Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
21
2 Бистатические атмосферные и подводные оптические системы
связи
Связь с подводным объектом может включать в себя такие виды связи,
как атмосферные оптические линии сязи (АОЛС) (рисунок 2.1), бистатическая
(АБС) и подводная оптическая связь (ПОС) (рисунок 2.2) или подводная
бистатическая связь (ПБС), например, с использованием гидроакустического
или радиогидроакустического буя с антенной с приемником оптического излучения на верхнем конце, на который может быть послан сигнал для подводного
объекта с использованием АОЛС – АБС – ПБС.
Рисунок 2.1 – Атмосферная оптическая линия связи
Рисунок 2.2 – Подводная оптическая связь
В данной главе проанализированы возможности атмосферных и подвод-
ных оптических систем связи. Приведены результаты и анализ моделирования
бистатических ПОС в водоеме, содержащем частицы диаметром 0,8 мкм и концентрацией 2∙107 см-3.
Результаты по данной главе опубликованы в работах [76, 77, 78, 79, 80,
75].
22
2.1 Атмосферная оптическая связь
Популярность технологий беспроводной связи связана с их
возможностями. Аппаратура для беспроводной связи характеризуется высокой
пропускной способностью, низкой потребляемой мощностью, возможностями
по миниатюризации, экономичностью, быстротой монтажа и простой
конфигурацией линии связи. Одним из видов беспроводной связи являются
открытые оптические системы связи (Free Space Optics – FSO), в которых
оптические сигналы могут распространяться в космическом пространстве,
атмосфере и водной среде. При реализации FSO может использоваться
оптическое излучение с длинами волн от инфракрасного до ультрафиолетового
диапазона [76].
Одним из видов FSO является атмосферная оптическая линия связи
(АОЛС). Оптические системы, использующие АОЛС, также характеризуются
высокой скоростью передачи данных и небольшими капитальными затратами
[81]. Лазерная атмосферная связь между двумя объектами осуществляется
посредством соединения типа «точка-точка». Передатчиком служит мощный
полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в
приемопередающий модуль, в котором сигнал кодируется различными
помехоустойчивыми кодами, модулируется оптическим лазерным излучателем,
фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный
лазерный луч и передается в атмосферу.
Однако всепогодные системы передачи информации по АОЛС до сих пор
не созданы. Излучение при прохождении в любой среде ослабляется. В связи с
этим возможности использования АОЛС сильно зависят от метеоусловий на
атмосферной трассе. Поэтому актуальна разработка методов и приборов для
оптической связи, не чувствительных к величине ослабления сигнала на трассе
АОЛС [81-83].
Один из способов создания АОЛС между двумя пунктами предполагает
установку в пределах прямой видимости на обоих концах канала двух
спаренных приемопередающих устройств, направленных друг на друга [82].
Однако в системах передачи информации с прямой видимостью имеется
возможность перехвата сигнала (рисунок 2.3). При значительной удаленности
друг от друга приемника и передатчика поперечное сечение светового пучка
может превосходить геометрические размеры приемной антенны. Поэтому
часть оптического излучения проходит мимо приемника и может быть
перехвачена. При этом также сохраняется возможность перехвата сигнала,
рассеянного на парах воды или иных аэрозолях, находящихся в области
прохождения пучка, а также возможность несанкционированного ввода
призмы, отражающей часть пучка в направлении приемника [77, 84]. Следует
помнить, что нарушение прямой видимости не позволяет использовать АОЛС
или значительно ухудшает передачу сигнала.
Схема атмосферной оптической линии связи с прямой видимостью, бистатической связи, при несанкционированном подключении: 1 – передатчик, 2,
23
2а, 2б – приемники (2 – АОЛС, 2а – АБС, 2б – несанкционированного подключе-
ния), β – угол расходимости, 3 – призма, 4 – рассеивающая область, 5 – лазерный луч, 6 – рассеянные лучи.
Рисунок 2.3 – Схема атмосферной оптической линии связи с прямой
видимостью, бистатической связи, при несанкционированном подключении
Второй способ создания АОЛС состоит в организации связи на рассеян-
ном (отраженном) от неоднородности (препятствия) потока излучения – технология атмосферной бистатической связи (АБС), представленная на рисунке 2.3
[77].
При реализации АБС увеличивается возможность несанкционированного
съема сигнала. При организации связи, когда передатчик 1 и приемник 2а находятся вне зоны прямой видимости или значительной удаленности приемника и
передатчика при нахождении приемника 2 в зоне прямой видимости, поперечное сечение светового пучка превосходит геометрические размеры самого излучателя 1, часть излучения проходит мимо приемника 2а и может служить источником несанкционированного перехвата. При АБС может быть осуществлен
перехват рассеянного сигнала на парах воды, либо на аэрозолях, рассеивающих
излучение 4 и размещенных в зоне прохождения пучка, а также возможность
перехвата части излучения с использованием призмы 3, отражающей часть из-
лучения в направлении несанкционированного приемника 2б [77].
2.2 Атмосферная бистатическая связь
В зарубежной литературе атмосферную бистатическую связь называют
термином NLOS (Non Line-of-Sight – отсутствие прямой видимости). Этот
термин используется, когда между передатчиком и приемником нет прямой
видимости. В этом случае для связи между передатчиком и приемником
используется несколько путей распространения сигнала. Зачастую информация
в АБС-системах передается с помощью потока рассеянного оптического
излучения.
При организации атмосферного канала связи с помощью излучения
ультрафиолетового (УФ) диапазона длин волн интенсивность молекулярного
рассеяния составляет значительную величину и его можно зафиксировать с
помощью современных фотодиодов (ФД) или фотоэлектронных умножителей
(ФЭУ). С одной стороны, это позволяет создавать линию связи в отсутствие
24
прямой видимости, а с другой стороны, появляется возможность
несанкционированного перехвата потока рассеянного излучения, несущего
сигнал таким же способом. Необходимую чувствительность приемника можно
оценить, используя индикатрису молекулярного рассеяния и закон Рэлея [77].
Для несущей УФ-диапазона определяющее влияние на ослабление вносит
молекулярное рассеяние при метеорологической дальности видимости (МДВ)
более 3 км. К настоящему времени в США разработаны образцы систем АБС
специального назначения ультрафиолетового диапазона, имеющие дальность
связи до 5 км. Экспериментальное подтверждение возможности создания
атмосферных линий связи в диапазоне длин волн от 0,2 до 0,38 мкм было
получено в 1977 г. в ИРЭ АН СССР [94] и затем в России в ИГД СО РАН в
1997 г. [86].
Исследования в России по разработке АБС возобновились относительно
недавно [87]. В 2002 году в ИЛФ СО РАН были созданы и испытаны первые
образцы УФ информационных систем с использованием молекулярного
рассеяния [88].
В настоящее время наиболее активно исследования по разработке АБС в
России осуществляются двумя научными группами: из Новосибирска (ИЛФ СО
РАН, НГТУ, НГУ) [87-90] и Томска (ИОА СО РАН) [91-95]. Также известны
результаты исследований, связанных с возможностью реализации систем АБС,
с оценкой их дальнодействия в воздушной, водной и последовательно в двух
средах (вода – воздух, воздух – вода) распространения оптического излучения
[96-102].
На рисунке 2.4 приведена схема формирования внешних каналов АБС.
Заштрихована область пересечения нерассеянного лазерного пучка и поля
зрения фотоприемника. При этом оптические оси лазерного пучка и приемной
оптической системы находятся в плоскости чертежа, Zh – высота над
горизонтом точки, в которой пересекаются оптические оси источника и
приемника оптического излучений. Ориентация оптических осей задается
углами места θ
s
и θ
d
. Апертуры источника и приемника оптического излучения
обозначены как s и d, а S – отражающая поверхность. В зарубежной
литературе АБС называют Direct NLOS при наличии отражающей поверхности
и Non direct NLOS – при отсутствии отражающей поверхности [76].
К основным характеристикам системы электросвязи в целом относятся:
вероятность ошибочной передачи, среднеквадратичное отклонение вероятности
ошибочной передачи и скорость передачи символов. Каждая из этих характери-
стик зависит как от параметров приемо-передающих блоков, так и геометрических параметров схемы организации внешних каналов АБС: θ
s
, θd,
s
, d, Zh
[103].
Для канала бистатической связи с атмосферным рассеянием более
эффективно использование УФ-излучения, поскольку в нем выше, чем в
видимом и ближнем ИК-диапазонах, сечение рассеяния излучения. Область
спектра с λ<290 нм, кроме того, является «солнечно слепым» из-за поглощения
этой части солнечного излучения озоном в верхних слоях атмосферы.
25
Минимальный уровень фона солнечного излучения соответствует длине волны
λ=250 нм. В области длин волн больше 280 нм интенсивность солнечного
излучения быстро увеличивается. Благодаря этому в диапазоне длин волн 200280 нм возможна регистрация сигналов, переносимых слабым оптическим
потоком. Следовательно, можно передавать данные при более низкой
мощности оптического потока, чем в инфракрасных каналах [104].
Рисунок 2.4 – Схема формирования внешних каналов АБС [112]
Основные принципы построения бистатических лазерных линий связи с
использованием рассеяния изложены во многих работах, например, [102, 104].
В работах [87, 90, 104] рассмотрены схемы и алгоритмы расчета бистатической
связи. Показано, что преимущества АБС над АОЛС состоят в возможности
работы на существенно больших расстояниях при наличии препятствий между
приемником и источником излучения, а также в многоадресности АБС.
Проводилось математическое моделирование, результаты расчетов приведены,
например, в работах [92, 94]. На основе алгоритма модифицированной двойной
локальной оценки создана программа моделирования методом Монте-Карло
импульсных реакций АБС [92, 94].
АОЛС широко используются для беспроводной передачи данных на
расстояниях до нескольких километров. В стандарте IEEE 802.11 ИК канал
рекомендован для передачи данных по АОЛС внутри помещений со скоростью
до 11 Мбит/с [103]. Возможности использования стандарта IEEE 802.11 для
бистатической связи на расстояниях до нескольких сотен метров в настоящее
время находятся на этапе исследований [105].
Результаты проведенных многими авторами экспериментальных
исследований показывают возможности УФ-каналов АБС, основанные на
использовании рассеянного атмосферой оптического излучения при
незначительном фоновом оптическом шуме в солнечно-слепой части спектра
250 – 280 нм. Главное преимущество АБС по сравнению с инфракрасными
каналами связи – возможности обеспечения передачи данных без прямой
26
видимости на линии передатчик – приемник. При этом сильное ослабление
сигнала в канале и высокая дисперсия оптических импульсов могут
ограничивать скорость передачи данных до сотен кбит/с, а дальность связи – до
сотен метров [76].
При построении сетей связи в УФ-диапазоне могут использоваться:
пространственное разделение каналов, разделение по длине волны и кодовое
разделение каналов. В [103] рассмотрены возможные приложения для
атмосферных бистатических систем связи, а в работе [106] была показана
возможность создания и качественного функционирования многоадресных АБС
в УФ-диапазоне длин волн с дальностью действия, превышающей сотни
метров.
Показано, что связь в УФ-диапазоне возможна при ориентации
оптической оси приемной системы как в полусферу направлений на источник с
углами к горизонту более 10, так и в полусферу направлений от источника с
углами наклона оси оптической приемной системы к горизонту до 150-1600.
Установлено, что для повышения качества связи и увеличения дальности
действия атмосферной бистатической связи необходимо повышение
стабильности параметров излучения лазера и ФЭУ, повышение мощности и
уменьшение ширины спектра лазерного излучения.
В работах [91, 92, 107, 108] приведены результаты натурных
экспериментальных исследований и теоретического анализа бистатической
связи в видимом диапазоне длин волн (510,6 нм). Показано, что качественная
бистатическая связь может осуществляться в условиях как облачной, так и
безоблачной атмосферы. При наличии облачности связь осуществима через
области вхождения и рассеяния лазерного излучения на нижней границе
сплошной облачности или на нижней и боковой границе одиночных облаков,
или в области выхода излучения из облака (полупрозрачная облачность). При
появлении аэрозольного облака рассеяние аэрозолем преобладает, а
индикатриса рассеяния принимает вытянутую вперед форму. При этом
интенсивность рассеянного излучения зависит от содержания аэрозоля в
атмосфере.
Статистические характеристики качества передачи информации по
каналам АБС (средние значения ошибочного детектирования импульсов и его
среднеквадратическое отклонение) зависят от мощности лазерного излучения и
от чувствительности ФЭУ. При этом количество ложных регистраций
уменьшается пропорционально мощности излучения. Охлаждение
фотоприемника также приводит к уменьшению вероятности ошибок.
Зависимость качества связи от температурного режима приемника рассмотрена
в статьях [109, 110]. Поэтому при проведении натурных экспериментов по
разработке АБС необходимо стабилизировать мощность излучателя и
температуру приемной части устройства загоризонтной связи.
Выполненный анализ канала АБС для случая, когда плоскость, в которой
расположены оси излучателя и приемника, перпендикулярна земной
поверхности, показал [108], что на коротких базовых расстояниях (расстояние
27
по прямой между источником и приемником) 2-3 км наибольшая мощность
принимаемого излучения при одинаковых прочих условиях достигается для
λ=0,3 мкм. На базовых расстояниях более 3 км при низкой мутности среды этот
максимум наблюдается для λ=0,5 мкм. При высокой мутности среды на базовых
расстояниях 3-10 км максимум достигается также для λ=0,5 мкм, а на
расстояниях более 10 км – для λ=0,9 мкм. Проведенные расчеты импульсных
реакций модели АБС позволили оценить максимальную частоту передачи
импульсов и дальнодействие АБС, ограниченные атмосферным каналом
передачи [76].
Рассмотренная в работе [108] модель АБС показала, что возможна
передача информации на базовые расстояния вплоть до 30 км с частотой
от 0,83 до 33 МГц при λ=0,5 мкм (МДВ равна 10 км) и на дистанцию до 175 км
с частотой от 0,5 до 33 МГц в зависимости от базового расстояния при
λ=0,5 мкм (при МДВ равной 50 км). Эти данные согласуются с результатами
натурных экспериментов с использованием экспериментальной аппаратуры
АБС.
Следует помнить, что на качество работы АБС также влияет
турбулентность потока атмосферного газа. Турбулентность может уменьшать
мощность полезного сигнала и срывать связь [76, 102].
Таким образом, АБС в сравнении с АОЛС имеет ряд недостатков, однако
имеет и существенные преимущества (таблица 2.1), которые в ряде задач и
практическом применении делают ее более предпочтительной.
Бистатическая связь наиболее выгодна по сравнению с АОЛС, т. к. передатчик и приемник находятся вне зоны прямой видимости, а это означает, что
увеличивается расстояние передачи информации до 50 км, можно передавать
информацию сразу нескольким абонентам, а также увеличивается скорость пе-
редачи данных, обеспечивается высокий уровень безопасности передачи ин-
формации (практически невозможно осуществить несанкционированное под-
ключение к сети).
2.3 Подводная оптическая связь
В [102, 111] приведен обзор работ, в которых наряду с регистрацией
сигналов в пределах прямой видимости с использованием атмосферной
оптической лазерной связи рассмотрены и некоторые аспекты подводной
бистатической связи.
В [112] представлен алгоритм модифицированной двойной локальной
оценки метода Монте-Карло, с помощью которого смоделированы импульсные
реакции подводного канала связи вне прямой видимости на рассеянном
излучении на расстояниях между источником и приемником от 10 до 100 м на
длине волны 0,5 мкм и выполнены оценки мощности принимаемого излучения
и максимально возможные скорости передачи информации.
Таблица 2.1 – Достоинства и недостатки технологий АОЛС и АБС
28
Технология
АОЛС
АБС
Достоинства
- использование частот, не
требующих лицензирования;
- оптические системы не
чувствительны к электромагнит-
ному шуму;
- системы не создают помех
для радиооборудования (поэтому
для их построения не нужно раз-
решений и согласований с уже
установленным оборудованием);
- не создают помех друг для
друга (благодаря чему их можно
использовать в густонаселенных
районах, устанавливая оборудование в непосредственной близо-
сти друг от друга);
- простота монтажа, не-
большие габариты оборудования
(единственный важный момент в
том, что крепиться оборудование
должно к неподвижным, проч-
ным опорам – многоэтажные до-
ма, сварные стальные конструкции и т.п. Просто поднять антен-
ну повыше и прикрепить передатчик не получится);
- высокая скорость передачи
данных;
- сохранение инвестиций в сеть
при переезде (оборудование снимается и монтируется в новом
месте);
- нет необходимости в инфра-
структуре (сеть можно развернуть там, где нет возможности
проведения кабельных сетей);
- высокий уровень безопасности
передачи информации (сложно, а
зачастую невозможно, осуществить несанкционированное
подключение к сети).
- обладает всеми достоинства-
ми АОЛС;
- менее чувствительна к изме-
нению погодных условий, чем
АОЛС;
- значительное расстояние пе-
редачи данных (до десятков ки-
лометров);
- не требуется точной юстировки оборудования;
- менее, чем к АОЛС, требова-
ния к крепежному оборудова-
нию;
- многоадресная передача ин-
формации.
29
Технология
АОЛС
АБС
Недостатки
- зависимость от погодных
условий (тумана, снегопадов, но
зато даже сильный ливень не
уменьшает качество сигнала);
- строгий лимит по расстоянию
между передатчиком и приемни-
ком;
- дороговизна оборудования;
- для качественной работы сети
нужно прочное крепление оборудования, поскольку смещение
(ветер, механические нагрузки и
проч.) передатчика или приемни-
ка ухудшает связь;
- недостаточная осведомлен-
ность пользователей о данной
технологии, из-за чего отрасль
развивается недостаточно быст-
ро;
- точная юстировка.
- турбулентность, которая мо-
жет уменьшать мощность полезного сигнала и срывать связь
[111];
- достаточно большая мощ-
ность передатчика;
- дороговизна оборудования;
- трудность локализации в по-
мещении;
- недостаточная осведомлен-
ность пользователей о данной
технологии, из-за чего отрасль
развивается слабо;
- ниже, чем у АОЛС, уровень
безопасности передачи информации (значительно легче осуществить несанкционированное
подключения к сети для пере-
хвата информации).
Результаты экспериментальных исследований, выполненных в
лабораторных условиях при базовых расстояниях порядка нескольких метров,
показали, что дальность действия подводных оптических линий связи зависит
от мутности воды. Это утверждение справедливо как для случая, когда
передатчик и приемник находятся в прямой видимости, так и для подводных
бистатических линий связи, когда полезным сигналом служит рассеянное или
отраженное от поверхности воздух – вода поток оптического излучения.
Повышение мутности приводит как к уменьшению дальнодействия связи, так и
к уменьшению предельной скорости передачи данных [113].
Проведенные натурные эксперименты по исследованию подводной
бистатической связи на искусственном и естественном водоемах позволили
оценить качество связи на основе контроля вероятностей ошибок регистрации
импульсов и их среднеквадратических отклонений [90, 103, 114]. Эти
исследования подтвердили возможность создания оптических систем связи,
способных эффективно функционировать как в воде, так и в случае
прохождения канала связи по нескольким средам (вода – атмосфера, атмосфера
– вода, в том числе через лед) [76].
Будущие потребители беспроводной подводной оптической связи (ПОС)
выдвигают следующие требования к скорости передачи информации: не менее
100 Мбит/с. Угол обзора является важным параметром для использования на
роботизированных подвижных платформах [115].
30
Оптическая связь в подводной среде сталкивается с несколькими пробле-
мами из-за поглощения и рассеяния, вызванных взвешенными частицами или
из-за засветки солнечным светом [116].
Экспериментально показана возможность передачи сигналов со скоро-
стью 50 Мбит/с на расстояние 9 м с использованием излучения аргонового ла-
зера (
=514 нм) [117]. Теоретически проанализированы условия для оптической
связи на скорости 10 Мбит/с на расстояние 20 м и для 1 Мбит/с на расстояние
30 м [118]. В этой работе приведен теоретический анализ изменения условий
при изменении скорости передачи данных в различных подводных средах на
расстояниях от 10 м до 25 м. Показано, что по однонаправленной оптической
беспроводной линии связи можно передавать данные со скоростью 320 кбит/с
на расстояние до 2,2 м [119].
Дуплексная светодиодная оптическая связь была проверена на морском
дне [120]. В работе [121] приводятся результаты испытаний подводной оптической беспроводной связи малого радиуса действия с частотной модуляцией –
была установлена связь до 5 м со скоростью 10 Мбит/с. В работе [122] проде-
монстрирована связь в лабораторных условиях с использованием лазера со ско-
ростью 1 Гбит/с на расстояние более 2 м.
В работе [123] приведены результаты экспериментов с бистатическими
ПОС. В качестве источников импульсного излучения использовались «зеленый» (
=510,6 нм, Р=4-6 Вт) и «синий» (=445,0 нм, Р=13-20 мВт) лазеры в импульсном режиме. Расходимости лазерных пучков не превышали 1, поле зрения
приемной системы – 2. В озерной воде достигнута дальность передачи информации с помощью ПОС до 40 м.
Таким образом, в большинстве опубликованных работ длина канала би-
статической ПОС колеблется от нескольких метров до десятков метров [124].
Известны попытки уменьшения потерь мощности лазерного излучения при пе-
редаче его через аэрозоль [125].
2.4 Анализ распространения полезного сигнала через рассеивающие
участки АОЛС, АБС и ПОС
При распространении в замутненной водной среде, а также через атмо-
сферный аэрозоль оптическое излучение рассеивается на дисперсных частицах
[126]. Средняя концентрация частиц в водоемах представлена в работе [127].
При этом различные водоемы могут существенно отличаться по прозрачности.
Например, Панамский залив – 10, Балтийское море – 13, Баренцево море – 18,
Черное море – 25, Бенгальский залив – 45, Саргассово море – 62 [128]. При
этом рассеяние излучения описывается индикатрисой рассеяния, которая характеризует вероятность рассеяния фотонов по разным угловым направлениям.
Для полидисперсного аэрозоля индикатриса рассеяния
( )
,
складывается
из индикатрис рассеяния частиц всех размеров. Коэффициент рассеяния ks() на
дисперсных частицах в заданной точке внутри аэрозоля может быть определен
путем суммирования по формуле [129]:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]