«УДК 004.057.4 № госрегистрации 01201068165 Инв. № о-5139 УТВЕРЖДАЮ Директор ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН академик РАН Гуляев Ю.В. 2012 г. ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по Государственному контракту от 20 ...»

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт радиотехники и электроники

им. В.А. Котельникова РАН

(ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН)

УДК 004.057.4

№ госрегистрации 01201068165

Инв. № о-5139

«УТВЕРЖДАЮ»

Директор ИРЭ

им. В.А. Котельникова РАН академик РАН Гуляев Ю.В.

«» 2012 г.

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по Государственному контракту от 20 сентября 2010 г. № 14.740.11. Шифр заявки «2010-1.1-214-137-064»

В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме:

«Разработка нового поколения аппаратуры гибридных каналов передачи мультимедийной информации на базе лазерной и радио технологий»

(итоговый, этап №5) Наименование этапа «Разработка архитектуры оборудования гибридного канала на базе лазерной и радио технологий»

Научный руководитель работ:

Д-р технических наук, академик РАН _ Н.А.Кузнецов Москва, 2012 г.

Список исполнителей Руководитель темы, Н. А. Кузнецов _ д-р технических наук, академик подпись, дата (введение,1,2,3,4,заключение) РАН ст. науч. сотр., д-р физ.-мат.наук Е.В.Ефремова _ подпись, дата (раздел 2,3,5) науч. сотр., канд. физ.-мат.наук А.В.Клецов _ подпись, дата (раздел 1,2) науч. сотр., канд. физ.-мат.наук А.С.Соболев _ подпись, дата (раздел 4) ст. науч. сотр., канд.филос.наук Н.А.Гречишкина _ подпись, дата (раздел 1,2,3,4,5) студент, аспирант А.В.Юдин _ подпись, дата (раздел 1,2,3,4) студент, вед.инженер Ашихмин А.В.

_ подпись, дата (раздел 3,4,5) МФТИ (Государственный университет) Нормоконтролер И.И.Чусов _ ученый секретарь, канд.физ- подпись, дата мат.наук, Соисполнители:

профессор, д-р технических наук, В.М.Вишневский _ подпись, дата (раздел 1,2,3,4,5) ЗАО НПФ «Инсет»

ст. науч. сотр., канд. физ.-мат.наук О.В.Семенова _ подпись, дата (раздел1, 2,3,4,5) ЗАО НПФ «Инсет»

ст. науч. сотр., канд. технических Р.В.Железов _ вед. науч. сотр., канд. технических _ наук Итоговый отчет о НИР содержит 261 страницу, 68 рисунков, 21 таблицу, 4 приложения.

Ключевые слова: широкополосные и сверхширокополосные беспроводные сети, атмосферные оптические каналы связи, надежность и быстродействие.

Основанием для выполнения работ является государственный контракт № 14.740.11.0392 на выполнение НИР «Разработка нового поколения аппаратуры гибридных каналов передачи мультимедийной информации на базе лазерной и радиотехнологий.

Целью НИР является разработка принципов построения и реализация нового мультимедийной информации в отличие от существующего оборудования для комплектации беспроводных сетей со скоростями до 150 Мбит/с.

В отчете о НИР проведен анализ научно-технической литературы и нормативнотехнической документации по проблемам широкополосной и сверхширокополосной связи (частотные диапазоны 2,4 – 6,4 ГГц, 71-77 ГГц, 81 – 85 ГГц).

Рассмотрены направления развития аппаратно-программных средств гибридных каналов связи. Приведены методы расчета и выбора оптимальных параметров разрабатываемых гибридных каналов связи. Исследованы влияния шумов и помех на выбор параметров гибридной линии связи. Дан сравнительный анализ существующих протоколов беспроводных сетей мультимедийной информации. Проведено исследование двух моделей гибридного канала передачи данных: модели с резервным радиоканалом (когда оптический канал и радиоканал используются поочередно – холодный резерв радиоканала) и модели с параллельным использованием радиоканала – горячий резерв радиоканала миллиметрового диапазона радиоволн. Дано описание разработанного пакета прикладных программ, на базе которого проведен численный анализ вариантов построения гибридного канала передачи мультимедийной информации. Дано описание переключения между каналами гибридной системы, разработаны и исследованы механизмы и алгоритмы переключения, осуществлен выбор оптимальных параметров переключения, дано описание электронной схемы интерфейсной платы. Дано описание архитектуры блока аппаратуры атмосферной оптической линии связи и резервной широкополосной радиолинии, а также аппаратнопрограммного комплекса сопряжения основного и резервного канала. Приведено обобщение результатов предыдущих этапов работ. Дана оценка полноты решения задач и их сравнение с современным научно-техническим уровнем. Дано также описание программы внедрения результатов НИР в образовательный процесс в МФТИ на кафедре «Инфокоммуникационных систем и сетей».

Анализ состояния и перспектив развития широкополосных беспроводных средств передачи мультимедийной информации.

Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической 1. документации по проблемам широкополосных и сверхширокополосных беспроводных средств передачи мультимедийной информации Обзор научно-технической литературы по проблемам создания гибридных каналов связи на базе радио и лазерной технологий ……….

Зарубежные и отечественные стандарты и нормативно-техническая документация, регламентирующие разработку и изготовление аппаратуры беспроводной связи ………………………………………….

Анализ направлений развития лазерных каналов и широкополосных радио 1.2.

средств, функционирующих в частотных диапазонах 2,4 – 6,4 ГГц, 71- ГГц и 81-85 ГГц ……………………………………………….

Технология атмосферных оптических линий связи и направления ее развития …………………………………………………………………….

';

Радиорелейные каналы связи в миллиметровом диапазоне радиоволн… Резервирование лазерного канала широкополосным беспроводным каналом IEEE 802.11n ……………………………………………………… Исследование состояния и перспектив развития аппаратно-программных средств гибридных каналов передачи мультимедийной информации на базе радио и лазерных технологий ……………………..

Выбор оптимальных параметров протокола, обеспечивающих максимальную производительность канала передачи мультимедийной информации ………………………………………………………………...

Исследование влияния шумов и помех на выбор оптимальных параметров протокола передачи информации …………………………...

Анализ динамики развития стандартов широкополосных беспроводных средств IEEE 802.11, IEEE 802.16, CDMA-2000, UMTS (LTE), их сравнительный анализ …………………………………………………….

Разработка математических моделей для оценки характеристик производительности и надежности гибридного канала связи Разработка математической модели гибридного канала с использованием 2. методов теории стохастических систем и сетей для оценки производительности и надежности Математическая модель гибридного беспроводного канала связи с 2.1. резервным радиоканалом (холодный резерв радиоканалом IEEE Матрично-аналитический метод вычисления стационарных Стационарное распределение вероятностей состояний системы в Условия существования стационарного режима………………………...

Характеристики производительности системы………………………….

Математическая модель гибридного беспроводного канала связи с 2.1. параллельным использованием радиоканала (горячий резерв Марковский процесс, описывающий состояния системы, и условия 2.1. Стационарное распределение марковского процесса, описывающего 2.1. Характеристики производительности системы……………….

Разработка машинной (имитационной) модели гибридного канала Проведение патентных исследований по ГОСТ 15.011-96………...

2. Предложения по использованию результатов патентных Проведение статистической обработки метеоданных и отыскание функций 2. распределения периодов доступности и недоступности атмосферного Разработка пакета прикладных программ. Выбор оптимальных параметров и сравнительный анализ вариантов построения гибридного канал Разработка комплекса программных средств аналитического и 3. имитационного моделирования гибридного канала связи………...

Общее описание пакета программ аналитического и машинного 3.1. Архитектура пакета прикладных программ………………………..

Функциональный блок для численного анализа математических 3.1.3.

Входные параметры для расчета аналитической и машинной модели 3.1.4.

Отладка алгоритмов работы устройств в составе системы, оптимизация 3. этих алгоритмов………………………………………… Отладка и оптимизация алгоритмов работы………………………..

Руководство пользователя и системного программиста…………..

Описание применения пакета программ аналитического и 3.2.3.

моделирования……………………………………………….

Анализ численных результатов выбора оптимальных параметров и 3.3.

канала……………………………………………………… Сопоставление результатов моделирования с результатами 3. Разработка схемотехнических решений интерфейса, поддерживающего технологию переключения между основным (оптичес-ким) и резервным (радио) каналами Разработка и исследование механизмов и алгоритмов переключения 4. каналами…………………………………………………………….

Проведение выбора оптимальных параметров переключения из 4.2.

соотношения сигнал/шум, изменения скорости передачи информации и т.д…………………………………………………...

Проведение выбора элементной базы. Разработка электронной схемы 4. Разработка архитектуры оборудования гибридного канала на базе лазерной и радио технологий Разработка архитектуры блока аппаратуры атмосферной оптической 5. Обобщение результатов предыдущих этапов работ. Оценка полноты 5. решения задач и эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем……….

Разработка программы внедрения результатов НИР в образовательный 5. Разработка аппаратно-программного комплекса сопряжения основного и 5. резервного каналов…………………………………….

Приложение 2. Заявка о выдаче патента на изобретение Приложение 3. Заявка на свидетельство о регистрации программ для (имитационного) моделирования гибридного канала Быстрое и непрерывное увеличение количества пользователей сети Интернет и соответствующее увеличение объемов передаваемой мультимедийной информации выдвигает в ряд первоочередных задач повышение производительности и надежности каналов связи для решения проблемы «последней мили». Работы по увеличению быстродействия и качества широкополосных беспроводных каналов связи ведутся во многих исследовательских центрах и стандартизирующих организациях всего мира. В конце 2009 г. Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of electrical and electronics engineers (IEEE)) опубликовал высокоскоростной стандарт IEEE 802.11n. На базе этого стандарта разработана аппаратура, обеспечивающая номинальную скорость передачи информации в беспроводном канале связи до 300 Мбит/с, что значительно превышает быстродействие существующих каналов WiFi и WiMAX (номинальная скорость существующих беспроводных каналов составляет 54 Мбит/с).

В начале 2012 г. опубликован новый стандарт IEEE 802.11-2012, на базе которого будут реализовываться беспроводные сети со скоростью передачи информации до Мбит/с; в конце 2012 г. планируется появление LTE Advanced (релиз 10) – стандарт сотовой связи 4 G со скоростью передачи мультимедийной информации до 1000 Мбит/с в нисходящем канале и 500 Мбит/с в восходящем канале.

Одним из перспективных направлений повышения производительности и надежности беспроводного канала связи является создание гибридных каналов на базе лазерной и радио-технологий. Оборудование, реализующее гибридный канал, объединяет преимущества лазерных атмосферных каналов связи (высокая скорость передачи информации в дуплексном режиме) и широкополосных радиосредств (возможность эффективной работы в неблагоприятных погодных условиях: туман, снег и т.д.). Основным режимом работы комбинированных приемопередатчиков является лазерный режим. При ухудшении соотношения сигнал-шум осуществляется переход на широкополосный радиорежим, а после восстановления качества атмосферного оптического канала происходит обратный переход. При этом радиоканал может либо прекращать работу при использовании лазерного канала, либо параллельно использоваться для передачи данных.

В отчете о НИР проведен анализ научно-технической литературы в области широкополосных и сверхширокополосных беспроводных сетей на базе материалов новейших статей в отечественных и зарубежных журналах. Дано описание зарубежных стандартов беспроводной связи и отечественной нормативно-технической документации, регламентирующей архитектуру, разработку и внедрение гибридных каналов связи на базе лазерной и радио технологий.

Проведен анализ состояния и перспектив развития аппаратно-программных средств гибридных каналов связи. Дан сравнительный анализ характеристик аппаратуры лазерных и гибридных каналов, выпускаемой в настоящее время зарубежными и отечественными фирмами. Показана актуальность разработки новой аппаратуры для создания высокоскоростных гибридных каналов (скорость передачи в лазерном канале до 10 Гбит/с, в резервном от 300 Мбит/с при использовании протокола IEEE 802.11n и до 5 Гбит/с при реализации в миллиметровом диапазоне радиоволн).

Дано описание основных критериев оценки качества функционирования гибридных каналов передачи мультимедийной информации на базе лазерной и радиотехнологий, методов их расчета и оптимизации.

Проведено исследование двух моделей гибридного канала передачи данных: модели с резервным радиоканалом (когда оптический канал и радиоканал используются поочередно – холодный резерв радиоканала IEEE 802.11n) и модели с параллельным использованием радиоканала – горячий резерв радиоканала миллиметрового диапазона радиоволн.

Рассмотрены существующие отечественные и зарубежные патенты, которые могут быть выбраны в качестве прототипа к изобретению, предлагаемому по результатам настоящего НИР. Проведена статистическая обработка метеоданных и построены функции распределения периодов доступности и недоступности оптического канала.

В отчете дано описание разработанного пакета прикладных программ, на базе которого проведен численный анализ вариантов построения гибридного канала передачи мультимедийной информации.

В отчете дано описание технологии переключения, разработаны и исследованы механизмы и алгоритмы переключения, осуществлен выбор оптимальных параметров переключения, дано описание электронной схемы интерфейсной платы.

Дано описание архитектуры блока аппаратуры атмосферной оптической линии связи и резервной широкополосной радиолинии, а также аппаратно-программного комплекса сопряжения основного и резервного канала. Приведено обобщение результатов предыдущих этапов работ. Дана оценка полноты решения задач и их сравнение с современным научно-техническим уровнем. Дано также описание программы внедрения «Инфокоммуникационных систем и сетей».

1.1. Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации по проблемам широкополосных и сверхширокополосных беспроводных средств передачи мультимедийной информации 1.1.1. Обзор научно-технической литературы по проблемам создания гибридных Широкополосные беспроводные сети и каналы связи стали в настоящее время одним из основных направлений развития телекоммуникационной индустрии. Этот факт нашел отражение в многочисленных зарубежных монографиях [2, 3, 4, 27], статьях в специализированных журналах IEEE Wireless Communicaions Magazine, IEEE Communications Magazine, IEEE Network: The Magazine of Global Internetworking и трудах конференций [IEEE GLOBECOM, IEEE INFOCOM, ICUMT, NetWare, DCCN и многих других], где исследовались архитектура, методы оценки и оптимизации параметров протоколов, математические модели расчета производительности и надежности беспроводных сетей и каналов связи и т.д. Исследованию широкополосной связи посвящены и отечественные монографии, например [1, 5] и отдельные статьи в журналах:

Автоматика и телемеханика, Радиоэлектроника, Проблемы информатики, Электроника:

НТБ, Беспроводные технологии и т.д.

Рассмотрим далее краткий обзор научно-технической литературы, опубликованной в последние годы по вопросам проектирования и применения гибридных каналов связи на базе радио и лазерной технологий. В [6-12] проведен анализ возможных комбинаций атмосферных оптических линий и радиолиний, а также их использование для решения проблемы «последней мили» в мобильных сотовых и ad-hoc сетях, совместно с наземными и спутниковыми линиями связи. В работах [13-15] обсуждаются механизмы переключения основного (лазерного) канала на резервный радиоканал. Рассматриваются два основных подхода для построения гибридных систем. Первый заключается в том, что все время параллельно работают обе линии, тем самым приводя к потере 50% доступной пропускной способности, вызванной дублирующей передачей данных. Во втором подходе используется механизм переключения, таким образом, что большую часть времени функционирует только одна линия, тем самым это позволяет уменьшить объем излишне передаваемых данных и использовать резервный канал только по мере необходимости, в случае когда в основном канале возникают ошибки. Однако во всех этих работах предложенный механизм переключения не использует пропускную способность резервного канала, если доступен основной.

В работах [16, 17] рассматривается и третий вариант. Предлагается механизм переключения позволяющий увеличить полезное использование пропускное способности каналов, применяя механизм распределения нагрузки, когда оба канала доступны. Кроме того, если линия не доступна, то механизм продолжает следить за каналом, до тех пор, пока связь не восстановится. В большинстве работ, например [16], механизм переключения основывается на сравнении уровня полученного сигнала с пороговым значением. Однако, по всей видимости, такой механизм переключения обладает большим количеством недостатков, поэтому в последнее время появились работы, предлагающие альтернативные способы переключения [17].

Анализу характеристик производительности гибридных каналов связи посвящены работы [13, 18-23]. При этом в [13, 20-23] для анализа используется имитационное моделирование, а в [18, 19] аналитические подходы на базе теории очередей.

В качестве резервного канала могут быть использованы различные технологии беспроводной связи. Необходимо отдельно выделить системы связи прямой видимости, работающие в миллиметровом диапазоне радиоволн [24-30], которые обеспечивают гигабитные скорости передачи при достаточно высокой надежности на расстояние порядка нескольких километров. Основными недостатками таких систем является относительно высокая цена современных коммерческих реализаций. Другим распространенным классом систем беспроводной связи, обеспечивающих резервирование лазерного канала, являются системы, основанные на стандартах семейства IEEE 802.11. В эту категорию, в частности, попадают системы, реализующие стандарт 802.11n [31], позволяющие достичь скорость передачи данных порядка 300 Мбит/с.

1.1.2. Зарубежные и отечественные стандарты и нормативно-техническая документация, регламентирующие разработку и изготовление аппаратуры Разработка оборудования и архитектуры беспроводных каналов связи и сетей регламентируется стандартами и другими нормативно-техническими документами. В частности WiFi и WiMAX сети должны удовлетворять стандарту IEEE 802.11 и IEEE 802. соответственно. Работы в области стандартизации WiFi были начаты в середине 90-х годов, когда была организована соответствующая рабочая группа 11-го комитета IEEE 802.

В июле 1997 года в результате работы этой группы был опубликован стандарт IEEE 802.11 «Спецификация физического уровня и уровня контроля доступа к каналу передачи беспроводных локальных сетей» (Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications). Он определял архитектуру сети и вытекающие из этого требования к функциям устройств, принципы доступа устройств к каналам связи, формат пакетов передачи, способы аутентификации и защиты данных. Хотя стандарт изначально задумывался как инвариантный по отношению к какому-либо частотному диапазону, на физическом уровне он определял три способа работы: два радиочастотных и оптический. В инфракрасном диапазоне предусматривалась импульсно-позиционная модуляция, в диапазоне 2,400-2,4835 ГГц – режимы модуляции с расширением спектра методом частотных скачков (FHSS) и методом прямой последовательности (DSSS). Скорости обмена устанавливались на уровне 1 и 2 Мбит/с.

В дальнейшем стандарт IEEE 802.11 непрерывно совершенствовался в направлении повышения качества функционирования сетей, реализуемых на базе этого стандарта, и, что особенно важно, в направлении скорости передачи информации. Последним в конце 2009 г.

был принят стандарт IEEE 802.11n, обеспечивающий скорость передачи информации в канале до 300 Мбит/с. Логическая и физическая структура беспроводных сетей стандарта описана в разделе 3 настоящего отчета. Такие высокоскоростные WiFi каналы предлагаются в настоящем отчете в качестве резервных каналов в гибридной линии связи.

Стандартизация оборудования второго типа каналов связи, предлагаемого в настоящем проекте в качестве резервной линии связи, началась в 2005-2006 гг. В марте 2005 г. была сформирована целевая группа 3с (TG3c) комитета IEEE 802.15, работающего в области стандартизации персональных сетей (этому предшествовала двухлетняя работа по изучению проблемы). Через год образовался тесно сотрудничающий с этой группой промышленный альянс WirelessHD. В него вошли такие ведущие производители бытовой электроники, как LG Electronics, Matsushita Electric (Panasonic), NEC, Samsung, Sony и Toshiba, а также американская компания SiBeam - fabless-произво-дитель элементной базы.

Позднее к ним присоединился ряд других компаний, в том числе Intel, Broadcom и Philips.

Спецификация WirelessHD появилась в январе 2008 года, утверждена как промышленный стандарт - в сентябре 2009 года. Она основывалась на работах группы TG3c IEEE. Сама спецификация, дополнение IEEE 802.15.3c Millimeter-wave-based Alternative Physical Layer Extension к стандарту персональных сетей IEEE 802.15.3, была одобрена в сентябре и опубликована 12 октября 2009 года.

Одновременно в Европе в декабре 2008 года был принят стандарт Европейской ассоциации по стандартизации информационных и коммуникационных систем (ЕСМА) ECMA-387 High Rate 60 GHz PHY, MAC and HDMI PAL. 15 ноября 2009 года он был опубликован как стандарт ISO/IEC 13156. Стандарт этот также ориентирован на персональные сети. В его создании участвовали такие фирмы, как Panasonic, Phillips, IBM, Ericsson, Newlans и GEDC (Georgia Electronic Design Center).

В 2009 году организовалась целевая группа, работающая над стандартом IEEE 802.11ad, посвященным уже локальным беспроводным сетям в диапазоне 60 ГГц. В задачи рабочей группы входит разработка дополнений к существующим стандартам 802.11, в том числе спецификация физического и канального уровней для обеспечения связи беспроводных устройств, работающих на 60 ГГц и выше, на гигабитных скоростях. Выпуск первой версии стандарта запланирован на конец 2012-го года.

В Российской федерации аппаратура лазерных каналов связи регламентируется ГОСТом Р50723 «Лазерная безопасность. Общие требования при разработке и эксплуатации лазерных изделий» и СНиП № 5804 «Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров». 13 июля 2009 г. утвержден ГОСТ Р53363 «Цифровые радиорелейные линии», на основании которого в настоящем проекте будут сформулированы допустимые технические требования к радиочастотной части оборудования гибридного канала связи.

Нормативно-техническими документами, регламентирующими разработку и эксплуатацию каналов связи миллиметрового диапазона радиоволн, являются:

- Приказ Министерства связи и массовых коммуникаций РФ от 14 сентября 2010 г.

«Об утверждении Правил применения оборудования радиодоступа для беспроводной передачи данных в диапазоне от 30 МГц до 66 ГГц;

- Решение Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) при Министерстве информационных технологий и связи РФ приняла решение № 10-07-04-1,2 от 15 июля 2010г. «Об упрощении процедуры выделения полос радиочастот 71-76 ГГц, 81-86 ГГц и 92ГГц…..». В решении отмечается, что указанные полосы радиочастот являются одними из перспективных участков радиочастотного спектра, предназначенных для создания радиорелейных линий связи небольшой протяженности.

Проводимые Международным союзом электросвязи в рамках Исследовательских комиссий работы выявили возможность внедрения в этих полосах радиочастот перспективных РРС прямой видимости. В Российской Федерации указанные полосы радиочастот также начинают активно осваиваться такими РЭС.

В целях содействия процессу внедрения новейших перспективных технологий, а также признавая необходимость упрощения процедуры и сокращения сроков оформления разрешительных документов на использование полос радиочастот 71-76 ГГц, 81-86 ГГц и 92-95 ГГц для разработки, производства, модернизации и применения в Российской Федерации РРС прямой видимости, ГКРЧ решила:

- выделить полосы радиочастот 71-76 ГГц, 81-86 ГГц и 92-95 ГГц для разработки, производства и модернизации юридическими и физическими лицами РРС прямой видимости без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного типа РРС при условии, что основные технические характеристики разрабатываемых, производимых и модернизируемых РРС соответствуют прилагаемым техническим характеристикам.

1.2. Анализ направлений развития лазерных каналов и широкополосных радио средств, функционирующих в частотных диапазонах 1.2.1. Технология атмосферных оптических линий связи (АОЛС) и направления Технология АОЛС (её также называют FSO – Free Space Optics, БОКС – Беспроводной Оптический Канал Связи, или ЛАЛ – Лазерная Атмосферная Линия) 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 относятся:

высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровых потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок всего 10-12, что невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологий;

отсутствует необходимость получения разрешения на использование электромагнитного спектра далеко за границей 400 ГГц (определенной как верхняя граница для радиочастотного регулирования на территории РФ), поэтому никаких лицензий и специальных разрешений не требуется;

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 часто применяются для разнообразных приложений, где требуется высокая конфиденциальность передачи данных, включая финансовые, медицинские и военные организации;

высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSOоборудование невосприимчиво к радиопомехам и само их не создаёт;

затруднительно проложить проводную линию связи.

В общем, технология является альтернативой традиционным беспроводным линиям радиосвязи с частотами в диапазонах 2.5 и 5.6 ГГц и оптоволоконным линиям связи.

Система АОЛС может быть развернута очень быстро, если есть доступ к электроэнергии и есть возможность закрепить приемо-передатчик на стабильной платформе. Это позволяет использовать систему также для временных решений таких как, например, массовые мероприятия или встречи в местах, где отсутствует широкополосный доступ в интернет.

Однако система может быть также использована и для обеспечения постоянной связи на небольших расстояниях (не более 4-5 км) в городских районах использую архитектуру точка-точка или точка-многоточка.

Поскольку воздух имеет хороший коэффициент пропускания в тех же окнах частот, что и оптоволокно, т.е., главным образом, при длинах волн в 850 нм и 1550 нм, то системы АОЛС могут использовать ту же технологию. Это позволяет достичь очень большой пропускной способности для беспроводных систем, вплоть до нескольких Гбит/с, при использовании современных технологий, доступных на сегодняшний день. Технология лазерных атмосферных каналов отличное дополнение к традиционным радиоканалам и волоконно-оптическим каналам. Более того, благодаря линейным характеристикам канала, высокая пропускная способность может быть достигнута, используя кодирование, которое применяется в обычных проводных сетях на физическом уровне. Т.е. нет необходимости в преобразовании кодирования к OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов) или к DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, технология расширение спектра сигнала посредством прямой последовательности). Также нет необходимости в прослушивании среды перед отправкой данных. И в дополнение технология позволяет достичь практических таких же больших пропускных способностей, как и в проводных сетях. Для работы системы АОЛС не нужна лицензия ни в одной стране мира, и в случае если требования по безопасности лазера удовлетворены, что означает, что система должна быть сертифицирована по Классу 1, 1M или Классу 2, то нет никаких ограничений на использование этой технологии. Для 850 нм технологии разрешена меньшая мощность на выходе, однако приемники могут быть сделаны более чувствительными. Для 1550 нм технологии, напротив разрешена большая выходная мощность, в то время как приемники немного менее чувствительны. Таким образом, достаточный запас мощности может быть достигнут для обоих типов систем обеспечивая работу в режиме с небольшим количеством ошибок. К тому же, благодаря высокой несущей частоте в 200 и 350 ТГц, направленность луча достаточно высока, даже для небольшого оптического диаметра, что приводит к небольшому диаметру светового пучка и обеспечивает дополнительную безопасность на физическом уровне, в дополнение к любому шифрованию, которое может быть также применено.

Главная проблема для систем атмосферных оптических линий передачи данных – это меняющийся коэффициент затухания в воздухе, который сильно зависит от местного климата (сезонного и суточного) и погодных условий. Затухание, вызванное туманом, имеет наибольшее влияние. Поскольку водяные капельки в тумане имеют такой же порядок размера, как и у длин волн в инфракрасном диапазоне, то это вызывает рассеяние (дифракция Ми), что главным образом сказывается на потере направленности, нежели на потере в мощности светового пучка. Дождь вызывает меньшее затухание, но поскольку капли имеют намного большие размеры по сравнению с длинной волны несущей, то они вызывают геометрическое рассеяние, что является менее критичным. Хлопья снега также могут вызывать большой коэффициент затухания, т.к. они не прозрачны. Эффект от снега зависит от отношения между диаметром светового пучка и диаметра хлопьев. Кроме того такие эффекта как прямые солнечные лучи падающие на приемник, завихрения в воздухе, расстройка пучка или же всей системы также могут ухудшать качество связи или вызывать ошибки при передаче.

1.2.2. Радиорелейные каналы связи в миллиметровом диапазоне радиоволн Благодаря высокой несущей частоте в пределах от нескольких десятков ГГц до ГГц, системы, работающие в миллиметровом радиодиапазоне, также могут обеспечить достаточно большую скорость передачи данных, сравнимую с АОЛС. При работе на дифракционном пределе, высокая направленность может быть достигнута даже при небольших размерах антенны, порядка 20 см. Несмотря на то, что по всему миру частотный диапазон в пределах до 375 ГГц находится под контролем различных организаций и комиссий, также существует несколько частотных полос (например, 77 ГГц), не требующих лицензирования, при соблюдении некоторых ограничений по мощности и другим параметрам. Наиболее многообещающая технология с точки зрения экономической эффективности и широкого распространения на рынке основана на полупроводниковых усилителях. Однако для этой новой технологии все еще есть несколько проблем технического плана. Температурный дрифт осцилляторов и фильтров, шум, низкая выходная мощность, быстрое старение устройства под воздействием тепловых нагрузок – все эти проблемы являются наиболее критическими на сегодняшний день. Поскольку с увеличением расстояния, при фиксированной пропускной способности и коэффициенте доступности, цена миллиметровых полупроводниковых радио усилителей значительно возрастает, то и цена всей системы в целом также увеличивается.

Атмосферный радиоканал в миллиметровом диапазоне имеет характеристики отличные от беспроводного лазерного оптического канала. Дождь вызывает наибольшее затухание. С другой стороны влияние тумана на канал значительно меньше (за исключением длин волн, которые поглощаются водяным паром, как, например, при частотах в районе 22 ГГц).

Это взаимодополняющее поведение оптических и радио- систем позволяет выдвинуть концепцию гибридной системы, объединяющей преимущества атмосферной оптической линии передачи данных и радиоканала в миллиметрового диапазоне. Такая система позволит построить беспроводной канал связи предоставляющий большую пропускную способность и обладающей высоким коэффициентом доступности при умеренной стоимости всей системы в целом.

Несмотря на то, что миллиметровый диапазон уже давно привлекает внимание разработчиков аппаратуры связи, его практическое использование до последнего времени ограничивалось частотами не более 40 ГГц. 30 лет назад Международный союз по телекоммуникациям (International Telecommunication Union – ITU) на международной конференции WRC-79 принял решение об использовании миллиметровом диапазоне радиоволн для оказания услуг фиксированной связи. Однако интерес к их использованию появился только в конце 1990-х годов, после того как Федеральная комиссия по связи США (FCC) опубликовала доклад с подробным описанием возможностей систем, работающих на таких частотах. Выделенные частотные полосы хорошо подходят, в частности, для систем, которые должны функционировать при любой погоде, а также для систем прямой связи на расстояниях в несколько километров. Сейчас полосы частот 71–76 и 81–86 ГГц, известные как частоты Е-диапазона, разрешены для систем прямой связи со сверхбольшой пропускной способностью.

Практическому освоению Е-диапазона в системах беспроводной связи способствовали следующие обстоятельства:

приемлемыми параметрами и стоимостью;

высокая загрузка наиболее активно используемого СВЧ-диапазона (2–38 ГГц) и необходимость поиска альтернативных частотных диапазонов;

сверхвысокими скоростями передачи информации.

После принятия в 2005 году Федеральной комиссией по связи США ряда регламентирующих документов и введения облегченной схемы лицензирования появились первые радиосистемы Е-диапазона. Европейские регулирующие организации беспроводной связи последовали за США, и в 2005 году Европейская конференция администраций почт и телекоммуникаций (CEPT) приняла план освоения частотных диапазонов, аналогичный телекоммуникаций (ETSI) опубликовал технические правила, касающиеся аппаратуры, работающей на частотах 71–76 и 81–86 ГГц. Эти правила соответствовали требованиям ЕС и разрешали коммерческое использование в Европе беспроводной аппаратуры Е-диапазона.

Сейчас многие страны осваивают Е-диапазон с целью создания беспроводных систем связи типа "точка-точка", работающих в коротковолновой части миллиметрового диапазона.

Е-диапазон состоит из двух частотных полос 71–76 и 81–86 ГГц (рисунок 1.1). Такое распределение частот имеет свои достоинства. Во-первых, суммарный спектр, равный ГГц, значительно больше любого другого спектра частот, используемого в настоящее время для связи. Он в 50 раз больше спектра всех видов сотовой связи, принятого в США, и значительно превышает все связные СВЧ-диапазоны. Такой большой охват частот способен обеспечить работу целого поколения новых систем беспроводной связи.

Рисунок 1.1. Основные частотные диапазоны беспроводной связи (США) Во-вторых, распределение частот Е-диапазона, включающего два канала по 5 ГГц, дальше не дробится, как в случае более низкочастотных СВЧ-диапазонов. К примеру, в США Федеральная комиссия по связи делит каждый частотный диапазон с общей несущей на отдельные каналы с полосой не более 50 МГц. Такая ширина канала, в конечном счете, ограничивает объем данных, которые он способен пропустить. Е-диапазон достаточен для передачи данных с высокой скоростью (1 Гбит/с) с применением простейших схем модуляции, например двоичной фазовой манипуляции (BPSK). При более сложных схемах модуляции скорость передачи в полнодуплексном режиме может достигать 10 Гбит/с.

Поскольку, в отличие от передачи данных по узкому каналу, необходимость сжатия данных отсутствует, вся архитектура системы может быть относительно простой. Она может быть построена с использованием модемов с модуляцией низкого порядка, нелинейных усилителей мощности, приемников с прямым преобразованием и многих других несложных компонентов. Это позволяет снизить стоимость системы, не ухудшая ее надежность и параметры.

Характеристики поглощения радиоволн в атмосфере в зависимости от частотного диапазона представлены на рисунке 1.2. В СВЧ-диапазонах до 38 ГГц атмосферное затухание не превышает 0,3 дБ/км. За некоторым подъемом в районе 23 ГГц следует сильное затухание на 60 ГГц, обусловленное поглощением радиоволн парами воды и молекулами кислорода. На частоте 60 ГГц ослабление достигает 15 дБ/км, что существенно ограничивает дальность передачи радиоволн. На частотах выше 100 ГГц начинают сказываться другие эффекты молекулярного поглощения, ограничивающие эффективность распространения сигналов.

Рисунок 1.2. Характеристики поглощения радиоволн в атмосфере (на уровне моря) Относительно "чистое" окно лежит в спектре частот 70–100 ГГц. Здесь атмосферное затухание составляет ~0,5 дБ/км, что близко к значениям затухания в традиционных СВЧдиапазонах. В результате для беспроводных систем появляется возможность передачи сигналов на расстояния до несколько километров.

Влияние дождя. На частотах, превышающих 10 ГГц, дождь ограничивает дальность передачи (Рисунок 1.3). В случае сильного дождя (интенсивность 25 мм/ч) затухание сигнала в Е-диапазоне достигает 10 дБ/км. Международным союзом по телекоммуникациям ITU на основании многолетних наблюдений составлены карты однотипных зон выпадения осадков в различных районах мира. Эти карты помогают проектировщикам при установке систем связи в различных регионах мира учитывать интенсивность и годовую норму осадков в них.

Рисунок 1.3. Затухание радиоволн, вызываемое дождем различной интенсивности Влияние тумана и облачности. Одно из достоинств беспроводной связи на частотах Е-диапазона – слабая зависимость от тумана и облачности. При плотности густого тумана около 0,1 г/м3 с видимостью 50 м ослабление сигнала составляет всего лишь 0,4 дБ/км.

Такое малое затухание объясняется тем, что размеры частиц тумана значительно меньше длины волны распространяемого сигнала, равной ~4-5 мм, и в результате они не вызывают сильного рассеяния радиоволн. Противоположная ситуация возникает при высокоскоростной оптической передаче информации в свободном пространстве, которая может рассматриваться как альтернатива беспроводной связи в Е-диапазоне. Затухание сигнала при оптической передаче в условиях сильного тумана может достигать 200 дБ/км.

Влияние пыли, песка и других мелких частиц. Размеры таких частиц также существенно меньше 4 мм, и они практически "невидимы" для беспроводных систем Едиапазона.

Слабая загруженность миллиметрового частотного диапазона, возможность выделения широких полос частот (до 7 ГГц), упрощенная процедура выделения частот во всех странах мира делает этот диапазон уникальным для построения персональных, локальных и городских транспортных беспроводных сетей, а также каналов «точка-точка»

(радиорелейных линий). Другими преимуществами систем передачи информации в этом диапазоне являются:

- сверхвысокая скорость беспроводной передачи мультимедийной информации – до 10 Мбит/с;

- возможность создания миниатюрных антенных систем, вплоть до интегрированных в чипсет антенных фазированных решеток. При этом для достижения узкой диаграммы направленности (т.е. для большего усиления антенны) требуются меньшие габариты самих антенн;

- свойственное данному диапазону быстрое затухание радиоволн устраняет проблему интерференции различных источников сигнала, что позволяет автоматически решить проблему повторного использования частот (частотного планирования);

- при реализации систем связи возможны разнообразные схемы скремблирования, помехоустойчивого кодирования, простые схемы модуляции и множественного доступа;

- в системах Е-диапазона комиссия FCC США установила разрешенный уровень выходной мощности до 3 Вт что значительно больше, чем для других диапазонов миллиметровых волн;

- каналы Е-диапазона с полосой 5 ГГц допускают высокоскоростную передачу данных с использованием схем модуляции низкого уровня. Так, схемы с частотной манипуляцией (FSK) или двоичной фазовой манипуляцией легко обеспечивают передачу данных со скоростью до 2 Гбит/с. Поскольку простые схемы модуляции не накладывают дополнительных требований на линейность, то усилители мощности передатчика могут работать в режиме максимальной выходной мощности. А большая выходная мощность наряду с высоким коэффициентом усиления антенны обеспечивает высокую излучаемую мощность, что позволяет компенсировать возможные потери передачи и делает системы Едиапазона сравнимыми по характеристикам с СВЧ-системами связи "точка-точка";

- возможность создания систем связи обеспечивающих: скрытность связи несанкционированному подключению).

1.2.3. Резервирование лазерного канала широкополосным беспроводным Стандарт IEEE 802.11n предназначен для дальнейшего расширения диапазона скоростей передачи данных — до 300 Мбит/с и выше. В целом же он основывается стандарте (дополнении) IEEE 802.11а, поскольку именно в нем описана технология OFDM.

Увеличение скорости передачи данных в стандарте IEEE 802.11n базируется на двух физических принципах — удвоении полосы пропускания канала, с 20 до 40 МГц, и введении дополнительных антенных каналов приема-передачи (технология многоканальных антенных систем MIMO).

Работы по созданию стандарта IEEE 802.11n официально начались 11 сентября года, через год образовалась целевая группа TGn.

В январе 2006 года на регулярной конференции на Гавайях были утверждены основные документы (описания физического и МАС-уровней нового стандарта), которые вошли в предварительный (draft) стандарт IEEE 802.11n. Лишь в конце 2009 года этот стандарт был утвержден. Но производители окончательного его согласования дожидаться не стали, приступив к выпуску элементной базы и оборудования.

Отличия физического уровня стандарта IEEE 802.11n Стандарт IEEE 802.11n допускает как стандартные каналы с шириной полосы МГц (как и всех предшествующих стандартов IEEE 802.11, включая IEEE 802.11а), так и расширенные до 40 МГц. Поскольку каналы шириной 40 МГц приемлемы не для всех стран, противореча национальной политике распределения частотных ресурсов, то их применение — это опциональная (необязательная) возможность.

Стандарт IEEE 802.11 предусматривает поддержку как традиционных режимов передачи (как в IEEE 802.11а), так и режимов с высокой пропускной способностью (НТ — High Throughput). В традиционных (L — Legacy) режимах число поднесущих не изменено.

В НТ-режимах оно увеличено: в 20-МГц канале их 56, из них 52 — информационные и пилотные. Только из-за этого скорость возрастает на 8%. Еще один фактор увеличения пропускной способности — повышение допустимой скорости кодирования до 5/6 (т.е.

каждые 5 бит исходной последовательности превращаются в 6 бит кодированной).

Опционально предусмотрена возможность двукратного сокращения длительности защитных интервалов GI в OFDM-символах — с 0,8 до 0,4 мкс. В результате скорость возрастает до 65 и 72,2 (опционально) Мбит/с.

Режим 20 МГц — обязательный, для него установлен базовый набор скоростей (табл. 1). В 40-МГц каналах поднесущих 114, из них 108 информационных и 6 пилотных.

Один лишь этот фактор увеличивает пропускную способность канала на 125%.

Отметим, что традиционный режим также позволяет увеличивать (удваивать) скорость передачи данных. Однако это происходит при непосредственном удвоении полосы пропускания (40 МГц) — фактически передача ведется на двух смежных каналах IEEE 802.Па, используются 52x2 = 104 поднесущие (из 128 номинальных поднесущих не задействованы частоты с индексами от —5 по 5).

Таблица 1.1. Базовый набор скоростей проекта IEEE 802.11n Модуляция кодирования поднесущую битов на символ битов на символ GI = GI = Основное отличие стандарта IEEE 802.11n от его предшественников — появление нескольких антенных каналов в приемнике и передатчике. Обязательный режим подразумевает поддержку двух антенных каналов оборудованием точек доступа (АР) и одного канала — пользовательскими (терминальными) станциями. Всего и у АР, и у терминальной станции может быть до четырех антенных каналов приема-передачи.

Поскольку стандартом IEEE 802.11n предусмотрена технология MIMO, изменяется структурная схема передающего и приемного устройств (Рисунок 1.4). Данные после скремблирования поступают на сверточный кодер (как и в IEEE 802.11а). Если скорость передачи данных превышает 300 Мбит/с, используются два сверточных кодера. В отличие от IEEE 802.11а, поддерживается скорость кодирования 5/6. Кроме того, опционально вместо двоичного сверточного кодера (ВСС) предусмотрено применение блокового кодера LDPCC (Low density parity check codes).

Рисунок 1.4. Структура аппаратуры передачи стандарта IEEE 802.11n Дальше различия более серьезные. Кодированный поток битов разбивается на так называемые пространственные (пространственно-разделенные) потоки (spatial streams).

Число таких потоков N SS не может быть меньше, чем число антенных каналов в передатчике NTX. Предусмотренный алгоритм распределения по потокам прост — входная последовательность разбивается на группы длиной = max(l, N BPSC ( i SS )/ 2 ) — число битов, определяющих действительную или где s(i SS ) мнимую составляющую комплексного модуляционного символа на одной поднесущей, N BPSC (i SS ) — число битов на поднесущую в одном OFDM-символе. Если в каждом пространственном потоке используется одинаковая схема мультиплексирования, то S = N SS max(l, N BPSC /2).

Группы длиной S последовательно (по кругу) распределяются между пространственных потоков. Далее в каждом потоке происходит перемежение битов, аналогично IEEE 802.11а (на первой стадии для перестановок применяется таблица размером 13 строк на канала). Если использовано более одного пространственного потока, появляется третья стадия перемежения — частотная ротация. Она описывается выражением:

где j — индекс бита после второй стадии перестановок; i SS — номер пространственного канала. Коэффициент N rot принимает значения 11 и 29 для 20-и 40-МГц каналов соответственно.

Применение технологии MIMO преследует две цели — повышение надежности приема/передачи и обеспечение связи по пространственно разделенным каналам (SDM — Spatial Division Multiplexing).

пространственно-временной блоковый код (STBC — Space Time Block Code), повышение скорости передачи происходит за счет сокращения проверочных последовательностей и уменьшения защитных интервалов. При SDM скорость увеличивается благодаря распараллеливанию потоков транслируемых данных.

Пространственно-временное кодирование подразумевает преобразование одного потока OFDM-символов d i, в два пространственно-временных потока (Таблица 1.2, символ * означает комплексное сопряжение: если х = а + jb, то х* = а — jb). Поэтому в системах IEEE 802.11n число пространственно-временных N STS должно превышать N SS - Возможны различные сочетания значений N STS и N SS, лишь бы N STS > N SS.

После стадии формирования пространственно-временных потоков (если STBC не используется, можно считать, что пространственно-временной поток однозначно соответствует пространственному потоку, между по антенным каналам. Стандарт IEEE 802.11n предусматривает несколько схем такого распределения. Наиболее простая — прямое назначение (direct mapping) пространственного потока антенному каналу с одинаковыми номерами, при этом число антенных каналов передатчика NTX = STS.

Если NTX > STS, используются различные схемы пространственного расширения, которые математически описывает выражение:

где r — вектор символов, передаваемых в антенных каналах (длиной NTX ); x — вектор символов в пространственно-временных каналах длиной N STS ; Q — матрица с NTX N STS столбцами. В схеме прямого назначения Q — диагональная единичная строками и матрица.

В случае двух пространственно-временных потоков и трех антенных трактов первый поток может передаваться через первый и третий антенные тракты, должны быть ортогональными (например, на основе матриц Адамара).

Предусмотрен и режим, когда матрица Q принимает различные значения для каждой поднесущей k: в рассмотренном случае NTX = 3 и N STS = 2;

В антенных каналах 2, 3 и 4 информация передается с временной задержкой (относительно канала 1) в 400, 200 и 600 нc соответственно. Такой фазовый сдвиг необходим, чтобы избежать непроизвольного формирования стабильной диаграммы направленности передающей антенной системы, а это может произойти, например, при синфазном или противофазном излучении.

Однако в стандарте IEEE 802.11n предусмотрен и так называемый режим формирования луча (beamforming). В этом режиме матрица Q формируется передатчиком на основе информации о состоянии канала связи между ним и выбранным приемником.

Вектор принятого приемником совокупного по всем антенным каналам сигнала можно записать как у = [ y1,...., y RX ]. Вектор передаваемого сигнала r = [r1,..., rTX ]. Тогда у = Н r + п, где п — вектор шума в канале; Н — матрица (размерности N RX, NTX ) состояния канала.

Следовательно, для компенсации задержек и затуханий в канале, описываемых матрицей H, необходимо вычислить и применить соответствующую матрицу Q. Для этого приемник вычисляет и транслирует передатчику либо матрицу состояния канала Н, либо уже подготовленные матрицы Q. В качестве тестовой последовательности (заранее известной передатчику) выступают преамбулы пакетов физического уровня (точнее — длинные подстрочные последовательности режима НТ, HT-LTF) либо специальные тестовые пакеты «прослушивания» канала, включая пакеты прослушивания без поля данных.

Стандарт IEEE 802.11n на физическом уровне предусматривает три структуры кадров — традиционную (совпадающую с IEEE 802.11a/g), смешанную и так называемое Зеленое поле (Green Field) (рис. 5). Эти структуры соответствуют одноименным режимам работы. Последние два из них называют скоростными (НТ).

Смешанный режим (ММ — mixed mode) предназначен для совместимости сетей IEEE 802.11a/g и IEEE 802.11n — традиционные устройства распознают присутствие своих высокоскоростных собратьев и определяют режим их передачи (например, длительность захвата канала), что позволяет предотвратить коллизии, особенно в случае скрытых станций. Для этого в структуре пакетов типа ММ присутствуют как традиционные поля — короткая и длинная подстроенные последовательности (L-STF и L-LTF) и заголовок SIGNAL (L-SIG), так и поля, необходимые для НТ-режима. К последним относятся управляющее поле HT-SIGNAL (HT-SIG), а также короткая и длинные подстроенные последовательности (HT-STF и HT-LTF). Временная задержка между каналами добавляется именно перед НТ-полями.

Режим Зеленого поля (GF) (точнее — чистого, незагрязненного поля) позволяет передавать данные наиболее эффективно. В GF-кадрах присутствуют только НТ-поля, и традиционные приемники IEEE 802.11 такие посылки не воспримут. Поэтому данный режим опционален и может использоваться, только если все станции сети поддерживают IEEE 802.11n.

Управляющее поле HT-SIGNAL состоит из двух частей по 24 бит каждая. Эти части кодируются (со скоростью 1/2), подвергаются перемежению и прочей обработке, как и в (приведенного на Рисунке 1.5), т.е. на диаграмме Грея значения битов —HT-SIGNAL занимает два OFDM-символа.

Рисунок 1.5. Пакеты физического уровня стандарта IEEE 802.11n Информация, передаваемая в HT-SIGNAL, — номер схемы кодирования/модуляции (MCS), признак ширины канала (20/40 МГц), длина поля данных, признак оценки канала smoothing (интегральная или на каждой поднесущей отдельно), признак пакетов прослушивания канала (sounding), признак объединения МАС-пакетов (aggregation), номер схемы STBC-кодирования, указатель типа кодирования (BCC/LDPCC), признак короткого защитного интервала в OFDM-символах (short GI), число дополнительных длинных разграничительные 6 бит (Tail) (Рисунок 1.6).

Рисунок 1.6. Поле SIGNAL заголовка пакета физического уровня стандарта IEEE 802.11n Короткая подстроенная последовательность аналогична традиционной (с поправкой на число используемых поднесущих). Длинные подстроенные последовательности служат для оценки каналов передачи (для каждого антенного тракта), поэтому их число не может быть меньше, чем число прстранственно-временных потоков NSTS. Кроме того, HT-LTF — это механизм прослушивания канала, поэтому в кадре может быть больше HT-LTF, чем необходимо для передачи поля данных именно этого кадра (т. е. больше, чем в данный момент используется пространственно-временных каналов). Эти дополнительные последовательности предназначены для оценки каналов, которые передатчик предполагает использовать. Физически вышесказанное означает, что если данные в кадре передаются, например, через антенные тракты 1 и 2, то в них используют длинные подстроенные последовательности HT-LTF1 и HT-LTF2, а одновременно в незадействованных антенных трактах 3 и 4 могут транслироваться последовательности HT-LTF3 и HT-LTF4 для оценки соответствующих каналов. Длительность HT-LTF — 4 мкс, в режиме GF первая HT-LTF вдвое длиннее.

В результате применения дополнительных антенных трактов, а также 20-и 40-МГц модуляции/кодирования существенно возрастает по отношению к базовому набору. Причем возможны как симметричные схемы модуляции (одинаковые в каждом пространственном потоке), так и несимметричные (вид модуляции в каждом потоке различен). Проект описывает по 32 симметричные схемы для 20- и 40-МГц каналов (для НТ-режимов) и по асимметричные схемы. В результате для 20-МГц каналов предусмотрены скорости до 288, и 600 Мбит/с — для 40-МГц каналов.

Агрегирование пакетов на МАС-уровне Повышение скорости передачи возможно не только за счет изменений на физическом уровне. МАС-уровень в проекте IEEE 802.lln также модернизирован. Одна из важнейших особенностей IEEE 802.lln — возможность объединения (агрегирования) нескольких МАС-пакетов (MPDU) в один пакет физического уровня PSDU (A-MPDU) (рис.7). У такого объединенного пакета может быть только один адрес получателя. При этом повышается скорость передачи данных, поскольку сокращается удельный объем Объединение пакетов — это обязательное требование, и только те MPDU, которые требуют индивидуального подтверждения приема (Аск), могут передаваться как отдельные пакеты.

Более того, один MPDU может агрегировать несколько пакетов MSDU (MAC service data unit), принадлежащих различным сервисным потокам (различным приложениям) и обладающих различными требованиями к качеству предоставления услуг (QoS), лишь бы у них был единый адрес приемника. В результате формируется объединенный МАС-пакет AMSDU (см. Рисунок 1.7).

Рисунок 1.7. Интегрированные заголовки МАС-уровня стандарта IEEE802.11n Для подтверждения приема пакетов физического уровня PSDU используется специальный пакет блочного подтверждения (Block Acknowledge — ВА), описанный в стандарте IEEE 802.Не (посвящен обеспечению QoS). Однако в IEEE 802.11n применяют «сжатые» В А — в этом пакете предусмотренное стандартом IEEE 802. Не поле подтверждения размером 128 байт сокращено до 8 байт, причем каждый бит в этом поле подтверждает прием отдельного MSDU (Рисунок 1.8). Более того, необходимый запрос подтверждения (отдельный пакет BAR — ВА request) может не использоваться, вместо этого достаточно задать определенный тип политики подтверждений. По утверждениям разработчиков, приведенный на Рисунке 1.6 механизм обмена (объединенный пакет и блок подтверждения) более чем в 2,5 раза эффективнее, чем традиционный «данныеподтверждение».

Важная особенность проекта IEEE 802.11n — режим PSMP (Power Save Multi-Poll) — энергосберегающий множественный опрос. Он похож на стандартный режим централизованного распределения ресурсов PCF — управляющая станция АР транслирует специальный управляющий пакет PSMP, в котором для каждой станции (из тех, которым разрешен режим PSMP) назначается время и длительность приема и передачи (нисходящего и восходящего соединений) в интервале обслуживания (цикле повторения приема-передачи). Причем длительность интервала обслуживания для каждой станции может быть различной. Для подтверждения приема в режиме PSMP используются специальные пакеты подтверждения (МТБА), следующие немедленно за переданными агрегированными пакетами данных. Электроэнергия экономится благодаря тому, что станции знают, когда им необходимо активизироваться, и могут выключать свои энергоемкие блоки на время бездействия.

Рисунок.1.8. Передача посредством агрегированных пакетов и блоков подтверждений Особенность данного режима — его гибкость. В рамках одного цикла PSMP управляющая станция может передавать дополнительные пакеты PSMP (sub-PSMP) — это режим мультифазного PSMP. В чем его удобство? Например, какая-либо станция не успела передать данные в отведенный для нее интервал (Рисунке 1.9). Тогда в конце этого интервала она посылает АР специальный пакет (запрос RR) с указанием необходимых этой станции дополнительных ресурсов. Если есть возможность, АР отправляет в ответ пакет sub-PSMP, в котором данной станции выделен дополнительный интервал передачи. Другой случай — потеря данных. Если передающая станция не получила подтверждения приема, АР также может предоставить ей дополнительные ресурсы для повторной передачи посредством sub-PSMP.

Рисунок 1.9. Выделение дополнительного окна передачи для досылки информации и повторной отправки Не менее интересная особенность IEEE 802.11n — режим изменения направления обмена соединения. Пусть станция А передает данные станции Б. Оставаясь в рамках того же соединения, т. е. без дополнительных процедур доступа к каналу, возможно изменить направление передачи — от станции Б к станции А, а затем вновь передать права трансляции станции А.

Разумеется, помимо перечисленных особенностей, МАС-протокол проекта IEEE 802.11n включает поддержку всех изменений физического уровня. Он определяет специальные форматы пакетов калибровки канала передачи, выбора антенн, измерения характеристик канала и передачи матриц параметров канала, формирования диаграмм направленности и т. п. Предусмотрено применение сокращенных до 2 мкс межкадровых интервалов (RIFS) и т. д.

Элементная база для 802.11n Производители элементной базы и аппаратуры уже выпускают Wi-Fi-продукты с отдельными возможностями IEEE 802.11n. Едва ли не первой в этом направлении выступила компания Airgo Networks (www.airgonetworks.com), выпускающая чипсет AGN300 для поддержки MIMO-опции в стандартах IEEE 802.11 a/b/g (прообраз 802.11n). В состав чипсета входят однокристальный MAC- и baseband-процессор (AGN303BB) и два однокристальных двухдиапазонных (2,4/5 ГГц) трансивера (AGN301RF и AGN302RF).

Одним из первых производителей пред-802.11п чипсетов стала и израильская фирма Metalink Broadband (www.MetalinkBB.com), выпустившая чипсет WLANPlus в составе сдвоенного трансивера MtW8150 и MAC- и baseband-процессора MtW8170. В MtW8150 на одном кристалле интегрированы два цифровых трансивера для частотного диапазона 4,9ГГц с полосой пропускания 20/40 МГц. Трансиверы используют принцип прямого преобразования (т.е. с нулевой промежуточной частотой), а потому не нуждаются во внешних ПАВ-фильтрах. Поддержана квадратурная модуляция, вплоть до 64-QAM.

MtW8150 можно каскадировать для поддержки систем более чем с двумя антенными каналами (например, 4 х 4). Чип размером 11x11 мм выполнен по Si-Ge-технологии, напряжение питания 3 В.

СБИС MtW8170 поддерживает физический и МАС-уровни системы связи. Она обеспечивает обратную совместимость с IEEE 802.11а, а также скорости передачи данных до 243 и 135 Мбит/с в 40- и 20-МГц каналах соответственно. Одной СБИС MtW достаточно для поддержки MIMO-конфигураций 2 х 2 и 2 х 3.

Кроме упомянутых компаний, к производству чипсетов для поддержки будущего стандарта IEEE 802.11n приступили такие фирмы, как Atheros Communications (чипсет AR5008) и Broadcom (чипсет INTENSI-FI). В состав последнего входит MAC- и basebandпроцессор ВСМ4321 и трансивер ВСМ2055, предназначенные для работы в диапазонах 2,4и 4,9-5,85 ГГц.

1.3. Исследование состояния и перспектив развития аппаратно-программных средств гибридных каналов передачи мультимедийной информации на базе радио и лазерных технологий В настоящее время рассматривают два основных варианта построения гибридных систем связи, в которых основной линией передачи данных является атмосферный лазерный канал. Первый подход заключается в использовании резервного радиоканала с несущей частотой в диапазоне 2.3-6.4 Ггц. Обычно такой резервный канал работает на основе технологии Wi-Fi. Поскольку устройства Wi-Fi очень широко распространены на рынке, они достаточно дешевы, а, следовательно, стоимость гибридной системы в целом возрастает совсем незначительно по сравнению с системой АОЛС. Другим преимуществом такого резервного канала является безразличие к погодным условиям, что чрезвычайно важно для резервного канала, т.к. позволяет значительно увеличить надежность гибридного канала в целом. Однако поскольку такой резервный канал использует относительно невысокую несущую частоту, то радиоканал имеет гораздо меньшую пропускную способность, по сравнению с атмосферным лазерным каналом. Таким образом, первый подход позволяет достичь операторского класса надежности, но со снижением пропускной способности при переходе на резервный канал. Исследованию гибридных систем, в которых основным каналом является лазерный атмосферный канал, а резервным Wi-Fi, посвящен целый ряд работ. Основная проблема, возникающая в таких гибридных системах, заключается в выборе оптимального алгоритма переключения между основным каналом связи и резервным.

Во втором подходе в качестве резервного канала предлагается использовать радиоканал в миллиметровом диапазоне. Это позволяет достичь пропускных способностей для резервного канала сравнимых с основным каналом, т.е. с атмосферным лазерным каналом. В тоже время высокочастотный радиоканал также подвержен влиянию неблагоприятных погодных условий, в основном дождя. Однако, как уже отмечалось выше, туман вызывает совсем незначительное затухание в таком радиоканале.

Для отдельно взятой системы АОЛС туман может вызывать затухания вплоть до 120-130 дБ/км, тогда как в грозу при интенсивности осадков в 150 мм/ч коэффициент затухание достигает всего 25 дБ/км, что значительно меньше по сравнению с туманом. Для радиоканала в миллиметровом диапазоне дождь с такой же интенсивностью может вызывать затухание до 50 дБ/км. В тоже время туман практически не оказывает никакого влияния на такой радиоканал. Затухание, вызванное повышенной влажностью, не превышает 5 дБ/км. Таким образом, для достижения высокого уровня доступности необходим значительный запас мощности линии связи. Это условие ограничивает применение систем АОЛC на расстояниях до 0,7 км. Для миллиметрового радиоканала увеличение расстояния требует увеличение выходной мощности радиопередатчика. В гибридных системах проблема затухания может быть рассмотрена в следующем контексте:

системе АОЛC необходимо преодолеть только затухание вызванное дождем, а радиоканалу в миллиметровом диапазоне необходимо преодолеть затухание, связанное с повышенной влажностью. Это позволяет устранить требования на большой полный запас мощности и небольшое расстояние для обеих систем. Так измерения показали [16], что при длине канала в 2,7 км суммарные потери мощности составили 20 дБ, а удельная потеря мощности равна 7 дБ/км для АОЛC системы. Для миллиметрового радиоканала при такой же длине канала в 2,7 км полная потеря мощности составила 7 дБ, а удельная 2,6 дБ/км. Эти данные были получены при хороших погодных условиях, т.е. при чистом ясном небе.

Увеличение коэффициента затухания, вызванное туманом, для оптических линий обычно не превышает 6 дБ/км за секунду. Это означает, что коэффициент затухания достаточно стабилен, аналогично коэффициенту затухания вызванного дождем для миллиметровых радиоканалов. Однако при большой скорости ветра и сильном тумане или низкой облачности эти значения могут сильно отличаться. Данные эксперимента, проведенного в работе [16], показывают, что объединив две системы с низким коэффициентом доступности в 97%, но зато достаточно дешевые, полная доступность гибридной системы может быть увеличена до 99.99%, что аналогично значительному увеличению мощности (на несколько дБ) передатчиков миллиметрового радиоканала.

Таким образом, на сегодняшний день нет гибридных систем с высокой пропускной способностью обеспечивающих операторский класс надежности на расстояниях до 4-х км.

Создание подобной системы могло бы значительно удешевить, упростить и ускорить магистральным сетям.

Неблагоприятные 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. Поэтому, чтобы достичь операторских (или хотя бы близких к ним) значений надежности FSO-канала связи, необходимо прибегать к использованию гибридных решений.

Гибридное радио-оптическое оборудование основывается на использовании резервного радиоканала (это либо Wi-Fi, либо радиорелейная линия) в связке с оптическим каналом. Основное достоинство такого решения в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях.

В Таблице 1.3 ниже приведены технические характеристики существующих на данный момент на рынке моделей зарубежного гибридного радио-оптического оборудования:

Таблица 1.3.

Производитель Модель оборудования Скорость Скорость Тип радио- Макс.

LightPointe AirLinx Следует отметить, что использование резервного оборудования миллиметрового радиодиапазона приводит к сокращению максимальной рабочей дистанции (до 2000 м) и резкому повышению стоимости (почти в два раза дороже обычного FSO-решения). При этом само оборудование гибридного канала связи представляет собой два раздельных устройства (отдельно оптический блок, и отдельно – радиорелейный), что усложняет монтаж всей системы.

Остальные же модели гибридного канала имеют относительно невысокую скорость радиоканала, недостаточную для резервирования основного оптического канала (тем более гигабитного), что делает проблематичным использование данного оборудования требовательными операторами связи.

1.4. Выбор оптимальных параметров протокола передачи информации, обеспечивающих максимальную производительность канала передачи На основе сформулированных ранее достоинств, недостатков и характеристик лазерного и радиооборудования, а так же перспективных направлений развития последних, выделим перечень параметров, определяющих качество функционирования беспроводных телекоммуникационных средств передачи мультимедийной информации, и сформулируем требования к гибридному каналу связи.

Из наиболее значимых для пользователя критериев качества работоспособности каналов передачи данных целесообразно выделить следующие:

пропускная способность канала связи;

Дадим краткую характеристику каждого из перечисленных критериев.

Одним из основных критериев качества каналов связи является доступность (надежность), которая характеризуется отношением времени работоспособности канала к общему интервалу наблюдения в процентах (реже в относительных единицах). Другими словами, доступность канала – это показатель того, насколько надежно работает канал.

Данный параметр зависит от разнообразных факторов, включая надежность каналообразующего оборудования, но все они хорошо известны и предсказуемы. Самое большое неизвестное, для определенных длин волн электромагнитного излучения – ослабление сигнала в атмосфере. Хотя большинство аэропортов мира, метеорологических станций и пр. собирают статистику видимости (из которой можно получить коэффициенты затухания для заданного участка спектра электромагнитного излучения), пространственная точность таких измерений очень мала (обычно около 100 м), а время замеров слишком редко (обычно часы). В результате, оценки доступности 99.9 % или лучше получить затруднительно. Таким образом, базы данных аэропорта практически неприменимы для точного и надежного определения качества обслуживания. В результате, изготовители FSO (Free Space Optics) вынуждены сами собирать более надежные атмосферные данные, используя чувствительные приборы типа нефелометров, измерителей видимости и прозрачности атмосферной трассы.

Скорость передачи данных (битовая скорость) – скорость, с которой передается или принимается информация в двоичной форме. Пользователя, как правило, интересует скорость передачи цифровых данных, а не скорость передачи в канале, поэтому, в дальнейшем, под скоростью передачи данных будем подразумевать цифровую скорость передачи и пользоваться единицами измерения бит/с. Скорость передачи данных колеблется в очень широком диапазоне – от единиц Мбит/с до десятков Гбит/с. Конкретная цифра зависит от конструктивных особенностей системы.

Пропускная способность канала связи - максимальная скорость передачи данных от источника к получателю.

Максимальная эффективная производительность на уровне TCP – это максимальный объем данных, который может быть передан в секунду на уровне TCP. Производительность определяется двумя согласуемыми параметрами максимальная битовая скорость и средняя битовая скорость. По значению этой характеристики можно судить об эффективности технологии, используемой при построении Internet-канала, с учетом оптимальной настройки параметров активного сетевого оборудования.

Среднее и максимальное время реакции – это мера того, как быстро Internet-канал работает во время его непрерывной эксплуатации. Понятно, что высокая потенциальная производительность еще не является залогом хорошего качества Internet-канала. В процессе эксплуатации в канале могут возникать ошибки передачи данных (периоды недоступности) и ресурсы сети могут стать недоступны на некоторое время. В результате этого увеличиваются задержки передачи пакетов, увеличивается число повторных передач, и происходят другие явления, следствием которых является ухудшение качества Internetканала.

Дальность связи – один из важных для пользователя параметров – расстояние между терминалами передачи данных.

Время установки – период времени, необходимый для монтажа и установления связи в канале передачи данных.

Перечисленные выше параметры являются определяющими и наиболее критичными при выборе беспроводных телекоммуникационных средств передачи мультимедийной информации, в связи с чем подлежат оптимизации, с целью разработки нового поколения комбинированных приемопередатчиков, использующих лазерные и радиосредства, для построения телекоммуникационных сетей повышенной производительности и надежности.

Доступность гибридного канала связи PДоступ в случае коммутации оптического и радиоканалов передачи данных может быть определена как:

где PАОЛС – вероятность доступности атмосферной оптической линии связи (АОЛС);

WНД _ АОЛС { x} – функция плотности вероятности случайной величины x = TНД _ АОЛС (0;+ ) – время недоступности АОЛС; TВОСТ _ АОЛС – время восстановления связи по АОЛС; t ВКЛ. радио – время вхождения радиооборудования в режим передачи данных; t реакц – время принятия решения на переход в режим работы радиоканала. В модели определения доступности (1) предполагается, что доступность радиоканала равна 100 %; надежность каналообразующего оборудования и прочие факторы, определяющие отсутствие связи по АОЛС или радиоканалу по причине отказа оборудования не учитываются. Параметры модели определения доступности (1.1) представлены на Рисунке 1.10, где П АОЛС и П радио – производительность гибридного канала связи.

Рисунок 1.10. Временные и вероятностные параметры модели определения доступности гибридного канала Производительность гибридного канала связи в случае коммутации оптического и радиоканалов передачи данных может быть определена как:

С учетом различных критериев качества оптического и радиоканалов оптимизация доступности гибридного канала должна быть выполнена с учетом требований к определяющим качество функционирования беспроводных телекоммуникационных средств передачи мультимедийной информации. Для решения поставленной задачи необходимо выполнить многомерную оптимизацию параметров оптического и радиоканалом, а так же алгоритма их взаимной работы, с целью разработки гибридного беспроводного канала передачи мультимедийной информации нового поколения.

Таким образом, целесообразно использовать принцип оптимизации Парето, суть которого описана ниже.

оптимальности 1 ( X ), 2 ( X ),, m ( X ) назовем векторным критерием оптимальности Ф( X ) :

Положим, что ставится задача максимизации каждого из указанных критериев пространство, g1 ( X ),, g m ( X ) – ограничивающие функции. Задача многокритериальной оптимизации записывается в виде Не формально, множество Парето можно определить как множество, в котором значение любого из частных критериев оптимальности можно улучшить (увеличить) только за счет ухудшения (уменьшения) хотя бы одного из остальных критериев. Т.е. любое из решений, принадлежащих множеству Парето, не может быть улучшено одновременно по всем частным критериям оптимальности.

Приведем формальное определение множества Парето. Векторный критерий оптимальности Ф ( X ) выполняет отображение множества DX в некоторое множество DФ пространства критериев, которое называется множеством достижимости. Введем на предпочтительнее вектора Ф 2 DФ или вектор Ф1 доминирует вектор Ф 2, и писать Ф1 f Ф 2, если среди равенств и неравенств k (X 1 ) k (X 2 ), k [1, m ] имеется хотя бы одно строгое неравенство. Выделим из множества DФ подмножество точек DФ (фронт Парето), для которых нет более предпочтительных точек. Множество DX DX, соответствующее множеству DФ, называется множеством Парето. Таким образом, если В рамках вышеизложенной методики сформулируем требования к оптической и радиочастотной частям гибридного беспроводного канала передачи данных, а так же постановку задачи по многомерной оптимизации его параметров.

1.5. Исследование влияния шумов и помех на выбор оптимальных параметров протокола передачи информации C целью обоснования технических требований к оптической части оборудования беспроводного канала передачи данных необходимо формализовать связь между исходными данными на АОЛС и параметрами качества функционирования последней.

Приведем одну из возможных методик инженерного расчета АОЛС для систем передачи информации по атмосферному каналу.

Электромагнитные волны оптического диапазона при распространении в атмосфере испытывает воздействия со стороны последней, наиболее значимые из которых перечислены ниже.

Релеевское рассеяние оптического сигнала в атмосфере: энергетические потери оптического сигнала из-за аэрозольного и молекулярного (релеевского) рассеяния являются одним из главных факторов, определяющих искажение сигнала. Из теории молекулярного (релеевского) рассеяния света следует следующее выражение для коэффициента рассеяния в газах Релея :

где N – число молекул в единице объема; n – показатель преломления среды;

длина волны излучения; – фактор деполяризации рассеянного излучения, равный 0.035.

Энергетические потери оптических сигналов, обусловленные молекулярным рассеянием, могут быть определены с большой точностью, если известно распределение плотности по высоте. Обычно принято считать, что до высот 30 км. достаточно хорошо выполняется условие стандартной модели атмосферы, поэтому проблема количественной оценки указанных потерь считается решенной. На больших высотах плотность атмосферы может существенно изменяться в зависимости от места и времени, соответственно будут изменяться и коэффициенты молекулярного рассеяния. Однако при любом изменении мы всегда можем быть уверенными в том, что энергетическими потерями за счет релеевского рассеяния в инфракрасной области можно пренебречь.

Аэрозольное ослабление. Наиболее часто встречающиеся в атмосфере аэрозоли представляют собой капли воды в жидком и твердом состояниях, объединяемые общим понятием – гидрометеоры (дождь, туман, снег и т.д.).

Ослабление энергии волны видимого и инфракрасного диапазонов объясняется тем, что волна наводит в каплях токи смещения. Кроме того, токи смещения являются источниками вторичного и рассеянного излучения, что также создает эффект ослабления в направлении распространения волны, причем в видимом диапазоне основные потери энергии создаются за счет явления рассеяния.

Аэрозоли – это нормальная составляющая атмосферы; у поверхности Земли ее содержание меняется от нескольких мкг/м в очень чистом воздухе, до величины более 100 мкг/м в загрязненной атмосфере. К аэрозолям в атмосфере относятся переносимые ветром частицы пыли и морской соли, продукты сгорания (сажа, пепел), конденсированные органические остатки и вещества, образующиеся в результате химических реакций в атмосфере, включая такие соединения, как сульфаты, нитраты, H2S, NH3 и т.п.

Макрочастицы, в своем большинстве, удаляются из атмосферы гравитацией, конденсации на частицах с последующим выпадением с дождем, а также за счет захвата выпадающими осадками.

химического состава и концентрации частиц аэрозоля, которые подвержены большой изменчивости во времени и пространстве.

Несмотря на то, что размеры, концентрация, химический состав частиц атмосферных аэрозолей меняются в весьма широких пределах, можно выделить некоторые характерные типы аэрозолей (облака, туманы, дымки, осадки, пыль). С достаточной для инженерных расчетов точностью можно сказать, что концентрация аэрозоля с ростом высоты до 10 км уменьшается.

Влияние молекулярного поглощения. Атмосфера состоит главным образом из азота, кислорода и аргона, процентное содержание которых приведено в широком круге литературы.

экспоненциальным законом. Концентрация водяного пара чрезвычайно изменчива во времени и пространстве. Однако, с увеличением высоты (по крайней мере до 10 км) она убывает.

В первом приближении энергию изолированной молекулы E можно представить в виде:

где E p – энергия поступательного движения, которая зависит от скорости движения и может принимать любые значения; Ee – энергия электронов; Ek, E – колебательная и вращательная энергии.

Значения энергии электронов Ee, Ek и E могут принимать только дискретные значения. Их изменение может происходить только скачком, сопровождающимся или поглощением или излучением кванта света определенной частоты.

взаимодействием различных видов движения молекулы. В общем случае, энергия молекулы записывается:

где последние три члена обязаны учету взаимодействия различных видов движения молекулы.

Величины электронной, колебательной и вращательной энергии молекулы имеют разные порядки. Так, энергия электронных переходов имеет порядок нескольких электронвольт, колебательная энергия измеряется десятыми и сотыми долями электрон вольт и Соответственно величине энергии электронов спектры молекул занимают ультрафиолетовую и видимую часть спектра, колебательные – близкую инфракрасную, вращательные – далекую инфракрасную и микроволновую.

Электронно-колебательно-вращательный спектр представляет собой набор полос.

Каждой совокупности переходов молекулы между двумя электронными состояниями соответствует электронная полоса, состоящая из набора колебательно-вращательных полос.

Каждая полоса имеет конечную ширину, контур спектральных линий определяется действием трех эффектов: радиационным затуханием; эффектом Доплера; эффектами столкновения молекул.

Кратко опишем спектр основных поглощающих газов.

Водяной пар. Анализ колебательно-вращательного спектра водяного пара показывает, что наиболее интенсивная и широкая полоса поглощения молекулы находится в диапазоне от 5.5 мкм до 7.5 мкм. Следующая сильная полоса поглощения от 2.6 до 3. мкм. В этих полосах полностью поглощается солнечное излучение в вертикальном столбе атмосферы. Другие колебательно-вращательные полосы поглощения с центрами около длин волн: 1.87; 1.38; 1.1; 0.94; 0.81; 0.72 мкм. Несколько слабых полос имеется в видимой области спектра.

Тонкая структура колебательно-вращательного спектра водяного пара чрезвычайно сложна и запутана. Каждая из этих полос состоит из сотен и даже тысяч отдельных линий, идентификация которых представляет собой весьма сложную задачу.

Углекислый газ. Одна из основных колебательно-вращательных полос с центром около длины волны 15 мкм вместе с 14 полосами верхних состояний занимает довольно широкий интервал спектра, примерно от 12 до 20 мкм. В районе центральной части этой полосы (13.5-16.5 мкм) вертикальный столб атмосферы полностью поглощает солнечное излучение. Вся эта совокупность полос часто в литературе называется полосой 15 мкм. Еще одна основная колебательно-вращательная полоса с центром в 4.3 мкм шириной от 4. до 4.4 мкм имеет такую высокую интенсивность, что полностью поглощает в этом диапазоне солнечное излучение уже на высоте 20 км.

Кроме основных полос, есть еще ряд небольших полос поглощения с центрами в:

10.4; 9.4; 5.2; 4.8; 2.7; 2.0; 1.6; 1.4 мкм и ряд слабых полос в районе от 1.24 мкм до 0.78 мкм.

Озон. Молекулы озона имеют полосы поглощения с центрами: 9.1; 9.6; 14.1 мкм.

Обертоны и составные частоты колебаний молекулы озона создают колебательновращательные полосы этой молекулы в районах: 2.7; 3.27; 3.59; 4.75; 5.75 мкм, из которых наиболее интенсивной является полоса 4.75 мкм. Поглощение полосы в 9.6 мкм находится в центре длинноволнового «окна» прозрачности атмосферы 8–13 мкм. Ее центральная часть шириной около 1.0 мкм в вертикальном столбе атмосферы поглощает примерно половину солнечного излучения.

Кислород. В ближней инфракрасной области молекула O2. Имеет заметные полосы, центры которых располагаются около длин волн 1.2683 мкм и 1.0674 мкм. Молекула изотонической модификации кислорода O16O18 имеет полосы, лежащие в красной области в районах около длин волн: 0.7620 мкм, 0.6901 и 0.6317 мкм.

Закись азота. Молекула N2O имеет много полос обертонов, составных частот и верхних состояний. Большинство их этих полос очень слабы. В солнечном спектре проявляются следующие полосы: 2.11; 2.16; 2.27; 2.28; 2.87; 2.97; 3.57; 3.88; 3.90; 4.06; 4.50;

4.52; 7.78; 9.56; 17.0 мкм.

Метан. Молекула CH4 имеет следующие полосы поглощения с центрами: 1.67; 1.71;

1.73; 2.20; 2.32; 2.37; 2.43; 3.31; 3.55; 3.85; 7.66 мкм.

Окись углерода. Основная колебательно-вращательная полоса молекулы CO находится около 4.67 мкм.

Учет всех линий поглощения молекул в атмосфере весьма сложная задача. Учесть молекулярное поглощение можно двумя путями: составить физическую модель атмосферы и снять экспериментальные данные и экстраполировать их.

При расчете оптических атмосферных линий связи выбирается так называемое «окно» прозрачности атмосферы, в котором будет работать оптико-электронный прибор. В случае использования в качестве передающих элементов лазеров, необходимо с большой точностью знать спектр излучения лазера, спектр поглощения атмосферы на выбранном участке и закон изменения спектра излучения лазера от воздействия внешних возмущений (изменение давления, нагрев рабочего тела).

Влияние турбулентности. Световая волна, распространяющаяся в земной атмосфере, кроме энергетических потерь, испытывает флуктуации амплитуды и фазы, обязанные своим происхождением случайному пространственно-временному распределению показателя преломления воздуха. Последнее обусловлено турбулентными движениями в атмосфере, влекущими за собой случайное изменение температуры и связанного с ней показателя преломления.

в турбулентной атмосфере состоит в том, что энергетические потери проходящего излучения оказываются незначительными по сравнению с потерями из-за молекулярного рассеяния, в то время как параметры оптической волны испытывают существенные случайные флуктуации.

Флуктуации амплитуды и фазы волны в оптическом пучке приводят к появлению помех, связанных с изменением структуры оптических пучков: расширению оптического пучка, флуктуациям направления его распространения и расщеплению оптического пучка.

Расширение пучка турбулентной атмосферой делает невозможной фокусировку оптического излучения на больших расстояниях. По мере увеличения диаметра источника дифракционное пятно в фокусе уменьшается в турбулентной атмосфере не в соответствии с известным в оптике однородных сред формулами, а до некоторого конечного размера, которое называют размером насыщения.

Флуктуации направления оптического пучка проявляются в смещении «центра тяжести» пучка относительно точки наблюдения. Различий в горизонтальной и вертикальной плоскостях не обнаружено. При проведении экспериментов максимальное отклонение луча лазера составило 1 мрад.

Расщепление оптического пучка на небольших расстояниях проявляется в виде сложной структуры наблюдаемого пятна (например на экране). С увеличением расстояния глубина пространственной модуляции возрастает. На больших расстояниях (в области сильных флуктуаций) оптический пучок оказывается расщепленным на тонкие нити, имеющие в сечении вид круглых и серповидных пятен. Форма пятен меняется от серповидной и круглой при боковом ветре до ячеистой при продольном.

Рассеяние оптических волн на случайных неоднородностях показателя преломления воздуха приводит к значительным по мощности флуктуациям интенсивности распространяющегося в атмосфере оптического излучения. Экспериментальное измерение флуктуации интенсивности оптического сигнала показало, что спектр флуктуации находиться в диапазоне от 0 до 5000 Гц, увеличение диаметра приемника приводит к уменьшению высокочастотной составляющей. Уменьшение происходит за счет усреднения большего количества принятого излучения. При диаметре приемника 100 мм, основной спектр флуктуации лежит от 0 до 2800 Гц.

Нелинейные эффекты распространения. При распространении в атмосфере оптического излучения гигантской мощности, возникает целая серия нелинейных эффектов. Рассмотрим некоторые, не требующие учета интерференционных явлений, многофотонные эффекты (многофотонная ионизация, диссоциация, приводящие к пробою слоя чистого воздуха), спектроскопический эффект насыщения, вызывающий частичное просветление поглощающего слоя газа, эффект самофокусировки луча, вызванный нелинейной зависимостью показателя преломления среды при ее облучении мощным потоком радиации, и эффект испарения частиц аэрозолей под действием импульсных и непрерывных источников излучения большой мощности.

Распространение мощного излучения ОКГ в среде может приводить к изменению величины показателя преломления в канале луча. Разница между значениями показателя преломления среды в канале луча и вне его может быть такой, при которой устраняется расходимость луча. Это явление получило название самофокусировки луча ОКГ.

Облучение частиц атмосферных аэрозолей мощным направленным излучением сопровождается рядом эффектов, приводящих к изменению условий распространения радиации в среде. Среди этих эффектов наибольший практический интерес представляет испарение частиц за счет поглощенной ими энергии поля. Изменение размеров частиц обуславливает соответствующее изменение объемных полидисперсных коэффициентов ослабления. Таким образом, прозрачность слоя рассеивающей среды становиться зависящей от интенсивности падающего излучения.

При воздействии на водный аэрозоль световых импульсов большой мощности и малой длительности частицы аэрозоля приобретают направленное движение, вызванное их неравномерным нагреванием. В результате такого направленного движения может происходить коагуляция частиц.

Фоновые помехи от посторонних источников в атмосфере. К фоновым помехам от посторонних источников в атмосфере будем относить те, которые не связаны с передачей оптического сигнала через атмосферу и существуют независимо от присутствия этого сигнала во внешнем (атмосферном) канале.

Рассмотрим общую характеристику фоновых помех различной природы. Среди естественных посторонних источников, взаимодействие оптического излучения которых с атмосферой приводит к появлению заметных фоновых помех, Солнце является наиболее мощным.

Не только прямое, прошедшее сквозь атмосферу, но и рассеянное и отраженное солнечное излучение во многих случаях является основным источником фоновых помех в атмосфере. Однако определяющим для уровня фонов при работе конкретных оптикоэлектронных систем является спектральный диапазон. Селективный спектральный состав приходящего излучения от источников (Солнце, Луна, молнии, метеоры и др.), требуют известной осторожности при оценке роли фоновых помех того или иного происхождения.

В инфракрасной области спектра становится заметный вклад энергии от теплового излучения атмосферы и земной поверхности. Соотношение вкладов теплового излучения и солнечного рассеянного или отраженного излучения в уровень фоновых помех в дневное время, зависит от многих факторов (от состояния атмосферы, условий наблюдения, положения солнца и др.). Тем не менее приближенно во всех случаях можно считать, что в области больше 4 мкм доминирует тепловое излучение атмосферы и земной поверхности с максимумом в спектре излучения области около 10 мкм. В спектральной области меньше 3 мкм преобладает роль фоновых помех, обусловленных солнечным излучением с максимумом видимой области спектра. В интервале длин волн 3–4 мкм имеет место минимум уровня помех, обусловленных двумя составляющими излучению, одна из которых (солнечное излучение) убывает, а другая (тепловое излучение атмосферы и земной поверхности) возрастает с ростом длины волны. В литературе приведены данные по максимальной яркости фона для помех различной природы.

Кроме теплового равновесного излучения в атмосфере всегда присутствует неравновесное излучение, вызванное рядом физических и химических процессов, которое имеют место при взаимодействии оптической и жесткой солнечной радиации с атмосферой.

Результатом этих процессов является слабая люминесценция атмосферы. Принято нетепловое оптическое излучение называть свечением атмосферы. Характерным для этого неравновесного излучения атмосферы является значительная спектральная селективность.

В видимой области спектра свечение является линейчатым, в инфракрасной области эмиссионные линии имеют несколько большую спектральную ширину. При работе оптикоэлектронных систем в ночное время свечение атмосферы является существенной помехой.

На основе вышеизложенного для упрощения предварительных расчетов введем ряд допущений:

и мультипликативные помехи рассеяния вперед пренебрежимо малы;

затухание сигнала на наклонной трассе для высот до 10 км всегда меньше, чем на горизонтальной трассе той же протяженности на уровне моря;

в выбранном окне прозрачности отсутствуют сильные полосы молекулярного поглощения.

Исходя из данных о молекулярном поглощении, можно выделить следующие «окна прозрачности» пригодные для передачи оптического сигнала: 400-1330 нм, исключая 1200 нм; 1520-1560 нм; 1590-2200 нм; 3000-3300 нм; 4100-4700 нм.

Опишем влияние погодных условий на оптический канал связи. Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой, является метеорологическая дальность видимости (МДВ). Это расстояние, на котором свет с длиной волны 0,55 мкм ослабляется в 50 раз (на 17 дБ).

Погодные условия различаются как для различных географических районов, так и от года к году. Статистическим параметром погоды для конкретного географического места, определяющим надежность связи, является доля времени за год в течении которого МДВ меньше заданной величины. Обработка статистических данных метеорологических наблюдений позволила установить эмпирическую зависимость этого параметра от расстояния:

где PАОЛС (L ) – вероятность наступления погодных условий, при которых МДВ меньше расстояния L (км); ai и bi – константы для конкретной географической точки.

Соотношение справедливо для МДВ менее 17 км.

Фонового излучение на фотоприемнике (шум фотоприемника), состоит из трех составляющих: атмосферные оптические помехи; дробовые шумы; собственные шумы фотоэлемента и усилителя.

По свойствам и физической природе атмосферные оптические помехи можно разделить на две группы: