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  


С.Н. Кузнецов, С.Ю. Поляков, Dr. Oussama ALALI, Bahaa HASHEM

БЕСПРОВОДНЫЙ КАНАЛ 10 ГБИТ/С: КЛЮЧЕВЫЕ ОСОБЕННОСТИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ

"Сборник трудов Международной научно-практической конференции "ИННОВАЦИИ В НАУКЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ И ОБРАЗОВАНИИ" Рязань, 2013

 Введение

 В последние 2-3 года наблюдается значительный рост интереса к разработке атмосферных оптических беспроводных линий связи – FSO технологии. Проявляется это в заметном росте числа публикаций в научно-технических журналах и даже в выпуске отдельных книг посвященной этой проблематике [1]. Очевидно, что этот процесс обусловлен интенсивной информатизацией общества, что ведет ко всё возрастающим требованиям по увеличению пропускной способности каналов связи и исчерпанию частотного ресурса традиционных радио-диапазонов. С другой стороны, интерес представляют и уникальные свойства оптического диапазона – сложность обнаружения самого факта связи, невозможность перехвата сообщений и, главное, невозможность подавления связи средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Обращает на себя внимание и тот факт, что проблематикой беспроводной оптики в мире занимаются такие крупные организации как Fraunhofer Heinrich Hertz Institute (Германия), Massachusetts Institute of Technology и Georgia Institute of Technology (США), University of British Columbia (Канада), National Institute of Information and Communications Technology (Япония) и другие известные институты мирового уровня. Основное направление исследований – это увеличение дальности связи и увеличение скорости передачи информации в ясную погоду. Сценарии применения таких линий включают в себя организацию связи между наземными объектами, между БПЛА и землей, между кораблями, между спутниками, в том числе и на ГСО и землей, между высотными летающими объектами и т.д. В разработке целевых программ в данной области участвуют такие крупные организации как Naval Research Laboratory и AOptix Technologies, Inc. (США), German Aerospace Center DLR (Германия) и другие. Однако при увеличении дальности связи и особенно скорости передачи информации возникают серьезные проблемы по доставке фотонов по назначению, т.е. в приемник. Причем речь идет о чистой и прозрачной атмосфере (в отсутствие рассеивающих и поглощающих агентов, тумана, облаков, дождя и т.д.), но характеризуемой высокими значениями неоднородности показателя преломления, т.е. турбулентности. Связано это главным образом с объективным фактором - уменьшением размера приемных апертур при увеличении скорости передачи информации. При этом возникают сложности согласования принимаемого оптического пучка с приемной апертурой. Эти проблемы проиллюстрированы на рисунке 1. Здесь приведены примеры распределения интенсивности в фокальной плоскости приемной системы при различном состоянии атмосферного канала. Увеличение турбулентности в атмосферном канале приводит к существенному изменению распределения интенсивности. Его можно характеризовать тремя процессами: увеличение размера пятина, смещение его центра тяжести и изменение его структуры. Для сравнения, на Рисунке 1 на фоне пятна приведены размеры характерных приемных апертур. Видно, что даже для приемников гигабитного диапазона в условиях сильной турбулентности возникают потери. Для одномодового волокна, которое является самой распространенной средой передачи скоростного трафика 10 Гбит/с и выше, такой режим приема просто катастрофичен.

Рисунок 1. Примеры распределения интенсивности излучения в фокальной плоскости приемного объектива 

В настоящее время предлагаются различные технологии преодоления этих негативных последствий: пространственное разнесение приемников и передатчиков [2], использование адаптивной оптики на базе деформируемых зеркал [3], многоволновое излучение [4], многопучковое излучение (MIMO, SIMO) [5], специальные структуры модуляции сигнала [6] и др. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Важно то, что окончательного, в смысле стандартизованного, как например, в технологии Wi-Fi или GSM, решения в этой области не выработано. В настоящей работе сообщается о другом подходе к компенсации вредного влияния турбулентных явлений в атмосферном канале и приведены практически достигнутые результаты по беспроводной передаче информации со скоростью 10 Гбит/с. Архитектура оборудования. В основу архитектуры оборудования Artolink для высокоскоростной передачи информации по открытому оптическому каналу положен опыт разработки и эксплуатации первого поколения FSO устройств. Они строились по схеме MIMO - 3 синфазных, но не коррелированных по несущей лазерных передатчика и две разнесенные оптические антенны с некогерентным сложением сигнала (рисунок 2).

Оборудование Artolink

Рис. 2. Внешний вид оборудования первого и второго поколений.

Устройства показали отличные результаты для низких скоростей (0,1 Гбит/с) передачи данных. При разработке ставилась задача создать новую платформу оборудования, которая должна обеспечивать минимальные ограничения по скорости передачи информации при максимальном энергетическом бюджете. Таких показателей удалось достичь за счет разработки и применения в новой платформе ряда ключевых технологий. 1) Использование специально обработанного торца многомодового градиентного оптического волокна в качестве узла ввода-вывода излучения в атмосферный канал. Этим достигается снижение пространственной когерентности излучения при передаче и сохранение апертурного усреднения сигнала при приеме, что важно для снижения влияния мелкомасштабных флуктуаций показателя преломления в атмосферном канале на качество связи. Одновременно обеспечивается широкая полоса пропускания всего оптического тракта и возможность использования кабеля спуска длиной до 50 метров для скоростей до 10 гбит/с. 2) Применение для разделения трактов приема и передачи оптического смесителя (дуплексера) построенного на принципе разделения встречных сигналов различного модового состава, или другими словами пучков с разной энтропией. Это позволило использовать одноапертурную оптическую систему и достичь следующих технических результатов: - возможность работы на одинаковых длинах волн в трактах приема и передачи при обеспечении высокого уровня разделения каналов (более 60 дБ), малых вносимых потерях (менее 1,5 дБ) и высокой лучевой прочности, (более 1 Вт). Дополнение схемы спектральной фильтрацией в перспективе позволит обеспечить выполнение и требований космической связи по разделению каналов на уровне 90-100 дБ. - абсолютную температурную стабильность совмещения оптических осей в трактах приема и передачи, Это крайне важно, учитывая, что оборудование должно работать в диапазоне перепада температур 100 градусов, от -40 до +60 оС. Взаимная стабильность осей диаграммы направленности передатчика и углового поля зрения приемника позволила обеспечить работоспособность системы с рекордно малыми для коммерческих систем угловыми характеристиками излучения. Расходимость излучения по уровню 0,5 составляет величину 150 мкрад или 30 угловых секунд, что обеспечивает малые геометрические потери на трассе распространения излучения. 3) Для компенсации движения опоры и температурных дрейфов, что абсолютно необходимо при работе со столь малыми угловыми полями, оборудование имеет в своем составе систему пространственной стабилизации. Система работает на отличной от информационного канала длине волны, в области чувствительности фотоприемников на кремниевой технологии. Это позволяет, с одной стороны эффективно разделять каналы, а с другой - организовать независимый от основного низкоскоростной канал служебной связи (out of band). Низкая скорость передачи данных в служебном канале обеспечивает большой динамический диапазон его работы и высокую устойчивость к атмосферным флуктуациям, что позволяет проводить постоянную адаптацию параметров основного канала к динамически изменчивым параметрам среды распространения излучения. 4) Специальный алгоритм выделения цели (удаленного маяка) в условиях высокого уровня фоновой засветки построенный на формализме динамического Фурье фильтра реального времени. Алгоритм работает с сигналами матричного фотоприемника и обеспечивает точность определения угловых координат удаленного маяка в пределах единиц угловых секунд в условиях широкого диапазона уровней фона и флуктуаций интенсивности входного сигнала вследствие турбулентности атмосферного канала. 5) Уникальный алгоритм коррекции дрейфа нуля. Для его работы используется стохастическое воздействие атмосферного канала на наклон волнового фронта в качестве естественного модулятора пространственных координат. Тем самым эффективно решается очень серьезная проблема стабильности работы системы наведения в широком диапазоне изменения температур и в течение длительного времени. По существу это механизм, который связывает канал Passive Optics с системой Active Tracking в единую функционирующую систему. Необходимость такого механизма обусловлена тем, что датчик углового отклонения (матричный фотоприемник) и объект управления (торец оптического волокна) суть разные физические объекты расположенные в разных точках пространства и связанные между собой только через конструктивные элементы, подверженные деформациям, прежде всего температурным. Для работы алгоритма используется красивое решение по использованию стохастического воздействия атмосферного канала на наклон волнового фронта в качестве естественного модулятора пространственных координат. Особенность алгоритма проявляется в том, что чем выше турбулентность канала или его протяженность, тем быстрее происходит подстройка осей системы. Наличие такого механизма эффективно решает очень серьезную проблему стабильности взаимного наведения оптических осей основного канала друг на друга в широком диапазоне изменения температур и в течение всего срока эксплуатации оборудования. Упрощенная функциональная блок-схема оборудования приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Функциональная блок-схема оборудования.

Из общедоступных на вторую половину 2013 года данных представляется, что перечисленные технические решения не используются ни в одной коммерческой системе оптической связи. В оборудовании Artolink используется вся совокупность представленных подходов в сочетании с применением других, более известных и традиционных решений, среди которых: - оптическая система дифракционного качества; - оптический усилитель передаваемого сигнала; - пространственное волновое мультиплексирование; - прецизионный механизм наведения на шаговых двигателях; - коммутатор входных сигналов с поддержкой резервного канала; - прецизионное опорно-поворотное устройство с малыми угловыми ошибками наведения; - оптический прицел; - герметизированные оптоволоконные стыки и другие решения и др. Использование всего комплекса приведенных решений в структуре оборудования обеспечивает в серийных образцах скорость передачи 1,25 Гбит/с на трассах до 5 километров с уровнем битовой ошибки не хуже 10-9. А главное, что этот набор технических подходов открывает простор для его дальнейшего совершенствования, в том числе в части увеличения скорости передачи информации. Результаты тестирования по передаче трафика 10Гбит/с через беспроводный канал. Экспериментальные измерения по передаче потока 10Гбит/с проводились с использованием тестеров BERcut-ETX производства компании Метротек (Москва). В ходе измерений качества канала тестер генерировал Ethernet трафик с расчетом битовой ошибки (BER). Полевой эксперимент по передаче потока данных на скорости 10Гбит/с проводился на двух дистанциях - 620 метров и 1800 метров. Измерения проводились в сентябре и апреле месяце 2013 года. Во втором случае трасса проходила над замерзшим водоемом, измерения проводились в солнечную погоду при температуре воздуха около 20оС, что приводило к высокому уровню турбулентности атмосферы за счет большой разности температур воздуха и подстилающей поверхности. На дистанции 620 метров была получена безошибочная передача информации, на дистанции 1800 метров BER составил 2*10-11. При этом запас по усилению составил 23 и 8 дБ для дистанций 620 и 1800 м соответственно. Кроме измерения BER, в процессе работы была проведена запись уровня приемного сигнала на цифровой осциллограф для различных временных масштабов.

Рисунок 4 – Динамика сигнала за период 1 с 

Рисунок 5 – Динамика сигнала за период 1 с 

Как видно из графиков динамики сигнала, даже в условиях сильной турбулентности атмосферы, средний уровень принимаемой мощности колеблется не более чем на 20%. Этот результат обеспечивается использованием в оборудовании узких пучков излучения в сочетании с системой автотрекинга, что позволяет одновременно поднять уровень принимаемого сигнала, а также добиться максимально возможного апертурного усреднения. 4. Заключение, перспективы. Результаты натурных экспериментов по передаче высокоскоростного (10 Гбит/с) трафика по беспроводному оптическому каналу в условиях атмосферной турбулентности подтвердили правильность заложенных в оборудование конструкторско-технологических решений. На сегодня, по нашим данным, это единственная в мире реализация беспроводного оптического соединения с такой скоростью и качеством на трассе около 2 км. Для сравнения: в [7] приведены результаты тестирования FSO оборудования в Токио по передаче сигналов цифрового телевидения. В устройстве использовался прямой ввод сигнала из атмосферного канала в одномодовое волокно в сочетании с очень быстрой системой автоподстройки. В ясную погоду на трассе в 1 километр уровень ошибок не более 10-9 достигался только в течении менее 35% времени наблюдения. В этой связи, необходимо также отметить, что представленные нами результаты получены на серийно выпускаемом оборудовании, а не на специально созданных экспериментальных образцах, как это было продемонстрировано в Японии. Практический результат состоит в том, что данный вид связи на оборудовании ARTOLIK доступен к эксплуатации неограниченному кругу лиц. В ближайшей перспективе предполагается дальнейшее развитие разработанного варианта FSO технологии в следующих направлениях: - увеличение скорости передачи до 320 Гбит/с. Эту работу предполагается выполнить совместно с Fraunhofer Heinrich Hertz Institute (Берлин). Увеличение скорости планируется достичь за счет использования технологии DWDM путем мультиплексирования 32 первичных каналов скоростью передачи 10 Гбит/с в каждом канале. Положительные результаты откроют дорогу для достижения следующего рубежа – скорости передачи в 1,28 Тбит/с за счет увеличения скорости первичного канала до 40 Гбит/с. - увеличение дальности связи в условиях прямой видимости до 20-30 км при сохранении уровня цифровых ошибок не более 10-9.

   Литература

1. Advanced Optical Wireless Communication Systems / Editors: Shlomi Arnon, Israel John Barry, George Karagiannidis, Robert Schober, Murat Uysal// Cambridge University Press, 2012.

2. H. Moradi, H. H. Refai, and P. G. LoPresti, “Switch-and-stay and switch-and-examine dual diversity for highspeed free-space optics links,” IET Optoelectron 6(1), 34–42 (2012)

3. R. K. Tyson, “Bit-error rate for free-space adaptive optics laser communications,” J. Opt. Soc. Am. A 19(4), 753–758 (2002).

4. V. Weerackody and A. R. Hammons, “Wavelength Correlation in Free Space Optical Communication Systems,” in Proceedings of IEEE Military Communications Conference 2006, (IEEE, 2006), pp. 1–6

5. J. A. Anguita, M. A. Neifeld, and B. V. Vasic, “Spatial correlation and irradiance statistics in a multiple-beam terrestrial free-space optical communication link,” Appl. Opt. 46(26), 6561–6571 (2007).

6. N. D. Chatzidiamantis, A. S. Lioumpas, G. K. Karagiannidis, and S. Arnon, “Adaptive subcarrier PSK intensity modulation in free space optical systems,” IEEE Trans. Commun. 59(5), 1368–1377 (2011).

7. C. B. Naila, K. Wakomori, M. Matsumoto, A. Bekkali, K. Tsukamoto, “Transmission analysis of digital TV signals over a Radio-on-FSO channel”, IEEE Communication Magazine, 08, 2012, 137-144


Рейтинг@Mail.ru