Способ беспроводной связи через атмосферную оптическую линию и система беспроводной оптической связи
Изобретение относится к области оптической связи, в частности к лазерным атмосферным системам передачи информации с резервированием передающих каналов, и направлено на повышение вероятности гарантированной связи в сложных метеоусловиях при одновременном снижении затрат на создание и эксплуатацию, а также повышение экологической безопасности системы оптической связи. Этот результат обеспечивается за счет того, что в способе беспроводной связи через атмосферную оптическую линию, включающем передачу информационного сигнала от передающего устройства к приемному устройству по радио- или оптическому каналу, сначала осуществляют передачу информационного сигнала от передающего устройства к принимающему устройству связи по лазерному оптическому каналу, а при достижении принимаемым информационным сигналом нижнего порога интенсивности включают, по меньшей мере, один передатчик широкополосного радиоканала, по которому продолжают передачу информационного сигнала на соответствующий приемник широкополосного радиоканала, не выключая передающее и приемное устройства лазерного канала. При этом для достижения принятым информационным сигналом величины порога интенсивности, который определяется заданной скоростью передачи информации, включают дополнительные передатчики и приемники широкополосного радиоканала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области оптической связи, в частности к лазерным атмосферным системам передачи информации с резервированием передающих каналов.
Известно резервирование линий FSO (Free Space Optics) - атмосферных оптических линий связи (АОЛС) с помощью радиолиний миллиметрового диапазона волн, при котором «горячее резервирование» осуществляется установкой параллельной радиолинии, работающей постоянно в диапазоне миллиметровых волн, и на которую автоматически переключают данные с FSO-линии в случае ее отказа (см., например, Official FCC Bulletin 70, "Millimeter Wave Propagation" (PDF), 1.7 M, или THE LAST-MILE SOLUTION: HYBRID FSO RADIO, written by Air Fiber (PDF, 1.1 M)). Для целей переключения может использоваться специально разработанный контроллер или сетевой мультиплексор 3-го уровня (Cisco, 3Com, Nortel и т.д.).
Недостатком известного решения является низкая надежность передачи информации в климатических условиях территории средней полосы при наличии сочетания различных видов осадков (дождь, снег) с туманом, а также невысокая экологическая безопасность из-за постоянного воздействия радиоволн на окружающую среду.
Известна также беспроводная дуплексная оптическая система связи (см. патент РФ 2178954, M.кл. Н04В 10/10, опубл. 1.03.2001 г.), в которой используются два оптических приемопередатчика, выполненных определенным образом и расположенных на противоположных концах образованной линии оптической связи. При этом эта оптическая система связи может быть как двухэлементной, в которой каждый из указанных приемопередатчиков содержит по одному оптическому передатчику (оптическому излучателю) и оптическому приемнику, при этом в каждом приемопередатчике оптический передатчик и оптический приемник связаны с соответствующим конвертером через модулятор и демодулятор соответственно, так и четырехэлементной, в которой каждый из указанных приемопередатчиков содержит по два оптических передатчика и два оптических приемника. Причем в каждом приемопередатчике два оптических передатчика и два оптических приемника связаны с конвертером соответственно через один модулятор и последовательно соединенные сумматор и демодулятор.
Дублирование передаваемой информации в данной системе используется для снижения вероятности сбоя связи и повышения устойчивости к помехам.
Однако, как и в вышерассмотренном аналоге, это не является гарантированным преодолением влияния сложных метеоусловий на период их действия. Кроме того, в данной системе задействован постоянно работающий второй оптический канал связи, что увеличивает затраты на ее эксплуатацию.
Известны способ и устройство для двусторонней передачи и приема сигнала, в котором связь может осуществляться как по радиоканалу, так и с помощью инфракрасного излучения (см. заявку РФ на изобретение 2000100275, М.кл. Н04В 10/10, опубл. 10.11.2001 г.). Для этого в устройстве имеется блок передачи сигнала, драйвер для приведения в действие передающего блока с целью передачи сигнала, блок управления, управляющий блоком передачи и драйвером, блок регулирования интенсивности передаваемого сигнала, приемный блок. В устройстве предусмотрена возможность ступенчатого увеличения интенсивности слабого сигнала при отсутствии ответа от приемного блока на посланный ему передающим блоком сигнал. В случае осуществления передачи и приема с помощью инфракрасного излучения в устройстве имеются оптические блоки передачи и приема, а также преобразователь электрического сигнала в оптический сигнал инфракрасного диапазона.
Предусмотренная в известном устройстве возможность передачи сигналов как по радиоканалу, так и в инфракрасном диапазоне, а также осуществление ступенчатого наращивания излучаемой мощности используются для преодоления действия сложных условий передачи, в том числе метеоусловий.
Однако наращивание уровня передаваемого сигнала возможно лишь до определенных пределов, что ограничивает возможности данного устройства по преодолению сложных условий передачи.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Задачей изобретений является повышение вероятности гарантированной связи в сложных метеоусловиях при одновременном снижении затрат на создание и эксплуатацию, а также повышение экологической безопасности системы оптической связи.
Указанная задача решается в способе беспроводной связи через атмосферную оптическую линию, включающем передачу информационного сигнала от передающего устройства к приемному устройству по радио- или оптическому каналу, заключающемся в том, что сначала осуществляют передачу информационного сигнала от передающего устройства к принимающему устройству связи по лазерному оптическому каналу, а при достижении принимаемым информационным сигналом нижнего порога интенсивности включают, по меньшей мере, один передатчик широкополосного радиоканала, по которому продолжают передачу информационного сигнала на соответствующий приемник широкополосного радиоканала, не выключая передающее и приемное устройства лазерного канала, при этом для достижения принятым информационным сигналом величины порога интенсивности, определяемого заданной скоростью передачи информации, включают дополнительные передатчики и приемники широкополосного радиоканала.
Решение данной задачи также обеспечивается в системе беспроводной оптической связи, содержащей блок управления передачей информационного сигнала, передающие и приемные устройства оптического канала, а также передатчики и приемники радиоканала, отличающейся тем, что передатчики и приемники радиоканала выполнены в виде широкополосных радиоприемопередающих модулей, передающие и приемные устройства оптического канала - в виде атмосферных лазерных приемопередающих модулей, а блок управления передачей информационного сигнала - в виде модуля управления и коммутации, содержащего подключенный к информационному кабелю конвертер, первый выход которого является первым выходом модуля управления и коммутации и подключен к атмосферному лазерному приемопередающему модулю, а также последовательно включенные блок определения и контроля уровня информационного сигнала и соединенный со вторым выходом конвертера коммутатор, по меньшей мере, один выход которого подключен к, по меньшей мере, одному широкополосному радиоприемопередающему модулю, причем информационный вход блока определения и контроля уровня информационного сигнала связан с атмосферным лазерным приемопередающим модулем.
Кроме того, атмосферные лазерные приемопередающие модули могут быть размещены с соответствующими широкополосными радиоприемопередающими модулями и модулями управления и коммутации в едином влагозащищенном корпусе.
Снабжение системы беспроводной оптической связи широкополосными радиоприемопередающими модулями и модулями управления и коммутации позволяет задействовать резервный канал в тех случаях, когда сложная метеообстановка (дождь, снег, туман и их сочетание) ослабляет передаваемый через атмосферу лазерный оптический сигнал, что приводит к изменению (уменьшению) его уровня на входе приемного оптического канала. При этом в условиях нормальной метеообстановки наиболее полно используются возможности лазерного оптического информационного канала, а в необходимых случаях подключается широкополосный радиоприемопередающий модуль резервного передающего канала. Лазерный оптический канал работает с постоянной интенсивностью, в связи с чем его использование становится предсказуемо и относительно безопасно, а поскольку широкополосный радиоканал задействован не постоянно, как в прототипе и аналогах, а включается только на период действия сложной метеообстановки (особенно во время тумана), обеспечивается более долгий срок использования системы, низкие эксплуатационные затраты и повышение экологической безопасности при эксплуатации, что в конечном итоге обеспечивает повышение надежности работы всей системы беспроводной связи.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой системы, в качестве примера содержащей один резервный передающий широкополосный радиоканал, где А, В и С - каналы передачи данных с соответствующими скоростями (Мбит/сек), причем А=В и В>С, 100 Мбит/сек≤A≤10 Гбит/сек;
на фиг.2 представлена схема модуля управления и коммутации;
на фиг.3 - временная диаграмма работы комбинированного (лазерного и радио) оборудования передачи данных.
Система содержит широкополосный радиоприемопередающий модуль 1, связанный с СВЧ-антенной 2, атмосферный лазерный приемопередающий модуль 3. В систему входят также модуль управления и коммутации 4, содержащий подключенный к информационному кабелю конвертер 5, первый выход которого является первым выходом модуля управления и коммутации 4 и подключен к атмосферному лазерному приемопередающему модулю 3, а также последовательно включенные блок определения и контроля уровня информационного сигнала 6 и соединенный со вторым выходом конвертера 5 коммутатор 7, по меньшей мере, один выход которого подключен к, по меньшей мере, одному широкополосному радиоприемопередающему модулю 1, причем информационный вход блока определения и контроля уровня информационного сигнала связан с атмосферным лазерным приемопередающим модулем 3.
Показанная на фиг.3 временная диаграмма работы комбинированного (лазерного и радио) оборудования передачи данных иллюстрирует способ беспроводной связи через атмосферную оптическую линию.
Из временной диаграммы видно:
1. Во время работы атмосферного лазерного канала (временные интервалы (0,2), (4,6) и (8,-)) широкополосный радиоприемопередающий модуль не функционирует и находится в «горячем» резерве, при этом данные передаются со скоростью В.
2. При ухудшении работы атмосферного лазерного канала ((1,2) и (5,6)) включается широкополосный радиоприемопередающий модуль, и по прошествии небольшого промежутка времени ((2,3) и (6,7)) данные начинают передаваться через радиоканал со скоростью С.
3. После восстановления работы атмосферного лазерного канала (4 и 8) широкополосный радиоприемопередающий модуль перестает функционировать, и данные начинают передаваться через атмосферный лазерный канал со скоростью В.
Исходный промодулированный электрический сигнал поступает из кабельной среды передачи (например, Ethernet, Fast Ethernet, G.703 и т.д.) на вход конвертера 5, где может производиться его восстановление, буферизация, обработка, декодирование и преобразование в электрический сигнал необходимого формата. Преобразованный электрический сигнал поступает одновременно на основной лазерный передающий канал к атмосферному лазерному приемопередающему модулю 3 и на коммутатор 7, по меньшей мере, один выход которого подключен к, по меньшей мере, одному широкополосному радиоприемопередающему модулю 1. В зависимости от настроек и установок блока определения и контроля уровня информационного сигнала 6 для достижения принятым информационным сигналом величины порога интенсивности, определяемого заданной скоростью передачи информации, коммутатор 7 может рассылать передаваемый информационный сигнал на дополнительные приемопередающие модули широкополосного радиоканала.
Во всех случаях поступивший на атмосферный лазерный приемопередающий модуль 3 лучистый поток преобразуется в электрический сигнал, поступающий на блок 6 определения уровня принимаемого сигнала, где измеряется уровень принятого сигнала. Преобразованный сигнал усиливается, восстанавливается и подается на вход конвертера 5, где преобразуется в исходный вид для передачи в соответствующей кабельной среде передачи данных. Блок 6 определения уровня принимаемого сигнала, поступившего на вход атмосферного лазерного приемопередающего модуля 3, осуществляет контроль информационного сигнала, регистрируя его изменения относительно установленного порога. В случаях, когда уровень принимаемого сигнала меньше уровня сигнала порогового уровня на заданную величину, блоком 6 определения уровня принимаемого сигнала выдается сигнал коммутатору 7 включения/выключения широкополосного радиоприемопередающего модуля на включение широкополосного радиоприемопередающего модуля 1. В случаях, когда уровень принимаемого сигнала больше заданного уровня на необходимую величину, блоком 6 определения уровня принимаемого сигнала выдается сигнал на выключение широкополосного радиоприемопередающего модуля коммутатору 7 включения/выключения широкополосного радиоприемопередающего модуля.
В системе может быть предусмотрена выдача сигнала на включение/выключение широкополосного радиоприемопередающего модуля, задающего излучающую мощность, в соответствии с динамикой изменения уровня принимаемого сигнала в блоке 6 определения уровня принимаемого сигнала.
В конвертере 5 может использоваться специализированная микросхема Micro Linear ML6673 (http://www.microlinear.com/).
Атмосферный лазерный приемопередающий модуль может включать следующие элементы:
в качестве фотоприемника может использоваться полупроводниковый фотодиод Hamamatsu S6468 с трансимпедансным усилителем (http://www.hamamatsu.com/) и операционный усилитель на микросхеме Hewlett Packard IVA 8028 (http://www.hp.com/);
в качестве лазерного излучателя может быть применен полупроводниковый лазерный светодиод АТС-С500-100-ООО-808-10 с рабочей оптической мощностью 500 мВт и длиной волны генерации 808 нм совместно с усилителем мощности.
Блок определения и контроля уровня информационного сигнала 6 в простейшем случае может состоять из операционного усилителя Analog Devices AD 8042 AR (http://www.analogdevices.com/) и сравнивающего компаратора уровня National Semiconductor LM393 (http://www.nsc.com/) или с целью расширения функциональных возможностей может быть выполнен на основе спецпроцессора с выходом через единый интерфейсный модуль (Ethernet, G703) для радио и оптических средств.
Основные производственные и эксплуатационные преимущества комбинированного оборудования передачи данных следующие:
1. Дешевизна, т.к. стоимость широкополосного радиоприемопередающего модуля много меньше стоимости атмосферного лазерного приемопередающего модуля.
2. Коэффициент готовности Кг≈0,9999, т.к. интервалы (2,3) и (6,7) пренебрежимо малы.
3. Общее время работы радиоканала (а следовательно, и время радиоизлучения комбинированного оборудования) пренебрежимо мало (не более 5%).
Таким образом, предлагаемыми изобретениями решена задача повышения вероятности гарантированной связи в сложных метеоусловиях при одновременном снижении затрат на создание и эксплуатацию, а также повышение экологической безопасности системы оптической связи.
1. Способ беспроводной связи через атмосферную оптическую линию, включающий передачу информационного сигнала от передающего устройства к приемному устройству с радио- и оптическим каналами, отличающийся тем, что сначала осуществляют передачу информационного сигнала от передающего устройства к принимающему устройству связи по лазерному оптическому каналу, а при достижении принимаемым информационным сигналом нижнего порога интенсивности включают, по меньшей мере, один передатчик широкополосного радиоканала, по которому продолжают передачу информационного сигнала на соответствующий приемник широкополосного радиоканала, не выключая передающее и приемное устройства лазерного канала, при этом для достижения принятым информационным сигналом величины порога интенсивности, определяемого заданной скоростью передачи информации, включают дополнительные передатчики и приемники широкополосного радиоканала.
2. Система беспроводной оптической связи, содержащая блок управления передачей информационного сигнала, передающие и приемные устройства оптического канала, а также передатчики и приемники радиоканала, отличающаяся тем, что передатчики и приемники радиоканала выполнены в виде широкополосных радиоприемо-передающих модулей, передающие и приемные устройства оптического канала - в виде атмосферных лазерных приемопередающих модулей, а блок управления передачей информационного сигнала - в виде модуля управления и коммутации, содержащего подключенный к информационному кабелю конвертер, первый выход которого является первым выходом модуля управления и коммутации и подключен к атмосферному лазерному приемо-передающему модулю, а также последовательно включенные блок определения и контроля уровня информационного сигнала и соединенный со вторым выходом конвертера коммутатор, по меньшей мере, один выход которого подключен к, по меньшей мере, одному широкополосному радиоприемо-передающему модулю, причем информационный вход блока определения и контроля уровня информационного сигнала связан с атмосферным лазерным приемо-передающим модулем.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что атмосферные лазерные приемо-передающие модули размещены с соответствующими широкополосными радио приемо-передающими модулями и модулями управления и коммутации в едином влагозащищенном корпусе.
