Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
71
4 Экспериментальное исследование оптической системы связи по
атмосферному каналу
При проведении экспериментального исследования и оценки эффективности любой большой сложной системы нужно произвести проверку качества
отдельных модулей и узлов, которые соответствуют нужным параметрам рас-
сматриваемой системы. Необходимость расчета или оценки показателей каче-
ства исследуемой системы при любом подходе требует построения модели си-
стемы. Модель – это упрощенное описание или представление реальных фи-
зических объектов или процессов с помощью словесных, символических или
физических аналогов рассматриваемых физических объектов и процессов [78,
79, 151-154].
Но для проведения натурных экспериментов большой сложной системы
тратится много времени и значительно увеличиваются материальные затраты.
Поэтому для исследования и анализа параметров сложных систем широко используется математическое или имитационное моделирование, которое стало
возможным в результате развития вычислительной техники [155, 156].
По результатам второй и третьей глав можно сделать вывод, что систему
передачи данных АОЛС можно рассматривать как большую или сложную си-
стему, так как она удовлетворяет следующим условиям:
1) любую сложную систему можно разделить на множество простых
подсистем с последующим разделением вплоть до простейших элементов си-
стемы;
2) в свою очередь, простейшие элементы большой системы функцио-
нируют между собой;
3) также свойства большой системы определяются характером взаи-
модействия между отдельными элементами.
В данном разделе проведены расчеты основных характеристик работы атмосферной линии связи с использованием различных технических средств, а
также приведены результаты основных характеристик и расчетной оценки работоспособности АОЛС, используемой в СибГУТИ.
4.1 Экспериментальные исследования оптических систем связи с
применением метода статистического моделирования
4.1.1 Использование основ имитационного моделирования систем
передачи данных в условиях воздействия различных внешних факторов
Необходимость моделирования заключается в том, что натурный эксперимент заменяется изучением происходящих в реальной системе явлений и
процессов на модели (рисунок 4.1):
– физической;
– математической;
– имитационной.
72
Рисунок 4.1 – Структурная схема моделирования
К физическим моделям в системах передачи данных могут быть отнесены
упрощенные макеты отдельных подсистем с целью экспериментальной проверки каких-либо новых принципов построения системы или отработки схемных
решений.
Модель системы передачи данных включает в себя:
– модель сигнала;
– модель канала передачи данных;
– модель аппаратуры передачи данных, не входящей в канал.
Моделирование реальных каналов передачи данных является наиболее
сложной и существенной задачей. Сложный характер взаимодействия сигнала и
помех в канале связи заставляет использовать либо сложный математический
аппарат для моделирования, либо применять слишком грубую аппроксимацию
реальных процессов, что снижает точность системы передачи данных с задан-
ными свойствами.
Широко используются математические модели, когда реальные процессы
и явления, происходящие в системе, заменяются математическими аналогами, а
определение качественных показателей производится по формулам с привлечением вычислительной техники (ЭВМ). Такой вид моделирования называется
имитационным (ИМ). Под названием имитационного моделирования сложной
системы обычно понимается воспроизведение происходящих в ней процессов и
явлений с имитацией случайных величин, от которых зависят эти процессы. Базой имитационного моделирования является имитационная математическая мо-
дель (ИММ) исследуемой системы [157-159].
Имитационная математическая модель представляет собой алгоритм исследуемого объекта, записанный в виде программы для ЭВМ. Решение этой
программы позволяет находить искомый показатель эффективности исследуе-
мого объекта при заданных значениях его параметров.
При автоматизации проектирования систем передачи данных в основном
используются математические, имитационные и имитационно-математические
модели. К моделям предъявляются определенные требования точности, эконо-
мичности и универсальности.
73
Точность модели отражает степень соответствия предсказанных с помощью модели значений параметров системы с истинными значениями. Количе-
ственная оценка точности может быть различной по следующим причинам:
а) характер проявления свойств моделируемой системы зависит от особенностей ее взаимодействия с внешней средой и другими подсистемами, поэтому показатель точности будет зависеть от конкретных условий функциони-
рования системы, в результате оценка точности перестает быть однозначной;
б) реальные системы и их модели характеризуются обычно несколькими
параметрами, в результате чего образуется векторный характер оценки точности и необходимости ее сведения к скалярной для возможности сравнения моделей друг с другом и с экспериментальными данными. Сведение векторной
оценки к скалярной обычно производится на основе какой-либо нормы вектора.
Например, среднеквадратическое отклонение [160-162]:
2
1
m
i
i
=
=
. (4.1)
Или максимальное отклонение по абсолютной величине:
max
1:
max
i
im
=
, (4.2)
где m – число выходных параметров системы yi;
( )
i i i
i
y y y
=−
– нормированные координаты вектора погрешности ;
i
y
– выходные параметры, полученные на модели.
Истинные значения параметров yi обычно получают путем сравнения различных моделей в стандартных ситуациях, отражающих характерные особенности поведения систем на практике.
Экономичность моделей определяется прежде всего затратами машинного времени. Чем больше внутренних параметров используется в модели, тем
больше затраты машинной памяти и больше затраты машинного времени для
получения сведений путем их статистической обработки.
Универсальность модели отражает возможность ее применения к анализу
однотипных систем или подсистем в различных режимах функционирования.
На рисунке 4.2 [159] представлена функциональная схема системы передачи
данных.
74
Рисунок 4.2 – Функциональная схема системы передачи данных
Совокупность задач, решаемых в соответствии с этой схемой, соответ-
ствует алгоритму моделирования на одном из функциональных уровней рисунок 4.3 [159].
75
Рисунок 4.3 – Алгоритм моделирования на одном из функциональных уровней
На первом уровне функциональной схемы структура системы передачи
данных задана и решается задача параметрической оптимизации. При этом
происходит расчет параметров модели канала передачи данных в интересую-
щем разработчика диапазоне их изменения и перебор числа вариантов.
76
Особенностью задачи второго уровня является возможность полного пе-
ребора вариантов структурно-функциональных схем в соответствии с заданной
целью функции. На этом уровне выбираются модели канала передачи данных,
корректирующие коды, устройства защиты от ошибок.
Третий уровень (анализ и оптимизация) включает в себя результаты решения задач первых двух уровней, статистическую обработку и анализ результатов, формирование целевой функции, оптимизацию структуры системы в со-
ответствии с заданием на проектирование.
Четвертый уровень (стратегия) наиболее сложный. Решение этой задачи
основано на активном участии человека. Это реализуется в процессе диалога
разработчика с ЭВМ через устройства оперативного обмена информацией. На
этом уровне формируется задание на проектирование, дается формализованное
описание структуры системы передачи данных и исходных данных, при этом
широко используются методы решения изобретательских задач.
Одним из подходов к решению задач на всех рассмотренных уровнях
функциональной схемы является понижение сложности задач: во-первых,
уменьшением числа проб при переборе за счет ограничения множества рассматриваемых вариантов; во-вторых, уменьшением затрат на каждый вариант
за счет упрощения математических моделей объектов, используемых на этапе
оценки вариантов.
Точность эксперимента будет определяться погрешностью чисел в ЭВМ.
Ввиду малой доли этой погрешности ее можно исключить.
4.2 Результаты исследования интенсивности дождя, вызывающего
срыв цифровой связи по атмосферному каналу
Недостатком использования АОЛС и АБС является зависимость качества
передачи информации от метеоусловий на трассе. Рабочие характеристики
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 искажения структуры лазерного пучка АОЛС и АБС,
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
77
энергии атмосферными газами и аэрозолем, рассеяние энергии частицами
аэрозолей и флуктуациями плотности воздуха, флуктуации параметров
оптического излучения, обусловленные атмосферной турбулентностью [148]. В
данном параграфе приведены формулы для расчета и результаты оценки
максимальной интенсивности дождя, приводящей к срыву связи (в качестве
примера расчеты выполнены для линии связи между различными корпусами
СибГУТИ).
Технология АОЛС, в отличие от АБС, получила широкое распространение в городских условиях. АОЛС успешно конкурирует с волоконными опти-
ческими линиями связи (ВОЛС) по временным и финансовым затратам на
установление связи.
Рабочие характеристики АОЛС и АБС 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 как по АОЛС, так и по АБС. Пространственные
эффекты проявляются в виде изменения направления распространения и искажения пучка в направлении, поперечном фронту волны. Это ограничивает ско-
рость передачи информации.
Существующие решения АОЛС на рынке позволяют получить следующий ряд преимуществ [163]:
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 не-
возможным. Отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном это
электромагнитное излучение) позволяет скрыть не только передаваемую ин-
формацию, но и сам факт информационного обмена;
3) позволяет передавать спектр современных услуг по технологии VoIP,
включая доступ в Интернет, подключение IP-телефонии, создание беспроводного канала цифрового телевидения (IPTV), видеонаблюдение.
Для АОЛС и АБС не требуется прокладки кабелей и разрешений на использование электромагнитных частот.
Одним из недостатков АОЛС и АБС является зависимость скорости пере-
дачи информации от метеоусловий на трассе. В настоящее время накоплен обширный материал по решению проблем, возникающих при распространении
непрерывного и импульсного оптического излучения в турбулентной атмосфе-
ре [162, 163]. Изучены особенности передачи оптического изображения через
аэрозольные облака [165, 166].
В связи с этим целью исследований является получение соотношения,
позволяющего производить необходимые оценки устойчивости АОЛС, на примере линии связи СибГУТИ, в различных метеорологических условиях.
Все осадки содержат частицы, большие чем длина волны оптического из-
лучения. В дождях концентрация капель находится в пределах 10
2
104 см
-3
, а
78
их размеры находятся 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 (
1) во всем
рабочем диапазоне АОЛС. Как для частиц дождя, так и снега объемный коэф-
фициент ослабления равен двойному геометрическому сечению частиц.
Существуют оптические цифровые приемо-передающие устройства для
создания оптических открытых линий связи. Стоимость комплекта приемопе-
редатчика, включая установку и настройку, составляет 2000 долларов. 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 I0 = 200 мВт (при
пиковой несколько Вт) на длине волны
= 0,85 мкм, фотоприемник с порого-
вой чувствительностью I
пор
= 0,1 мкВт [148].
При скоростях передачи информации 1 Гбит/с основным процессом,
ограничивающим максимальное расстояние связи, является рассеяние лазерного излучения на каплях воды. Необходимо провести оценку максимальной ин-
тенсивности дождя, при различных значениях интенсивности осадков, приво-
дящей к срыву связи по атмосферному каналу связи.
Коэффициент увеличения изображения излучающей площадки светодио-
да, вычисляемый из формулы тонкой линзы, составляет:
L
k
F
=
, (4.3)
где L – длина трассы;
F – фокусное расстояние объектива передающего блока.
Следовательно, в плоскости приемника изображение излучающей пло-
щадки светодиода будет иметь размеры:
D k d=
, (4.4)
где D – размер светового пятна в плоскости приемного блока;
d – размер излучающей площадки светодиода передающего блока.
Потери мощности излучения за счет рассогласования апертур передатчика и приемника, со световым диаметром Ø
об
, АОЛС составляют [148]:
2
об
D
n
=
. (4.5)
Энергетический потенциал АОЛС можно определить как:
0
10lg
пор
I
I
=
. (4.6)
79
При использовании АОЛС основной вклад в ослабление излучения вно-
сят осадки. Вероятность появления тумана значительно ниже. Снежинки имеют
разнообразные формы и размеры, эффективность взаимодействия которых с ла-
зерным 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 распределе-
на по трассе между передатчиком и приемником. Таким образом, ослабление
происходит на частицах, находящихся внутри усеченного конуса объемом Vк.
Уравнение ослабления излучения частицами, находящимися внутри усеченного
конуса на трассе распространения луча, имеет вид [165]:
0
expI I l
= −
, (4.7)
( ) ( ) ( )
max
min
1
r
k
r
r S r N r dr
=−
, (4.8)
где (r) = 2 – фактор эффективности ослабления;
S(r) = r2 – геометрическое сечение капли;
Nк(r) – непрерывная функция распределения капель по размерам [148].
Массовое содержание воды внутри светового усеченного конуса:
( ) ( ) ( ) ( )
max
min
r
в i k i в k
i
r
B V r N r V r N r dr
==
, (4.9)
где
в
– плотность воды;
V(r) – объем капли.
Объемная плотность воды в атмосферных осадках
kk
B B V=
.
Для описания функции распределения капель дождя по размерам используется достаточно большое количество выражений [169-173]:
( )
( )
0,056 0,21
7300 exp 8,6
k
N r R r
−
=−
,
(4.10)
где радиус капель r выражается в мм, интенсивность дождя R – мм/час, а
вероятностная дифференциальная плотность распределения дождевых капель
по размерам N(r) – м
-3мм-1
.
С учетом выражения для N(r) уравнения (4.6, 4.7) будут иметь вид:
( )
max
min
0,056 2 0,21
1 7300 2 exp 8,6
r
r
R r r dr
−
= − −
, (4.11)
80
( )
max
min
0,056 2 0,21
0
exp 1 7300 2 exp 8,6
r
r
I
R r r dr l
I
−
= − − −
, (4.12)
( )
max
min
0,056 3 0,21
4
7300 exp 8,6
3
r
k в
r
B R r R r dr
−
= −
. (4.13)
Скорость падения капель в вязкой среде имеет вид:
( )
2
4
18
в возд
ii
возд
r gr
−
=
, (4.14)
где
в
,
возд
– плотности воды и воздуха;
g – ускорение свободного падения.
За время t через площадку S падают на землю капли диаметром r
i
, коли-
чество которых равно:
( ) ( )
( )
ki
y i i
k
Nr
N r S r t
V
=
. (4.15)
Объем падающих через площадку S капель воды, равный интенсивности
дождя за единицу времени, можно вычислить из выражения:
( ) ( ) ( )
( )
33
44
33
ki
y i y i i
k
Nr
rr
V r N r S r t
V
==
. (4.16)
Для расчета по уравнению (4.12) необходимо вычислить интеграл:
( )
max
max
min
min
2 0,21 0,42 0,63
2 0,21
0,21 2 3
8,6 2 2
exp 8,6 exp
8,6 8,6 8,6
r
r
r
r
r R rR R
r R r dr r
R
−
− = − − −
. (4.17)
Поэтому расчетное выражение (4.11) будет иметь вид, пригодный для
расчета при заданных метеоусловиях и расстояний на местности:
( )
max
min
0,056 2 0,21
1 7300 2 exp 8,6
r
r
R r R r dr
−
= − −
, (4.18)
max
min
2 0,21 0,42 0,63
0,056
0,21 2 3
0
8,6 2 2
exp 1 7300 2 exp
8,6 8,6 8,6
r
r
I r R rR R
R r l
IR
= − + + +
.(4.19)
Величины R, r
min
, r
max
определяются метеоусловиями, величина l – рассто-
яние между передатчиком и приемником. Известно, что основной вклад в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]