Оптимизация параметров передачи оптического сигнала при проектировании FSO

1. Оптимизация параметров передачи оптического сигнала при проектировании FSO

Выполнил:
Дипломный руководитель:
Сюбебаев М. К.
Шарифов Д. М.

2. Актуальность дипломной работы

- большая информационная емкость (по АОЛС одновременно можно передавать
около миллиона телевизионных каналов);
- малые габариты и вес аппаратуры;
- отсутствие взаимных помех;
- высокая скрытность передаваемой информации;
- относительно низкая стоимость, составляющая примерно половину стоимости
радиорелейной линии миллиметрового диапазона при одинаковой протяженности
трассы;
- простота обслуживания аппаратуры АОЛС;
- возможность развертывания в сжатые сроки. Полный цикл проектирования и
строительства АОЛС составляет 3-4 месяца, оптоволоконной линии - 4-6, а
радиорелейной - 5-9 месяцев;
- отсутствие необходимости получать разрешение на использование частот, что
сегодня весьма актуально.

3. Цели дипломной работы

-
Исследование систем FSO
-
Изучение влияния погоды на системы АОЛС
-
Проведение экономических расчетов и их оптимизация
Задачи дипломной работы
Проведение научного обзора по современным технологиям системы FSO
Изучение преимуществ и недостатков приборов
Проведение конкретных теоретических расчетов параметров приборов
Изучение влияния погодных условий на передачу оптического сигнала

4. Структура дипломной работы

Структура состоит из 4-х разделов:
1) Теоретическая часть(архитектура сетей FSO, классификация и так
далее);
2) Аналитическая часть;
3) Практическая часть;
4) Технико - экономические расчеты;
5) Соблюдение техники безопасности при работе с лазерными
приборами;
6) Заключение.

5. Теоретическая часть

В настоящее время оптические системы связи (ОСС)
находят все большее применение в современной технике.
При этом различают:
проводные лазерные волоконно – оптические линии связи
(ВОЛС), широко используемые в спецтехнике, в особенности
для дальней и внутриобъектовой связи;
беспроводные ОСС (БОСС).

6.

БОСС решают следующие проблемы:
внутристанционную связь (передача данных телеметрии, видеонаблюдения) на
сортировочных железных дорогах и в логистических центрах без дорогостоящих
строительных работ
оперативную организацию внутрикорпоративных каналов связи между
объектами и офисами клиента, расположенных в разных зданиях, в том числе
через водные преграды, искусственные сооружения (мост, эстакада, магистрали),
оживленные улицы без необходимости прокладки кабеля;
организацию стационарного и временного канала связи между погрузочно –
разгрузочными терминалами, складами и диспетчерскими пунктами без
дорогостоящих строительных работ;
реализацию конфигурации сети типа «кольцо» и «кольцо-звезда» со скоростью
передачи данных 100 Мб/с. Преимуществами проекта в городских условиях
являются экологическая безопасность, защищенность клиента от шумов, наводки
и перехвата информации, мобильность и возможность переконфигурации сети в
зависимости от потребностей заказчика. «Лазерное кольцо» позволяет передавать
информацию одновременно в нескольких направлениях. Это удобно для
сообщения с абонентами в разных зданиях и обеспечивает многократное
резервирование канала связи в случае повреждения одного из участков сети.

7.

Примеры сетей БОСС
Обеспечение магистральных соединений в распределенных компьютерных сетях (100
Мбит/с) с помощью БОСС МОСТ 100/500

8.

9.

Создание телефонной сети с использованием БОСС МОСТ 100/500 в качестве
ретранслятора и мультиплексора

10.

Аналитическая часть
БОСС может работать автономно или под управлением персонального
компьютера со специализированным программным обеспечением для
анализа динамики параметров канала связи в процессе измерения.
Мониторинг чрез IP-сети допускает определение состояния оборудования из
любой точки Ethernet дистанционный контроль состояния линии.
Встроенный служебный канал позволяет обмениваться информацией между
терминалами БОСС, не используя основной канал. Установка резервного
радиоканала (Wi-Fi РРЛ) активностью не более 14 в год дает возможность
увеличить дальность действия системы до 7 км и более при обеспечении
надежности не хуже 99,99%.

11.

На фото 1 представлены варианты исполнения внешних оптических блоков
лазерной БОСС. Масса блоков не превышает 5 - 6 кг. Рабочий диапазон
температур от – 40… - 50 до +50…+60°С. Предусмотрена встроенная система
автонаведения (автотрекинга), антиобледнения, аэродинамической защиты
оптики. В системе используется полупроводниковый лазер с длиной волны 1,55
мкм. Класс лазерной безопасности – 1м. Лазерная многоцелевая система для
телекоммуникаций (МОСТ),в частности модель МОСТ 100/500, используется для
организации телекоммуникационных сетей интегрированного обслуживания, при
организации локальных вычислительных сетей, для обеспечения доступа в
интернет, для соединения АТС между собой и пр. ЕЕ приемо- передающие
модули устанавливаются на противоположных концах трассы на высоте не менее
2,5 м. при этом минимальная допустимая угловая нестабильность места должна
быть не более 1´, а погрешность установки направления связи не более 30
´´.Выполнение этих требований обеспечивает в условиях средней полосы
ориентировочную дальность связи систем серии МОСТ в соответствии с рисунка
1.

12.

Фото 1 - варианты исполнения внешних
оптических блоков лазерной БОСС

13. Аналитическая часть

Рисунок 1 - График обеспечения дальности связи с помощью
БОСС МОСТ 100/500

14. Практическая часть

Ключевым параметром при разработке линий FSO является расчет бюджета
линии. Запас на линии, который представляет собой доступную мощность,
превышающую чувствительность приемника, можно рассчитать из уравнения :
M link Pe S r Ageo Aatmo Ascintillation Asystem
Где
Мlink - общая мощность излучателя; Pв - чвствительность приёмника, которая также
зависит от ширины полосы (скорости передачи данных); S r - геометрическое
ослабление линии из-за рассеивания передаваемого луча с увеличением расстояния;
Ageo - ослабление в атмосфере из-за поглощения и рассеяния; A scintillation - ослабление
из-за турбулентности атмосферы; Asystem - представляет все остальные потери в
системе, включая ошибки в установке направления луча, оптические потери
приемника, потери из-за отклонения луча, уменьшение чувствительности из-за
окружающей освещенности (солнечного излучения) и тому подобное.

15.

При создании линий FSO необходимо учитывать
превалирующие погодные условия, физические препятствия и
типы поверхности на трассе, а также условия размещения
приемопередатчика, которые гарантировали бы оптимальное
качество работы линии. К этим факторам относятся:
- Погодные условия;
- Физических препятствий на трассе между излучателем и
приемником;
- Топография и тип поверхности;
- Точность установки излучателя и приемника.

16.

Ослабление оптического сигнала в дожде
Рисунок 2 - Ослабление в атмосфере из-за дождя

17.

Ослабление при турбулентности
Рисунок 3 - Изменение ослабления из-за мерцания в зависимости от
расстояния, для разных типов турбулентности на 1550 нм

18.

Таблица 4 – Значения глубины замираний из-за мерцания, ожидаемого на трассе
длинной 1 км
 
Турбулентность
 
Слабая
Умеренная
Высокая
Cn2 для оптических волн (м−2/3)
10−16
10−14
10−13
Ослабление (0,98 мкм) (дБ)
0,51
5,06
16,00
Ослабление (1,55 мкм) (дБ)
0,39
3,87
12,25
Cn2 для миллиметровых волн (м−2/3)
10−15
10−13
10−12
Ослабление (40 ГГц) (дБ)
0,03
0,09
0,27
Ослабление (60 ГГц) (дБ)
0,03
0,11
0,35
Допуски, распределённые для компенсации ослабления в тумане или
дожде, могут также компенсировать и влияние мерцания 

19. Технико-экономический раздел

Анализ рынка продукции
Основными потребителями данного продукта могут выступать: крупные
промышленные предприятия массового производства оборудования для
светомузыки, средств безопасности (камеры внешнего и внутреннего
наблюдения), строительных приборов и производители фото и
видеоаппаратуры.
Согласно проведённым исследований количество потенциальных
потребителей составляет 110 компаний, включая крупнейшие. Но в силу
наших производственных возможностей мы не в состоянии удовлетворить их
все. Поэтому мы берем усредненный показатель предприятий, с которыми
мы можем сотрудничать (% предприятия). Для многих видов товаров
индивидуального и промышленного назначения Sполн. Можно рассчитать по
формуле :
S полн .l N l K охв .l ml
N l - количество предприятий (людей) в l-м сегменте;
K охв .l
ml
- доля покупателей, которые хотят (могут) приобрести товар в l-м
сегменте;
- комплектность покупки.

20.

Расчеты емкости рынка выполняют после определения состава и начинают с
определения полной потребности в товаре данного вида по формуле:
L
S полн S полн .l
l 1
S полн
– полная потребность в товаре суммарно для всех
рассматриваемых сегментов, шт.;
S полн .l
– полная потребность сегмента, шт.;
L – количество сегментов рынка.

21.

Для определения уровня конкурентоспособности рассматривается новый
лазерный излучатель по сравнению с продуктом конкурента. В качестве
образца выступает лучший аналог. Таким аналогом является излучатель
производства фирмы Colibrys (Швейцария) и Sensonor (Норвегия). На формуле
(1-2) представлен расчет единичных параметрических показателей для
технических и экономических параметров.
qi
q
'
i
PH i
PБi
PБi , если qi min
PН i
, если
qi' max
, (1)
,
(2)
Далее определяем уровень качества нового изделия по формуле 3.
У j б
K oj
K бо
У j б
0,682
0,715
0,95

22. Техника безопасности

По степени безопасности генерируемого излучения лазеры подразделяются на
четыре класса.
К лазерам I класса относят полностью безопасные лазеры, то есть такие лазеры,
выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при
облучении глаз и кожи.
Лазеры II класса – это лазеры, выходное излучение которых представляет
опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком;
диффузно отраженное излучение безопасно как для кожи, так и для глаз.
К лазерам III класса относятся такие лазеры, выходное излучение которых
представляет опасность при облучении глаз не только коллимированным, но и
диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от отражающей
поверхности и (или) при обучении кожи коллимированным излучением.
Диффузно отраженное излучение не представляет опасности для кожи.
Лазеры IV класса – это лазеры, диффузно отраженное излучение которых
представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии 10 см от отражающей
поверхности.

23.

Лазерное излучение с длиной волны от 380 до 1400 нм наибольшую
опасность представляет для сетчатой оболочки глаза, а излучение с длиной волны
от 180 до 380 нм и свыше 1400 нм – для передних сред глаза.
Повреждение кожи может быть вызвано лазерным излучением любой длины
волны рассматриваемого спектрального диапазона (180- 10 5нм).
Предельно допустимые уровни(ПДУ) лазерного излучения устанавливаются
для двух условий облучения - однократного и хронического для трех диапазонов
длин волн:
I-180 <λ≤ 380 нм;
II-380 <λ≤ 1400 нм;
III-1400 <λ≤ 10 5 нм.
Нормируемыми параметрами лазерного излучения являются энергетическая
экспозиция H, облученность E, усредненные по ограничивающей апертуре.
Для определения предельно допустимых уровней HПДУ и EПДУ при
воздействии лазерного излучения на кожу усреднение производится по
ограничивающей апертуре диаметром 1,1×10 -3м(площадь апертуры Sа= 10-6м2).

24.

Для определения предельно допустимых уровней H ПДУ и EПДУ при
воздействии лазерного излучения на кожу усреднение производится по
ограничивающей апертуре диаметром 1,1 .×10 - 3м(площадь апертуры Sа= 10 -6м
2
).
Для определения предельно допустимых уровней HПДУ и EПДУ при
воздействии на глаза лазерного излучения в диапазонах I и III усреднение
производится также по апертуре диаметром 1,1×10 - 3м, а в диапазоне II - по
апертуре диаметром 7× 10 - 3м.
Наряду с энергетической экспозицией и облученностью нормируемыми
параметрами являются также энергия W и мощность P излучения,
прошедшего через указанные ограничивающие апертуры.
Энергетические параметры связаны между собой соотношениями:
Н ПДУ
WПДУ
Sа
Е ПДУ
РПДУ
Sа
;
WПДУ
РПДУ
Sа
Предельно допустимый уровень энергии лазерного излучения;
Предельно допустимый уровень мощности;
Площадь апертуры.

25. Заключение

В данной дипломной работе я изучил поведение лазерных
приборов при тех или иных погодных условиях. Как и все
другие системы передачи данных, система FSO не может
быть абсолютно идеальной, но тем не менее в 21-м веке
лазерные приборы пользуются довольно большим спросом.
Преимущества АОЛС заключаются в особой защищенности
информации, приемлемой скорости передачи данных и
отсутствии необходимости регистрации канала связи.
Последнее, кстати, дает нам понять, что лазерные приборы –
это технологии будущего. Основными требованиями к
современным телекоммуникационным технологиям являются
увеличения пропускной способности каналов связи и
мобильности обеспечении связи. Эта задача легко
выполняется при использовании технологии FSO.

26. Спасибо за внимание