Разработка и исследование беспроводной гибридной телекоммуникационной системы на базе лазерной и радио - технологий (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(государственный университет)

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И КИБЕРНЕТИКИ

Кафедра Инфокоммуникационных Систем и Сетей

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСПРОВОДНОЙ ГИБРИДНОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ ЛАЗЕРНОЙ И РАДИО - ТЕХНОЛОГИЙ

Магистерская диссертация

студента 417 группы

Научный руководитель

, д. т.н.

г. Москва

2010

Содержание

1. Введение.................................................................................................... 3

1.1. Технология АОЛС................................................................................. 3

1.2. Обзор современного рынка FSO-оборудования................................. 6

1.3. Гибридное радио-оптическое оборудование..................................... 10

2. Постановка задачи и описание модели................................................ 14

2.1. Постановка задачи............................................................................... 14

2.2. Описание модели гибридной радио-оптической телекоммуникационной системы..................................................................................................................... 15

3. Математическое моделирование........................................................... 18

3.1. Стационарное распределение вероятностей состояний системы...... 18

3.2. Матрично-аналитический метод вычисления стационарных вероятностей 25

3.3. Условие существования стационарного режима................................ 30

3.4. Характеристики производительности системы.................................. 32

3.5. Алгоритм и компьютерная программа расчёта................................. 35

3.6. Примеры численных расчётов............................................................ 38

4. Имитационное моделирование.............................................................. 47

4.1. Описание имитационной модели и компьютерной программы........ 47

4.2. Примеры численных расчётов............................................................ 49

5. Заключение............................................................................................... 53

Список использовавшихся источников.................................................... 55

Приложение 1. Список интернет-источников, использовавшихся при обзоре рынка FSO-оборудования....................................................................................... 56

Приложение 2. Java-код программы расчёта......................................... 57

1. Введение

Бурное развитие телекоммуникационного рынка требует высокоскоростных линий передачи данных. Однако внедрение проводных технологий (например, прокладка оптического волокна) подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна. Естественной альтернативой в этом случае являются беспроводные линии связи.

На сегодняшний день существует несколько основных беспроводных решений – это использование широкополосных радиоканалов WiFi / WiMax, радиорелейных линий (РРЛС) или атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Однако беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам (в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов), повышенным энергопотреблением. Кроме того, при эксплуатации РРЛС приходится решать вопросы, связанные с получением разрешений на использование рабочих частот, что на сегодняшний день представляет большую проблему. В тоже время применение лазерных средств снимает эти сложные вопросы. Поэтому сегодня без преувеличения можно говорить о взрывном росте интереса к беспроводной оптике.

1.1. Технология АОЛС

Сама технология АОЛС (в разных источниках также встречаются аббревиатуры FSO – Free Space Optics, АОСП – Атмосферные Оптические Системы Передачи данных, БОКС – Беспроводные Оптические Каналы Связи, ЛАЛ – Лазерные Атмосферные Линии) основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной (или видимой) части спектра через атмосферу и их последующим детектированием оптическим фотоприёмным устройством. При этом в качестве излучателя обычно используются инфракрасные лазеры класса 1 или 1M (к лазерам 1-го класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи), для низкоскоростных коммуникаций на небольшие расстояния могут использоваться светодиоды. В качестве приёмника используются лавинные или кремниевые фотодиоды.

К основным преимуществам атмосферных оптических линий связи можно отнести:

● Высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровых потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок (BER – bit error rate) всего 10-12, что невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий.

● Не требуется получать разрешение на использование частотного диапазона. Т. к. FSO-системы используют инфракрасный диапазон электромагнитного спектра далеко за границей 400 ГГц (определенной как верхняя граница для радиочастотного регулирования на территории РФ), то никаких лицензий и специальных разрешений не требуется.

● Высокая защищённость канала от несанкционированного доступа и скрытность. Ни одна беспроводная технология передачи не может предложить такую конфиденциальность связи как лазерная. Перехватить сигнал можно только установив сканеры-приемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. А отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена. Поэтому лазерные системы применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные организации.

● Высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSO-оборудование невосприимчиво к радиопомехам и само их не создаёт.

● Возможность установить лазерную атмосферную линию там, где затруднительно проложить проводную линию связи. Например, в плотной городской застройке, через железную дорогу или автомагистраль, через природные преграды (реки, озёра, горную местность и т. д.).

● Скорость и простота развёртывания FSO-сети.

Наряду с основными достоинствами беспроводных оптических систем хорошо известны и их главные недостатки:

● зависимость доступности канала связи от погодных условий (такие погодные условия как туман, дождь, снег значительно снижают эффективный диапазон работы FSO-систем);

● необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приёмником;

● ограниченная дальность связи.

Благодаря своим преимуществам АОЛС-технология позволяет решать проблемы «последней мили», развивать городские сети передачи данных и голоса, осуществлять подключение домашних сетей или офисов к сети Интернет, а также организовывать резервные каналы связи или расширять существующие каналы при высокой степени защищённости. Кроме того, технология используется для коммуникаций между космическими аппаратами.

1.2. Обзор современного рынка FSO-оборудования

В настоящее время на рынке телекоммуникационного оборудования существует несколько ведущих компаний, выпускающих лазерные атмосферные системы связи. Из отечественных производителей это:

·  Мостком (Рязань),

·  Оптические ТелеСистемы (Санкт-Петербург),

·  Лазер Ай-Ти-Си (Екатеринбург).

Среди зарубежных компаний, работающих в данном сегменте рынка, стоит уделить внимание следующим:

·  fSONA (Канада),

·  LightPointe (США),

·  Canon (США),

·  MRV (США),

·  CBL (Германия),

·  PAV Data Systems (Великобритания),

·  CableFree (Великобритания),

·  Terabeam Wireless (США),

·  AirLinx (США).

Среди моделей, выпускаемых данными компаниями, можно увидеть FSO-системы с пропускной способностью от 2 Мбит/с до 10 Гбит/c, и с максимальной рабочей дистанцией от 200 до 7500 метров. При этом, говоря о тенденциях развития рынка АОЛС-оборудования, стоит отметить, что, разрабатывая и выпуская новые модели, производители стремятся к следующему:

● Увеличение пропускной способности канала связи. И здесь, несомненно, лидирует американская компания «MRV», которая в этом году выпустила модель TereScope10GE (см. рис. 1) с максимальной скоростью передачи данных 10 Гбит/с. Пока это единственное подобное FSO-решение на рынке.[1]

Рис. 1: 10-Гбитная FSO-система TereScope10GE (MRV)

● Увеличение максимальной рабочей дистанции. В этой области преуспела компания «fSONA» (Канада). Она выпускает FSO-системы с максимальной рабочей дистанцией 7.7 километра при скорости передачи данных 52 Мбит/с, 6.4 километра при 155 Мбит/с, и 5.3 километра при скорости канала 1250 Мбит/с.[2]

● Выпуск более дешёвых моделей для использования в корпоративных сетях небольших организаций. Например, компания «LightPointe» выпускает несколько серий относительно недорогих моделей, имеющих небольшие рабочие дистанции и предназначенных для корпоративных локальных сетей (продуктовые линейки AireLite, FlightLite).[3]

● Увеличение коэффициента доступности канала и повышение надёжности связи. Для достижения этого производители используют такие методы как:

– выпуск оборудования с несколькими параллельно работающими излучающими лазерами (обеспечивает защиту от пролетающих птиц, снегопада). Например, компании «fSONA», «LightPointe» и «CBL» производят модели с четырьмя излучающими лазерами;

– использование систем пространственной стабилизации (также называемых как системы автотрекинга – auto tracking systems), которые автоматически поддерживают направление оптической связи в пространстве (отказы оптической линии из-за её разъюстировки зачастую превышают время неработоспособности вследствие плохих погодных условий). Введение автотрекинга позволяет устанавливать приёмо-передающие модули на нестабильных основаниях – деревянных крышах, вышках сотовой связи и т. д., сохраняя при этом надёжность линии связи. Системы автотрекинга реализованы в оборудовании от компаний «Мостком», «LightPointe», «Canon»;

– реализация в FSO-системах резервного радиоканала, что позволяет не прерывать передачу данных при плохих погодных условиях (сильный туман, снегопад и т. д.). Системы с резервным радиоканалом выпускают компании «Мостком», «Лазер Ай-Ти-Си», «LightPointe», «MRV», «CBL», «AirLinx».

Ниже приведена сравнительная таблица с обзором технических характеристик FSO-оборудования разных производителей – для каждой компании-производителя рассмотрен весь модельный ряд, представленный на рынке на момент написания данной работы (полный список интернет-источников, использовавшихся при составлении данного обзора, приведён в Приложении 1).

Производитель	Торговая марка	Макс. скорость передачи	Макс. рабочая дистанция	Кол-во излуч. лазеров	Авто-трекинг	Резерв. радио-канал
Мостком	Artolink	100 – 1000 Мбит/с	400 – 7000 м	1 – 3	есть	есть
Оптические ТелеСистемы	БОКС (ЛАНтастИКа)	8 – 1000 Мбит/с	600 – 1800 м	1 – 2	нет	нет
Лазер Ай-Ти-Си	ОСС	2 – 1250 Мбит/с	400 – 2500 м	1	нет	есть
fSONA	SONAbeam	50 – 1600 Мбит/с	2600 – 7700 м	2 – 4	нет	нет
LightPointe	FlightStrata, FlightLite, AireLite, FlightExpress, FlightSpectrum	8 – 1485 Мбит/с	200 – 5600 м	1 – 4	есть	есть
Canon	Canobeam	156 – 1485 Мбит/с	500 – 2000 м	1	есть	нет
MRV	TereScope	100 Мбит/с – 10 Гбит/с	350 – 4000 м	1 – 3	нет	есть
CBL	AirLaser, LaserLink	8 – 1250 Мбит/с	300 – 2000 м	1 – 4	нет	есть
PAV Data Systems	SkyCell, SkyNet, PAVLight, PAVExpress	2 – 1000 Мбит/с	200 – 4000 м	1	нет	нет
CableFree	CableFree	100 – 1500 Мбит/с	200 – 4000 м	1	нет	нет
Terabeam Wireless	TeraOptic	125 Мбит/с	1000 м	1	нет	нет
AirLinx	UniFSO	100 – 155 Мбит/с	250 – 3000 м	1	нет	есть

Таблица 1: Обзор FSO-оборудования разных производителей

1.3. Гибридное радио-оптическое оборудование

Как известно, особые погодные условия, такие как дождь, снег, туман, а также песчаная пыль, городской смог и различные виды аэрозолей, могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50-100 дБ/км (см. рис. 2). Поэтому, чтобы достичь операторских (или хотя бы близких к ним) показателей надежности беспроводных оптических телекоммуникационных систем, необходимо прибегать к использованию гибридных решений.

Рис. 2: Влияние погодных условий на дальность оптической связи

Гибридные радио-оптические системы основываются на использовании резервного радиоканала в связке с оптическим каналом. В случае наступления неблагоприятных погодных условий (туман, снегопад и т. п.), когда атмосферный оптический канал становится недоступным (или уровень битовых ошибок в канале достигает критического значения), система переключается на резервный радиоканал и использует его до тех пор, пока оптический (основной) канал вновь не станет доступен. При этом в качестве технологии резервного канала обычно используются либо широкополосные Wi-Fi сети (семейство стандартов IEEE 802.11), работающие в частотном диапазоне 2.4 – 5.8 ГГц, либо радиорелейные MMW-линии, работающие в миллиметровом диапазоне. Основное достоинство таких FSO-RF-систем передачи данных заключается в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях (см. рис. 3).

Рис. 3: Коэффициент доступности гибридного канала связи

Среди рассмотренных в предыдущей части производителей лазерного телекоммуникационного оборудования шесть компаний имеют в своих продуктовых линейках модели гибридного типа (FSO-RF) – это «Мостком», «Лазер Ай-Ти-Си» (отечественные), «LightPointe», «MRV», «CBL» и «AirLinx» (зарубежные).

В таблице ниже приведены технические характеристики существующих на данный момент на рынке моделей гибридного радио-оптического оборудования:

Производитель	Модель оборудования	Скорость оптического канала	Скорость радио-канала	Тип радио-канала	Макс. рабочая дистанция
Мостком	ARTOLINK M1 FE-R	100 Мбит/c	6 – 28 Мбит/c	Wi-Fi (5.2 – 5.8 ГГц)	7000 м
Лазер Ай-Ти-Си	ОСС1-Ethernet 100 РОД	100 Мбит/c	100 Мбит/c	MMW (75 ГГц)	2500 м
LightPointe	FlightStrata 100 XA	100 Мбит/c	72 Мбит/с (Half Duplex)	Wi-Fi (5.47 – 5.85 ГГц)	5000 м
MRV	TereScope Fusion	100 Мбит/с 1000 Мбит/c	10 – 20 Мбит/c	Wi-Fi (2.4 ГГц)	4000 м
CBL	AirLaser IP 100	125 Мбит/c	4.5 Мбит/c	в спец-ции не указано	2000 м
AirLinx	UniFSO100/155	100 Мбит/c 155 Мбит/c	5 – 20 Мбит/c	Wi-Fi	3000 м

Таблица 2: Обзор представленных на рынке моделей гибридных