Main page Атмосферная оптическая линия передачи данных (АОЛП) Атмосферный канал связи Системы оптической связи Атмосферная связь
Беспроводный канал связи (БОКС) Беспроводные оптические системы связи Атмосферная оптическая линия связи  (АОЛС)
Free Space Optics (FSO) Оптические системы передачи лазерная связь беспроводная связь
  атмосферная связь тестер Ethernet LAN Инфракрасная оптическая связь АОЛС FSO  


Ю.И.Зеленюк, технический директор ГРПЗ, И.В.Огнев, директор комплекса по производству гражданской продукции, С.Ю.Поляков, директор ООО "Мостком", С.Е.Широбакин, директор центра стратегии и маркетинга ООО "Мостком

ВЛИЯНИЕ ПОГОДНЫХ УСЛОВИЙ НА НАДЕЖНОСТЬ АТМОСФЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
( “ВЕСТНИК СВЯЗИ” №4, 2002)

   Атмосферные оптические линии связи или Free Space Optics (FSO) технологии получают все большее распространение в мире. Однако процессу их внедрения мешают некоторые легенды связанные, в основном, с необъективной оценкой влияния погоды на надежность данного вида связи. В рамках данной статьи мы хотели бы показать, что это влияние может быть достаточно точно оценено. И на основании этих оценок можно с высокой достоверностью рассчитать надежность данного канала связи при заданном расстоянии.
   Для правильно установленной и настроенной атмосферной оптической линии, определяющим фактором надежности связи являются погодные условия в месте ее расположения. Влияние атмосферы сказывается в ослаблении луча метеорологическими факторами: дождем, снегом, туманом, песчаной бурей, а также техногенными аэрозолями. Дополнительными факторами уменьшения мощности излучения в плоскости приема служат турбулентные образования в атмосфере и их взаимодействие с когерентным излучением лазера (спекл-картина или сцинтилляции). Это приводит к "дрожанию" луча, к его "пятнистости" в плоскости приема.
   Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой, является метеорологическая дальность видимости (МДВ). Это расстояние, на котором свет с длиной волны 0,55 мкм ослабляется в 50 раз (на 17 дБ).
Погодные условия различаются как для различных географических районов, так и от года к году.
   Статистическим параметром погоды для конкретного географического места, определяющим надежность связи, является доля времени за год в течении которого МДВ меньше заданной величины.
   Обработка статистических данных метеорологических наблюдений позволила установить эмпирическую зависимость этого параметра от расстояния. Соотношение справедливо для МДВ менее 17 км.

                  (1)

   где W(L) - вероятность наступления погодных условий, при которых МДВ меньше расстояния L;
   L - расстояние (км);
   ai, bi - константы для конкретной географической точки.

   В таблице 1 приведены константы, рассчитанные за период наблюдения в несколько лет по некоторым городам России.

Город ai bi
Киров 0,006 1,42
Ижевск 0,013 1,21
Кострома 0,008 1,26
Ярославль 0,009 1,32
Иваново 0,0065 1,53
Владимир 0,011 1,47
Нижний Новгород 0.013 1.28
Йошкар-Ола 0,0114 1,34
Саранск 0,0115 1,39
Рязань 0,006 1,46


   На рисунке 1 приведены среднестатистические данные метеорологических наблюдений в Рязани за последние 8 лет и их корреляция с выражением (1).



Рис. 1. Вероятность наступления погодных условий, при котороых МДВ < 1 (Рязань).

   Здесь также показан коэффициент корреляции фактических данных и аппроксимирующей кривой. Среднеквадратическое отклонение для приведенных данных для дальности менее 6 км составило около 40 %, поэтому данное приближение (1) можно считать достаточно точным для оценки погодных условий конкретного города.
   В ясную погоду турбулентность атмосферы определяет предельную дальность связи. Влияние турбулентности атмосферы и сцинтилляции в пучке лазерного излучения значительно ослабляются при введении нескольких лазерных передатчиков, поскольку их излучение существенно некогерентно.
   К настоящему времени ставшая классической теория турбулентных процессов в атмосфере, относящаяся к инерционному интервалу развития турбулентности, позволила описать многие флуктуационные эффекты в лазерных пучках на атмосферных трассах. Эта теория, основанная на "законе двух третей" Колмогорова, предполагает наличие процесса каскадного дробления вихрей при устойчивом спектре распределения размеров неоднородностей.
   Такой подход долгое время служил почти единственной основой для интерпретации экспериментальных данных о флуктуациях лазерного излучения в атмосфере, в том числе и на приземных трассах. Вместе с тем, применительно к последнему случаю, указанная теория может оказаться слишком грубым приближением.
   Анализ результатов исследований, изложенных как в ранних, так и более поздних публикациях, показывает, что турбулентность в приземном слое воздуха носит более сложный характер, обусловленный развитием различного рода неустойчивостей. Учитывая отсутствие законченных теоретических исследований оценивающих параметры надежности связи при использовании нескольких лазеров, а также усредняющее влияние апертуры приемника и разрушение когерентности на аэрозолях атмосферы нами была предложена эмпирическая зависимость оценивающая данные факторы.


           (2)


   где I - фактор возможного ослабления сигнала на расстоянии L (дБ);
   L - расстояние от передатчика до приемника (м);
   q - полный угол расходимости излучения передатчика (рад);
   N - количество передающих лазеров;
   Dr - диаметр апертуры оптической системы приемника (м).

   Выражение (2) было получено на основании прямых измерений, а также данных других производителей FSO систем, в частности Optical Access.
   Используя закон Бугера, выражение (2), а также фактор геометрического ослабления сигнала получаем выражение определения максимальной длины трассы при данном МДВ:


      (3)


   где Pt - импульсная мощность передатчиков (Вт);
   Pr - чувствительность приемника при соотношении сигнал:шум 10:1 (Вт);
   V - МДВ (м);

    Коэффициент 1,2 при V введен для учета длины волны ИК излучения лазеров (0,8-1,2 мкм).



Рис. 2. Расчет предельной дальности связи

   На рис. 2 показан расчет предельной дальности связи в зависимости от МДВ для изделий серии МОСТ производства ГРПЗ. При прочих одинаковых параметрах изделия отличаются шириной полосы пропускания и, соответственно, чувствительностью. Всвоем составе они имеют по два лазера в передатчиках. Однако турбулентность атмосферы не позволяет обеспечить надежную связь на скорости 100 Мбит/с при максимально ясной погоде на расстояния более 3,5 км. Реально это проявляется в периодическом прерывании сигнала с периодом 0,1 - 1 с.
   Из выражения (3) и (1) можно получить соотношение для определения надежности связи в зависимости от дальности и погодных условий для конкретной местности.

     (4).


   Здесь L - дистанция между приемником и передатчиком.

   График на рис. 3 построен в соответствии с (4) и иллюстрирует уровень надежности канала связи в зависимости от выбранной дистанции и модели МОСТа в разных географических точках.



Рис. 3. Уровень надежности канала связи

   На рис. 3 показаны кривые оценки надежности связи для нахудшего года в Нижнем Новгороде и для наилучшего года в Кирове. Расчет проведен для аппаратуры в зависимости от ее чувствительности и от дистанции. Используя подобные оценки, можно с высокой достоверностью определить надежность связи для данной дистанции или допустимую дистанцию при заданной надежности связи.
   Например, предполагается установить связь для потока Е1 (2,048 Мбит/с) на расстоянии 1200 м в Кирове. Необходимо определить, какую долю времени канал связи будет недоступен из-за погоды.
   Для дистанции 1200 м по кривой "МОСТ100/500 Киров" определяем, что доля времени в году, когда связь может быть нарушена, составляет 0,13 % или около 11 часов в среднем за год. Для Нижнего Новгорода на расстоянии 500 м надежность связи Fast Ethernet будет соответствовать 0,5 %.
   Следует отметить, что в мировой практике рекомендуемая дальность связи систем FSO принято оценивать для погодных условий основных городов ведущих стран мира. В соответствии с этим рекомендуемая дистанция связи для серии МОСТ в южных районах России и городах ведущих стран мира оценивается по таблице 1 (при этом ai=0.001, bi=2.3). В табл. 2 дополнительно приведены данные по гипотетической аппаратуре FSO, имеющей предельно-достижимые в настоящее время характеристики.

Модель Надежность связи, % Рекомендуемая дистанция для южных стран, м
МОСТ 100/500 99,91 1200
МОСТ 10/500FE 99,9 1100
МОСТ 300/850 99,91 900

Гипотетическая FSO:
Мощность излучения - 10 Вт,
Расходимость - 1 мрад,
Длина волны - 1.55 мкм,
Чувствительность - 0.001 мкВт,
Скорость - 300 Мбит/с,
Диаметр приемного объектива - 30 см,
Количество лазеров - 4.

99,9 3500
(600 для Нижнего Новгорода)

   Как видно из табл. 2, 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.
   Мы считаем, 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.
   В любом случае для принятия решения о применении канала атмосферной лазерной связи рекомендуем использовать изложенные в статье оценочные расчеты, учитывающие конкретные погодные условия и параметры систем.

Рейтинг@Mail.ru