Главная
страница 1страница 2 ... страница 5страница 6


Министерство образования и науки Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(государственный университет)


ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И КИБЕРНЕТИКИ

Кафедра Инфокоммуникационных Систем и Сетей

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

студента 417 группы

Головина Алексея Владимировича

Научный руководитель

Вишневский В.М., д.т.н.


г. Москва

2010

Содержание

1. Введение 3

1.1. Технология АОЛС 3

1.2. Обзор современного рынка FSO-оборудования 6

1.3. Гибридное радио-оптическое оборудование 10



2. Постановка задачи и описание модели 14

2.1. Постановка задачи 14

2.2. Описание модели гибридной радио-оптической телекоммуникационной системы 15

3. Математическое моделирование 18

3.1. Стационарное распределение вероятностей состояний системы 18

3.2. Матрично-аналитический метод вычисления стационарных вероятностей 25

3.3. Условие существования стационарного режима 30

3.4. Характеристики производительности системы 32

3.5. Алгоритм и компьютерная программа расчёта 35

3.6. Примеры численных расчётов 38

4. Имитационное моделирование 47

4.1. Описание имитационной модели и компьютерной программы 47

4.2. Примеры численных расчётов 49

5. Заключение 53

Список использовавшихся источников 55

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

Приложение 2. Java-код программы расчёта 57

1. Введение

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

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

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

К основным преимуществам атмосферных оптических линий связи можно отнести:

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

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

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

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

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

Скорость и простота развёртывания FSO-сети.

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

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

● необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приёмником;

● ограниченная дальность связи.

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



1.2. Обзор современного рынка FSO-оборудования

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



  • Мостком (Рязань),

  • Оптические ТелеСистемы (Санкт-Петербург),

  • Лазер Ай-Ти-Си (Екатеринбург).

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

  • fSONA (Канада),

  • LightPointe (США),

  • Canon (США),

  • MRV (США),

  • CBL (Германия),

  • PAV Data Systems (Великобритания),

  • CableFree (Великобритания),

  • Terabeam Wireless (США),

  • AirLinx (США).

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

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





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

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

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

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

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

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

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

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



Производитель

Торговая марка

Макс. скорость передачи

Макс. рабочая дистанция

Кол-во излуч. лазеров

Авто-трекинг

Резерв. радио-канал

Мостком

Artolink

100 – 1000 Мбит/с

400 – 7000 м

1 – 3

есть

есть

Оптические ТелеСистемы

БОКС (ЛАНтастИКа)

8 – 1000 Мбит/с

600 – 1800 м

1 – 2

нет

нет

Лазер Ай-Ти-Си

ОСС

2 – 1250 Мбит/с

400 – 2500 м

1

нет

есть

fSONA

SONAbeam

50 – 1600 Мбит/с

2600 – 7700 м

2 – 4

нет

нет

LightPointe

FlightStrata, FlightLite, AireLite, FlightExpress, FlightSpectrum

8 – 1485 Мбит/с

200 – 5600 м

1 – 4

есть

есть

Canon

Canobeam

156 – 1485 Мбит/с

500 – 2000 м

1

есть

нет

MRV

TereScope

100 Мбит/с – 10 Гбит/с

350 – 4000 м

1 – 3

нет

есть

CBL

AirLaser, LaserLink

8 – 1250 Мбит/с

300 – 2000 м

1 – 4

нет

есть

PAV Data Systems

SkyCell, SkyNet, PAVLight, PAVExpress

2 – 1000 Мбит/с

200 – 4000 м

1

нет

нет

CableFree

CableFree

100 – 1500 Мбит/с

200 – 4000 м

1

нет

нет

Terabeam Wireless

TeraOptic

125 Мбит/с

1000 м

1

нет

нет

AirLinx

UniFSO

100 – 155 Мбит/с

250 – 3000 м

1

нет

есть

Таблица 1: Обзор FSO-оборудования разных производителей

1.3. Гибридное радио-оптическое оборудование

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





Рис. 2: Влияние погодных условий на дальность оптической связи

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





Рис. 3: Коэффициент доступности гибридного канала связи

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

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


Производитель

Модель оборудования

Скорость оптического канала

Скорость радио-канала

Тип радио-канала

Макс. рабочая дистанция

Мостком

ARTOLINK

M1 FE-R


100 Мбит/c

6 – 28 Мбит/c

Wi-Fi (5.2 – 5.8 ГГц)

7000 м

Лазер Ай-Ти-Си

ОСС1-Ethernet 100 РОД

100 Мбит/c

100 Мбит/c

MMW

(75 ГГц)


2500 м

LightPointe

FlightStrata 100 XA

100 Мбит/c

72 Мбит/с (Half Duplex)

Wi-Fi (5.47 – 5.85 ГГц)

5000 м

MRV

TereScope Fusion

100 Мбит/с

1000 Мбит/c



10 – 20 Мбит/c

Wi-Fi (2.4 ГГц)

4000 м

CBL

AirLaser IP 100

125 Мбит/c

4.5 Мбит/c

в спец-ции не указано

2000 м

AirLinx

UniFSO100/155

100 Мбит/c

155 Мбит/c



5 – 20 Мбит/c

Wi-Fi

3000 м

Таблица 2: Обзор представленных на рынке моделей гибридных

FSO-RF-систем

Из представленных выше гибридных решений наибольшую пропускную способность резервного радиоканала – 100 Мбит/c – имеет модель компании «Лазер Ай-Ти-Си». В то же время, ввиду использования миллиметрового радиодиапазона, данное решение имеет относительно небольшую для гибридов максимальную рабочую дистанцию – всего 2500 м, а его стоимость увеличивается (по сравнению с обычными FSO-системами) почти в два раза. При этом само оборудование представляет собой два раздельных устройства – отдельно оптический блок, и отдельно радиорелейный, что усложняет монтаж всей системы.

Остальные же модели-гибриды, основанные на Wi-Fi технологии, имеют относительно невысокую скорость резервного канала, обычно не превосходящую 20 Мбит/c. Особого внимания заслуживает гибридная система ARTOLINK M1 FE-R производства компании «Мостком», в которой используется специально откалиброванное оборудование на базе Wi-Fi радиомаршрутизаторов RAPIRA (диапазон 5.2 – 5.8 ГГц) со специализированным программным обеспечением. Такое решение обеспечивает полнодуплексную скорость передачи данных в резервном канале до 28 Мбит/с (при канальной скорости 108 Мбит/с), а также возможность плавного снижения скорости и практически отсутствующее время переключения между каналами.

Но в любом случае таких пропускных способностей недостаточно для резервирования высокоскоростного (например, гигабитного) оптического канала связи, что делает проблематичным использование данных решений требовательными операторами связи.


следующая страница >>
Смотрите также:
Разработка и исследование
806.11kb.
6 стр.
Исследование и разработка некоторых графических алгоритмов
602.24kb.
6 стр.
Исследование профессий, занимающихся созданием имиджа кого-либо, чего-либо. Разработка проекта «Успешная школа успешный выпускник»
23.77kb.
1 стр.
Исследование и разработка методов построения и кэширования веб-приложений
25.77kb.
1 стр.
"Разработка и исследование системы дополненной реальности с поддержкой распознавания жестов в режиме реального времени"
687.99kb.
14 стр.
Разработка и исследование системы связи на основе полупроводникового оптического квантового генератора
34.7kb.
1 стр.
Исследование и разработка информационной системы формирования и управления интернет-ресурсом по планетной картографии
222.23kb.
1 стр.
Разработка и исследование стартерных электродвигателей с повышенными пусковыми свойствами при низких температурах
328.19kb.
1 стр.
Разработка и исследование методов геометрической коррекции и фотограмметрической обработки материалов воздушной нестабилизированной гиперспектральной съемки
227.61kb.
1 стр.
Методическая разработка урока географии в 6 классе Тема : Тема: Реки. Воды суши. Изучение нового материала. Урок-исследование
70.8kb.
1 стр.
Разработка структуры и содержания лекционных, лабораторных и практических занятий по дисциплине «Исследование рабочего процесса ракетных двигателей»
33.26kb.
1 стр.
Разработка и исследование интегральных микросхем
764.31kb.
4 стр.