Úvod Model komunikace a místo atmsférického spoje (AOS) v modelu komunikace AOS

Transkript

1 Atmosférické optické spoje Atmosférické přenosové prostředí Skladba a energetická bilance spoje FSI FEKT Úvod Model komunikace a místo atmsférického spoje (AOS) v modelu komunikace Servisní vrstva Komunikační vrstva Fyzická vrstva AOS Servisní vrstva Komunikační vrstva Fyzická vrstva Atmosférickým optickým spojem (AOS) se zde rozumí plně duplexní spoj, který k přenosu informace v atmosférickém přenosovém prostředí (APP) využívá optickou nosnou vlnu obsahující jeden nebo více vlnově dělených kanálů, jejichž optický výkon je soustředěn do jednoho nebo více úzkých svazků. Spoj je obvykle navržen pro přenos signálu s digitální intenzitní modulací (IM/OOK). AOS mohou být provozované jak v uzavřené místnosti, tak ve volném ovzduší (troposféře) nebo v kosmickém prostoru. V této však pozornost bude soustředěna na spoje pracující v APP. Atmosférické přenosové prostředí APP má značný vliv na kvalitu přenosu. APP je prostředím obecně nestacionárním a nehomogenním (předpokládá se, že také dielektrickým, lineárním, nedisperzním, izotropním) a jeho vliv na kvalitativní parametry přenosového kanálu má náhodný charakter. Základními veličinami pro modelování vlivu APP na kvalitu přenosu AOS jsou koeficient útlumu α,atm, resp koeficient extinkce α e, index lomu prostředí n a strukturní parametr indexu lomu C n.

2 Uvedené veličiny jsou obecně závislé na souřadnicích prostoru, na času a na vlnové délce: α = α, atm, atm( rt,, λ ) n= n( r, t, λ) C = C ( r, t, λ) n n () () (3) Na obr. je uvedena spektrální závislost propustnosti čisté a klidné atmosféry. (AOS pracují v oknech 850 nm a 550 nm) Obr. Propustnost čisté atmosféry na úrovni mořské hladiny při délce trasy km a šířce spektrální čáry,5 nm Pro ohodnocení extinkce APP se vychází z Bouguerova zákona di( λ) = α ( λ) I( λ) dz, (3) e kde di( λ ) je zeslabení optické intenzity na spektrální složce λ při průchodu záření vrstvou atmosféry o tloušťce dz. α e (λ) je koeficient extinkce (zeslabení) v [km - ]. Integrací se dostane [ ] I ( λ) = I ( λ)exp α ( λ) Δ z,. (4) e kde I je optická intenzita na začátku a I je optická intenzita na konci vrstvy tloušťky Předpokladem je konstantní hodnota extinkce po celé trase Δ z (udané v [km]). Δ z.

3 Graficky: I α e je parametrem ΔI I I z z z Δz Spektrální propustnost T λ (λ) se definuje vztahem I( λ) T λ ( λ) =. (5) I ( λ) a po dosazení za I ( λ ) a I ( λ ) vychází [ z] Tλ ( λ) = exp αe ( λ) Δ Spektrálně střední hodnota propustnosti je λ T T d z d λ λ λ λ Δ λ ( λ) λ exp [ αe( λ) ] λ. (6) λ λ λ e z Pokud je navíc αe( λ) konst na intervalu ( λ λ), je T e α Δ = =.

4 Zemská atmosféra se skládá z několika charakteristických vrstev. Svislý řez atmosférou se znázorněním zemského povrchu a hlavních vrstev atmosféry je uveden na obr.. exosféra termosféra; (ionosférické vrstvy E a F) mezosféra; (ionosférická vrstva D) stratosféra 800 km 80 km 55 km 0 km (AOS) troposféra; (hory, oblaka, letouny) země 0 km Obr. Atmosférické vrstvy se znázorněním zemského povrchu a oblastí práce AOS Z obrázku je patrné, že APP je součástí troposféry, která je charakteristická tím, že vodní pára zde podléhá kondenzaci, tvoří se zde mlhy a oblaka, projevuje se déšť a sníh, vznikají bouřky, větry a větrné víry (turbulence). Teplotní gradient nebo mechanické působení způsobují, že lokální teplota a tlak ovzduší se mění v prostoru i čase a důsledkem toho je, že index lomu APP je náhodnou funkcí souřadnic prostoru a času. Optický svazek procházející takovým prostředím podléhá energetickým i tvarovým změnám. Změny tvaru svazku (jeho rozšíření nebo odklon) mohou vyvolat změny úrovně přijímaného výkonu. Hlavními jevy, ke kterým během šíření svazku dochází jsou: - extinkce optické intenzity vlivem absorpce a rozptylu na molekulách nebo aerosolech - extinkce optické intenzity vlivem turbulence troposféry - fluktuace optické intenzity vlivem turbulence troposféry - fluktuace optické intenzity působením deště nebo sněhu - fluktuace optické intenzity vlivem deformace tvaru svazku - krátkodobé přerušování svazku (např. letícím hmyzem, ptákem apod. Je nutno podotknout, že uvedené jevy působí společně a že flutkuace optické intenzity vyvolávají současně extinkci intenzity. Stručně lze uvedené jevy dělit na extinkci optické intenzity, fluktuaci optické intenzity a krátkodobé přerušování svazku (s dobou trvání přibližně 0 ms).

5 Střední koeficient extinkce lze vyjádřit jako součet (extinkce je aditivní veličina) α = α + α + α + α, (7) e abs s, m s, p fluct kde α abs je člen odpovídající absorpci na molekulách, α s,m je člen odpovídající rozptylu na molekulách (Rayleighův rozptyl), α s,p je člen odpovídající rozptylu na částicích (Mieův rozptyl) a α fluct je člen odpovídající střednímu zeslabení intenzity vlivem fluktuací. Pro energetickou bilanci spoje lze každý člen extinkce vyjádřit konkrétním způsobem (viz doporučená literatura). Praktické použití má veličina meteorologická viditelnost, která je definovaná jako vzdálenost, při níž propustnost APP nabývá hodnoty T = 0,0 = % (při λ = 555 nm). Odvození vztahu mezi meteorologickou viditelností V M a koeficientem extinkce α e je následující: I Platí: I T e αeδz = = a definuje se Δz V M =, pro I = 00, I a λ = 555 nm. Proto 0,0 e α V e M =, ln 0,0 = αevm a konečně 3,9 α = ; (λ = 555 nm). (8) e V M Obecněji pro libovolnou délku vlny platí α 3,9 e( λ) ; [km ;km,nm] q 555 V M λ, (9) 3 kde q = 0, 585VM; pro VM 6 km. Např. pro V M = km je q =,6 a je-li λ = 000 nm, je, 84 α =. e V M Zeslabení optické intenzity v APP na délce vrstvy L [km] je možno stanovit také pomocí koeficientu útlumu. Koeficient útlumu v APP v [db/km] je definovaný vztahem (bere se jako kladná veličina) α I 0log, APP =. (0) L I

6 Vztah mezi koeficientem extinkce v [km - ] a koeficientem útlumu v [db/km] je [km α ] =0,3α e [db/km], APP. () Tab. Přehled číselných hodnot V M a α,app V M [km] α,app [db.km - ] stav atmosféry < 0,05 > 340 silná mlha 0, až 0,5 85 až 34 střední mlha,0 až,0 4 až 7,0 slabá mlha nebo silný déšť,0 až 4,0 7,0 až 3,0 opar 0 až 3,0 až 0,5 čistá Kromě útlumu nastává v APP jev turbulence, který se projevuje zejména fluktuací přijímaného optického výkonu. Tyto fluktuace mají různou frekvenci a amplitudu. Teplotní turbulence troposféry mohou vyvolat změny přijímaného výkonu o frekvenci řádově stovky Hz. Ostatní činitelé (nástup mlhy nebo odsměrování svazku) působí s typickými časovými periodami změn 0 min. nebo 4 hod. Uvedené změny mohou vyvolat pokles přijímaného výkonu pod stanovenou minimální úroveň (citlivost přijímače). V takovém případě se jedná o tzv. únik. Parametry úniků jsou objasněny na obrázku. P FD /f fluct P FD Δ fluct Δ ú P 0 Δt t Δt /f ú Obr. 3 Parametry úniků (P FD optický výkon na fotodiodě přijímače, P 0 citlivost přijímače, f fluct frekvence fluktuací, f ú frekvence úniků, Δ fluk dynamika fluktuací, Δ ú hloubka úniků, t čas, Δt i časové intervaly, kdy úroveň optického výkonu na fotodiodě byla menší než požadovaná)

7 Při statistickém ohodnocování spoje se uvádí relativní časový interval (procento času) p (v %), během něhož došlo k únikům: Δt i i p = T 00, () kde T je celkový časový interval měření (obvykle jeden rok). Pomalé změny přijímaného výkonu vyvolané mlhou nelze analyticky vyjádřit. Vyhodnocení takového procesu se dělá empiricky. Analytický model existuje pouze pro rychlé fluktuace vyvolané deštěm, sněhem nebo vzdušnou turbulencí. Pro modelování vzdušných turbulencí (jinak čisté atmosféry) se používá následující postup: V atmosféře se předpokládá existence vzdušných vírů (nehomogenit indexu lomu) ve tvaru koulí o průměru l ( l0; L0 ). Vlastnosti atmosféry dovolují jen určité rozměry vzdušných vírů (řádově od mm do km). V takové atmosféře platí Kolmogorův zákon dvou třetin (96) [ ] 3 nat (, ) nbt (, ) = Cρ n, (3) time kde výraz na levé straně se nazývá strukturní funkce indexu lomu ; A,B jsou body prostoru; t je čas; ρ je vzdálenost bodů AB; C n je strukturní parametr indexu lomu [m -/3 ]. Náhodné nehomogenity indexu lomu vyvolávají fluktuace fáze i amplitudy procházející vlny. S předpokladem homogenity a stacionarity APP a relativně slabé turbulence lze pro relativní varianci optické intenzity odvodit výraz KCnk LAPP β =, (4) kde K je konstanta: K =,3 (pro rovinnou vlnu) K = 0,50 (pro sférickou vlnu) k je vlnové číslo a L VP je délka trasy optického svazku v APP. (5)

8 I I Relativní disperze optické intenzity je definovaná σ Irel, =, kde I je optická I intenzita. Pro σ Irel, dochází k jevu nasycení a relativní disperze optické intenzity dále neroste. Na obr. 4 je graficky znázorněná přibližná závislost relativní disperze optické intenzity na n APP parametru β = KC k L σ Irel, β 0 Obr 4 Závislost relativní disperze optické intenzity na parametru β 0 V tabulce je uveden přehled hodnocení stavu APP podle hodnot strukturního parametru indexu lomu. Tab. Tabulka stavů APP podle míry turbulence C n [m -/3 ] míra turbulence 0-4 slabá 0-3 střední 0 - silná

9 Ohodnocení SNR atmosférického optického spoje (Vztahy mezi veličinami budou uvedeny v grafickou formou.): Turbulence atmosféry snižuje koherenční plochu. (Koherenční plocha je taková kruhová plocha umístěná kolmo a symetricky k ose svazku, na které lze považovat vlnu za prostorově koherentní.) Poloměr koherenční plochy se značí ρ 0. Pro Gaussův svazek platí 3 5 APPCn ρ0 = (0,55 kl ) Graficky ρ 0 [m] λ = μm; C n = 0-4 m -/3 0, 0, L APP [m] Za určitých podmínek (jako příklad) lze tedy předpokládat, že číselná hodnota poloměru koherence je 0, m. Zvolí-li se velikost vstupní apertury přijímací optické soustavy srovnatelná s velikostí koherenční plochy, nastane podstatné zmenšení fluktuací přijímaného optického výkonu. Graf závislosti relativní variace přijímaného optického výkonu a relativní průměru přijímací optické soustavy (vztaženého k průměru koherenční plochy) je uveden na obrázku. (Jev průměrování),0 σ Prel, 0, 0,0 0,00 0, 0 D POS 0 ρ

10 Obvyklé číselné hodnoty pro D POS jsou srovnatelné s průměrem koherenční plochy, proto k ohodnocení σ P,rel se volí D POS /ρ 0 =. Z grafu je vidět, že pro D POS /ρ 0 = je σ Prel, = 0,. Při vyloučení vlivu APP platí: SNR i = R. σ R i Po dosazení příslušných vztahů (viz přednáška o šumech v optických komunikacích je SNR = eb m G FD GFDηe RP ω ηe ω S [ PS + PB ] + Itma R + 4kTBm ηe kde P S je výkon signálu a P B je optický výkon pozadí. Výraz GFD představuje proudovou ω citlivost fotodiody. Ve jmenovateli je součet výkonových příspěvků šumů: výstřelového šumu (fotonového šumu signálu, fotonového šumu pozadí, šumu proudu za tmy) a tepelného šumu., P S + P B fotodioda zesilovač i u R Zahrne-li se šum APP k ostatním šumovým příspěvkům a předpokládá-li se G FD = a práce přijímače v limitování výstřelovým šumem za současného zanedbání temného proudu, je možno poměr SNR vyjádřit vztahem SNR = α ( αps ) ( P P ) B S B m P, + + α σ η kde α =. Pokud lze vyloučit vliv záření pozadí, je ω ( αps ) ( ) SNR = α P B = + α σ B αp S m P m S + σ Prel,. Pokud je navíc příjem uskutečněn v podmínkách silného signálu, je SNR. σ, Prel

11 Z předloženého teoretického odhadu SNR plyne, že za určitých podmínek ( σ P,rel = 0,) lze očekávat SNR 0 db (v optické oblasti). Určitými metodami lze SNR dále zvyšovat. 7. Skladba a energetická bilance spoje AOS se skládá ze dvou hlavic pracujících mezi sebou plně duplexním způsobem. Každá hlavice je pak ( duplexně ) připojena k osobnímu počítači, serveru nebo ústředně. Hlavice jsou vybaveny vysílacím a přijímacím systémem (VS a PS) pro komunikaci mezi sebou v APP a vysílacím a přijímacím systémem pro komunikaci mezi hlavicí a nejbližším síťovým počítačem. Tato komunikace se uskutečňuje v optickém vláknu nebo metalickém kabelu. Příklad zařazení AOS do komunikační sítě je uveden na obr kodek router síť A hlavice AOS OBS zálohování hlavice kodek router síť B Obr. 5 Příklad zařazení AOS do komunikační sítě ( kodek je zařízení pro kódování a dekódování signálu; router je směrovač, kterým se volí optimální cesta signálu; zálohování spoje je uskutečňováno mikrovlnnou technologií)

12 Dělení AOS podle dosahu je uvedeno v tabulce 3. Tab. 3 Dělení AOS podle dosahu charakter dosahu vzdálenost hlavic velmi krátký (0-0) m krátký (0-00) m střední (00-000) m dlouhý více než km Podle druhu přenášeného signálu se rozlišují analogové a digitální spoje. Podle způsobu přenosu se rozlišují spoje s koherentní nebo nekoherentní metodou přenosu. V dalším textu jsou rozebírány pouze digitální duplexní nekoherentní AOS umístěné v troposféře s intenzitní modulací (IM/on-off keying, OOK) a přímou detekcí. Dělení AOS podle přenosové rychlosti je uvedeno v tabulce 7.4. Tab. 4 Dělení AOS podle přenosové rychlosti. charakter rychlosti přenosová rychlost nízká nižší než Mbit/s střední ( - 0) Mbit/s vysoká více než 0 Mbit/s Vysílací systém AOS je část hlavice, která tvaruje vyzařovaný svazek a zabezpečuje jeho modulaci. Hlavními bloky vysílacího systému (VS) jsou: budič optického zdroje, laserová dioda (LD), zaměřovací systém, elektronický blok zaměřovacího systému a vysílací optická soustava (VOS). Prostorové tvarování optického svazku vystupujícího z LD zabezpečuje vysílací optická soustava (povrstvený plankonvexní dublet). Svazek prochází optickým průzorem (PV), sloužícím jako ochrana proti nečistotám přítomným v atmosféře. Optický průzor nesmí vyvolat deformaci svazku nebo jeho nadměrný útlum. Směrování optické osy VS zabezpečuje směrovací systém ovládaný mechanicky nebo elektronicky. K hrubému nastavení směru slouží dalekohled pevně spojený s VS. Součástí pouzdra LD je snímací fotodioda, která je zde použita k proudové stabilizaci optického výkonu. Účinnost stabilizace optického výkonu lze zvýšit teplotní stabilizací s využitím Peltierova chladiče. Pro potřeby AOS není nutné provádět kruhovou symetrizaci svazku a svazek je tvarován (kolimován) osově symetrickou optickou soustavou. Při energetické bilanci se přiřazuje původnímu svazku tzv. energeticky ekvivalentní svazek definovaný jako symetrický Gaussův svazek, který má na ose svazku stejnou intenzitu jako původní svazek a v jehož kruhové stopě je obsažen stejný výkon jako v eliptické stopě původního svazku.

13 Přijímací systém je část hlavice, která prostřednictvím přijímací optické soustavy (POS) soustřeďuje přijatý optický svazek na aktivní plochu fotodiody (FD). Hlavními bloky přijímacího systému (PS) jsou: přijímací optická soustava (POS), fotodioda (FD), předzesilovač a demodulátor. Předpokládá se, že v přijímacím systému je použita fotodioda PIN, která přímo převádí dopadající optický výkon na fotoproud. Svazek prochází dopadající na PS prochází optickým průzorem (PP). Soustředění optického svazku přicházejícího z VS protější hlavice zabezpečuje přijímací optická soustava POS (povrstvený plankonvexní dublet nebo Fresnelova čočka). Směrování optické osy PS zabezpečuje zaměřovací systém ovládaný mechanicky nebo elektronicky. Součástí zaměřovacího zařízení je dalekohled pevně spojený s PS. Ke snížení vlivu záření pozadí je v PS použit interferenční filtr navržený s ohledem na vlnovou délku záření. Energetická bilance AOS zahrnuje (viz obr. 6): výkon laserové diody P LD, účinnost vazby laserová dioda-vysílací optická soustava α v,ld, propustnosti vysílací a přijímací optické soustavy α VOS a α POS, propustnost optických průzorů α PV a α PP, útlum šířením α VP, zesílení přijímací optické soustavy γ POS, účinnost vazby přijímací optická soustava-fotodioda α v,fd, útlum vyvolaný nedokonalostí vzájemného zamíření hlavic spoje α z, rezervu spoje na atmosférické přenosové prostředí ρ atm, minimální hodnotu poměru signálu k šumu SNR 0, minimální detekovatelný výkon fotodiody P min, citlivost přijímacího systému P 0 a úroveň přijímaného výkonu, při které dochází k saturaci přijímače P max. α POS α v,ld α VOS α v,fd LD α PV α VP α PP γ POS FD P LD VOS PV PP POS P min Obr. 6 Místa útlumu a zesílení v energetické bilanci AOS Účinnost vazby α v,ld závisí na úhlové šířce a rozložení svazku vyzařovaném LD a na numerické PVOS apertuře vysílací optické soustavy. V decibelové míře se α vld, vyjádří α vld, = 0 log, kde P P VOS je výkon dopadající na aperturu vysílací optické soustavy. V praxi je možno předpokládat, že L0 útlum vazby α v,ld je přibližně,5 db. Útlum šířením je určen výrazem α VP = 0log, kde L + L L VP je vzdálenost mezi hlavicemi spoje a L 0 je tzv. pomocná délka (viz obr. 7). 0 LD VP

14 K vyjádření L 0 je třeba znát průměr vysílací optické soustavy D VOS a úhlovou šířku vysílaného D VOS svazku ϕ VS : L 0 ϕ VS. ϕ VS VOS POS LD D VOS L 0 L VP Obr. 7 Znázornění významu veličiny L 0 (pomocné délky) Zesílení přijímací optické soustavy je dáno poměrem ploch přijímací a vysílací apertury, rozložením intenzity v Gaussovu svazku a umístěním středu přijímací apertury v ose Gaussova DPOS svazku. V decibelové míře je γ POS = 0log + 3dB. D VOS Účinnost vazby přijímací optická soustava-fotodioda α v,fd závisí (za předpokladu konstantního ozáření přijímací apertury) na poměru aktivní plochy fotodiody A FD a velikosti skvrny A spot, kterou v ohniskové rovině přijímací optické soustavy vytváří přijaté světlo. Pro A A je α v,fd = 0 db. FD spot Rezervu spoje na atmosférické přenosové prostředí ρ atm lze odvodit z dlouhodobého měření útlumu atmosférického přenosového prostředí (APP). Například je možno zvolit ρ, atm 6 db/km. Minimální hodnota SNR 0 se stanovuje v závislosti na typu modulace a požadované chybovosti BER. Pro intenzitní modulaci typu OOK a chybovost spoje BER = 0-6 je SNR 0 = 3,5 db. Minimální detekovatelný výkon přijímače P min závisí na přenosové rychlosti, typu použité fotodiody a šumových parametrech předzesilovače. Pro fotodiodu PIN a přenosovou rychlost v I = 0 Mbit/s bývá hodnota minimálního detekovatelného výkonu přijímače P min -43 dbm. Citlivost přijímacího systému je definovaná jako minimální úroveň přijatého optického výkonu P 0, která je nutná k dosažení stanovené hodnoty SNR 0 a vyjádří se P = P + SNR 0 min 0. Posledním důležitým parametrem energetické bilance AOS je úroveň přijímaného výkonu, při které dochází k saturaci přijímače P max. Oblast dynamiky přijímacího systému Δ P je pak definovaná výrazem Δ P = Pmax P0. Oblast dynamiky přijímacího systému je vzhledem k vysoké míře fluktuací přijímaného výkonu (vliv šumu APP) významnou veličinou. Její hodnota v decibelové míře bývá Δ P 30 db.

15 Útlum vyvolaný nedokonalostí vzájemného zamíření hlavic spoje α z je způsoben různými vlivy: nezkušeností obsluhy při zaměřování, mechanickými deformacemi úchytu hlavice při aretaci, teplotními deformacemi konzol a pod. Empiricky bylo zjištěno, že útlum α z nepřevyšuje hodnotu,5 db. Počítačové zpracování útlumového diagramu usnadňuje návrh celého spoje. Na závěr je uveden příklad energetické bilance spoje řešené pomocí počítače. Počítačový návrh byl proved pomocí programu MATHCAD. Pd 40 mw výkon vysílací laserové diody v mw Pvd 0. log( Pd ) Pvd = 6.0 dbm výkon vysílací laserové diody v dbm α vdvc.5 db útlum vazby LD/VOS α vc db útlum na VOS α kk 3.5 db utlum na krycích sklech a interferenčním filtru Davc 0 mm průměr VOS φ sv.5 mrad uhlová šířka svazku Davc Lo m φ sv Lo = 8 m pomocná délka Lvp 700 m vzdálenost hlavic α vp 0. Lo log ( Lo Lvp ) db α vp = db útlum šířením Dapc 50 mm průměr POS γ pc 3 0. log Dapc Davc db γ pc = 0.50 db zisk POS αpc db utlum na POS α z.5 db rezerva na zaměřování ρatm Lvp m, db/m ρatm = 4. db rezerva na atmosféru ρber 3.5 db rezerva na chybovost (BER=0^-6) Pmin 43 dbm minimální detekovatelný výkon Drx 30 db dynamika přijímače Pmax Pmin Drx dbm Pmax= 3 dbm maximální detekovatelný výkon

16 Útlumový diagram spoje: P Pvd P P α vdvc P 3 P α vc P 4 P 3 α kk P 5 P 4 α vp P 6 P 5 γ pc P 7 P 6 α pc P 8 P 7 α z P 9 P 8 ρatm P 0 P 9 ρber i.. 0 ρs P 0 Pmin ρs = systémová rezerva [db] 0 Lvp=700m 0 0 P/dBm P i Pmin Pmax i i.. 9 Δ i P i P i Pmax= 3 dbm Pmin = 43 dbm i P i Δ i Zásadními výhodami AOS oproti jiným (radiovým) spojům jsou: vysoce směrový svazek (vysoká prostorová selektivita; nehrozí interference s jinými spoji); vysoká přenosová rychlost (možnost nasazení ve všech typech počítačových sítí); absence legislativních překážek (urychlení rozvoje sítí; optické pásmo nosné vlny leží mimo oblast působnosti ČTU); není nutné zakopávat do země nebo zavěšovat nad zemí optický kabel.

17