22. Відкриті оптичні системи зв’язку в телекомунікаційних мережах(11 леция).

Открытые оптические системы доступа (ООСД), рассчитаны, как правило, для связи между двумя объектами - система "точка-точка". Однако возможны и более сложные решения, например системы предназначенные для подключения группы пользователей к базовой станции или для создания ячеистой структуры сети (рис.1.1).

Рисунок 1.1 - Ячеистая сеть на основе ООСД

Каждая ячейка сети на основе электрических кабелей (как правило это витая пара), через коммутатор КМ подсоединяется к cистеме оптического доступа. ООСД состоит из оптических передающего (ОПУ) и приемного (ОПРУ) устройств с оптическими антеннами, обеспечивающими концентрацию оптического излучения в заданном направлении.

Возможно построение ООСД с одной оптической антенной. В этом случае каналы передатчика и приемника должны быть мультиплексированы. Мультиплексирование возможно осуществить как до преобразования на оптическую несущую, так и после. В оптическом диапазоне мультиплексирование реализуется как правило методом частотного разделения каналов ЧРК, которое в оптическом диапазоне получило название спектрального разделения СРК. Для выполнения операции СРК применяют дифракционные решетки или другие оптические устройства разделения.

Наземные ООСД точка - точка обеспечивают дальность единицы и десятки км.

Выпускаются ООСД для подключения к локальным сетям по протоколу Fast Ethernet 100 Base FX с волоконно-оптическим интерфейсом, обеспечивающие скорость 100 Мбит/с.

Одним из применений ООСД является ее использование в качестве сегментов сетей кабельного телевидения. Распределительная станция сети кабельного телевидения с помощью ООСД обеспечивает доступ к отдельным зданиям территориально распределенных вокруг станции. Внутри зданий используется типовое оборудование сетей кабельного телевидения на коаксиальных кабелях. В таких гибридных сетях достаточно предоставлять скорость ООСД в 100 Мбит/с, что реализуется достаточно простыми и экономичными ООСД, которые быстро развертываются в условиях городской застройки. Одно из преимуществ такой сети в сравнении с кабельной инфраструктурой - отсутствие работ по прокладке кабелей на территории города. Сеть на основе ООСД в этом случае имеет радиально-звездообразную топологию. Расстояния для ООСД невелики и составляют сотни метров. Такие ООСД работают устойчиво даже в условиях сильного тумана, дождя или снегопада.

Возможно применение ООСД инфракрасного диапазона для обеспечения доступа отдельных компьютеров к точкам доступа в офисе по аналогии с беспроводной технологией радиодиапазона IEEE 802.11. Однако распространению такой беспроводной оптической технологии препятствуют трудности возникающие из-за прямолинейного распространения света и возможного появления непрозрачных объектов между передающими и приемными устройствами в процессе эксплуатации.

ООСД для связи с космическими объектами могут обеспечивать дальность связи в десятки тысяч км. Например, такие ООСД могут передавать информацию между спутниками или между спутниками и самолетами. В этом случае, особенно для высоколетящих объектов, влияние атмосферы несущественно.

Открытые оптические системы доступа - системы FSO (Free Spase Optic) в сравнении с системами доступа на кабельных линиях обладают такими качествами как :

• невосприимчивость к электромагнитным помехам;

• высокая скорость передачи;

• низкая удельная себестоимость бита передаваемой информации.

В отличие от систем беспроводного радиодоступа стандарта IEEE 802.11 системы ООСД могут обеспечивать высокие скорости передачи, примерно такие же, как первичные транспортные сети на оптических кабелях. Это скорости порядка 622 Мбит/с и даже нескольких Гбит/с. Таким образом область применения ООСД - это системы локального доступа и построение магистральных сетей, которое в настоящее время представлено двумя технологиями: проводных оптических сетей и радиорелейных линий (РРЛ). Если сравнивать РРЛ и системы ООСД по стоимости развертывания, то выигрыш для ООСД составит примерно 2-3 раза.

Существует несколько окон прозрачности атмосферы. Как правило в ООСД используют спектральный диапазон ближнего инфракрасного излучения ИК (λ = 0,4 - 1,4 мкм).

В последние годы повысился интерес к окну прозрачности в среднем ИК диапазоне (λ = 8 - 12 мкм). Это связано с разработкой мощных в сотни Вт лазеров на базе СО₂ на длину волны λ ~ 10 мкм.

Основным режимом работы источников оптического излучения в цифровых системах связи является модуляция оптического излучения по мощности в режиме ключа (включен - выключен). В связи с этим, в случае использования во входных сигналах разнополярных кодов, следует преобразовывать их в однополярные. Кроме того форма импульсов должна быть прямоугольной. Все это откладывает отпечаток на структуру оптического передающего устройства.

На рисунке 1.2 объединение каналов выполнено в электрическом диапазоне с помощью мультиплексора МП.

Рисунок 1.2 - Структурная схема оптического передающего устройства с

мультиплексором каналов в радиодиапазоне

Оптическое передающее устройство с мультиплексором каналов в радиодиапазоне (рис.1.2) предназначено для передачи n - сигналов от источников, работающих по различным стандартам, например от телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети, станции приема телевизионных каналов.

В качестве источника оптического излучения могут использоваться различные виды лазеров: полупроводниковые, газовые, твердотельные или светодиоды. Для коротких линий в основном применяются полупроводниковые лазеры и светодиоды, имеющие небольшие мощности излучения сотни мВт, единицы Вт. Для передачи информации на большие расстояния используются мощные газовые лазеры в десятки и сотни Вт. Мощные лазеры достаточно громоздки в сравнении с полупроводниковыми и требуют мощных источников электропитания. КПД твердотельных и газовых лазеров низок. Например у ряда твердотельных лазеров он составляет единицы процентов.

Источники оптического излучения можно разделить на две группы: с внутренней и с внешней модуляцией. Для реализации внешней модуляции требуется дополнительное устройство - внешний модулятор: электрооптический, магнитооптический или акустооптический. Такие модуляторы работают при достаточно высоких значениях амплитуд управляющих сигналов. Источники оптического излучения с внутренней модуляцией наиболее просты в использовании и не требуют высоких амплитуд модулирующих сигналов.

В случае мультиплексирования каналов в оптическом диапазоне схема передающего устройства может иметь вид, представленный на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Структурная схема оптического передающего устройства с оптическим мультиплексором

В отличие от рисунка 1.2 в каждом канале используется источник оптического излучения со своей рабочей длиной волны λ_i.

Двум схемам оптических передающих устройств соответствуют две схемы оптических приемных устройств (ОПРУ): с мультиплексором в радиодиапазоне (рис.1.4) и с оптическим мультиплексором (рис.1.5).

Оптическое излучение поступает в оптический приемник через оптическую антенну ОА, фокусирующую попадающую на нее оптическую энергию на площадку фотодетектора. Каскад фотодетектора ФД детектирует оптический сигнал, преобразовывая его в электрический сигнал. В качестве фотодетекторов применяются как фотодетекторы без электронного умножения детектированного тока, так и с умножением.

Слабый сигнал после фотодетектора требует усиления. Поэтому обязательным элементом оптического приемного устройства является усилитель электрических сигналов УС.

В зависимости от назначения оптического приемного устройства и условий его работы разработаны различные схемы усилителей для ОПРУ.

Наиболее известны три разновидности таких усилителей: с низким, высоким входным сопротивлением и трансимпедансные усилители.

В связи с возможными искажениями переданных прямоугольных импульсов для восстановления формы импульсов в системе после усилителя ставят пороговое устройство ПУ. Для разделения каналов используется демультиплексор ДМП соответсвующего типа. Если в передающем устройстве для объединения каналов использовался метод ВРК, то такой же метод положен в основу работы ДМП. Сигналы с выходов ДМП поступают на входы блоков преобразования сигналов БПР_i. Эти блоки обеспечивают нормальную работу с терминалами, работающими по различным стандартам, преобразуя сигналы к соответствующему виду, определяемому стандартами терминального оборудования.

Рисунок 1.4 - Структурная схема оптического приемного устройства с мультиплексором каналов в радиодиапазоне

Если в передающем устройстве применено оптическое мультиплексирование каналов (рис.1.3), то приемное оптическое устройство строится по схеме, где используется оптическое демультиплексирование каналов. Оно осуществляется с помощью оптического демультиплексора ОДМП. Оптические сигналы различных длин волн подаются на фотодиоды для детектирования. Все каналы обработки оптических сигналов аналогичны и состоят из каскадов фотодиодов ФД, усилителей УС, пороговых устройств ПУ и блоков преобразования сигналов БПР. Сигналы с выхода блоков БПР поступают на терминалы, работающие по различным стандартам.

Рисунок 1.5 - Структурная схема оптического приемного устройства с оптическим мультиплексором

Важнейшее свойство беспроводной оптической связи - высокая степень защищенности канала от несанкционированного доступа. Это является следствием самой природы лазерной передачи сигнала, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно - в силу острой направленности луча и применения уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. Тем не менее для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах - обращения волнового фронта, анализа изменения принимаемого сигнала и др., что еще больше повышает защищенность канала связи.

Системы связи, работающие в инфракрасном диапазоне, не нуждаются в получении разрешений на использование частот, так как не относятся к сфере радиосвязи и не подпадают под действие регламентирующих документов.