Технології FSO для корпоративного зв'язку
Георгій Башилов
Повітряний візник
Широкосмуговий
доступ, а отже, і швидкості, що вимірюються одиницями й десятками
мегабіт/с, сьогодні явища повсякденні. Вартість передачі мегабайта інформації
з пункту А в пункт В продовжує знижуватися, а якість зв'язку, з огляду на
повсюдний перехід до промислових технологій масового надання послуг
і зростання професіоналізму операторів, навпаки, підвищується. Як результат,
користувачам стають доступні всі більш якісні послуги за все більш
привабливою ціною. Тим не менше, побудова власної регіональної
магістральної інфраструктури, що поєднує кілька офісів або точок
присутності, у ряді випадків, як і раніше виявляється більш привабливим
варіантом. У першу чергу в ситуаціях, коли необхідно передавати великі
масиви даних, забезпечувати мінімальні затримки або підвищений рівень
безпеки та захисту даних. Витрати, пов'язані з побудовою традиційних,
дротяних або кабельних магістралей, загальновідомі (необхідність тривалих
погоджень, розробки та затвердження проектів і т. д.). Якщо точки, які
необхідно пов'язати у високошвидкісну мережу передачі даних, що знаходяться в
умовах прямої видимості, а дистанція не перевищує декількох кілометрів,
бездротова оптична лінія може бути побудована за кілька днів, а іноді
(якщо все необхідне вже під рукою) за кілька десятків хвилин. І при цьому
без утомливих узгоджень і навіть частотних присвоєнь. Додатковим
аргументом на користь рішень, що розглядаються в цій статті, може виявитися
відсутність орендної або, тим більше, абонентської плати. Однак існує й
мінус - досить значні (тисячі чи навіть десятки тисяч доларів)
початкові витрати.
Друг мій - ворог мій
Почнемо,
як прийнято, за старшинством - з бездротових оптичних ліній зв'язку (Бола),
або, як їх часто називають, атмосферних оптичних ліній. Інший, не менш
поширене визначення - Free Space Optical (FSO).
Основу
такої лінії складають два оптичних прийомопередатчика, що використовують для
генерації світла інфрачервоні світло-діоди або лазери, а для прийому
модульованих оптичних коливань - фотодіоди. Завдяки щасливому випадку,
вікна прозорості - діапазони довжин хвиль з мінімальним загасанням - для
оптоволокна й атмосфери збігаються. Це дозволяє використовувати для генерації та
детектування світла широко поширену і тому - дешеву і надійну
елементну базу. Основну частину вартості Бола складають оптика і
численні ноу-хау, якими так пишаються - а іноді навіть роблять надбанням
гласності - фірми-виробники.
неліцензовану,
по суті, необмеженість використовуваного оптичного частотного спектру,
дозволяє уникнути складних схем модуляції - більшість систем FSO застосовує
найпростіше кодування за принципом «включено/вимкнено» (On-Off Keying - ООК),
таке ж, як у волоконно-оптичних системах передачі даних. Загальний метод
модуляції забезпечує реалізацію прозорості систем FSO для різних
протоколів передачі даних (ATM, Ethernet, Feber Channel, і т. д.), а іноді й
зовсім обійтися без яких би то не було перетворень, використовуючи пасивні
оптичні приймач (як приклад можна назвати системи
Terescope компанії MRV).
Швидкості
- Високі. Час розгортання - мінімально. Частотні дозволу - не потрібні.
Все б нічого, якби не сама середовище передачі даних - атмосфера. В умовах
відмінної видимості ослаблення інфрачервоних оптичних сигналів не перевищує
декількох децибел на кілометр. В умовах сильного туману ослаблення може
досягати 200 дБ/км, в особливо тяжких умовах - 350 дБ/км. У силу настільки
катастрофічних загасань коефіцієнт доступності оптичної бездротової
лінії практично не залежить від запасу потужності в каналі. Для прикладу: в
московських умовах збільшення запасу потужності на 24 дБ (супроводжується
значним підвищенням вартості лінії) на трасі довжиною 3 км міняє
коефіцієнт доступності лише на 1% (рис. 1). У середньому, така 3-кілометрова
атмосферна лінія буде працездатна лише 98-99% загального часу (за умови
цілодобової експлуатації).
Внаслідок
високого загасання і мінливості погодних умов в додатках, що вимагають
високій надійності і доступності каналу передачі даних, прийнято вважати, що
довжина оптичної бездротової лінії повинна бути в межах 500-1000 м - за
винятком південних і пустельних районів, де тумани - явище досить рідкісне.
У таких регіонах Бола здатна забезпечити надійність зв'язку на рівні 99,9% і
вище при довжині з'єднання в кілька кілометрів. Великий запас потужності,
закладається в Бола, забезпечує відносно невисоку залежність швидкості
від оптичного тракту, яка визначається в основному використовується елементної
базою, схемотехнікою і ціною. Бола добре масштабуються за швидкістю передачі
даних і, як уже говорилося, за цим параметром практично не відрізняються від
оптоволоконних ліній.
Атмосферний
загасання, викликане туманом та іншими атмосферними аерозолями, надає
визначальний вплив на параметри систем FSO. Проте, при розробці та
експлуатації таких систем доводиться враховувати цілий ряд інших факторів, серед
яких:
--
дрібні неоднорідності, викликані конвекцією - переміщенням нагрітих шарів
повітря з різними показниками оптичного заломлення, можуть призводити до
випадковим помилок, особливо в спекотні літні дні. Як наслідок, доводиться
збільшувати апертуру (діаметр об'єктива приймача/приймачів) і використовувати
кілька працюючих одночасно оптичних випромінювачів, найчастіше лазерів;
--
помилки наведення, обумовлені вузькими діаграмами спрямованості систем FSO і
механічної нестабільністю щогл і будинків (наприклад, внаслідок вітрової
навантаження або температурних градієнтів), на яких встановлюються
приймач. Для виключення таких похибок в системи FSO
встановлюють контури автоматичного спостереження, що керують положенням
оптичних променів і/або фотоприймачів (наприклад, за допомогою мікроподвіжек або
навіть мікромініатюрних електромеханічних пристроїв - MEMS). У деяких
системах FSO компанії LightPonte використовуються аналогові мікродзеркала компанії
Texas Instruments;
--
сонячна та інші паразитні засвічення можуть призвести до перевантаження
фотоприймача і переривання зв'язку. Для боротьби з цими явищами використовуються
бленди, спектральні і поляризаційні фільтри;
--
обмерзання і забруднення зовнішніх оптичних елементів приймача і передавача;
перешкоди зворотного розсіювання, що викликаються зворотнім відбиттям світла на опадах і
снігу.
Таким
чином, за уявною простотою систем FSO може ховатися цілий ліс
технічних рішень (більш детально про деяких з них можна дізнатися на
http://www.moctkom.ru/brief.htm).
Все вище, вище і вище ...
Тим
не менш, завдяки високих швидкостей передачі даних, відсутності частотного
регулювання, мобільності і зрілості рішень, FSO отримують все більш широке
поширення. У всьому світі працюють вже тисячі бездротових оптичних ліній
зв'язки, вони знаходять все більш широке застосування саме в тих випадках, коли
потрібна висока надійність, наприклад, в мережах операторів стільникового зв'язку, для
підключення базових станцій, в держструктурах, навчальних закладах, корпоративному
секторі і т. д.
Непрямим
фактором, що доводить зрілість технології, є прокотилася в цьому році
низка поглинань та об'єднань виробників систем FSO. Деякі з них
прагнуть розширити спектр бездротових рішень, доповнюючи їх
«Традиційними» радіочастотними системами. Наприклад, компанія Terabeam поглинула
цього літа збанкрутілу Proxim - та так, що від сайту самої Terabeam нічого
не залишилося, а пошук на сайті «новоспеченої» Proxim Networks абревіатури FSO
не дає ніяких збігів. Хоча самі системи FSO на сайті, по крайней мере
поки, представлені. Кто-то об'єднує маркетингові зусилля і навіть продуктові
лінійки. Так, fSona і LaserBit вирішили, що розширене пропозиція буде
стимулювати попит (http://www.lightreading.com/document.asp?doc_id=71586).
Всерйоз
зацікавилася FSO відома RAD Group, утворивши підрозділ RAD-OP,
яке займається розробкою і просуванням малогабаритних систем FSO з
дальністю кількох сотень метрів, внутрікімнатних розміщенням, вагою менше
кілограми і споживанням не більше 5 Вт --
при швидкості 100 Мбіт/с або навіть 1000 Мбіт/с.
Компанія
LightPointe запропонувала «коробкове» рішення - RAPID DEPLOYMENT KIT - набір,
спеціально «заточений» на випадок природних катаклізмів, техногенних аварій і
терористичних актів. У компактному ящику - повністю готові до застосування
системи FSO разом з треногою і всіма комплектуючими та інструкціями,
необхідними, як повідомляє LightPointe, для швидкого відновлення дротового
інфраструктури.
Отже,
виробники FSO досягли зрілості та пропонують сьогодні широкий спектр
рішень, на будь-який смак і гаманець - з харчуванням по Ethernet-кабелю (Рое), для
зовнішнього або кімнатного розміщення, для різних діяльностей, швидкостей і
вимог з надійності передачі даних. Додаткову інформацію по
російським виробникам і постачальникам систем FSO можна знайти, наприклад, на
сайтах www.infrared.ru, www.moctkom.ru, www.micromax.ru.
Швидкісна радіопередача
Наступний
крок до підвищення надійності оптичного каналу - його резервування. Як
правило, системи FSO використовують резервні радіоканали нижчого класу: з
значно більш низькими швидкостями передачі даних, більш широкими
діаграмами спрямованості, при цьому працюють в не-ліцензованих діапазонах
і, як наслідок, значною мірою піддані впливу перешкод. Ситуація починає
ме няться з освоєнням міліметрового діапазону довжин хвиль (ММДВ) і радіочастот
вище 40 ГГц. Через малу довжини хвилі досить легко і просто зробити антени
з високим коефіцієнтом підсилення (на рівні 40 дБ), малими боковими пелюстками
(на рівні - 20 дБ) і малими розмірами. Діаметр тарілки для міських ліній,
працюють на відстанях кілька кілометрів, може становити всього 30 см при
коефіцієнті підсилення на рівні 40 дБ, що дозволяє використовувати передавач з
вихідною потужністю на рівні 100 мВт. Використання антен Кассегрена дає
можливість значно зменшити глибину антени і виконати її у всепогодному
корпусі, захищеному від зовнішніх впливів і погодних умов (рис. 3), заодно
забезпечивши необхідну жорсткість конструкції. Завдяки вузьким діаграм
спрямованості двоточковим лінії практично не заважають один одному - у світі
ММДВ діють майже ті ж правила, що і в оптиці.
Порівняння
систем передачі даних «точка - точка» оптичного та ММДВ-діапазонів
Характеристика
FSO
Радіолінії діапазонів +71 - 76 і
81 - 86 ГГц
Максимальна швидкість
комерційних зразків, Гбіт/с
1,25-2,5
1 (10 Гбіт/с - у 2006 р.)
Ослаблення в прозорій
атмосфері, дБ/км
Менш 1
Менш 1
Максимальне загасання в
атмосфері, дБ/км
225, туман
50, проливний дощ
Середня дальність для
коефіцієнта доступності 99,9%
-600
-4800
Середня дальність для
коефіцієнта доступності 99,999%
-150
-1600
Частотне регулювання
Ні
Так
Ліцензування частоти
Ні
Спрощене ліцензування в США
(100 дол, 30-хвилинна процедура реєстрації) та Європі
Більше
того, як і у випадку оптичних ліній, відносно висока несуча частота
дозволяє радикально, у порівнянні з Wi-Fi і WiMAX, збільшити швидкість передачі
даних. Лінії ММДВ-діапазону на швидкості 1 Гбіт/с виробляються сьогодні і в США
(GigaBeam, BridgeWay), і в Росії. Компанія ДОК пропонує клієнтам поступовий
перехід на гігабітні швидкості - молодші моделі, за що стала вже звичною в
Росії традиції, використовують обладнання стандарту 802.llg з перенесенням несучої
частоти з 2,4 ГГц в діапазон 40,5-43,5 ГГц (при ціні лінії близько 5 тис.
дол), а старші - реалізують «чесний» гіга-біт трохи більш ніж за 30 тис.
дол При цьому гігабіт для ММДВ зовсім не межа.
Влітку
2005 р. компанія Gigabeam уклала ексклюзивну угоду з Vitesse
Semiconductor про використання її СВЧ-мікросхем на основі фосфіду індію для створення
ММДВ-ліній із швидкістю передачі даних 10 Гбіт/с. Як повідомляється, такі лінії
стануть доступні вже в наступному році.
Сьогодні
компанія BridgeWay пропонує ММДВ-системи, що використовують неліцензовану в США
(в першу чергу, через високий загасання в атмосфері) діапазон частот 60 ГГц
для передачі даних зі швидкістю 1 Гбіт/с на відстань в межах 1 км.
Вартість такої лінії в США становить близько 19 тис. дол За повідомленнями
представників компанії, настільки невисоку ціну вдалося забезпечити багато в чому завдяки
використання тих самих MEMS, або нанотехнологій.
Слід
відзначити велику технологічність і простоту конструкції ММДВ-систем - тут немає
незалежних Приемопередающий каналів, які потрібно юстіровать щодо
один одного, немає важких лінзових систем і систем автоматичного спостереження
(завдяки більш широкої, ніж у лазерних джерел, діаграми спрямованості).
При цьому сама антена просто штампується з листа металу, нехай навіть і з
меншими, ніж супутникові антени, допусками і посадками. Таким чином, можна
очікувати, що зі збільшенням обсягів продажу лінії ММДВ-діа-пазона зможуть
скласти дуже серйозну конкуренцію звичним вже сьогодні FSO, а разом з
ними - забезпечити побудову гібридних бездротових ліній з дуже високими
швидкістю і надійністю передачі даних при дальності в межах 4-5 км. Адже
туман і дощ дуже рідко ходять разом ...
Правда,
для того щоб це відбулося в одній, окремо взятій країні, в ній, мабуть,
слід прийняти правила ліцензування хвиль ММДВ-діапазону, які сьогодні
стають звичними в багатьох країнах світу. Тим більше що 100 дол або 100
євро за реєстрацію двоточковою ММДВ-лінії передачі даних в масштабах
організації непомітні, а в масштабах госудрства можуть стати ще одним
джерелом доходу. Сама по собі реєстрація необхідна для того, щоб
користувачі надалі не заважали один одному ні за яких умов.
Список літератури
www.moctkom.ru/kmb.htm
www.systemsupportsolutions.com/
bridgewave.htm
www.gigabeam.com
www.dokltd.ru
Журнал «Connect!», № 11.2005
