Петр Чачин    

Интенсивное развитие телекоммуникационных и компьютерных сетей вызывает в последнее время повышенный интерес к разнообразным высокоскоростным беспроводным системам, в частности основанным на технологии передачи данных в инфракрасном (ИК) диапазоне волн. Теоретические аспекты этого вида связи начали разрабатывать несколько десятилетий назад, но лишь сравнительно недавно были получены решения операторского уровня. Испытания нового оборудования на своих опорных сетях уже провели компании “ВымпелКом” и “Мобильные ТелеСистемы”.

В конце 60-х годов в Москве проводилось исследование способа передачи информации на базе отечественного оборудования беспроводной ИК-связи, которое было установлено на линии, соединяющей МГУ и одно из зданий на Зубовской площади. В целом испытания прошли успешно, но на тот момент у специалистов сложилось достаточно скептическое отношение к этой технологии, поскольку плохие погодные условия делали использование беспроводных инфракрасных каналов неприемлемым и бесперспективным направлением.

Затем наметился достаточно длительный перерыв в развитии гражданских телекоммуникационных приложений данной технологии. Работы продолжались в основном в области их военного применения - для различных систем целеуказания, дальномеров и т. д.

Вновь к использованию ИК-линий беспроводной связи вернулись к концу 80-х годов, когда широкое распространение получили системы передачи информации по волоконно-оптическим кабелям. Обе технологии чрезвычайно близки, различаются они в основном адаптацией систем к среде передачи. ИК-оборудование для корпоративных структур стало появляться на рынке в начале 90-х годов. Эти системы с сетевыми интерфейсами Ethernet и Token Ring обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 м и использовали в передающем устройстве инфракрасные полупроводниковые излучающие диоды.

SkiCom - серия ИК-устройств для работы в сетях связи общего пользования и корпоративных структурах

ИК-приборы для систем связи общего пользования получили развитие лишь к 1998 г., когда прогресс в технологии электронных компонентов позволил освоить производство лазерных диодов мощностью 100 мВт и более с высоким показателем параметра наработки на отказ (5 - 6 лет) и таким образом подняться на тот минимальный уровень, который требуется для надежного функционирования коммерческой телекоммуникационной системы.

В результате большого количества инсталляций был приобретен значительный опыт, который позволяет говорить о таких важных достоинствах этого вида связи, как простота и относительная дешевизна решений, быстрота развертывания, конфиденциальность и высокая скорость передачи информации. Создание ИК-канала не требует столь значительных затрат, как прокладка кабельных линий связи. Отпадает и необходимость в получении и согласовании множества разрешительных документов, обязательных для радиочастотного оборудования. ИК-системы не нуждаются в лицензировании. Поскольку передача сигнала происходит по узкофокусированному лучу, перехватить его практически невозможно, что обеспечивает высокую безопасность каналов связи.

Кроме того, важное преимущество таких систем - отсутствие принципиальных ограничений скорости передачи. Если в радиочастотных средствах связи для занятия разумной ширины полосы канала приходится применять сверхизощренное кодирование (например, 128-уровневое), которое к тому же снижает другие параметры системы (скажем, соотношение сигнал/шум в приемнике), то при использовании инфракрасных систем, скоростные показатели которых определяются не принципами и средой передачи, а техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов, таких сложностей не возникает. Данная технология развивается весьма бурными темпами, и сегодня, когда возраст самой старой коммерческой ИК-системы едва ли превышает 10 лет, скорости передачи данных достигли отметки 2,5 Гбит/с, а при мультиплексировании по длине волны - 10 Гбит/с. Но даже эти не слишком высокие скорости уже значительно превышают возможности технологии радиодоступа.

Некоторые ограничения ИК-технологии

Построение всех ИК-систем передачи информации практически одинаково - все они содержат интерфейсный модуль, модулятор излучателя, оптические системы передатчика и приемника, демодулятор и интерфейсный блок приемника. По технологическому признаку оборудование можно разделить на две группы: одна использует полупроводниковые ИК-диоды с излучением с поверхности, а вторая базируется на лазерных ИК-диодах с излучением с торца перехода.

Это различие систем сказывается на их главных характеристиках - скорости и дальности передачи. Первая группа в основном объединяет малоинтервальные системы протяженностью до 1 км, работающие на скоростях около 10 Мбит/с, вторая обеспечивает дальность передачи до 4 - 15 км в зависимости от погодных условий и требований к качеству канала со скоростями до 155 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с (опытные системы).

Главное преимущество полупроводниковых (ПП) диодов - продолжительное время наработки на отказ: 400 тыс. ч при мощности в 400 мВт для них не редкость. Кроме того, каналы, использующие ПП-диоды, менее чувствительны к резонансному поглощению в атмосфере благодаря широкой полосе излучения (типичные значения около 50 нм). Форма сечения луча от ПП-диодов практически круглая. Но на этом все их преимущества заканчиваются, и начинаются недостатки. Из-за широкой полосы излучения теоретически могут возникать сложности в передаче высокоскоростного сигнала - разные моды сигнала добираются до приемника с различной задержкой, и на больших дистанциях (выше 1 км) и высоких скоростях (выше 1 Гбит/с) сигнал на выходе приемника распознать уже крайне сложно. Поэтому передатчик должен передавать как можно более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. В идеале это должна быть одна мода.

Такими или близкими к ним характеристиками обладают лазерные диоды. Однако при подобной передаче нельзя забывать, что эта единственная мода может попасть на полосу поглощения какого-нибудь газа в атмосфере, и тогда все преимущества обернутся явными недостатками. При правильном выборе компонентов потенциальные возможности развития систем с применением лазерных диодов выглядят впечатляюще. Время наработки на отказ для лазерных диодов мощностью 100 мВт и выше уже достигло уровня 100 тыс. ч. Освоено промышленное производство лазерных диодов мощностью 1 Вт и более. Но все же у лазерных диодов есть один “врожденный” недостаток - эллиптическая форма сечения луча. Для борьбы с этим пороком применяют различные методы, от весьма корректных - использование оптических систем с призматическими линзами, до грубых - ограничение апертуры оптической системы с неизбежной потерей части мощности.

Телекоммуникационная сеть на базе ИК-линии связи

Однако есть и промежуточная группа - системы, использующие для передатчиков лазерные VCSEL-диоды с излучением с поверхности в результате объемного резонанса. Эти устройства обладают преимуществами как лазерных диодов - узкая полоса излучения (в некоторых режимах всего одна мода), так и ПП-диодов - продолжительное время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но за все надо платить. В данном случае приходится жертвовать мощностью излучения. Сегодня она не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому для увеличения энергетических показателей применяют несколько излучателей, работающих синхронно. Но здесь уже начинаются другие трудности, поскольку обеспечить абсолютную синхронность с минимальными фазовыми сдвигами очень сложно. И все же с учетом развития технологии перспективы VCSEL-диодов выглядят вполне обнадеживающими.

ИК-системы разных типов внешне также очень похожи, а вот характеристики различаются весьма значительно. Все дело в оптимизированном выборе параметров. В отличие от многих других систем здесь очень важна сбалансированность. За примером далеко ходить не надо. Многие разработчики стремятся повысить дальность интервала путем уменьшения угла расхождения луча и доводят его до таких величин, когда даже микровибрация зданий от проходящей рядом дороги или ветровой нагрузки на конструкцию может привести к расстройке системы. На такие линии повышенное влияние оказывает дрожание атмосферы в жаркий период года. На практике величина угла расхождения луча менее 2 мрад становится неприемлемой для очень многих условий эксплуатации.

Что касается приемников и фотодиодов, то здесь у проектировщиков систем наметилось полное единодушие. Все высокоскоростные системы используют лавинные фотодиоды, а низкоскоростные - обычные кремниевые p-i-n фотодиоды, у которых чувствительность почти на порядок ниже.

Естественно, что применение новейшей технологии мультиплексирования по длине волны, используемой в волоконно-оптических системах, не имеет принципиальных ограничений на внедрение ее в беспроводных ИК-системах передачи. Некоторые шаги в этом направлении уже сделаны. Первопроходцем оказалась компания Lucent Technologies со своим продуктом WaveStar OpticAir, обеспечивающим скорость передачи до 10 Гбит/с на четырех длинах волн. Причем ранее компания Lucent не входила в число самых активных игроков на данном поле. Это позволяет сделать вывод, что интерес к новому сектору рынка начинают проявлять и киты индустрии, которые до последнего времени были просто наблюдателями. Единственным подводным камнем в области оптического мультиплексирования может быть все то же резонансное поглощение в атмосфере, которое на разных длинах волн существенно различается.

Всё достаточно просто, но только на первый взгляд

Технология ИК-связи базируется на использовании открытого оптического канала, в котором присутствует труднопрогнозируемый элемент - среда передачи. Непредсказуемость состояния атмосферы, зависящего от погодных условий, - уязвимое место этой технологии. Для волоконно-оптических же систем, где параметры кабеля хорошо известны и стабильны, погода никакого значения не имеет. К числу важных особенностей передачи ИК-сигнала через атмосферу относятся аэрозольное затухание, резонансное поглощение и наличие преград в виде осадков.

Аэрозольное затухание - это оптические потери на мельчайших капельках влаги, находящихся в воздухе, а резонансное поглощение происходит на молекулах различных газов, входящих в состав атмосферы. На резонансное поглощение особенно сильное влияние оказывают параметры спектра излучения, такие, как ширина, структура и количество мод и т. д. Знание всех этих нюансов дает возможность не только выбрать лучший диапазон передачи, но и правильно спроектировать систему, а в ходе ее эксплуатации - верно предсказать параметры канала и поведение систем в различных погодных условиях.

Затухание сигнала при тех или иных погодных явлениях сейчас достаточно точно моделируется. Туманы и дожди легко формализуются расширенной моделью аэрозольного поглощения. На самом деле такая преграда, как дождь, не представляет серьезной угрозы для ИК-соединения. Даже осадки в виде дождя интенсивностью до 75 мм/ч (почти тропический ливень), плохо преодолеваемые радиорелейными системами в диапазонах 18 - 54 ГГц, не нарушают работу современных беспроводных ИК-каналов на дистанциях до 2 км.

Особый случай - преграды в виде снежных осадков. Эта среда пока плохо формализуема, и здесь поведение ИК-каналов оценивается на основе экспериментальных данных.

Грамотно спроектированная и установленная система может обеспечить высокое качество канала связи с уровнем доступности около 99,99%. Характерно, что битовые ошибки в ИК-канале практически отсутствуют. Однако получить значения выше 99,999% в реальных условиях крайне сложно. И причина тому - птицы. Лазерный луч может преодолеть практически все погодные явления, но физические преграды - нет. Это приводит к тому, что птицы при пересечении луча кратковременно прерывают канал передачи. Есть реальный выход из положения - применение многолучевых систем. Это дороже, но надежность и качество стоят того. За каждую дополнительную девятку после запятой в параметре доступности канала приходится платить. И это справедливо не только для ИК-систем, но и для всех остальных тоже.

Состояние рынка систем передачи информации инфракрасного диапазона волн

На российском телекоммуникационном рынке представлены как отечественные, так и зарубежные производители ИК-оборудования.

“В последнее время состав игроков на рынке существенно изменился, - говорит генеральный менеджер по СНГ компании MicroMax Computer Intelligence Валерий Карманов. - Из бывших активистов в разряд догоняющих перешли компании SilCom и A.T.Schindler (последняя сильно задержалась с внедрением лазерных систем, но сейчас пытается исправить положение); перегруппирована и переименована Lightpointe Communications (бывшая Eagle Optoelectronics); появились новые - Astroterra и LSA Photonics. Среди лидеров очень заметна компания PAV Data Systems. Активизировались и отечественные производители. Большой опыт работы в этой области у ИТЦ из Новосибирска, производством ИК-систем занимается фирма "Катарсис" из Санкт-Петербурга, заявили о себе на рынке НИИ "Полюс" и Рязанский приборостроительный завод”. Наиболее известные производители представлены в табл. 1. Рассматривать опытные системы, существующие только в лабораториях, не имеет практического смысла с точки зрения потребителя. Ложка всегда хороша к обеду.

Табл. 1. Основные производители ИК-оборудования

Осталось только корректно сравнить эти системы. Опираясь на заявленные производителями данные, сделать это практически невозможно. Например, такой ключевой параметр, как максимальная дальность действия системы, интерпретируется каждым производителем по-разному, и большинство стремятся эту величину показать в наиболее выгодном свете, т. е. при хороших погодных условиях. С другой стороны, некоторые компании либо дают максимальную дальность при заданных значениях доступности канала для средних широт, как PAV Data Systems и CableFree, либо приводят дальности для различных затуханий сигнала, как Jolt.

В компании MicroMax (www.micromax.com) решили отойти от традиции указывать технические характеристики, заявленные производителями, и применили для анализа данных этих систем один и тот же метод определения дальности при одной и той же “эталонной” погоде для средней полосы. Может быть, абсолютные значения полученных параметров и способны вызвать у некоторых специалистов вопросы о корректности этого метода, но для сравнения полученных параметров между собой такой подход следует, пожалуй, признать единственно доступным и целесообразным.

В качестве “эталонной” погоды эксперты приняли условия среднеширотной части России, городскую атмосферу с типичной дымкой и низкой облачностью, установку систем ниже кромки облаков на 300 м и т. п. Сравнительные характеристики ИК-оборудования приведены в табл. 2.

Табл. 2. Сравнительные характеристики ИК-оборудования

Все остальные параметры взяты из доступных источников и приведены в том виде, как их указывают производители. В табл. 2 вошли только лучшие модели, о которых есть информация и по которым можно провести моделирование. В список попали все доступные на рынке системы с наилучшими параметрами, кроме SkyCell E1-6000, SkyNet-6000 производства PAV Data Systems, - эти две системы обеспечивают, по заявлению их производителя, связь на дистанции до 6 км, но уточнить их технические характеристики не удалось. У производителей в программах выпуска систем есть и более “слабые” модели, но задачей данного анализа было сравнение не абсолютно всех систем, а только самых лучших от каждого производителя в данном секторе рынка.

Изделия Рязанского приборостроительного завода, НИИ “Полюс”, компаний Astroterra, CableFree Solutions и Lucent Technologies представляют для экспертов некоторую загадку, так как получить техническую информацию об этих изделиях, необходимую для моделирования, пока не было возможности.

Схема организации передачи смешанного трафика по ИК-каналам повышенной надежности

“Мы не стали прогонять модели по всему диапазону излучения систем (вследствие разброса параметров у конкретных образцов излучателей), поскольку подобная информация доступна только по немногим моделям и процедура эта очень длительная, - сказал технический директор MicroMax Александр Клоков. - Хотя это - отдельная тема для разговора. Как показывает моделирование, у большинства образцов систем из-за разброса характеристик излучения дальность связи может меняться в два раза и более. Например, вы приобрели систему, для которой были заявлены усредненные характеристики для полосы излучения 1350 нм. А в конкретном образце эта величина оказалась, скажем, 1400 нм. Небольшая ведь разница? Но характеристики атмосферы в этом диапазоне совершенно другие. И дальность связи в таком случае может уменьшиться в пять раз! А это уже не шутки. И найти причину отказа работы канала при вполне приемлемых (или обещанных) условиях на месте установки будет крайне сложно”.

Упомянутый выше метод моделирования первоначально создавался для поиска наиболее подходящих для отечественного рынка изделий и выбора на этой основе делового партнера. Самыми “дальнобойными” оказались системы фирмы PAV Data Systems. Ничего необъяснимого в данной ситуации нет. Эти системы являются наиболее энерговооруженными, т. е. они имеют самую высокую интенсивность светового потока в луче. В них применена уникальная высокоэффективная система корректировки эллиптичности луча. Даже при слегка расширенном луче (для большей стабильности передачи) по сравнению с другими системами мощности светового потока и чувствительности приемника хватает для работы в сложных условиях на дистанциях до 3 км.

В настоящее время техника PAV Data Systems прошла обкатку в России. В числе компаний, проявивших интерес к новому оборудованию, были два ведущих оператора сотовой связи - “ВымпелКом” и “Мобильные ТелеСистемы”, которые уже испытали ИК-системы фирмы PAV на своих опорных сетях.

Беспроводные ИК-системы вышли из младенческого возраста и устремились на рынок телекоммуникаций.

MicroMax Computer Intelligence: (095) 148-1617.