CC BY
78
12 января 2012 г. 16:15
ТЕХНОЛОГИИ
Модуль усиления и ретрансляции оптических сигналов для атмосферных оптических систем передачи
Ключевые слова: атмосферные оптические системы передачи, коэффициент готовности линии, оптический усилитель, метеорологическая дальность ВИДИМОСТИ.
Недостатком атмосферных оптических систем передачи (АОСП) является зависимость допустимой протяженности атмосферного канала от свойств среды распространения. Предлагается модуль усиления и ретрансляции оптических сигналов, использование которого позволит снизить зависимость качества связи АОСП от состояния атмосферы. Приведены расчеты, подтверждающие эффективность рассмотренного технического решения.
Щербань И.В.,
профессор кафедры многоканальных телекоммуникационных систем, дт.н., доцент, СКФ МТУСИ, [email protected]
Кривошеев Г.В.,
аспирант кафедры многоканальных телекоммуникационных систем,
СКФ МТУСИ, кггуоу751 @yandexnJ
Щербань О.Г.,
доцент кафедры систем передачи и обработки информации, СКФ МТУСИ, [email protected]
Введение
Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) находят широкое применение в практике построения современных инфокоммуни-кационных систем Однако известные трудности, возникающие в процессе развертывания новых волоконно-оптических кабельных линий при наращивании сетей связи, существенно увеличивают временные сроки и стоимость таких работ, особенно, в городских условиях [ 1 ]. В местах с развитой инфраструктурой, большой плотностью застройки в качестве альтернативных ВОСП аппаратных решений используются беспроводные радиорелейные ЛИНИИ связи (РРЛС) или открытые атмосферные оптические системы передачи (АОСП).
Вопросы, связанные с лицензированием рабочих частот для РРЛС, на сегодняшний день представляют большую проблему, а в некоторых регионах практически исключают возможность наращивания инфокоммуникационных систем за счет таких систем АОСП, в отличие от РРЛС, используют нелицензируемый теро-герцовый диапазон частот, обладают высокой помехоустойчивостью к другим видам связи и к радиоизлучениям от специальных объектов, имеют сравнимую с ВОСП скорость передачи
цифровых потоков, высокую защищенность от несанкционированного доступа и низкую стоимость и, поэтому, кажутся более предпочтительными. Однако существенной особенностью АОСП, в свою очередь ограничивающей их широкое использование, является зависимость качества связи от состояния атмосферы.
Негативное влияние на атмосферные каналы (АК) АОСП, проявляющееся в снижении протяженности канала (или в снижении коэффициента готовности линии), оказывают такие факторы, как флуктуации из-за неоднородностей плотности воздуха и рассеяние на частицах аэрозолей (например в тумане) [2]. Техническая зависимость от свойств среды распространения допустимой протяженности А К, определяемой для каждого географического региона из требования обеспечения заданного коэффициента готовности, не позволяет наращивать или строить новые инфокоммуникационные системы на основе АОСП. Операторов связи не удовлетворяют условия выбора — либо построение линий со сравнительно невысокой протяженностью (1-1,5 км), но с заданным коэффициентом готовности, либо, наоборот, использование достаточно протяженных линий связи, но имеющих низкий коэффициент готовности [2].
Обеспечить требуемый коэффициент готовности линии передачи при одновременном увеличении дальности АК возможно за счет усиления и ретрансляции затухающих оптических сигналов по трассе распространения. Подобное усиление сигнала принципиально можно осуществить за счет дополнительного использования по трассе АК существующих однотипных приемо-передоющих модулей (ППМ) АОСП (например, ППМ серии АЯТОиМК производства государственного Рязанского приборного завода [3]). Однако недостатком такого решения является значительное снижение скорости передачи цифровых потоков вследствие двойного оптоэлектронного преобразования оптического излучения в электрический сигнал и обратно в ППМ.
Следовательно, для реализации наиболее удобного в современных условиях техническо-
50
го решения по наращиванию инфокоммуникационных систем на основе атмосферных оптических систем передачи необходимы модули, обеспечивающие усиление оптического сигнала и его последующую ретрансляцию без оптоэлектронных преобразований. Использование подобных модулей по трассе АК позволит снизить зависимость качества связи от состояния атмосферы и, таким образом, обеспечить требуемый коэффициент готовности канала при одновременном увеличении его протяженности и сохранении существующей скорости передачи цифровых потоков.
Предлагается один из возможных способов построения подобного модуля усиления и ретрансляции оптических сигналов, схемотехническое решение которого отличается тем, что основано на использовании широко применяемых в ВОСП компонентов. В этом случае существенно снижаются финансовые расходы, связанные с разработкой, производством и внедрением новых устройств. За счет типизации схемы и реализованного принципа агрега-тивности [Л], разработанный модуль усиления и ретрансляции оптических сигналов для атмосферных оптических систем передачи имеет низкую стоимость.
Обоснован элементной системы модуля.
Рассматриваемый модуль усиления-ретрансляции для АОСП может бьль построен на основе существующих усилителей оптического излучения, используемых в ВОСП.
Известны пять типов оптических усилителей (ОУ) ВОСП, обеспечивающих усиление оптического сигнала без оптоэлектронных преобразований [5]. Они реализуют принцип индуцированного излучения, не способны производить регенерацию огтяеского си пн ала и в равной степени усиливают как входной сигнал, так и шум
Так называемые ОУ на волокне с бриллюэ-новским рассеянием обладают узким усиливаемым спектром, а усилители на волокне, имеющие романовское рассеяние (51 обладают широким спектром усиления, но низким КПД и вы-
Т-Сотт #2-2011
А\
У
сок ой стоимостью. ОУ Ф обри-Перо [5] имеют ВЫСОКИЙ коэффициент усиления В очень уЗКОМ, но широко перестраиваемом спектральном диапазоне, но кил присущ и существенный недостаток — высокий уровень собственного шума.
Недостатком полупроводниковых лазерных ОУ [5] является низкий КПД Увеличить КПД можно, поставив между входящим волокном и октивной средой линзу, но это приводит к усложнению конструкции и увеличению ее стоимости.
Поэтому функцию усиления оптического сигнала в рассматриваемом модуле беспроводной атмосферной связи предлагается выполнять посредством использования усилителя на примесном волокне. Активной средой усилителя является сдномодовое волокно, сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов. Такие ОУ усиливают световые сигналы без оптоэлектронных преобразований в широком спектральном диапазоне, причем, с достаточно высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума, вследствие чего и являются ключевыми элементов в технологиях полностью оптических сетей. Технические характеристики подобных усилителей во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн усиливаемою оптического сигнала. Например, ОУ ЕОРД в котором используется кремниевое волокно, легированное эрбием усиливает опт^еские сигналы с длинами волн от 1530до 1560 нм.
Известно, что большинство современных АОСП работают в двух "окнах прозрачности" с донами волн 780-850 нм и 1520-1600 нм, но более продуктивнь** для использования в атмосферных сетях связи считается второе "окно". Таким образом, закономерным является вывод о целесообразности построения рассматриваемого модуля усиления-ретрансляции на основе ОУ Е0РА
Также необходимо отметить, что данные усилители обладают низкой чувствительностью к изменению поляризации сигнала, низким уровнем шума и практически полным отсутствием переходных помех на выходе.
Описание модуля. Структурная схема предлагаемого модуля представлена на рис 1. Модуль состоит из двух иденл-иных приемо-пе-редаюших блоков, содержащих приемную антенну (ПрмА), ОУ передающую антенну (ПрдА) и блоки согласования приемного и передающего трактов (БСпрм, БСпрд), соединенных с по-моад>ю одномедового оптоволокна.
Двухапертурная приемная оплмеская антенна предназнсмена для приема слабого оптического сигнала на два разнесенных в прост-
ранстве приемных объектива, обеспечивающих прием из разных участков волнового фронта на одно фотоприемное устройство (ФУ). Такое построение приемной антенны позволяет снизить амплитудную нестабильность принимаемого сигнала из-за воздействия атмосферы не менее чем на 5 дБ по сравнению с приемом на один объектив такой же эквивалентной площади
Блоки согласования предназначены для согласования принятого сигнала с входом усилителя или усиленного сигнала с входом антенны. Введение в схему структурно вьделенных блоков согласования обусловлено требованиями агрегативности, так как в этом случае обеспечивается унификация и стандартизация при-емо-лередающих модулей предлагаемого устройства.
Оптический усилитель обеспечивает усиление принятого сигнала до уровня, необходимого для последующей передачи в АК АОСП. Эр-биевый оптический усилитель ЕРРА работоспособен при длине волны оптических сигналов от 1530 до 1560 нм, что соответствует рабочей длине волны АОСП, построенных на устройствах АЯТОиЫК М2ЕЕ1 с длиной волны лазера накачки 980 нм [3). К достоинствам Е0РА также относятся низкая чувствительность к изменению поляризации сигнала, низкий уровень шума и практически полное отсутствие переходных помех на выходе усилителя.
Трехапертурная передающая антенна обеспечивает передачу усиленного оптического сигнала в АК АОСП. Наличие в передающем тракте трех передающих апертур увеличивает выходную мощность и уменьшает влияние интерференционной нестабильности волнового фронта когерентного излучения из-за неод-
П
уаитат. ЕОГА
Приемопередающий блок 1
К
ьс
л ррд
Пюа
породностей в атмосфере.
Принцип работы модуля ретрансляции оп-тумеских сигналов состоит в том, что принятый двухапертурной приемной оптической антенной (ПрмА) слабьй оптический сигнал через блок согласования тракта приема (БСпрм) посредством оптического волокна вводится в ОУ, где происходит его усиление до уровня, необходимого для последующей передачи. Усиленный таким образом оптический сигнал оптоволокном вводится в блок согласования тракта передачи второго приемопередающего модуля (БСпрд) и посредством трехапертурной передающей антенны (ПрдА) транслируется в АК АОСП.
Предполагается, что приемопередоющие блоки модуля ретрансляции оптического сигнала размещаются в разных корпусах и имеют независимое друг от друга крепежно-монтажное оборудование. Это позволяет при проектировании АК огибать препятствия по пути оптического луча, что существенно снижает требования к выбору места установки АОСП, особенно, в городских условиях.
4. Расчет протяженности АК АОСП, использующих разработанный модуль. С целью достижения требуемой протяженности АК с заданным коэффициентом его готовности необходимо рассчитать места для расположения предлагаемых модулей. Для этого придется учитывать не только технические характеристики рассмотренного модуля, но также вопросы согласования интегральной функции распределения километрического затухания (ИФР-КЗ) инфракрасного излучения в атмосфере донного географического региона с энергетическими ресурсами аппаратуры АОСП в целом
Приемопередающий блок 2
а
Отичеао-к усилить Е0РА
Г
1 ьс і
КЖ» )
ч. А
&«.!. Схема модуля усиления и ретрансляцій оптических сигналов
Т-Сотт #2-2011
51
Л
У
Энергетические характеристики аппаратуры являются паспортными данными изделия. Для определения ИФР-КЗ региона требуется усреднение экспериментальных данных по метеорологической дальности видимости (МДВ) в течение 3-5 лет. Согласно [6] условие доступности АОСП имеет вид
И)
где А — энергетический ресурс аппаратуры, определяющийся, как разность между мощностью передатчика (либо сумой мощностей передатчиков, если передающий тракт состоит из нескольких передатчиков) и чувствительностью приемника;
РОБЩ — потери на трассе длинной I составляющие сумму потерь, обусловленных рассеиванием и поглощением света (Р,) и потерь за счет расходимости (Р2), которые определяются соотношениями:
1-АК
Р = ІХІ.
Р ;=20і£
( /Аасх \ V ^ ирм /
а/. +
201,
V “ПР
^ РКНХ - Рщ
с
ППМ Д VI ППМ
Лс. 2. Схема АК АОСП с разработанным модулем усиления-ретрансляции (МОУ)
ветственно, Рцухус=17 дБм иРвхсигн=-32дБч
(2)
(3)
где С—постоянный коэффициент, равньй 13 дБ;
^^мдв) ” ФУ^иия МДВ, значение которой определяется в работе [2].
Приведенная методика расчета протяженности АК может быть использована для определения мест для расположения предлагаемых модулей усиления-ретрансляции. Рассмотрим пример росчета протяженности АК, состоящего из двух усилительных участков (рис. 2). В этом случае условие (4) трансформируется в следующие неравенства;
а/., +2()1е
р
<РМ
-Р*,<
а — величина киламетрического затухания оптического сигнала в ат-мосфере;
Фрасх — Угол расходимости лазерного излучения;
^прм “ Диаметр линзы приемного устройства.
Окончательно условие доступности АОСП примет вид
V )
(6)
(7)
(4)
Расчет величины киламетрического затухания а, зависящей от климат*неских условий региона и рабочей длинны волны АОСП осуществляется, исходя из требования обеспечения заданного коэффициента готовности АК. Однако а также содержит и вероятностную составляющую. Вероятность того, что а не превысит некоторого порогового значения, при котором соотношение (4) не выполнится, можно определить, используя ИФР-КЗ. Так как метеорологические донные в аэропортах и на метеостан-и>«х ведутся на длине волны ^ то
при этом придется пересчитывать статистику МДВ в ИФР-КЗ для рабочей длины волны А,р АОСП следующим образом:
где I] и Ц — протяженности первого и второго участков АК соответственно;
Рпрм — пороговая чувствительность;
Рц^сигн —уровень входного ситала модуля усиления-ретрансляции, соответствующий известному для ОУ использованного в модуле, уровню входного сигнала;
Рвухус выходная мощность модуля, определяемая по уровню выходного сигнала ОУ, использованного в модуле, откуда и находятся протяженности учостков АК.
Например, были проведены численные расчеты для следующего случая:
— выбрана АОСП на основе ППМ Айойпк модели М2 [31 имеющих следующие технические характеристики: оптическая выходная мощность равна 25 дБм, Рпрм = -40 дБм, Фрдсх ~ 0,3 мрод А.р=1550 нм, ^=0,088 ч
— предполагалось, что в модуле усиления-ретрансляции используется ОУ ЕЭРА типа ЕА 63600, имеющий два каскада усиления и, соот-
а параметры огттичесхои части модуля аналогичны параметрам ППМ АПоЬпк модели М2;
— использовалась статистика МДВ по г. Новосибирску, охватывающая период измерений за 10 лет [6].
Для коэффициента готовности линии передачи 0,998 величина километрического затухания оптического сигнала в атмосфере составила а =56,88 дБ/км. На основании этих данных найдены расчетные значения протяженностей учостков I], Ц и общая протяженность АК 1АК, а также для тех же исход ных данных выполнено сравнение со случаем, когда в АОСП не используется предлагаемый модуль усиления-ретрансляции (см. таблицу).
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод что использование подобных модулей по трассе АК АОСП позволит снизить зависимость качества связи от состояния атмосферы и, таким образом, обеспечить требуемый коэффициент готовности канала при одновременном увеличении его протяженности и сохранении существующей скорости передачи цифровых потоков.
В то же время следует отметить, что накопление шума ограничит возможное количество модулей по трассе АК и, соответственно, потенциально возможную его протяженность. Шумы каждого каскада усиливаются в ОУ последующих каскодов, где снова добавляются шумы спонтанного излучения. На основе выводов, представленных в работе [5], можно получить соотношение для величины "сигнал/шум" при длине волны излучения 1550 нм:
(5)
Протяженности участков (м)
АСОП с использованием молуля АСОП бсч исиолмонами*
усиления-ретрансляции (рис. 2) модуля
А ^•лк ^•ЛК
840 840 1680 960
52
Т-Сошт #2-20)
Л
Y
о*лг. (8)
где Рс — мощность сигнала на выходе модуля усиления-ретрансляции; д — коэффициент усиления ОУ модуля; Ы— количество модулей усиления-ретрансляции, которое позволит определять возможное количество модулей по трассе АК данного географического региона
Использование рассмотренного технического решения целесообразно в местах с развитой инфраструктурой и большой плотностью застройки.
Литература
1. Гринфюад Д. Оптические сети. — К.: ОООТИД-ДС", 2002.
2 Павлов НМ. Коэффициент готовности атмосферного канала АОЛП и метода его определения
// ФотонЗсслресс-Наука, 2006. — №6. — С.78-90.
3. Ьвр/Длллу.дгрг.ги.
4. Рекомендации по фимененио беспроводной и+фракрасной технолога на местных сетях взеи-моувязаиюй сети связи России — Р 45.16-2002.
5 Убакцуплаев РР. Волокоию-отичесхие сети — М.: Эко-трендз, 1998.
6 Палвюо* СВ, Итогов АЛ. Определение дистанции атмосферного канала связи с заданным коэффициентом готовности для г. Новосибирска// Вестник СибГУГИ, 2009. - №4. - С73-82.
The module of amplification and relaying of the optical signals for the free space optics
Scherban I.V., Krivosheev G.V., Scherban O.G.
The deficit of the free space optics (FSO) is the dependence of admissible length of ire atmospheric channel from properties of the propagation medium. The module of amplification and relaying of the optical signals is used in order to lower dependence of communication quality FSO from an atmosphere condition. The feasibility of foe practical realization of ihe method suggested has been examined on the numerical example.
Key words:
Free Space Optics (FSO), the factor of line avoiabtfty, the optical amplfier, meteorological range of visibility.
References
1 .GrinfW D. Opticheskieseti. К:. ООО"TID" DS ", 2002 .
2 . Pavlov N.M. Koefffcient gotovnosti atmosferrvogo kanolo AOLP i metody yego opredelentya / / Foton — Ekspress — Nauka. 2006 god. № 6. S. 78-90.
3. hip://www.grpzLru.
4 . Rekomendatsii po primeneniyu besprovodnoy inbalaasnoy tehno — log! na mesJnyh sefyah vzaimouvyazan-noy seti svyazi Rossii. R 45.16-2002.
5. Ubaydullaev R.R. Vbiokonno — opticheskie seti. M.: Eko — trendz, 1998.
6 . Polyanskiy S.V., Ignatov AN. Opredelenie distantsii afmosfemogo kanala svyazi s zadannym koeffitsientom gotovnosti dya g. Novosfcirska / / VesJnik SbGUTI. 2009 god. №4. S. 73-82.
'Ломоносов" вновь признан самым мощным суперкомпьютером СНГ
Компания Т Платформы', распространила информсн#1ю о том, что суперкомпьютер "Ломоносов", мощностью 510 Тфлопс, установленный! в Московском 1осудорстве»*юм Университете им. Ломоносова, вновь подтвердил первое место в Ър50 — рейпмге салл>1х моимях суперко^ьютеров России и СНГ Список Тор50 (14-я редакция) был анонсирован 29 марго в ходе научной конференции "Параллельные вычислительные технологии" (ПАВГ2011). Рейтин- 1ор50 (ууу№5ирегсотри1егслт) является совместным проектом Межведомствеиюго суперкомгъютерного центра и Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ им Ломоносова. Он существует с мая 2004 г. и включает 50 наиболее мощных компьютеров СНГ.
Создание суперкомпьютера “Ломоносов" обусловлено необходимостью проведения научно-практических исследований, для которых существующих мощностей было недостаточно. Первая версия суперкомпьютера создана в 2009 г., в 2010 г. производительность "Ломоносова" увеличена с 420 до 510 триллионов операций в секунду. Сегодтя возможности суперкамгъютерного комплекса Московского (осударственного Университета, основу которого составляет суперкомпьютер "Ломоносов", используют более 250 научных групп, многие институты РЬссийской академии наук (РАН) и различные органиэа^и России Применение суперкомгъютерных моицостей необходимо для проведения фундаментальных исследований в мапмтной гидродинамике, гидро и аэродинамике, квантовой химии, сейсмисе, компьютерном моделк^хэвании лекарств, геологии и науки о материалах, нанотехнологиях, криптографии и многих других.
"Ломоносов" позволил решить ряд важных задач для аэрокосмической и атомной отраслей России Для Ракетно-космической корпорации "Энергия" им Королева были проведены расчеты обтекания космического корабля "Орион" при торможении и посадке. Дртые исследования были ранее невозможны при причте отсутствия необходимых вычислительных мощностей. Впервые решена задача росчета массотеплообмена для ядврного реактора, разрабатываемого Опытным Конструкторским Бюро Машиностроения им Африкантова Тсжже на суперкомпьютере "Ломоносов" специалистами Научно-образовательного центра “Поиск, разведка и разработка месторождений углеводородов" Московского Государственного Миверситета им Ломоносова и российской компании “ГЕОЛАБ" решается рад задач по обработке сейсмических данных "Ломоносов" применяется научными сотрудниками механико-математического факультета МГУ и Института прикладной математики им Кедаь*иа РАН для различных науччых исследовали
"Мы продолжаем укреплять позиции на отечественном рьике суперкомпьютеров' по данным новой редакции рейтинга Тор50, доля решений "Т-Платформ" составляет более 34% от сукмиарной производительности поставленных систем Да>«ые показатели демонстрируют конкурентоспособность наших решений и высоки* уровень используемых технологий Убежден, что с развитием российского рьика наша доля будет увеличиваться пропорционально", — сказал Всеволод Опанасенко, генеральный директор группы компаний Т-Платформы".
T-Comm #2-2011
53
л
