Анализ телекоммуникационных сетей в координатах

В текущий момент все мы являемся свидетелями развития последней по времени глобальной промышленной революции – революции цифровых телекоммуникаций. Сейчас трудно найти человека, который бы не имел в кармане сотового телефона. Персональные компьютеры имеются в громадном количестве домов, офисов и производств. Все эти, а также и многие другие, устройства требуют создания сетевой инфраструктуры для обеспечения взаимных соединений. И такие телекоммуникационные сети интенсивно строятся.

Однако анализ развития телекоммуникационных сетей выявляет неравномерность развития в их производительности. Локальные сети (LAN), сети городского (MAN) и глобального масштаба (WAN) сильно обогнали по производительности сетевые соединения на так называемой последней миле (Last mile). Последняя миля это соединение между магистральными или городскими высокоскоростными каналами и отдельными сооружениями, внутри которых развернута локальная сеть. Сюда же можно отнести и соединения между базовыми станциями беспроводных широкополосных сетей. Это расстояния связи от нескольких сотен метров, до нескольких километров. На этом участке сетевой инфраструктуры наблюдается ярко выраженный провал в доступной скорости подключения.

В последние несколько лет на этот провал скорости обратили внимание разработчики и поставщики сетевого оборудования. На рынке стали предлагаться различные варианты решения проблемы последней мили. Это и проводные средства, например PON или FTTH и беспроводные средства – различные решения на основе радио технологий, например на основе группы стандартов IEEE802. 11 – Wi-Fi. Однако разнообразие условий на последней миле не позволяет здесь пока закрепиться ни одному из предлагаемых решений.

Одна из причин этого состоит в том, что основной проблемой на этом участке является требование одновременного повышения скорости и качества передачи информации в условиях, как правило, плотной городской застройки. Развитие современных сетей мобильной связи, переход к третьему и в ближайшей перспективе четвертому поколению сетей на основе технологий LTE и/или Wi-Max вызывает необходимость более плотного размещения базовых станций и увеличения скорости их подключения к инфраструктуре. Естественно с сохранением качества передачи сигналов. Использование здесь соединительных линий на основе радио-технологий ограничивается дефицитом частотного ресурса, необходимостью частотного планирования, получением необходимых разрешительных документов и другими сложностями использования радио из-за проблем с электромагнитной совместимостью. К тому же, интеграция коммуникационных сетей в единое мультимедийное пространство, основанное на новых технологиях, требует высокого качества соединений. Это означает минимизацию следующих параметров:

– время задержки пакетов при их передаче,

– вариация времени задержки пакетов,

– потери пакетов,

– высокую пропускную способность канала связи.

Не все радиосредства могут обеспечить вышеуказанные качественные требования.

Проводные решения на участке последней миле также не всегда возможно применить. Ведь места доставки трафика могут быть разделены между собой сложно преодолимыми препятствиями. Железной дорогой, автомагистралью, водной преградой и др. Поэтому трудностей по прокладке проводов зачастую больше, чем при использовании беспроводных методов.

Одним из перспективных способов решения проблемы «последней мили» является применение беспроводных оптических решений. Это технология Free space optics (FSO). В отечественной литературе часто применяется название атмосферные оптические линии связи.

2 История технологии FSO

FSO технология – одно из самых молодых решений в области передачи информации на последней миле. Но одновременно это и древнейшая технология беспроводной связи, которое освоило человечество. История FSO технологии или атмосферной оптической связи началась не в 90-х и не в 70-х годах XX века, а много веков раньше. Первыми "системами" связи стали сторожевые посты, располагавшиеся вокруг поселений на специально построенных вышках или башнях, а иногда просто на деревьях. При приближении неприятеля зажигался костер тревоги. Увидев огонь, зажигали костер часовые на промежуточном посту, и неприятелю не удавалось застать жителей врасплох. Маяки и сигнальные ракеты до сих пор несут свою "информационную службу" на море и в горах. Археологи, изучавшие памятники материальной культуры Древнего Рима, обнаруживали высеченные на камнях изображения сигнальных башен, с зажженными на них факелами. Такие башни устраивались также в Великой Китайской стене. До нас дошла легенда трехтысячелетней давности о том, как огни костров, зажженных на вершинах гор, в ту же ночь донесли Клитемнестре, супруге Агамемнона, предводителя греков в Троянской войне, весть о падении Трои.

За 250 лет до нашего летосчисления в походах Ганнибала сигнальные огни уже не были чем-то необычным, и даже сегодня, в наш технический век, мы не можем от них отказаться. Необходимость передавать не только отдельные сигналы типа "тревога", но и различные сообщения привела к применению "кодов", когда разные сообщения различались, например, числом и расположением костров, числом и частотой свистков или ударов в барабан и т. п. Греки во втором веке до нашей эры использовали комбинации факелов для передачи сообщений "по буквам". На море широкое применение нашли сигнальные флаги различной формы и цвета, причем сообщение определяется не только самими флагами, но и их взаимным расположением, а также "семафор" - передача сообщений изменением расположения рук с флажками (днем) или фонарями (ночью). Потребовались люди, знающие "язык" флагов или семафора, умеющие передавать и принимать переданные сообщения. Каким бы видом транспорта ни пользовался житель современного города - наземным или подземным, – он во власти "сигнальных огней" светофора. Конечно, сегодня зажечь такой "сигнальный огонь" - дело несложное, но так ли уж далеки современные светосигнальные устройства, регулирующие движение метро и наземных транспортных потоков, от огней, которые возвестили о падении Трои?

Надо отметить, что современные оптические системы связи, как открытые, так и волоконно-оптические, по своему принципу действия мало отличаются от древних устройств. Они передают информацию таким же способом – морганием источника света. На современном языке это называется модуляция On-Off Key (OOK). Изменились только источники света, как правило, это лазерные источники и приемники – вместо глаза стали использоваться электронные приборы. В результате несоизмеримо увеличилась скорость передачи информации.

В своем современном виде технология FSO успела хорошо себя зарекомендовать в качестве самой широкополосной беспроводной системы связи и поэтому широко используется. FSO решения как будто самой природой созданы для преодоления трудностей последней мили. Они обеспечивают скорость и качество передачи информации на уровне волоконно-оптических кабельных систем, но при этом остаются беспроводным решением. И это главное преимущество открытых оптических каналов.

3 Принцип работы

Концепция передачи информации через атмосферу с использованием модулированного света достаточно стара; и хотя значительные достижения были получены за последние 10 лет, идея остается относительно простой : узкий луч света от передающей системы проходит через атмосферу и попадает в приемную систему. Причины по которым мы сейчас обсуждаем атмосферные системы связи или FSO – системы- это потребность в большей полосе частот и улучшенных системах связи.

Поскольку FSO и волоконно-оптические системы используют инфракрасные (ИК) длины волн и имеют одинаковые возможности по полосе передачи, FSO- системы часто называют «безволоконной оптикой» или «беспроводной оптической» связью.

Кроме того, учитывая тот факт, что оптический спектр нелицензирован в области частот порядка сотен терагерц, большинство FSO систем использует простую амплитудную модуляцию, то есть ту же самую стандартную технику кодирования, которая используется в цифровой волоконной оптике.

В системах, использующих цифровое кодирование наличие света кодирует единицу, а ее отсутствие – ноль. Эта простая модуляционная схема позволяет конструировать FSO системы как частотно – и протоколо - прозрачные соединения физического уровня.

При рассмотрении работы FSO систем необходимо учитывать ряд важных параметров. Указанные параметры можно разделить на две категории – внутренние и внешние. Внутренние параметры связаны с конструкцией системы и включает мощность излучения, длину волны, полосу частот, угол расходимости и оптические потери на приемной стороне, чувствительность приемника, битовую ошибку(вер), диаметр приемных линз, угол зрения приемника.

Внешние параметры, или неспецифичные для системы параметры связаны со средой в которой должна работать систем – они включают видимость и атмосферное поглощение, сцинтилляции, дистанцию связи, потери на окнах зданий и потери наведения. Важно понять, что многие из этих параметров не независимы, а связаны между собой, определяя общее функционирование системы. Например, доступность системы является функцией не только расстояния, но также локального климата и конструкции приемопередатчика.

Выведем формулу для расчёта максимальной длины передачи данных.

Т. к. угол и очень маленький , то

Эта формула подходит лишь для космоса, так как там нет атмосферы, а следовательно и нет различных помех и препятствий, так как работа FSO системы прежде всего зависит от климатических условий и физических характеристик места установки. В целом, погодные условия и параметры установки, воздействующие на видимость, оказывают влияние и на качество связи FSO системы. Типичная FSO система работоспособна на расстоянии в два-три раза превышающем расстояние прямой видимости в любых условиях окружающей среды. Главные факторы воздействующие на её работу включает атмосферное поглощение, сцинтилляцию, потери на оконных стёклах, наклоны или движения здания, солнечная засветка и перекрытие прямой видимости.

Вывод: из формулы мы видим, для того чтобы увеличить длину связи легче будет уменьшить угол расходимости луча и увеличить диаметр передатчика, чем уменьшить чувствительность приёмника и увеличить мощность передатчика. Это будет сделать легче из за того, что эти величины стоят не под знаком корня. Чтобы увеличить диаметр передатчика потребуются использование дополнительных средств, что в итоге приведёт к подорожанию этого устройства. Значит для увеличения дальности связи необходимо работать над уменьшением угла расходимости луча.

3. 2Факторы окружающей среды

Работа канала связи FSO системы прежде всего зависит от климатических условий и физических характеристик места установки. В целом, погодные условия и параметры установки, воздействующие на видимость, оказывают влияние и на качество связи FSOсистемы. Типичная FSO система работоспособна на расстоянии в два-три раза превышающем расстояние прямой видимости в любых условиях окружающей среды. Главные факторы воздействующие на ее работу включают атмосферное поглощение, сцинтилляцию, потери на оконных стеклах, наклоны или движение здания, солнечная засветка и перекрытие прямой видимости.

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.

Коэффициенты аэрозольного рассеяния очень сильно зависят от размеров, 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.

4. Методика и программа испытаний

Методика испытаний экспериментального образца направлена на определение его работоспособности в целом, соответствие переключения каналов заданному алгоритму, а также проведение измерений, позволяющих оценить достигнутый уровень требуемых характеристик.

Схема подключений экспериментального стенда приведена на рисунке 23.

Рисунок 23. Схема подключений экспериментального стенда.

В качестве измерителя пропускной способности канала и уровня потерь в нем использовалась пара тестров Ethernet Etest, позволяющих создать трафик полностью загружающий канал Fast Ethernet [43]. Компьютер обеспечивал мониторинг и управление оптическими и радиомодулями, а также управление тестерами и сбор статистики работы в процессе тестирования.

Программа испытаний предусматривает 2 этапа:

1.  Проверка механизма переключения между каналами.

2.  Измерение динамических характеристик переключения между каналами.

4. 1  Проверка работы механизма переключения между каналами

Проверку работы механизма переключения между каналами предполагается проводить следующим образом:

– Установить второй порт в режим Backup (Резерв).

– Запустить процесс тестирования на одном из тестеров ETest.

– Перекрыть оптический канал и убедиться по программе мониторинга FSO оборудования Artolink в том, что не позднее чем через 2 сек. произошел переход на резервный канал с соответствующей пропускной способностью.

– Открыть оптический канал и убедиться по программе мониторинга FSO оборудования Artolink в том, что не позднее чем через 1 сек. произошел переход на оптический канал с соответствующей пропускной способностью.

Повторить процедуру перекрытия оптического канала 10 раз.

4. 2  Измерение динамических характеристик переключения между каналами

Измерение динамических характеристик переключения между каналами предполагается проводить следующим образом:

– Установить рабочим оптический канал, резервным – радиоканал.

– Запустить процесс тестирования с ETest с тестовым трафиком 9 Мбит/с (при длине пакета 1000 байт, интервале 1000 байт пакетная скорость составляет 1135 байт/с).

– Провести 10 раз прерывание оптического канала на время не меньше 2 сек. , каждый раз дожидаясь возвращения на оптический канал.

– Остановить процесс тестирования и загрузить с тестера журнал событий.

– По количеству потерянных пакетов определить время перехода с оптического канала на резерв Tor и обратно Tro. Время перехода рассчитывается по формуле:

(23) где Nlosted – количество утерянных пакетов.

– Усреднить по десяти измерениям времена перехода Tor и Tro.

ETest используется для проверки качества каналов, измерения их надежности, пропускной способности и других параметров. Кроме того, эффективно используется для обнаружения неисправностей в сетях (LAN) Ethernet и Fast Ethernet, а также при разработке сетевых устройств.

5. Заключение.

FSO технологии являются относительно молодыми в области передачи данных. На мой взгляд это перспективные и быстро развивающиеся технологии, так как они востребованы в тех местах нашей планеты, где обычный «провод» не проложишь. В данный момент они работают во многих странах мира. Поэтому FSO технологии развиваются во многих странах, а в особенности в России. Возможно, что в будущем именно они выйдут на лидирующие позиции на рынке продаж оборудования по передачи данных.

  В рамках данной работы я не собирался проводить широкомасштабные исследования. Мне это было интересно, и то что узнал предлагаю всем желающим. Замечу также, что общее развитие технических систем происходит в соответствии с законами диалектики и не подчиняется субъективной воле человека (Г. С. Альтшуллер). Для выявления этих законов и сознательного совершенствования систем знание истории становится необходимым.