Беспроводная оптическая связь.
Мифы и реальность.

Таблица 1
Система	Рпер, дБм	Рпр, дБм	Рэ, дБ
SkyCell E1-T6000	24.8	-60.0	84.8
SkyCell E1-T4000	24.8	-45.0	69.8
SkyCell E1-T338	20.0	-45.0	65.0
SkyCell E1-T456	14.8	-45.0	59.8

Надо отметить, что блоки SkyCell E1-T6000 и SkyCell E1-T4000 обладают уникальными характеристиками, существенно превосходящими остальные системы, и не только от PAV. Подавляющее большинство существующих систем имеют выходную мощность не выше 50 мВт (17 дБм), а чуствительность приемника около -43 дБм. При этом, производители обещают рабочие дистанции намного выше 1 км для средней полосы России. Остается только узнать - так ли это? А главное - достаточно ли энергетического запаса оптической системы в Р_э=60 дБ для работы на дистанциях выше 1 километра? Постараемся ответить на этот вопрос.

Суммарные потери Рп в канале можно оценить по формуле:
Рn = Ропт + Ратм + Рппр	где:	Ропт	- потери оптического согласования
		Ратм	- затухание сигнала в атмосфере
		Рппр	- потери в приемнике

Из всех составляющих только величина Р_ппр не зависит от расстояния между оптическими блоками и для большинства систем находится в диапазоне от 1 до 2 дБ. Две остальные величины, кроме прямой зависимости от расстояния, зависят от телесного угла, в котором распространяется поток, размера линзы приемника (для Р_опт), и от физических характеристик атмосферы (для Р_атм).

В первом приближении Р_опт можно определить из простого соотношения площади пятна от луча на стороне приемника к площади линзы этого приемника, т.е это величина постоянная для каждой конкретной дистанции.

Естесственное желание некоторых производителей уменьшить Р_опт путем уменьшения угла расхождения луча иногда не знает меры. При очень малых углах расхождения системы становятся чуствительными к дрожанию атмосферы в жаркий период и к стабильности положения опор. Например, при допустимом уходе положения здания в 1.5 минуты (0.43 мрад) при смене сезонов, и учитывая, что допуск на точность позиционирования систем составляет около 30 секунд (0.15 мрад), на здания можно устанавливать системы с полным углом расхождения только более 1.16 мрад. Если для компенсации нестабильности опор можно применить системы автокоррекции положения, то избавиться от влияния дрожания атмосферы можно только расширяя луч. Таким образом, оптимальная величина этого угла лежит в пределах от 2 до 10 мрад. При слишком большом угле расхождения резко увеличиваются потери Р_опт.

Для нормальной работы канала необходимо, чтобы:
Р_э > Р_п

Посмотрим какой величиной Р_атм располагает типовая оптическая система на дистанции, например, в 1.5 километра. Принимая угол расхождения луча в 2 мрад, как минимально приемлемый, и диаметр входной линзы в 100 мм, путем несложных вычислений получим Р_опт = 29.5 дБ. Тогда для Р_э = 60 дБ и Р_ппр = 2 дБ:
Р_атм < Р_э - Р_опт - Р_ппр = 60 - 29.5 - 2 = 28.5 дБ
Или: Р_атм < 19 дБ/км

Что же означают величины Р_атм с практической точки зрения? Совершенно очевидно, что чем больше допустимая величина Р_атм, тем более суровые погодные условия может преодолеть оптическая система. Однако, пользователям само это значение говорит только о возможностях конкретной системы по сравнению с другими. В то же время, запас в 28.5 дБ на дистанции 1.5 км может оказаться мал для хорошей работы канала в Москве и вполне достаточен для Астрахани. Сложность задачи состоит в том, чтобы выяснить соответствие этой величины конкретным погодным условиям.

Выражение для Ратм слишком просто на первый взгляд:
Ратм = W • L	где:	L	- расстояние в км
		W	- удельное затухание сигнала в атмосфере дБ/км

Однако, вычисление параметра W и составляет основную проблему, потому что в расчетах необходимо учитывать химический состав атмосферы, наличие аэрозолей, спектральные характеристики атмосферы. Необходимы специальные алгоритмы для описания различного типа осадков (дождя, снега, тумана) и других полупрозрачных сред (пыльные бури, смог). И все это с учетом конкретного региона, высот установки и еще огромного числа параметров, влияющих на конечное значение W. Значения W лежат в очень широком диапазоне от 0.2 дБ/км, для отличной погоды, до 350 дБ/км, для самых густых туманов.

Обладая необходимым набором инструментов для расчета, можно точно показать возможности систем уже в «прикладной плоскости». Расчеты показывают, что затуханию 19 дБ/км для типового полупроводникового DFB-лазера с длиной волны 890 нм соответствует легкий туман с видимостью 920 метров. Такие погодные условия, например, в районе аэропорта Шереметьево могут быть до 90 часов в году. Нетрудно посчитать, что коэффициент готовности канала в этом случае будет ниже 99%. Для операторов связи в Москве это неприемлемая величина, если нет резервных каналов.

Таким образом, можно сделать вывод, что уже на дистанции 1.5 км оптические системы с энергетическим запасом в Р_э = 60 дБ в Московском регионе не соответствуют требованиям операторов к качеству канала связи. Увеличить этот диапазон можно улучшая чувствительность приемника и повышая выходную мощность систем. Среди систем SkyCell только системы начального уровня (Е1-Т456), позиционирующиеся на дистанцию до 1 км, имеют близкий к 60 дБ с энергетический запас. Все остальные его существенно превосходят.

Вообще, возможности оборудования SkyCell очень велики, а двух старших моделей просто уникальны. Они не имеют аналогов среди оптических систем других производителей.

Для примера приведем графики стойкости систем SkyCell к туману и дождю в зимнее время и вне мегаполисов (чтобы уменьшить влияние примесей в атмосфере):

График 1. Максимальные рабочие дистанции в зависимости от метеорологической видимости в туман.

График 2. Максимальные рабочие дистанции в зависимости от интенсивности дождя.

Где:	Distance	- расстояние между приемо-передатчиками в метрах
	Visibility	- метеорологическая видимость в условиях тумана в метрах
	Precipitation	- интенсивность осадков в мм/час

Области, находящиеся под линиями на графиках, определяют рабочие зоны оптических систем. Сами же линии означают границу, когда уровень ошибок в канале становится BER=1.0E-9.

Из Графика 1 становится очевидным, что установленная на дистанции 2000 метров система SkyCell E1-T6000, способна нормально работать при метеорологической видимости в туман около 709 метров. А как будет вести себя канал передачи вблизи этой границы? При ухудшении погодных условий сначала будет увеличиваться уровень ошибок. Значения BER ниже 1.0Е-3 будут означать, фактически, отказ канала передачи. Дальнейшее ухудшение видимости приведет к полной блокировке канала. Реально канал будет сохранять работоспособность вплоть до падения видимости до 640 метров. Поведение систем SkyCell E1-T6000 можно проиллюстрировать Графиком 3.

График 3. Уровень ошибок в канале в туман на дистанции 2 км.

Приведенные выше результаты расчетов подтверждаются данными испытаний и опытной эксплуатации систем как в России, так и зарубежом.

Для получения же самого «практического» параметра - коэффициента готовности канала, необходимо иметь статистику погоды в конкретном регионе. Опыт работы MicroMax показывает, что метеослужбы с пониманием относятся к подобным запросам и оперативно на них реагируют. Зная стойкость систем ко всем вероятным на месте установке погодным явлениям, можно с высокой достоверностью прогнозировать этот параметр и гарантировать эффективную работу системы передачи данных.

Подводем же итог вышесказанному. На этапе проектирования канала атмосферной оптической связи необходимо задать четкие требования к качеству канала (определяемому коэффициентом готовности и допустимым уровенем ошибок). Исходя из таковых требований, а также анализируя статистику погоды в конкретном регионе, где планируется установка канала, и, возможно, прочие особенности объекта, квалифицированный специалист способен (и должен) помочь заказчику в правильном и тщательном выборе подходящего оборудования. Весь набор технических характеристик оборудования должен быть рассмотрен в комплексе, но, пожалуй, наиболее важным, как было показано выше, является энергетический запас системы. При таком подходе не будет последующих разочарований, а миф о нежизнеспособности атмосферных оптических систем связи развеется сам собою.

- Доступные в настоящее время скорости передачи коммерческих беспроводных оптических систем составляют от 2 до 622 Мбит/с с применением всех распространенных интерфейсов локальных вычислительных сетей и цифровых сетей передачи данных. Опытные установки доказали возможность передачи данных с уплотнением по длине волны со скоростью 10 Гбит/с.

Александр Клоков
Технический директор MicroMax Computer Intelligence, Inc. по СНГ
Опубликовано (с сокращениями): журнал «Технологии и средства связи»
(номер 6, 2000 г.)