Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
81
ослабление оптического излучения вносят капли размерами менее 1 мм. Поэтому можно использовать лишь две переменные величины R, l.
Выражение (4.15) написано для коллимированного луча, а любая АОЛС
работает на расходящихся пучках. Например, для российской приемопередающей системы МОСТ300/850 (мощность излучателя – 10 Вт, чувствительность приемника – 0,001 мкВт) расходимость составляет 1 мрад. Поэтому
правую часть необходимо умножить на коэффициент, учитывающий уменьше-
ние интенсивности за счет расширения светового пятна.
В результате исследований установлено, что в приземном слое атмосфе-
ры можно выделить несколько типов оптической погоды [171, 174]: дымка, для
которой типичны видимости метеорологической дальности более 3 км; туман-
ная дымка с характерными значениями метеорологической дальности видимо-
сти 1 – 3 км и облака с метеорологической дальностью видимости менее 1 км. В
состоянии дымки и туманной дымки приземный слой атмосферы находится в
90 % времени.
При наличии дымки процесс распространения оптических пучков в атмосфере можно описать, имея всего три оптические характеристики: коэффициент
ослабления, коэффициент рассеяния и индикатриса рассеяния. Оптические ха-
рактеристики атмосферы связаны с такими явлениями, как турбулентность,
аэрозоли естественного и антропогенного происхождения [79].
Открытая оптическая трасса длиной более 1 км в условиях плохой метео-
рологической погоды может вносить существенные искажения в передаваемые
сигналы: уширение импульсов, дефлекцию луча, низкочастотную модуляцию
интенсивности. Схема расположения корпусов СибГУТИ, расположенных в
условиях прямой видимости, приведена на рисунке 4.4.
Приняв пределы интегрирования r
min
= 0,005 мм, r
max
= 2,5 мм, рассчитаем
значения предельной интенсивности дождя R (мм/час), обуславливающие
ослабление сигнала ( = 0,85 мкм) не более чем в 2∙10-6 раз (с Р0 = 0,2 Вт до
Р
пор
= 0,1 мкВт). Поэтому условие работоспособности АОЛС, имеющейся у Си-
бГУТИ, от величины R может быть выражено:
max
min
2 0,21 0,42 0,63
0,056 6
0,21 2 3
8,6 2 2
exp 1 7300 2 exp 2 10
8,6 8,6 8,6
r
r
r R rR R
R r l
R
−
− + + +
.(4.20)
Для сферических частиц, значительно превышающих длину волны излучения, ослабление последнего пропорционально количеству частиц, в объеме,
опирающейся на выходную апертуру передатчика и входную апертуру приемника. Расчетные данные показывают, что количество частиц пропорционально
интенсивности дождя в узком диапазоне изменения интенсивности. Линейный
характер изменения количества ослабляющих лазерное излучение частиц
наблюдается для ливня (рисунок 4.5).
82
Рисунок 4.4 – Схема расположения корпусов СибГУТИ
Рисунок 4.5 – Зависимость числа капель дождя в лазерном луче (при
расстоянии передатчик-приемник 400 м) от интенсивности дождя
Результаты расчетной оценки работоспособности АОЛС, используемой в
СибГУТИ, приведены на рисунке 4.6 в виде графика зависимости интенсивности дождя R (мм/час), вызывающей ослабление в 60 дБ (в 106 раз) от расстояния
между передатчиком и приемником l. При комбинации величин R и l, попада-
83
ющей ниже расчетной кривой, имеющаяся АОЛС работоспособна. Область
графика выше расчетной кривой связывает величины R и l, при которых АОЛС
не работоспособна – срыв связи.
Рисунок 4.6 – Зависимость интенсивности дождя (мм/час), вызывающей
ослабление в 10
6
раз, от длины атмосферной трассы
Из рисунка 4.6 видно, что при слабом дожде (R 5 мм/час) устойчивая
связь по АОЛС наблюдается при расстояниях передатчик-приемник, не превышающих 700 м. Это расстояние превышает максимально возможное расстояние
между любыми двумя корпусами СибГУТИ. При умеренном дожде
(R 20 мм/час) максимальное расстояние устойчивой связи не превышает
250 м. Сопоставив полученные результаты с рисунком 4.4, видно, что при уме-
ренном дожде сохраняется работоспособность АОЛС лишь между некоторыми
корпусами. Сильный дождь приводит к срыву связи между любыми двумя кор-
пусами.
Экспериментальные исследования микрофизических параметров частиц
дымок показывают чрезвычайное многообразие конкретных реализаций сово-
купности формы, однородности, химического состава.
При наличии дымки доля энергии, рассеянной на малые углы (менее 10
0
),
составляет 10 30 % от общей энергии рассеяния и 50 70 % энергии рассеи-
вается на углы менее 500. На долю углов более 160
0
приходится менее 1 % рас-
сеянной энергии. В туманных дымках рассеяние становится более анизотроп-
ным: в области малых углов концентрируется менее 60 % от рассеянного излу-
чения. Образование туманов и облаков происходит при влажности, близкой к
насыщению (диапазон размеров 0,2 100 мкм) [79, 151].
Известно [169-170], что в России надежность связи АОЛС из-за погодных
условий может приводить к потере связи 1 – 2 раза в осенне-весенний период
не более чем на 1 – 2 часа в течение одних суток. В течение года это время
суммарно составляет менее 24 часов. Расчетный график, приведенный на ри-
сунке 4.6, хорошо согласуется с экспериментальными данными работы [172].
Работа АОЛС между корпусами, расположенными на максимальном расстоя-
нии 640 м, возможна лишь при интенсивности дождя менее 6 мм/час.
84
4.3 Заключение по четвертой главе
Получено расчетное выражение для определения ослабления оптического
излучения АОЛС для различных значений интенсивности дождя.
Определены интенсивности дождя, вызывающие ослабление в 106 раз, от
длины атмосферной трассы, приводящие к срыву связи через АОЛС.
Установлено, что устойчивая связь по АОЛС при интенсивности дождя
менее 6 мм/час возможна на максимальном расстоянии 640 м.
4.4 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки
1. Какие условия необходимы для системы передачи данных АОЛС,
чтобы она была большой или сложной?
2. Изобразите и опишите структурную схему моделирования.
3. Как определить максимальное отклонение по абсолютной вели-
чине?
4. Изобразите и опишите функциональную схему системы передачи
данных.
5. Изобразите и опишите алгоритм моделирования на одном из функ-
циональных уровней.
6. Какой основной недостаток использования АОЛС и АБС?
7. Перечислите преимущества АОЛС.
8. Как определить коэффициент увеличения изображения излучающей
площадки светодиода?
9. Как вычислить энергетический потенциал АОЛС?
10. Какое расстояние для устойчивой связи должно быть при интен-
сивности дождя менее 6 мм/час?
85
Заключение
В заключение следует отметить, что изложенный в учебном пособии ма-
териал свидетельствует о многогранности рассматриваемой проблемы как с
точки зрения теории, так и практики. В настоящее время еще не все вопросы,
затронутые в учебном пособии, достаточно полно изучены и подтверждены
экспериментально, и подлежат дальнейшему исследованию.
В учебном пособии рассмотрены модели распространения оптического
сигнала в подводной среде и определение с помощью имитационного модели-
рования требований к характеристикам беспроводной оптической системы пе-
редачи информации.
Основные результаты учебного пособия заключаются в следующем:
1. Разработана классификация оптических систем связи с подводными
аппаратами, с помощью которой можно выбирать оптимальный вариант реали-
зации, проводить анализ, строить и исследовать различные устройства для
формирования оптических систем связи.
2. Повышение мутности водной среды приводит как к уменьшению
дальности связи, так и к уменьшению предельной скорости передачи данных,
при этом в природных водоемах возможно использование бистатических ПОС,
когда в качестве полезного сигнала служит рассеянный или отраженный от дна,
поверхности вода – воздух, вода – рассеивающий объект поток оптического излучения, для связи с частотой менее 20 МГц на расстояниях не более 20 м, однако расстояние между излучателем и приемником для такой ПОС будет меньше, чем для ПОС с прямой видимостью с таким же энергетическим запасом,
обеспечивающей для любой мутности воды наибольшую дальность связи.
3. Установлено, чем больше расстояние от точки рассеяния до приемни-
ка, тем больше уширение передаваемых импульсов из-за увеличения длины
рассеивающего участка, видимого фотоприемником ПОС, который регистрирует пучок расходящихся лучей, рассеянных в некотором диапазоне углов, по-
этому чем больше расстояние «точка рассеяния – приемник», тем меньше диа-
пазон углов, а интенсивность рассеянного в некотором диапазоне углов излуче-
ния обратно пропорциональна квадрату этого расстояния.
4. Рассеяние и поглощение лазерного излучения на взвешенных части-
цах и нанопузырьках газа в воде значительно ограничивают возможности использования бистатической ПОС либо по интенсивности оптических импульсов
(длина связи), либо из-за межсимвольной интерференции (ограничение скорости передачи информации).
5. Для сферических частиц, размер которых значительно превышает
длину волны излучения, ослабление пропорционально количеству частиц в
объеме, опирающемуся на выходную апертуру передатчика и входную апертуру приемника. Устойчивая связь по АОЛС при интенсивности дождя менее
6 мм/час возможна на максимальном расстоянии 640 м.
6. Разработан способ искусственной фотоионизации атмосферы с ис-
пользованием излучения неодимового и ультрафиолетового лазеров, создаю-
86
щих высоко ионизированный проводящий канал служащего удлинителем вибраторной передающей антенны, формируя совместно с ним мобильную пере-
дающую антенну для осуществления сверхнизкочастотной-низкочастотной радиосвязи, при этом использование соединения твердотельного аэрозоля Al2O3
обладающего инертными свойствами и низким значением потенциала иониза-
ции, увеличивает электрическую проводимость ионизационного канала в воз-
духе.
7. Разработана установка для осуществления сверхнизкочастотной-
низкочастотной радиосвязи с использованием передающей вибраторной антен-
ны СНЧ-НЧ-передатчика, содержащей неодимовый и ультрафиолетовый лазеры, оптические оси пучков которых совмещены, для подавления эффекта про-
боя которого осуществляется круговое вращение обоих пучков в плоскости излучения и направлено вертикально вверх сквозь соосный с ними полый метал-
лический цилиндр, имеющий механический контакт с вибраторной антенной с
магнитопроводящим стержнем, которая соединена с согласующим устройством
и выходом радиопередатчика.
8. Разработаны методики, методы, алгоритмы, математические модели
для анализа и синтеза систем для повышения надежности и качества передачи
сигналов в сетях связи.
9. Учебное пособие на основе разработанных методик, методов, алго-
ритмов, математических моделей подходит для проведения всех видов занятий
для бакалавров, специалистов и магистрантов специальности 11.03.02 «Инфо-
коммуникационные технологии и системы связи» в вузах телекоммуникационного профиля в дисциплинах: «Радиопередающие устройства систем радиосвязи и радиодоступа», «Радиопередающие устройства для телерадиовещания»,
«Устройства генерирования и формирования сигналов».
87
Список сокращений
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Институт инженеров электротехники и электроники)
ITU International Telecommunication Union (Международный союз
электросвязи)
RGB Red Blue Green (красный синий зеленый)
VLC Visible Light Communication (коммуникационная линия в ви-
димом свете)
VLCC Visible Light Communications Consortium (консорциум комму-
никационных линий в видимом свете)
VLP Very Low Power» (международный класс безопасности лазе-
ров)
АБС Атмосферная бистатическая связь
АНПА Автономный необитаемый подводный аппарат (англ.
autonomous underwater vehicle – AUV)
АОЛС Атмосферная оптическая линия связи
ВОЛС Волоконно-оптическая линия связи
ВЧ Диапазон высоких частот
КНЧ Диапазон крайне низких частот
НЧ Диапазон низких частот
НЭП Наведенное электрическое поле
ОВЧ Диапазон очень высоких частот
ОКБ Опытное конструкторское бюро
ОЭСС Оптико-электронная система связи
ПА Подводный аппарат
ПБС Подводная бистатическая связь
ПОС Подводная оптическая связь
РЭБ Радиоэлектронная борьба
СВЧ Диапазон сверхвысоких частот
СКО Среднее квадратичное отклонение
СНЧ Диапазон сверхнизких частот
СЧ Диапазон средних частот
УВЧ Диапазон ультравысоких частот
УФ Ультрафиолетовое излучение
ФЭУ Фотоэлектронный умножитель
ЧС Чрезвычайная ситуация
ЭВМ Электронно-вычислительная машина
88
Список литературы
1. Kaushal H., Kaddoum G. «Underwater Optical Wireless Communication»,
in IEEE Access, vol. 4, pp. 1518-1547, 2016.
2. Майская В. Компоненты беспроводной связи – миллиметровая волна
// Электроника: Наука, технология, бизнес. – 2011. – Т. 112. – № 6. – C. 42-50.
3. Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. Под ред. А.С. Монина.
– М.: Наука, 1983.
4. Оптика океана. Т.2. Прикладная оптика океана. Под ред. А.С. Монина.
– М.: Наука, 1983.
5. Шифрин К.С. Введение в оптику океана – Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
6. Карабашев Г.С. Флюоресценция в океане. – Л.: Гидрометеоиздат,
1987.
7. Доронин Ю.П. Физика океана – Санкт-Петербург, 2000.
8. Giles J.W., Bankman I.N. Underwater optical communications systems.
Part 2: Basic Design Considerations. – MILCOM 2005, 2005.
9. Optical Modem technology for seafloor observatories. Farr N., Chave A.D.,
Freitag L., Preisig J., White S., Yoerger D., Sonnichsen F. – Proceedings of the IEEE
Oceans 2006, 2006.
10. Hanson F., Stojan Radic. High bandwidth underwater optical
communication. – Applied Optics, 2008, vol. 47.
11. Ambalux Corporation. 1013C1 High-Bandwidth Underwater
Transceiver Data Sheet. 2006. – www.ambalux.com/1013_Brochure.pdf.
12. Тоффер Э. Третья волна. М.: ООО «Фирма Издательство АСТ»,
2004.
13. Неволин Д.Г., Петрусь И.П. Помехоустойчивость беспроводных
оптических локальных сетей передачи данных на базе светодиодов видимого
излучения. – Екатеринбург: УрГУПС, 2017. – 144 с.
14. Bell A.G. On the Production and Reproduction of Sound by Light // New
Haven: American Journal of Sciences, 1880. Vol. XX. Issue 118. pp. 305-324.
15. Kleinman D.A. Bell system // Techn. J. 1956. Vol. 35. pp. 685-690.
16. Тарасюк Ю.Ф., Серавин Г.Н. Гидроакустическая телеметрия. Л.:
Судостроение, 1973. – 176 с.
17. Бритвин А.В., Коняев С.И., Никитенко Н.С., Поважаев А.В.,
Поллер Б.В., Щетинин Ю.И. Методы построения и экспериментальные
характеристики ультрафиолетовых атмосферных линий связи // Успехи
современной радиоэлектроники. – 2019. – № 1. – С. 21-25.
DOI:10.18127/j20700784-201901-03.
18. Лосев О.В. У истоков полупроводниковой техники. Л.: Наука, 1972.
– 202 c.
19. Носов Ю.Р. Лосев О.В. – изобретатель кристадина и светодиода //
Электросвязь. – 2003. – № 5. – C. 63.
20. Пошманн Х., Новиков А. Светодиодные лампы на пути к массовому
рынку // Полупроводниковая светотехника. – 2010. – Т. 6. – № 8. – С. 4-8.
89
21. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых
гетероструктур // Физика и техника полупроводников. – 1988 г. – Т. 32. – № 1. –
С. 3-18.
22. Гридин В.Н. Полупроводниковая лампа источник освещения,
альтернативный лампам накаливания и электролюминесцентным лампам /
Гридин В.Н., Рыжиков И.В., Виноградов В.С., Щербаков В.Н. // Компьютерная
оптика. – 2008. – Т. 32. – № 4. – С. 375-383.
23. Гридин В.Н., Рыжиков И.В., Щербаков В.Н. Полупроводниковая
лампа источник освещения будущего // Автоматизация в промышленности. –
2007. – № 7. – С. 63-65.
24. Гридин В.Н., Рыжиков И.В., Щербаков В.Н. Полупроводниковая
лампа новый, эффективный, надежный и экологически чистый источник
освещения // Экология промышленного производства. – 2007. – № 4. – С. 48-52.
25. Коган Л.М. Светодиодные осветительные приборы // Светотехника.
– 2002. – № 5. – С. 16-20.
26. Visible Light Communications Consortium. URL: http://www.vlcc.net/
(дата обращения: 12.04.2014).
27. Bluetooth SIG. URL: https://www.bluetooth.com/ (дата обращения:
25.05.2014).
28. Center for Ubiquitous Communication by Light. URL:
http://www.uclight.ucr.edu (дата обращения: 17.03.2014).
29. D-Light. URL: http://visiblelightcomm.com (дата обращения:
17.03.2014).
30. Nakagawa Laboratories Inc. URL: http://www.naka-lab.jp/index_e.html/
(дата обращения: 17.03.2014).
31. NSF Center on Optical Wireless Applications. URL: http://cowa.psu.edu
(дата обращения: 17.03.2014).
32. OMEGA. URL: http://www.ict-omega.eu (дата обращения:
17.03.2014).
33. Paraskevopoulos A. Data are traveling by light. URL:
https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2011/august/datenunterweg
s.html (дата обращения: 30.05.2015).
34. Povey G. What is Visible Light Communication? URL:
http://visiblelightcomm.com/what-is-visible-light-communication-vlc/ (дата
обращения: 10.02.2014).
35. Smart Lighting Engineering Centre. URL:
http://www.bu.edu/smartlighting (дата обращения: 17.03.2014).
36. Jungickel V., Vucic J., Langer K.-D. High-speed Optical Wireless
Communications Technologies // Optical Fiber Conference (OFC). 2014. San
Francisco. USA. Th1F. 5 URL: ftp://ftp.hhi.fraunhofer.de/jungnickel/OFC2014/
Jungnickel_OFC_March2014.pdf (дата обращения: 08.04.2015).
37. Zeng L., Minh H., O'Brien D., Faulkner G., Lee K., Jung D., Oh Y.
Equalisation for High-speed Visible Light Communications Using White LEDs //
Proc. 6th International Symposium on Communication Systems, Networks and
90
Digital Signal Processing (CSNDSP 2008). 2008. pp. 170-173.
doi:10.1109/CSNDSP.2008.4610760.
38. Craford G. Visible light emitting diodes: past, present and very bright
future // MRS bulletin. 2000. № 1. pp. 113-118.
39. Tanaka Y., Komine T., Haruyama S., Nakagawa M. Indoor Visible
Communication Utilizing Plural White LEDs as Lighting // Proc. the 12th IEEE
International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.
2001. Vol. 2. San Diego. pp. 81-85.
40. Виноградов В.С. Полупроводниковая лампа новый источник
освещения / Виноградов В.С., Рыжиков И.В., Руденко Н.Н., Сумин С.Б.,
Фирсов А.С. // Инновационные технологии в науке, технике и образовании. –
Т. 2. – М.: МГУПИ. – 2008. – С. 3-19.
41. Гридин В.Н. Полупроводниковая лампа источник освещения,
альтернативный лампам накаливания и электролюминесцентным лампам /
Гридин В.Н., Рыжиков И.В., Виноградов В.С., Щербаков В.Н. // Компьютерная
оптика. – 2008. – Т. 32. – № 4. – С. 375-383.
42. Захарченко Д.А., Корецкая В.А., Старенька Т.Э. Светодиодные
лампы – эффективный способ экономии энергетических ресурсов // Экономика
строительства и городского хозяйства. – 2009. – Т. 5. – № 3. – С. 175-180.
43. Щербаков В.Н., Абрамов В.С., Рыжиков И.В. Основные проблемы
создания источников освещения на базе инжекционной люминесценции,
альтернативных лампам накаливании и люминесцентным лампам // Приборы. –
2007. – № 5. – С. 45-56.
44. Bertrand M., Bouchet O., Besnard P. Personal Optical Wireless
Communications: LOS/WLOS/DIF Propagation Model and QOFI // Proc. 6 th
International Symposium on Communication Systems, Networks and Digital Signal
Processing (CSNDSP 2008). 2008. pp. 179-182. doi:10.1109/CSNDSP.
2008.4610816.
45. Fath T., Heller C., Haas H. Optical Wireless Transmitter Employing
Discrete Power Level Stepping // Journal of Lightwave Technology. 2013. 31(11).
pp: 1734-1743. DOI: 10.1109/JLT.2013.2257984.
46. Ghimire B., Haas H. Resource Allocation in Optical Wireless Networks
// Proc. of the 22nd Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and
Mobile Radio Communications (PIMRC '11) IEEE. 2011. URL:
http://www.see.ed.ac.uk/~hxh/pubs/pdf/gh1101.pdf (дата обращения: 30.10.2014).
47. Paraskevopoulos A. Data are traveling by light. URL:
https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2011/august/datenunterweg
s.html (дата обращения: 30.05.2015).
48. Thomson I. Forget Wi-Fi, boffins get 150Mbps Li-Fi connection from a
lightbulb: Many (Chinese) hands make light work. URL:
http://www.theregister.co.uk/2013/10/18/forget_wifi_chinese_boffins_get_150mbps_
lif i_connection_from_a_lightbulb (дата обращения: 30.10.2014).
49. Хаас Х. Беспроводная информация из каждой лампочки. [Пер. с
англ.] URL: http://www.ted.com/talks/harald_haas_wireless_data_from_every_light_
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]