Отдельные модели беспилотников работают «на привязи», получая электроэнергию с земли. Однако провода тяжелые, их сдувает ветром вместе с самим беспилотником, и предел высоты для таких аппаратов редко превышает 200 м, высота 1 км уже недостижима. Предпринимаются попытки питать беспилотники по оптоволокну, отправляя наверх импульсы инфракрасного лазера. Оно вдесятеро легче металлического провода — но, увы, не предназначено для передачи больших мощностей и легко перегревается, что сильно усложняет дело.

Энергетическая «привязь» беспилотников неизбежна — но она может стать совсем невесомой и почти бесконечной, питая аппараты напрямую, чистым лазерным лучом. Такой проект разрабатывают Виталий Капранов, Иван Мацак и группа молодых инженеров из Комитета инновационных проектов (КИПМ) РКК «Энергия». «Наша технология может обеспечить круглосуточную работу беспилотников без необходимости подзарядки», — говорит Иван.

В отрыв

Вплоть до недавнего времени передача энергии с помощью лазеров не имела большого смысла: их КПД составлял всего 10−20%. С учетом потерь на передачу и преобразование световой энергии в электричество получателя достигало в лучшем случае нескольких процентов исходной мощности. Только в 2000-х годах ситуация начала меняться: появились инфракрасные лазеры с КПД до 40−50% и высокоэффективные фотоэлектрические модули на основе арсенида галлия, способные преобразовывать в электричество до 40%, а иногда — и до 70% энергии излучения.

«Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления».

Это породило большую моду на создание автономных беспилотников, способных полностью обеспечивать собственные энергетические нужды от бортовых панелей солнечных батарей. Однако Солнце излучает в широком диапазоне волн, и панели приходится делать «универсальными», способными улавливать фотоны разной энергии. Лазерный луч позволяет работать намного ювелирнее: он имеет строго определенную частоту и позволяет заранее подобрать материал фотоэлемента так, чтобы фотоны именно этой длины волны выбивали из него максимальное количество электронов. Это повышает эффективность энергосистемы, снижает ее размеры и вес.

Проект, над которым работают Капранов, Мацак и их коллеги, использует для передачи энергии инфракрасные лазеры с двумя длинами волн — 808 и 1064 нм. 808-нанометровый луч ориентируется на фотоэлементы на базе арсенида галлия с эффективностью преобразования энергии до 40%. Но эта длина волны хороша лишь на малых дистанциях: уже при километровом удалении пучок вырастет в метровое размытое пятно. «С 1064 нм мы теряем 10% эффективности, но зато на километре луч дает пятно лишь в 3 см», — поясняет Капранов.

Зарядная станция с системой наведения может непрерывно снабжать беспилотник энергией, если он не улетает за пределы видимости либо если аппарат летает по определенному маршруту и подзаряжается в какой-то определенной точке своей траектории. При необходимости таким образом можно держать БПЛА в воздухе сутками, во многих случаях получая дешевую альтернативу космическому аппарату.

С крыши на крышу

Российские инженеры не первые, кто работает над лазерной линией электропередачи. В 2011—2012 годах такую разработку продемонстрировала компания Laser Motive, использовав беспилотник с обычной солнечной батареей, где эффективность преобразования энергии была очень мала. «Они выступили с большим успехом, выиграли конкурс NASA Space Elevator, — замечает Виталий Капранов. — Для нас это сигнал: времени терять нельзя».

К сегодняшнему дню инженеры из комитета инновационных проектов «Энергии» уже разработали систему наведения лазерного луча, которая чутко удерживает беспилотник на прицеле. Она следит за аппаратом, ориентируясь на отражение сигнала слабого «навигационного» лазера от уголкового отражателя на корпусе, с точностью до 0,1°. Дальнейшее наведение обеспечивает миниатюрное зеркало внутри оптической системы «лазерной пушки». Оно позволяет менять направление луча с точностью до тысячных долей градуса, ориентируясь на поток энергии от ячеек фотоприемника, и добиваться максимального уровня полученной энергии. Эта аппаратура уже испытана в наземных экспериментах — на крышах двух рабочих корпусов «Энергии» в подмосковном Королеве, разделенных расстоянием 1,5 км. «Нам удавалось передавать энергию и в дождь, и во время тумана. Всерьез мешал только кузнечный цех: когда он начинал работать, луч переставал проходить из-за сильного задымления. А в остальное время все работало, мы предлагали коллегам заряжать телефоны», — говорит Капранов.

Монохроматическое излучение (809 нм), приемник с концентрирующей оптикой, параллельное соединение фотоэлементов.

«Основные помехи для распространения луча в атмосфере — у поверхности: пыль, дым, колебания воздуха от нагретых крыш, — поясняет разработчик. — Кроме того, чаще всего сами ячейки турбулентности ориентированы поперек, а не вдоль поверхности. Поэтому, если бы мы светили вертикально, помех было бы значительно меньше». Инженеры рассчитывают провести первый эксперимент с реальным беспилотником уже в следующем, 2017 году — а еще через два-три года выйти на рынок и просто сдавать в аренду станции лазерной передачи энергии вместе с беспилотниками или без них. Но их планы идут и выше.

До орбиты

В космосе лазерная передача энергии будет еще эффективнее, чем по воздуху: здесь почти нечему поглощать и рассеивать излучение. Сейчас многие космические аппараты получают энергию от солнечных батарей, но их массивные «крылья» в космосе создают много проблем. «Размер панелей пропорционален потребностям в мощности, — говорит Иван Мацак. — Нужно много энергии — нужны большие батареи. Масса космического аппарата растет, увеличивается масса топлива, снижается полезная нагрузка».

Свет в фотоэлементах превращается в электричество благодаря фотоэффекту: фотоны высоких энергий «выбивают» из материала электроны — и возникает ток. Разные полупроводники отличаются эффективностью преобразования света и разной чувствительностью к излучению разной длины волны. Как правило, солнечные батареи делают из кремния, он недорог, но в ток он превращает обычно не больше 10% энергии падающего света. Арсенид галлия (GaAs) дороже, но и эффективнее. В инфракрасном диапазоне, на длине волны около 808 нм, его производительность достигает 60%.

Кроме того, на некоторые спутники солнечные батареи просто некуда ставить. Размеры современных микроспутников измеряются десятками сантиметров и позволяют разместить в лучшем случае несколько квадратных дециметров солнечных панелей. Конструкторам приходится биться за каждый потребляемый ватт, а уж о том, чтобы поставить на такие аппараты энергоемкую нагрузку (например, электрореактивный двигатель для поддержания орбиты), и речи не идет. Микроспутники обычно живут несколько месяцев, выполняют свою задачу и сгорают в атмосфере. Но лазером их можно было бы подзаряжать прямо с борта МКС, продлевая срок службы.

И эта идея будет опробована уже в ближайшие годы. Разработанный Иваном Мацаком и его коллегами космический эксперимент «Пеликан» позволит испытать новый путь передачи энергии с российского сегмента МКС на борт грузового корабля «Прогресс». На расстоянии 1 км пятно от лазерного луча будет иметь диаметр 30−40 см, попадая на фотоприемник такого же размера. Для того чтобы передавать энергию с Земли, потребуется дополнительная фокусирующая система — по расчетам ученых, в этой роли может выступить и обычный телескоп с зеркалом диаметром около 2 м.

Ученые оценили возможность применения такой системы для энергоснабжения типичного крупного спутника. «Давайте возьмем такой аппарат, как «Ресурс-П», — объясняет Виталий Капранов. — Его солнечные батареи площадью 5 х 5 м можно заменить приемником размерами 1 х 1 м и дополнительно облегчить спутник в полтора раза. То есть мы могли бы сократить требования к мощности выводящей его ракеты или поставить больше приборов».

Но инженеры готовы пойти еще дальше и вывести в космос целую электростанцию — спутник с мощной энергетической установкой на основе ядерного реактора и с лазерным передатчиком энергии. Такой аппарат сможет питать сразу множество спутников — например, флот межорбитальных буксиров, которые будут довыводить на высокие орбиты самые тяжелые телекоммуникационные спутники. Теоретически, подобные электростанции смогут снабжать энергией и исследовательские роверы на других планетах. «Мы прорабатываем и такие проекты», — заверили нас инженеры РКК.

24Ќар

На этой неделе аэрокосмическое агентство NASA опубликовало результаты работы демонстратора технологии космической лазерной связи (LLCD), установленного на «Исследователе лунной атмосферы и пылевого окружения» (или LADEE), запущенного в сентябре этого года и в настоящий момент кружащего вокруг нашего естественного спутника. Со слов космического агентства, система LLCD показала очень высокую эффективность передачи данных на расстоянии около 400 тысяч километров и уже сейчас способна работать не хуже, а возможно даже и лучше обычных радиопередатчиков.

Для тех, кто не знает, миссия LLCD направлена на демонстрацию возможности практического использования лазеров для передачи сообщений между объектами на очень удаленном расстоянии друг от друга и намного более высокой скоростью по сравнению с той, что могут предложить стандартные радиопередатчики. Продемонстрировав способность передавать данные на Землю со скоростью 622 Мб/с и получать со скоростью 20 Мб/с, LLCD установила 20 октября рекорд скорости передачи данных с лунной орбиты. Данные, переданные лазерным лучом, были получены основной наземной LLCD-станцией, расположенной в Нью-Мексико. В мире находятся три подобные станции. Оставшиеся две расположены в Испании и США.

Важнейшие преимущества лазеров над радиопередатчиками заключаются в том, что они предлагают намного более высокую пропускную способность и, кроме того, возможность передавать информацию кратковременными лазерными пучками, что в перспективе позволит снизить общие затраты потребления питания при передаче информации на сверхудаленные дистанции.

В NASA отмечают, что система LLCD работает в течение 30-дневного тестового режима даже лучше, чем того от нее ожидали. Лазер без проблем передавал сообщения на наземные станции при дневном свете и даже тогда, когда угол отклонения Луны по отношению к Солнцу составлял четыре градуса. Система также работала без каких-либо ошибок, когда Луна находилась очень низко к горизонту, тем самым заставляя лазер проходить через более плотные слои атмосферы и при некотором воздействии эффектов турбулентности. Астрономы также были удивлены узнав, что легкие перистые облака не оказались для лазера проблемой.

Помимо проверки на ошибки, LLCD показала возможность переключения от одной наземной станции к другой, продемонстрировав способность фиксироваться на определенной станции без необходимости использования радиосигнала.

«Мы запрограммировали LADEE таким образом, чтобы она в автоматическом режиме активировала и направляла систему LLCD в нужную точку для передачи лазерного сигнала на Землю, без какой-либо необходимости в предварительно отправленных на зонд радиосигналов с командой», - говорит Дон Корнуэлл, менеджер проекта LLCD из Центра космических полетов имени Годдарда.
«Успех этой миссии позволяет с оптимизмом смотреть на возможность использования подобных систем в качестве основных систем коммуникаций при будущих миссиях NASA».
В NASA отмечают не только успешность передачи сигнала, но и высокую скорость передачи информации с зонда на Землю. Все собранные за это время данные (а это, на минуточку, гигабайты информации), были переданы на Землю менее чем за пять минут. Обычно для передачи данных такого объема требуется несколько дней.

Агентство сообщает, что LLCD миссия завершена и следующей фазой тестирования станет проверка системы спутника Laser Communications Relay Demonstration (LRCD), запуск которого намечен на 2017 год. По своей сути система станет усовершенствованной версией LLCD, способной на передачу данных со скоростью до 2880 Гб/с с геостационарной орбиты и станет частью пятилетней программы тестирования систем коммуникаций нового поколения.

Категории: / / от

Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.

Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями - это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.

Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда - даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.

Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, - лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы - от RS-232 до АТМ.

Как осуществляется связь

Лазерная связь позволяет осуществлять соединения типа "точка-точка" со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Семейства, модели и их особенности

В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем - LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с - до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.

Таблица 1.

Семейство	LOO	OmniBeam 2000	OmniBeam 4000
Ethernet (10 Мбит/с)	+	+	-
Token Ring (416 Мбит/с)	+	+	-
E1 (2 Мбит/с)	+	+	-
Видеоизображение	-	+	-
Комбинация данных и речи	-	+	-
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)	-	-	+
Возможность модернизации	-	+	+

Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква "S" в конце наименования).

Таблица 2.

Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).

Установка лазерных систем

Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.

При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.

В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.

Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.

При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема - капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.

Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.

Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.

Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.

Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.

При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.

Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.

Рисунок 1.
Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.

Несколько типовых способов включения

Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа "точка-точка". В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.

На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды - коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф - компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 - до 1000 м при угле "уверенного" приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле "уверенного" приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.

Рисунок 2.
Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.

Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S - до 213 м.

Рисунок 3.
Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.

На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.

Рисунок 4.
Объединение вычислительных и телефонных сетей.

Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN "A" в ЦО и LAN "B" в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями - на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.

Рисунок 5.
Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.

Что выгодней?

Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).

Таблица 3.

Ориентировочная стоимость	Медный кабель	Оптоволокно	Радиоканал	Лазерный канал
	от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км	до 10 тыс. дол. за 1 км	от 7 до 100 тыс. дол. за комплект	12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа	Подготовка работ и прокладка - до 1 месяца; установка HDSL-модемов - несколько часов	Подготовка работ и прокладка 1-2 месяца	Подготовка работ 2-3 месяца, установка - несколько часов	Подготовка работ 1-2 недели, установка - несколько часов
Максимальная пропускная способность	До 2 Мбит/с при использованием HDSL	До 155 Мбит/с	До 155 Мбит/с	До 155 Мбит/с
Максимальная дальность связи без повторителей	До 20 км при использовании HDSL	Не менее 50-70 км	До 80 км (зависит от мощности сигнала)	До 1,2 км
BER	>1E-7		1E-10	1E-10...1E-9

Начнем со всем известного обычного медного кабеля. Некоторые его характеристики позволяют практически точно рассчитать параметры создаваемого канала связи. Для такого канала неважно, каково направление передачи и нахоятся ли объекты в прямой видимости, не нужно думать о влиянии осадков и многих других факторов. Однако качество и скорость передачи, обеспечиваемые этим кабелем, оставляют желать лучшего. Частота появления ошибочных битов (BER) составляет величину порядка 1Е-7 и выше, что значительно больше величины этого показателя у оптоволокна или беспроводной связи. Медные кабели относятся к низкоскоростным каналам связи, поэтому прежде чем прокладывать новые кабели, подумайте о том, стоит ли их использовать. Если кабель уже имеется, то вам стоит задуматься о том, как повысить его пропускную способность на основе технологии HDSL. Однако следует учитывать, что она может не обеспечить требуемого качества связи из-за неудовлетворительного состояния кабельных линий.

Оптоволоконные кабели имеют значительные преимущества перед медными. Высокие пропускная способность и качество передачи (BER

Сейчас широкое применение находит радиосвязь, особенно радиорелейные линии и радиомодемы. Им также присущ свой набор преимуществ и недостатков. Существующие технологии радиосвязи при создании канала для передачи данных обеспечат вам более высокие качество (BER

Лазерная связь - быстро и качественно, надежно и эффективно решает проблему ближней связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1200 м и в прямой видимости. Без выполнения этих условий лазерная связь невозможна. Ее несомненными преимуществами являются:

• "прозрачность" для большинства сетевых протоколов (Ethernet, Token Ring, Sonet/OC, ATM, FDDI и др.);
• высокая скорость передачи данных (до 155 Мбит/с сегодня, до 1 Гбит/с у анонсированного производителями оборудования);
• высокое качество связи с BER=1Е-10...1Е-9;
• подведение сетевого трафика к лазерному приемопередатчику при помощи кабельных и/или оптоволоконных устройств сопряжения;
• отсутствие необходимости получения разрешений на использование;
• относительно низкая стоимость лазерного оборудования, по сравнению с радиосистемами.

Лазерные приемопередатчики, из-за низкой мощности их излучения, не представляют опасности для здоровья. Следует отметить, что хотя луч безопасен, птицы его видят и стараются уклониться, что существенно уменьшает вероятность сбоев. Если передаваемая информация доставляется к лазерному приемопередатчику и от него по стандартному многомодовому оптоволоконному кабелю, то гарантируется передача данных без радиоволнового и электромагнитного излучения. Это не только обеспечивает отсутствие воздействия на работающее рядом оборудование, но и делает невозможным несанкционированный доступ к информации (получить его можно, только подобравшись непосредственно к приемопередатчику).

Преимущества лазерного канала перед радиоканалом заключаются в том, что он, во – первых, не создаёт радиопомех; во – вторых, является более конфиденциальным; в – третьих, может применяться в условиях воздействия высокого уровня электромагнитных излучений.

Принципиальная схема передатчика представлена на Рис.1. Передатчик состоит из шифратора команд, выполненного на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), выходного блока – на транзисторах ВС847В (VT1, VT2) и интерфейса RS-232, который, в свою очередь, состоит из разъёма DB9-F (на кабель) (ХР1) и преобразователя уровней – на MAX3232 (DD3).

Цепь сброса микроконтроллера состоит из элементов DD2 (CD4011B), R2, C7. Выходной блок представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого через ограничитель тока на транзисторе VT2 включена лазерная указка. Питание передатчика осуществляется постоянным стабилизированным напряжением 9 – 12 В. Микросхемы DD1, DD2, DD3 питаются от напряжения 5В, которое определяется стабилизатором 78L05 (DA1).

Контроллер DD1 запрограммирован в среде BASCOM, что позволяет подавать ему команды с персонального компьютера (ПК) через интерфейс RS-232, с терминала Bascom, используя функцию «эхо».

Микроконтроллер имеет тактовую частоту 4Мгц от внутреннего генератора. Пачки импульсов частотой около 1,3 Кгц с вывода ОС0А (РВ2) поступают на выходной блок. Количество импульсов в пачке определяется номером команды, поступившей с ПК.
Для ввода команды необходимо нажать на клавиатуре ПК любую клавишу, затем при появлении надписей «Write command» и «Enter №1…8» ввести цифру от 1 до 8 и нажать клавишу «Enter».

Программа для микроконтроллера передатчика «TXlaser» состоит из основного цикла (DO…LOOP) и двух подпрограмм обработки прерываний: по приёму (Urxc) и по переполнению таймера 0 (Timer0).

Для получения выходной частоты 1,3 КГц таймер сконфигурирован с коэффициентом деления частоты (Prescale) = 1024. Кроме того, счёт начинается с нижнего значения Z = 253 (при высоком уровне на РВ2) и доходит до 255. Происходит прерывание по переполнению таймера, при обработке которого осуществляется переключение вывода РВ2, а таймеру вновь задаётся значение Z = 253. Таким образом, на выходе РВ2 появляется сигнал частотой 1,3 КГц (см. Рис.2). В этой же подпрограмме количество импульсов на РВ2 сравнивается с заданным, и в случае их равенства таймер останавливается.

В подпрограмме обработки прерывания по приёму задаётся количество импульсов, которое необходимо передать (1 – 8). В случае, если это количество будет больше 8, в терминал выдаётся сообщение «ERROR».

Во время работы подпрограммы на выводе PD6 присутствует низкий уровень (светодиод HL1 выключен), а работа таймера остановлена.
В основном цикле на выводе PD6 – высокий уровень, и светодиод HL1 включён.
Текст программы «TXlaser»:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Config Pind.0 = Input "UART - RxD
Config Portd.1 = Output "UART - TxD
Config Portd.6 = Output "светодиод HL1
Config Portb.2 = Output "выход OC0A

"конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 "останов таймера

Dim N As Byte "определение переменных "
Dim N0 As Byte

Const Z = 253 "нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z

On Urxc Rxd "подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse "подпрограмма обраб.прерывания по переполнению

Enable Urxc
Enable Timer0

Do "основной цикл
Set Portd.6 "включение светодиода HL1
Loop

Rxd: "подпрограмма обработки прер. по приёму
Stop Timer0
M1:
Print "Write commad"
Input "Enter № 1...8:" , N0 "ввод команды
If N0 > 8 Then "ограничение номера команд
Print "Error"
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 "заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0 "запуск таймера
Return

Pulse: "подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6 "выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1 "приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then "если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500 "задержка 0,5с
Else
Start Timer0 "иначе, продолжить счёт
End If
Return
End "end program

Передатчик выполнен на печатной плате размерами 46х62 мм (см. Рис.3). Все элементы, кроме микроконтроллера, SMD – типа. Микроконтроллер ATtiny2313 применён в корпусе типа DIP. Его рекомендуется располагать в панели для DIP микросхем TRS (SCS) – 20, чтобы иметь возможность «безболезненно» перепрограммировать.

Печатная плата передатчика TXD.PCB находится в папке «FILE PCAD» .
Принципиальная схема приёмника лазерного канала представлена на рис.4. На входе первого усилителя DA3.1 (LM358N) фильтр низкой частоты, образованный элементами СЕ3, R8, R9 и имеющий частоту среза 1КГц, ослабляет фоновые помехи 50 -100 КГц от осветительных приборов. Усилители DA3.2 и DA4.2 усиливают и увеличивают длительность принятых импульсов полезного сигнала. Компаратор на DA4.1 формирует выходной сигнал (единица), который поступает через инверторы микросхемы CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Cигнал синхронно приходит на контакты микроконтроллера ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) и РВ3. Таким образом, Timer0, работающий в режиме счёта внешних импульсов и Timer1, отмеряющий время этого счёта, запускаются синхронно. Контроллер DD1, выполняющий функцию дешифратора, отображает принятые команды 1…8 установкой лог.1 на выводах PORTB соответственно РВ0…РВ7, при этом приход последующей команды сбрасывает предыдущую. При приходе команды «8» на РВ7 появляется лог.1, которая с помощью электронного ключа на транзисторе VT1, включает реле К1.

Питание приёмника осуществляется постоянным напряжением 9 -12В. Аналоговая и цифровая части питаются от напряжений 5В, которые определяются стабилизаторами типа 78L05 DA5 и DA2.

В программе «RXlaser» Timer0 сконфигурирован, как счётчик внешних импульсов, а Timer1, как таймер, считающий период прохождения максимально возможного количества импульсов (команда 8).

В основном цикле (DO…LOOP) Timer1 включается при принятии первого импульса команды (К=0), происходит сброс условия разрешения включения таймера Z=1.
В подпрограмме обработки прерывания по совпадению cчёта Timer1 со значением максимально возможного счёта считывается и устанавливается в PORTB номер команды. Устанавливается так же условие разрешения включения Timer1- Z=0.
Текст программы «RXlaser»:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Ddrb = 255 "PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0 "PORTD-входа
Portd = 255 "подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1 "как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0

"определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit

X =80
Compare1a = X "кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0

On Compare1a Pulse "подпрограмма прерывания по совпадению

Enable Interrupts "разрешение прерываний
Enable Compare1a

Do "основной цикл
If Z = 0 Then "первое условие включения таймера
K = Portd.3
If K = 0 Then "второе условие включения таймера
Start Timer1
Z = 1
End If
End If
Loop

Pulse: "подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0 "считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm - 1 "определение номера бита в порту
Portb = 0 "обнуление порта
Set Portb.comm "установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End "end program

Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog .

Приёмник расположен на плате размерами 46х62 мм (см. Рис 5). Все компоненты – SMD типа, за исключением микроконтроллера, который необходимо разместить в панели для микросхем DIP типа TRS(SCS) – 20.

Настройка приёмника сводится к установке сквозного коэффициента передачи и порога срабатывания компаратора. Для решения первой задачи необходимо подключить осциллограф к выводу 7 DA4.2 и подбором величины R18 установить такой сквозной коэффициент передачи, при котором максимальная амплитуда шумовых выбросов, наблюдаемых на экране, не будет превышать 100 мВ. Затем осциллограф переключается на вывод 1 DA4.1 и подбором резистора (R21) устанавливается нулевой уровень компаратора. Включив передатчик и направив луч лазера на фотодиод, необходимо убедиться в появлении прямоугольных импульсов на выходе компаратора.
Печатная плата приёмника RXD.PCB находится также в папке FILE PCAD .

Повысить помехозащищённость лазерного канала возможно с помощью модуляции сигнала поднесущей частотой 30 – 36 КГц. Модуляция пачек импульсов происходит в передатчике, приёмник же содержит полосовой фильтр и амплитудный детектор.

Схема такого передатчика (передатчик 2) изображена на Рис.6. В отличии от рассмотренного выше передатчика 1 передатчик 2 имеет генератор поднесущей, настроенный на частоту 30 КГц и собранный на слотах DD2.1, DD2.4.. Генератор обеспечивает модулирование пачек положительных импульсов.

Приёмник лазерного канала с поднесущей частотой (приёмник 2) собран на отечественной микросхеме К1056УП1 (DA1). Схема приёмника изображена на Рис.7. Для выделения командных импульсов к выходу микросхемы DA1 10 подключены амплитудный детектор с фильтром низкой частоты и нормализатор импульсов, собранные на логических элементах DD3.1, DD3.2, диодной сборке DA3 и C9, R24. В остальном схема приёмника 2 совпадает со схемой приёмника 1.