Деякі розрахункові і експериментальні дані щодо впливу метеоумов на роботу FSO-систем

В літературі наявні данні про дослідження роботи конкретних
FSO-систем в умовах зміни погодної ситуації. Зауважимо, що такі дані «прив’язані» до конкретної місцевості.

Як бачимо з рисунку 4.1. імовірність того, що МДВ збільшується в грудні у порівнянні з червнем 5 та більше разів. Зокрема для червня близька до 0.04, а для грудня порядку 0.2.

На рис. 4.2 надані розрахункові залежності імовірності роботи АОЛЗ (доступності каналу) від дальності зв’язку для червня і грудня в Москві.

а б

Рис. 4.2

При розрахунку використовувалися такі характеристики терміналу з наступними параметрами:

· потужність передавача в імпульсі – 160 мВт;

· чутливість приймача – 10^-12 Вт/Гц^1/2;

· діаметр вхідного отвору приймальної антени – 100 мм;

· швидкість передавання інформації – 8 Мбіт/с;

· розбіжність пучка – 4,1 кут. хв.;

· коефіцієнт помилок (RER) – 10^-10.

Як випливає з рисунку на відстані до 5 км імовірність зв’язку навіть при поганих погодних умовах не менше 0,98.

Отриманні значення імовірності зв’язку [Николаев А.Ю. Расчет надежности работы атмосферной оптической линии связи. Информост - Средства связи, 2001, № 4(17), с. 26-27.] для різних відстаней та двох терміналів наведені в таблиці 4.5. При умові, що коефіцієнт BER=10^-6. На терміналі № 1 потужність передавача в імпульсі складала 200 мВт, чутливість приймача 5x10^-12 Вт/Гц^1/2, ефективний діаметр приймальної антени 20 см, швидкість передавання інформації 140 Мбіт/с. На терміналі №2 ці значення відповідно рівні 100 мВт, 0,6x10^-12 Вт/Гц^1/2, 10 см і 8 Мбіт/с. З розрахунків випливає, що імовірність безвідмовної робот траси на дистанції до 3 км при коефіцієнті помилок 10^-6 – не нижче 0,993. Це вище вимог до радіорелейних ліній зв’язку, імовірність безвідмовної роботи яких повинна бути не нижче 0,9925, що відповідає 0,75% часу, на протязі якого коефіцієнт посилок не перевищує вказаного значення.

Таблиця 4.5

Термінал	Довжина лінії зв’язку, км	Імовірність зв’язку
№ 1	0,5	0,99985
1,0	0,99939
2,0	0,99729
3,0	0,99301
№ 2	0,5	0,99988
1,0	0,99955
2,0	0,99818
3,0	0,99564

На рис. 4.3 надані результати розрахунку величини (1-Р), %, яку можна назвати «недоступністю каналу» (Р – доступність лінії зв’язку), в залежності від дистанції зв’язку L, км. Розрахунки проведені для атмосфери московського регіону, для ліній зв’язку з різним потенціалом.

З рисунка видно, що для Р =0,998 (магістральні лінії зв’язку) досяжна дальність зв’язку складає декілька сотень метрів і дуже слабо залежить від параметрів АОЛЗ. А саме, від 250 м для самих простих і дешевих до 460 м для ліній з граничними енергетичними параметрами, які обмежуються рівнем розвитку сучасної елементної бази (вартість подібних систем більше ніж 50 тис. дол. США). Відношення дальності зв’язку до МДВ складає 1,85.

Рис. 4.3

Для величини Р =0,99 картина більш сприятлива. Досяжна дальність Зв’язку коливається в межах 1,0…2,5 км для різних ліній. Відношення дальності зв’язку до МДВ рівно 2,5. Для середнього класу ліній досяжна дальність зв’язку складає 1,5…1,6 км.

І нарешті, при подальшому зниженні допустимої величини доступності відкриваються непогані перспективи. Так наприклад, для Р=0,95 досяжна дальність зв’язку коливається в інтервалі 2,5…10 км. Відношення дальності зв’язку до МДВ рівно 4,0.

Наведені дані відповідають швидкості передавання 100…140 Мбіт/с. Для швидкостей 2…8 Мбит/с ситуація більш оптимістична, хоча загальні тенденції, відзначені вище, – зберігаються.

В якості останнього прикладу наведемо графіки стійкості систем SkyCell (Британська фірма PAV DATA SYSTEMS, деякою мірою лідер розробки, виготовлення та впровадження FSO-систем) до туману і дощу в зимовий час і за межами мегаполісів (щоб зменшити вплив домішок в атмосфері):

Рис. 4.4. Максимальні робочі дистанції в залежності від

метеорологічної видимості в туман.

Рис. 4.5. Максимальні робочі дистанції в залежності від

інтенсивності дощу.

Області, що знаходяться під лініями на графіках, визначають робочі зони оптичних систем. Самі ж лінії означають границю, коли рівень помилок в каналі (BER) стає 1.0^-9.

З Рис. 4.4. стає очевидним, що встановлена на дистанції 2000 метрів система SkyCell E1-T6000 спроможна нормально працювати при метеорологічній видимості в туман біля 709 метрів. А як буде поводити себе канал передавання поблизу цієї границі? При погіршенні погодних умов спочатку буде збільшуватися рівень помилок. Значення BER нижче 1.0^-3 будуть означати, фактично, відмову каналу передавання. Подальше погіршення видимості приведе до повного блокування каналу. Реально канал буде зберігати працездатність до падіння видимості до 640 метрів. Поведінку систем SkyCell E1-T6000 можна проілюструвати рисунком 4.6.

Рис. 4.6. Рівень помилок в каналі в туман на дистанції 2 км.

Наведені вище результати розрахунків підтверджуються даними випробувань та тестової експлуатації систем.

Для отримання самого «практичного» параметра – коефіцієнта готовності каналу, необхідно мати статистику погоди в конкретному регіоні. Дослід роботи MicroMax показує, що метеослужби з розумінням відносяться до подібних запитів і оперативно на них реагують. Знаючи стійкість систем до всіх імовірних на месці встановлення систем погодних явиш, можна з високою достовірністю прогнозувати цей параметр і гарантувати ефективну роботу системи передавання даних.

З проведеного розгляду можна зробити такий висновок – фактично працездатність FSO-системи, максимальна дистанція зв’язку (при заданих коефіцієнтах BER, та доступності каналу зв’язку) мало залежить від динамічного діапазону системи (енергетичного бюджету) та її вартості.

Це стає зрозумілим, якщо брати до уваги такі факти:

1. Незалежно від динамічного діапазону системи при поганих погодних умовах довжина зв’язку в середньому не перевищує 0.5-1 км

2. В більшості випадків дистанція зв’язку (в силу специфіки застосування FSO-систем) не перевищує таких величин.

Звернемося до наступної таблиці для того щоб більш ретельно зрозуміти специфіку FSO-систем. Дані в таблиці, що відповідають практичній системі відповідають обладнанню, яке має відносно низьку вартість. Вартість «ідеальної» системи на 2-3 порядки вище.

Таблиця 4.6

	Практична система	«Ідеальна» система
Потужність, що випромінюється	30 мВт	15 дБм	10 Вт	40 дБм
Чутливість приймача	25 мВт	-46 дБм	1 наноВатт	-60 дБм
Втрати наведення		3 дБ
Оптичні втрати
Запас за потужністю		54 дБ		100 дБ
Дальність в умовах тумана із затуханням 350 дБ/км		140 метрів		286 метрів

На закінчення проведемо ще один аналіз. Початковими даними для нього слугує цілком практична задача: корпоративний користувач тільки що розширився за допомогою ще одного офісу, розташованого в будівлі поруч, і при цьому – в умовах прямої видимості. В обох офісах розгорнуті локальні мережі 100 Мбіт/с Ethernet. Єдиний канал між будівлями з пропускною здатністю 2 Мбіт/с належить оператору не пов’язаному з фірмою. Вартість оренди лінії складає „X” доларів. Користувач розглядає варіант придбання FSO-обладнання вартістю „Y” доларів. Вибирати приходиться між системами A і B, одна з яких розрахована на максимальну дальність 1100 метрів, інша – на 4000 метрів (і, відповідно, мають різні бюджети втрат та, відповідно, різні ціни).

На рисунку 4.7. наведені довготривалі коефіцієнти доступності обох ліній (для умов Сан-Франциско) як функції дальності.

Як бачимо, на відстанях в межах 400 метрів обидві лінії мають однаковий коефіцієнт доступності на рівні 99,8%. Вибір на користь більш дешевої системи очевидний.

Рис. 4.7. Доступність каналу для систем А і В.

Різниця починає відчуватися на відстанях близьких до 900 метрів. Доступність більш дешевої системи падає до 99,3 %. Доступність системи B залишається близькою до 99,6. На відстанях більше 1100 метрів різниця стає катастрофічною.

Вибір на користь системи B на таких відстанях, здавалось би, очевидний. Для рішення подібних задач – контролю і моделювання погоди в умовах міста – Terabeam використовує команду з п’яти метеорологів. Отримані дані і карти використовуються для визначення оптимальної потужності передавача і можливої дистанції зв’язку. Проте, на графіку „не вистачає” ще однієї осі – залежності коефіцієнта доступності від часу доби. Дійсно туман, як правило, явище тимчасове і спостерігається пізно в вечері і зранку, коли більшість офісів не працює …

Загальний висновок з наведеного прикладу такий: на відстанях менше одного кілометра більшість FSO-систем має бюджет втрат, достатній для мирного „співіснування” з туманом.

Для таких дистанцій зв’язку працездатність системи буде визначаться, насамперед, захищеністю системи від впливу механічних факторів, вібрації будівель, і як наслідок, зміною положення випромінювача (приймача) та напрямків пучків. Отже при дистанції зв’язку більше ніж 100-200 м бажано, щоб FSO-система була споряджена відповідними динамічними (адоптивними) системами наведення лазерних пучків. В окремих випадках відхилення будівлі від вертикалі під дією, наприклад, вітру, може досягати величин близьких до 1 метра.. Додамо ще мікровібрації і теплові неоднорідності, які можуть викликати кутові відхилення передавача … В цілому, без динамічного наведення бюджет втрат буде визначатися ще і відношенням площ плями створеної передавачем на вхідному отворі приймального блоку до площі цього отвору, розташуванням плями відносно приймального блоку, розподілу потужності випромінювання вздовж плями і т. ін. Такі втрати, викликані механічними факторами складають величину близьку до 15-30 дБ. Отже запас, зарезервований «на туман», цілком може бути „з’їдений” помилками наведення!

Таким чином з проведеного розгляду можна зробити такі висновки:

1. Використання атмосферних ліній зв’язку на магістральних лініях, що вимагають доступність суттєво більше ніж 0,99, очевидно недоцільно. Відповідно, неперспективним є нарощування швидкості передавання даних, у сякому разі більше ніж 622 Мбіт/с або Gigabit Ethernet.

2. З іншого боку, використання АОЛЗ в мережах, де допустима величина доступності не перевищує 0,99, є досить перспективним.

3. При цьому максимальна довжина зв’язку не перевищує в середньому 0.5-1 км.

4. Очевидно, що більшою доступністю при інших рівних умовах володіють низькошвидкісні канали зв’язку 2...8 Мбіт/с. В цій області застосування АОЛЗ з’являється суттєвий виграш в досяжній дальності зв’язку (до 4-х разів) при збільшення потенціалу лінії зв’язку від 40 дБ (дешеві лініі 3-5 тис. дол. США) до 80 дБ (дорогі лінії с граничними параметрами, більше 50 тис. дол. США). Однієї з таких областей, де не вимагається високої доступності, є мережі Ethernet.

Дата добавления: 2015-11-14