Расчет интенсивности дождя, вызывающего срыв цифровой связи по атмосферному каналу Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАСЧЕТ ИНТЕНСИВНОСТИ ДОЖДЯ, ВЫЗЫВАЮЩЕГО СРЫВ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ ПО АТМОСФЕРНОМУ КАНАЛУ

Абрамова Евгения Сергеевна,

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), г. Новосибирск, Россия, evgenka_252@mail.ru

Мышкин Вячеслав Федорович,

Томский политехнический университет, г.Томск, Россия, gosl00@tpu.ru

Хан Валерий Алексеевич,

Томский политехнический университет, Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН, г.Томск, Россия, nt.centre@mail.ru

DOI 10.24411/2072-8735-2018-10274

Ключевые слова: линия связи, атмосферный канал, интенсивность дождя, ослабление излучения, размер дождевых капель.

В настоящее время в России возобновляется интерес к открытым оптическим линиям связи (ООЛС) в связи с подключением к мировым информационным коммуникациям. ООЛС успешно конкурирует с волоконными оптическими линиями связи (ВОЛС) по временным и финансовым затратам на установление связи. Существенным недостатком ООЛС является зависимость качества передачи информации от метеоусловий на трассе. Рабочие характеристики открытого канала связи определяются средой распространения. Если среда распространения отлична от свободного пространства (космическое пространство) происходит искажение структуры электромагнитной волны. Эти искажения определяются взаимодействием волны с неоднородностями среды. При распространении в атмосфере происходят амплитудные и пространственные искажение структуры лазерного пучка ООЛС, переносящего информацию. Амплитудные эффекты проявляются в виде временных изменений поля, приводящих к уменьшению мощности, флуктуациям мощности и частотной фильтрации излучения и ограничивают дальность связи. Пространственные эффекты проявляются в виде изменения направления распространения и искажения луча в направлении, поперечном фронту волны. Последнее приводит к ограничению скорости передачи информации. Распространение оптического излучения в атмосфере сопровождается широким набором явлений. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По качественным признакам эти явления можно разделить на следующие основные группы: рефракция лучей, поглощение энергии атмосферными газами и аэрозолем, рассеяние энергии частицами аэрозолей и флуктуациями плотности воздуха, флуктуации параметров оптического излучения, обусловленные атмосферной турбулентностью. Приводятся формула для расчета и результаты оценки максимальной интенсивности дождя, выполненных на примере линии связи между различными корпусами СибГУТИ, приводящей к срыву связи.

Информация об авторах:

Абрамова Евгения Сергеевна, доцент кафедры радиотехнических устройств, к.т.н., Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ), г. Новосибирск, Россия

Мышкин Вячеслав Федорович, профессор, д.ф.-м.н., Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

Хан Валерий Алексеевич, в.н.с. лаборатории оптической локации, профессор, д.т.н., Томский политехнический университет, Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН, г. Томск, Россия

Для цитирования:

Абрамова Е.С., Мышкин В.Ф., Хан В.А. Расчет интенсивности дождя, вызывающего срыв цифровой связи по атмосферному каналу // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №6. С. 5-9.

For citation:

Abramova E.S., Myshkin V.F., Khan V.A. (2019) The calculation of the intensity of rain causing digital communication failure through the atmospheric channel . T-Comm, vol. 13, no.6, pр. 5-9. (in Russian)

T-Comm Vol.13. #6-2019

5

СВЯЗЬ

Введение

Технология ООЛС получила широкое распространение в городских условиях. Открытые оптические линии связи (ООЛС) успешно конкурирует с волоконными оптическими линиями связи (ВОЛС) по временным и финансовым затратам на установление связи.

Рабочие характеристики ООЛС определяются параметрами среды распространения. При распространении в атмосфере оптического излучения наблюдаются амплитудные и пространственные эффекты. Амплитудные эффекты проявляются в виде уменьшения и флуктуации мощности. Ослабление ограничивает дальность связи по ООЛС. Пространственные эффекты проявляются в виде изменения направления распространения и искажения пучка в направлении, поперечном фронту волны. Это ограничивает скорость передачи информации.

Существующие решения ООЛС на рынке позволяют получить следующий ряд преимуществ [1]:

1)- быстрое развертывание канала;

2) скрытность и защищенность - перехватить сигнал можно только установив сканеры приемники непосредственно в луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. Отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена:

3) позволяет передавать спектр современных услуг по технологии VoIP, включая доступ в Интернет, подключение [Р-гелефонии, создание беспроводного канала цифрового телевидения (IPTV), видеонаблюдение.

Для ООЛС не требуется прокладки кабелей и разрешений на использование электромагнитных частот. ООЛС также позволяет организовать высокоскоростной беспроводный канал связи в течении нескольких часов (с монтажом и прокладкой кабелей).

Постановка задачи

Bee учебные корпуса и студенческие общежития Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) планируется подключить к цифровой сети связи Интернет. В связи с этим возникает задача выбора проводящей среды: оптическое волокно или открытый атмосферный канал. Средняя цена имеющегося в РФ оптического кабеля (ОК> составляет 13 долл. за I мегр. При использовании подземного ОК необходимо также учесть стоимость работ по прокладке кабельной канализации. К первоначальным затратам относятся также стоимость передающего и принимающего электронно-оптических модулей (ПОМиПрОМ).

Одним из недостатков ООЛС является зависимость скорости передачи информации от метеоусловий на трассе. В настоящее время накоплен обширный материал по решению проблем, возникающих при распространении непрерывного и импульсного оптического излучения в турбулентной атмосфере [2, 3]. Изучены особенности передачи оптического изображения через аэрозольные облака [4]

В связи с этим целью исследований является получение соотношения позволяющее производить необходимые оцен-

ки устойчивости ООЛС, на примере линии связи СибГУТИ. в различных метеорологических условиях.

Теория

Все осадки содержа! частицы, большие чем длина волны оптического излучения. В дождях концентрация капель находятся в пределах 102-Н04 см""', а их размеры находится в диапазоне от 0,01 мм до нескольких мм, водность - до единиц граммов на кубометр, интенсивность - от 0,1 до десятков мм в час. Для подобных частиц выполняется условие геометрической оптики (р»1) во всем рабочем диапазоне ООЛС. Как для частиц дождя, так и снега объемный коэффициент ослабления равен двойному геометрическому сечению частиц.

Существуют оптические цифровые приемо-передающие устройства для создания оптических открытых линий связи. Стоимость комплекта приемопередатчика, включая установку и настройку составляет 2000 долл. Изготовитель гарантирует устойчивую связь на расстояниях до 1 км в широком интервале метеоусловий, включая туманы, дождь, град.

В приемо - передающем устройстве используется излучатель со средней мощностью /о — 200 мВт (при пиковой несколько Вт) на длине волны Л — 0.85 мкм, фотоприемник с пороговой чувствительностью !,,ор = 0.1 мкВт

Результаты Экспериментов

При скоростях передачи информации Гбнт/с основным процессом, ограничивающим максимальное расстояние связи является рассеяние лазерного излучения на каплях воды. Необходимо провести оценку максимальной интенсивности дождя, при различных значениях интенсивности осадков, приводящей к срыву связи по атмосферному каналу связи.

Коэффициент увеличения изображения излучающей, площадки светодиода, вычисляемая из формулы тонкой, линзы, составляет:

k-L

г'

О)

где £ - длинна трассы, Г - фокусное расстояние объектива передающего блока.

Следовательно, в плоскости приемника изображение излучающей площадки светодиода будет иметь размерь!:

0 = (2) где О - размер светового пят на в плоскости приемного блока, - размер излучающей площадки светодиода передающего блока.

Потери мощности излучения за счет рассогласования апертур передатчика и приемника, со световым диаметром 0(„-„ ООЛС составляют:

п =

D

0~

у

(3)

Энергетический потенциал ООЛС можно определить как:

г = I01g

L

•ил

(4)

При использовании ООЛС основной вклад в ослабление излучения вносят осадки. Вероятность появления тумана значительно ниже. Снежинки имеют разнообразные формы и размеры, эффективность взаимодействия которых с лазерным излучением невозможно оценить теоретически. Капли дождя с большой вероятностью имеют сферическую форму. Для таких частиц фактор эффективности взаимодействия С лазерным излучением может быть точно вычислено. Поэтому расчеты проведем для дождей с разной интенсивностью.

Для расчетов будем считать, что водность дождя равномерно распределена по трассе Между передатчиком и приемником. Таким образом, ослабление происходит па частицах, находящихся внутри усеченного конуса объемом )'». Уравнение ослабления излучения частицами, находящимися внутри усеченного конуса на трассе распространения луча, имеет вид [5]/ = /0ехр[-ог-/] , (5)

(6)

где et г) = 2 - фактор эффективности ослабления, S(r) = пг-геоадетрическое сечение капли, Д'х(г) - непрерывная функция распределения капель но размерам.

Массовое содержание воды внутри светового усеченного конуса:

где рн - плотность воды, \'{г) - объем капли.

Объемная плотность воды в атмосферных осадках

Д = V.-

Для описания фунКЦИЯ распределения капель дождя по размерам используется достаточно большое количество выражений [б, 1\

Niir)* 7300 ехр(- 8,6/г-0'31 г) (8)

где радиус капель г выражаются в мм, интенсивность дождя R - мм/час, а вероятностная дифференциальная плотность распределения дождевых капель по размерам М>•} - м 'мм'1.

С учетом выражения для N{r) уравнения (5, ft) будут иметь вид:

а -1 - 7300- lTT-Rnmb "jr ехр(-8.6R ^r)dr

(9)

— = ext

I -imix R™* Jr* ex^bRA,-2lr)jr

■I

(10)

4л

В. - 7300 - j- Rm*ps jri exp(- 8,6/Г""21 r}jr - (U)

Скорость падения капель в вязкой среде имеет вид:

g Г

(12)

где р„ /?,„,„, - плотности воды и воздуха, g - ускорение свободного падения.

За время t через площадку S падает на землю капли диаметром г,-, количество которых равно:

N^hSu^^Mt,

(13)

Объем падающих через площадку 5 капель воды, равная интенсивности дождя за единицу времени, можно вычислить из выражения:

Для расчета по уравнению (10) необходимо вычислить интеграл

~ г/?,:1 2гГ:

8,6 &б:

(15)

Поэтому расчетное выражение (9) будет иметь вид, пригодный для расчета при заданных метеоусловий и расстояний па местности:

litt,

ûr =1 - 7300' 2л-■ р exp(-8M^vr)dr . (16)

7300-2^ Lj^-^Ü

rit"-' 2rtf"~ 1R"" +

S.6

S.6(

(17)

Величины R, rm,„. определяются метеоусловиями, величина I - расстояние между передатчиком и приемником. Известно, что основной вклад в ослабление оптическою излучения вносят капли размерами менее 1 мм, ! 1оэтому можно иеподьзОваТЬ лишь две переменные величины R, I.

Выражение (13) написано для коллимированного луча, а любая ООЛС работает на расходящихся пучках. Например, для российской приемо-передающей системы МОСТ 300/850 (мощность излучателя - 10 Вт, чувствительность приемника - 0,001 мкВт) расходимость составляет 1 мрад. Поэтому праву ¡о часть необходимо умножить на коэффициент. учитывающий уменьшение интенсивности за счет расширения световою пятна.

Обсуждение результатов

Открытая оптическая грасса длиной более 1 км в условиях плохой метеорологической погоды, может вносить существенные искажения в передаваемые сигналы: уширенпе импульсов, дефлекцня луча, низкочастотная модуляция интенсивности, Схема расположения корпусов СнбГУТИ, расположенных в условиях прямой видимости, приведена на рис. !. Приняв пределы интегрирования г,™ = 0,005 мм, - 2,5 мм рассчитаем значения предельной интенсивности дождя R (мм/час), обуславливающие ослабление сигнала (Л - 0,85 мкм) не более чем в 2 10 " раз (с — 0,2 Вт до /5||^ = 0,1 мкВт). Поэтому условие работоспособности ООЛС, имеющейся у СибГУТИ, от величины R может быть выражено условием:

S

м'1

¿хя

I + 731К).:лй"

-ш

8.6

2гдм- | 2R'"'i 8,6: + К.(у

>210

(18)

Д.! я сферических частиц, значительно превышающих длину волны излучения, ослабление Последнего пропорционально количеству частиц, в объеме, опирающейся на выходную апертуру передатчика и входную апертуру приемника.

СВЯЗЬ

THE CALCULATION OF THE INTENSITY OF RAIN CAUSING DIGITAL COMMUNICATION FAILURE

THROUGH THE ATMOSPHERIC CHANNEL

Evgeniya S. Abramova, Siberian state University of telecommunications and Informatics, Novosibirsk, Russia, evgenka_252@mail.ru Vyacheslav F. Myshkin, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia, gosl00@tpu.ru

Valery A. Khan, National Research Tomsk Polytechnic University, V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics Siberian Branch of the Russian

Academy of Science, Tomsk, Russia, nt.centre@mail.ru

Abstract

At present, interest in open optical communication lines (OOLS) is resuming in Russia in connection with connection to world information communications. OOLS successfully competes with fiber-optic communication lines (FOCL) in terms of time and cost for establishing communications. A significant drawback of OOLS is the dependence of the quality of information transmission on weather conditions on the highway. The performance of an open communication channel is determined by the distribution environment. If the propagation medium is different from free space (outer space), the structure of the electromagnetic wave is distorted. These distortions are determined by the interaction of the wave with medium inhomogeneities. When propagating in the atmosphere, amplitude and spatial distortions of the structure of the OALS laser beam transmitting information occur. Amplitude effects manifest as temporary changes in the field, leading to a decrease in power, fluctuations in power, and frequency filtering of radiation and limit the communication range. Spatial effects appear as a change in the direction of propagation and distortion of the beam in the direction transverse to the wave front. The latter leads to a limitation of the speed of information transfer. The propagation of optical radiation in the atmosphere is accompanied by a wide range of phenomena. At the same time, none of these phenomena is manifested separately. By qualitative characteristics, these phenomena can be divided into the following main groups: refraction of rays, energy absorption by atmospheric gases and aerosols, energy dissipation by aerosol particles and fluctuations in air density, fluctuations of optical radiation parameters caused by atmospheric turbulence. The article provides a formula for calculating and the results of estimating the maximum rain intensity, made on the example of a communication line between different buildings of SIBSUTIS, leading to a communication failure.

Keywords: communication line, atmospheric channel, rain intensity, attenuation of radiation, size of raindrops. References

1. Bobkov A.V. (2016). The main advantages of using atmospheric optical communication lines. Materials of the XXth scientific-practical conference of young scientists, graduate students and students of the National Research Mordovian State University N.P. Ogaryova. Saransk, 2016, pp. 265-269.

2. Myshkin V.F., Borisov V.A. (2014). Registration of the stream of laser radiation, scattered on aerosols, in the direction of a probing beam. Actual problems of science. No. 13, pp. 37-39.

3. Orazymbetova A.K., Khan V.A., Aitmagambetov A.Z., Dostiyarova A.M., Lipskaya M.A., Aralbaev Zh. N. (2015). Dependence of the Increase in the Pulse Duration on the Change of the Angle of Optical Radiation Input Into the Optical Fiber at Different Temperatures. Russian Physics Journal. Vol. 58, No. 3, July, pp. 293-296.

4. Bakhtiyarova E.A., Kemel'bekov B.Zh., Bekmagambetova Zh.M., Lipskaya M.A., Chigambaev T.O., Orazymbetova A.K., Ospanova N.A., Mekebaeva A.K., Khan V.A., Mamilov B.E. (2017). Quality of speech reproduction using stochastic digital systems of information transfer with its statistical compaction. Russian Physics Journal. Vol. 60. No. 1, May, 2017 (Russian Original No. 1, January, 2017), pp. 190-195.

5. Zuev V.E. (1981). Propagation of laser radiation in the atmosphere. Moscow: Radio and Communication. 288 p.

6. Kondratyev K.Ya., Marchuk G.I., Bouznika A.A., Minin, I.N., Mikhailov G.A., Nazaraliev M.A., Orlov V.M., Smokty O.I. (1977). The radiation field of a spherical atmosphere. L.: Publishing House of Leningrad State University. 215 p.

7. Malyshenko Yu.I., Roenko A.N. (2008). Function of distributing of raindrops on sizes for millimetric and terahertz of ranges of radio waves. Information processing systems. No. 75(1), pp. 76-84.

8. Zelenyuk Y.I., Ognev I.V., Polyakov S.Yu., Shirobakin S.E. (2002). Influence of weather conditions on the reliability of atmospheric optical communication. Vestnik Svyazi, No. 4, 2002, pp. 136-138.

Information about authors:

Evgeniya S. Abramova, associate Professor of Department of radio engineering devices, Ph. D., Siberian state University of telecommunications and Informatics, Novosibirsk, Russia

Vyacheslav F. Myshkin, Professor, Dr. Sc., National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia

Valery A. Khan, Senior researcher optical location laboratory, Professor, Ph. D., National Research Tomsk Polytechnic University, V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics Siberian Branch of the Russian Academy of Science, Tomsk, Russia