Эра лазерной связи приближается: детали от создателя технологии. Система космической лазерной связи

С середины 20 века началось активное исследование микроволн. Американский физик Чарльз Таунс решил усилить интенсивность микроволнового луча. Возбудив молекулы аммиака до высокого энергетического уровня путем нагревания или электрической стимуляции, ученый затем пропускал сквозь них слабый микроволновой луч. В результате получался мощный усилитель микроволнового излучения, который Таунс в 1953 г. назвал «мазером». В 1958 г. Таунс и Артур Шавлов сделали следующий шаг: вместо микроволн они попытались усилить видимый свет. На основе этих экспериментов Майман и создал в I960 г. первый лазер.

Создание лазера позволило решить широкий спектр задач, которые способствовали значительному развитию науки и техники. Что позволило в конце 20-го, начале 21-го веков получить такие разработки как: волоконно-оптические линии связи, медицинские лазеры, лазерную обработку материалов (термообработка, сварка, резка, гравировка и прочее), лазерное наведение и целеуказание, лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов и многое другое. Все эти изобретения значительно упростили, как и жизнь обычного человека, так и позволили разрабатывать новые технические решения.

В этой статье будут приведены ответы на следующие вопросы:

1) Что такое беспроводная лазерная связь? Каким образом она осуществлена?

2) Какие условия применения лазерной связи в космосе?

3) Какое оборудование необходимо для осуществления лазерной связи?

Определение беспроводной лазерной связи, способы ее осуществления.

Беспроводная лазерная связь — вид оптической связи, использующий электромагнитные волны оптического диапазона (свет), передаваемые через атмосферу или вакуум.

Лазерная связь двух объектов осуществляется только посредством соединения типа «точка-точка». Технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через атмосферу. Передатчиком служит мощный полупроводниковый лазерный диод. Информация поступает в приемопередающий модуль, в котором кодируется различными помехоустойчивыми кодами, модулируются оптическим лазерным излучателем и фокусируется оптической системой передатчика в узкий коллимированный лазерный луч и передается в атмосферу.

На принимающей стороне оптическая система фокусирует оптический сигнал на высокочувствительный фотодиод (или лавинный фотодиод), который преобразует оптический пучок в электрический сигнал. При этом чем выше частота (до 1,5ГГц), тем больше объём передаваемой информации. Далее сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы выходного интерфейса.

Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 700-950 нм или 1550 нм, в зависимости от применяемого лазерного диода.

Из вышесказанного следует, что ключевыми приборными элементами для осуществления лазерной связи являются полупроводниковый лазерный диод и высокочувствительный фотодиод (лавинный фотодио). Рассмотрим чуть более подробно принцип их действия.

Лазерный диод - полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсной населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда. Пример современного лазерного диода предоставлен на рисунке 1.

Лавинные фотодиоды - высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения. С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт). Пример современного лавинного фотодиода предоставлен на рисунке 2.

Условия применения лазерной связи в космосе.

Одним из перспективных направлений развития систем космической связи, являются системы, основанные на передачи информации по лазерному каналу, поскольку данные системы могут обеспечить большую пропускную способность, при меньшем энергопотреблении, габаритных размерах и массе приемопередающей аппаратуры, чем использующиеся в данный момент системы радиосвязи.

Потенциально системы космической лазерной связи могут обеспечивать исключительно высокую скорость информационного потока – от 10-100 Мбит/с до 1-10 Гбит/с и выше.

Однако существует ряд технических проблем, которые необходимо решить, для реализации лазерных каналов связи между космическим аппаратом (КА) и Землей:

• необходима высокая точность наведения и взаимного сопровождения на расстояниях от полутысячи до десятков тысяч километров и при движении носителей с космическими скоростями.
• Существенно усложняются принципы приема-передачи информации по лазерному каналу.
• Усложняется оптико-электронная аппаратура: точная оптика, прецизионная механика, полупроводниковые и волоконные лазеры, высокочувствительные приемники.

Эксперименты по осуществлению космической лазерной связи

Эксперименты по реализации систем лазерной связи для передачи больших массивов информации ведут как Россия, так и Соединенные Штаты Америки.

Система лазерной связи (СЛС) РФ

В 2013 году был проведен первый Российский эксперимент по передаче информации с помощью лазерных систем с Земли на Российский сегмент Международной Космической Станции (РС МКС) и обратно.

Космический эксперимент «СЛС» проводился с целью отработки и демонстрации российской технологии и аппаратуры приема-передачи информации по космической лазерной линии связи.

Задачами эксперимента являются:

• отработка в условиях космического полета на РС МКС основных технологических и конструктивных решений, закладываемых в штатную аппаратуру межспутниковой лазерной системы передачи информации;
• отработка технологии приема-передачи информации с использованием лазерной линии связи;
• исследование возможности и условий работоспособности лазерных линий связи «борт КА – наземный пункт» при различном состоянии атмосферы.

Эксперимент планируется проводить в два этапа.

На первом этапе отрабатывается система приема — передачи информационных потоков по линиям «борт РС МКС–Земля» (3, 125, 622 Мбит/с) и «Земля–борт РС МКС» (3 Мбит/с).

На втором этапе планируется отработка высокоточной системы наведения и системы передачи информации по линии «борт РС МКС – спутник-ретранслятор».

Система лазерной связи на первом этапе эксперимента «СЛС» включает в свой состав две основные подсистемы:

• бортовой терминал лазерной связи (БТЛС), установленный на российском сегменте Международной космической станции (рисунок 3);
• наземный лазерный терминал (НЛТ), установленный на станции оптических наблюдений «Архыз» на Северном Кавказе (рисунок 4).

Объекты исследования на 1 этапе КЭ:

• аппаратура бортового терминала лазерной связи (БТЛН);
• аппаратура наземного терминала лазерной связи (НЛТ);
• атмосферный канал распространения излучения.

Рисунок 4. Наземный лазерный терминал: астропавильон с оптико-механическим блоком и юстировочным телескопом

Система лазерной связи (СЛС) — 2 этап.

Второй этап эксперимента будет проводиться после успешного выполнения первого этапа и готовности специализированного КА типа «Луч» на ГСО с бортовым терминалом межспутниковой лазерной системы передачи информации. К сожалению, информации о том, был ли проведен второй этап или нет, в открытых источниках не удалось обнаружить. Возможно, результаты эксперимента засекретили, либо второй этап так и не провели. Схема передачи информации предоставлена на рисунке 5.

Проект OPALS США

Практически одновременно американское космическое агентство NASA начинает развертывание лазерной системы OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

«Система OPALS представляет собой первую экспериментальную площадку для разработки технологий лазерных космических коммуникаций, а Международная космическая станция будет выступать в роли полигона для испытаний системы OPALS» — рассказывает Майкл Кокоровский (Michael Kokorowski), руководитель проекта OPALS и сотрудник Лаборатории НАСА по изучению реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL), — «Будущие лазерные коммуникационные системы, которые будут разработаны на базе технологий OPALS, смогут обеспечить обмен большими объемами информации, что устранит узкое место, которое в некоторых случаях сдерживает научные исследования и коммерческие предприятия».

Система OPALS представляет собой герметичный контейнер, в котором находится электроника, посредством оптического кабеля связанная с лазерным приемно-передающим устройством (рисунок 6). В состав этого устройства входит лазерный коллиматор и камера слежения, установленные на подвижной платформе. Установка OPALS будет отправлена на борт МКС на борту космического корабля Dragon, который отправится в космос в декабре этого года. После доставки контейнер и передатчик будут установлены снаружи станции и начнется 90-дневная программа полевых испытаний системы.

Принцип работы OPALS:

С Земли специалистами лаборатории Optical Communications Telescope Laboratory в сторону космической станции будет послан луч лазерного света, который выступит в качестве маяка. Оборудование системы OPALS, уловив этот сигнал, с помощью специальных приводов нацелит свой передатчик на наземный телескоп, который будет служить в качестве приемника, и передаст ответный сигнал. В случае отсутствия помех на пути распространения лучей лазерного света коммуникационный канал будет установлен и по нему начнется передача видео- и телеметрической информации, которая в первый раз будет продолжаться порядка 100 секунд.

Европейская система передачи данных (European Data Relay System сокр. EDRS).

Система European Data Relay System (EDRS) — запланированный Европейским космическим агентством проект, по созданию группировки современных геостационарных спутников, которые будут осуществлять передачу информации между спутниками, космическими кораблями, беспилотниками (БПЛА) и наземными станциями, обеспечивая более быструю по сравнению с традиционными методами передачи данных скорость, даже в условиях природных и техногенных катастроф.

EDRS будет использовать новую технологию лазерной связи Laser Communication Terminal (LCT). Лазерный терминал позволит передавать информацию со скоростью 1.8 Гбит/с. Технология LCT предоставит возможность спутникам системы EDRS передавать и получать порядка 50 терабайт данных в день практически в режиме реального времени.

Первый спутник связи EDRS должен отправиться на геостационарную орбиту в начале 2016 года с космодрома Байконур на российской ракете-носителе «Протон». Добравшись до геосинхронной орбиты над Европой, спутник проведет лазерные линии связи между четырьмя спутниками «Sentinel-1» и «Sentinel-2», работающими в рамках космической программы по наблюдению за Землей «Коперник», беспилотными летательными аппаратами, а также наземными станциями в Европе, Африке, Латинской Америке, Среднем Востоке и на северо-восточном побережье США.

Второй, аналогичный спутник будет запущен в 2017 году, а запуск третьего спутника запланирован на 2020 год. В сумме эти три спутника смогут покрыть лазерной связью всю планету.

Перспективы развития лазерной связи в космосе.

Преимущества лазерной связи по сравнению с радиосвязью:

• передача информации на большие расстояния
• высокая скорость передачи
• компактность и легкость оборудования для передачи данных
• энергоэффективность

Недостатки лазерной связи:

• необходимость точного наведения приёмных и передающих устройств
• атмосферные проблемы (облачность, пыль и т.д.)

Лазерная связь позволяет передавать данные на гораздо большие относительно радиосвязи расстояния, скорость передачи благодаря высокой концентрации энергии и гораздо более высокой частоте несущей (на порядки) также выше. Энергоэффективность, низкий вес и компактность также в разы или на порядки лучше. Затруднения в виде необходимости точного наведения приёмных и передающих устройств можно решить современными техническими средствами. Кроме того, приемные наземные устройства можно располагать в районах Земли, где количество облачных дней минимально.

Помимо представленных выше проблем, существует еще одна проблема - это расхождение и ослабление луча лазера при прохождении в атмосфере. Особенно проблема обостряется при прохождении луча через слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред луч света, в том числе и лазерный луч, испытывает особенно сильные преломления, рассеивание и ослабление. В этом случае мы можем наблюдать своего рода световое пятно, получающееся как раз при прохождении такой границы раздела сред. В атмосфере Земли таких границ несколько - на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой), на высоте примерно 10 км, и на высоте примерно 80-100 км, т. е. уже на границе космоса. Высоты слоев даны для средних широт для летнего периода. Для других широт и других времен года высоты и само кол-во границ раздела сред может сильно отличаться от описанного.

Таким образом при вхождении в атмосферу Земли луч лазера, до этого спокойно преодолевший миллионы километров без каких-либо потерь (на разве что небольшую расфокусировку), на каких то несчастных десятках километров теряет львиную долю своей мощности. Однако этот, плохой на первый взгляд, факт мы можем обратить себе на пользу. Поскольку этот факт позволяет нам обойтись без какого либо серьезного наведения луча на приемник. Ибо в качестве такого приемника, точнее первичного приемника, мы как раз и можем использовать эти самые границы раздела слоев, сред. Мы можем наводить телескоп на получающееся световое пятно и считывать с него информацию. Конечно, это заметно прибавит количество помех и снизит скорость передачи данных. И сделает ее вообще невозможной в дневное время. Зато это позволит удешевить КА за счет экономии на системе наведения. Это особенно актуально для спутников на нестационарных орбитах, а также для КА для исследований дальнего космоса.

На текущий момент, если рассматривать связь «Земля – КА и КА-Земля», оптимальным решением является синергия лазерной и радиосвязи. Достаточно удобным и перспективным является передача данных с КА на Землю с помощью лазерной связи, а с Земли на КА радиосвязью. Связано это с тем, что лазерный приёмный модуль представляет собой достаточно громоздкую систему (чаще всего это телескоп), который улавливает излучение лазера и превращает его в электросигналы, которые затем, известными методами усиливаются и преобразуются в полезную информацию. Такую систему непросто установить на КА, поскольку чаще всего предъявляются требования компактности и малого веса. При этом передатчик лазерного сигнала обладает небольшими габаритами и весом по сравнению с антеннами для передачи радиосигнала.

Преимущества лазерного канала перед радиоканалом заключаются в том, что он, во – первых, не создаёт радиопомех; во – вторых, является более конфиденциальным; в – третьих, может применяться в условиях воздействия высокого уровня электромагнитных излучений.

Принципиальная схема передатчика представлена на Рис.1. Передатчик состоит из шифратора команд, выполненного на микроконтроллере ATtiny2313 (DD1), выходного блока – на транзисторах ВС847В (VT1, VT2) и интерфейса RS-232, который, в свою очередь, состоит из разъёма DB9-F (на кабель) (ХР1) и преобразователя уровней – на MAX3232 (DD3).

Цепь сброса микроконтроллера состоит из элементов DD2 (CD4011B), R2, C7. Выходной блок представляет собой электронный ключ, выполненный на транзисторе VT1, в коллекторную цепь которого через ограничитель тока на транзисторе VT2 включена лазерная указка. Питание передатчика осуществляется постоянным стабилизированным напряжением 9 – 12 В. Микросхемы DD1, DD2, DD3 питаются от напряжения 5В, которое определяется стабилизатором 78L05 (DA1).

Контроллер DD1 запрограммирован в среде BASCOM, что позволяет подавать ему команды с персонального компьютера (ПК) через интерфейс RS-232, с терминала Bascom, используя функцию «эхо».

Микроконтроллер имеет тактовую частоту 4Мгц от внутреннего генератора. Пачки импульсов частотой около 1,3 Кгц с вывода ОС0А (РВ2) поступают на выходной блок. Количество импульсов в пачке определяется номером команды, поступившей с ПК.
Для ввода команды необходимо нажать на клавиатуре ПК любую клавишу, затем при появлении надписей «Write command» и «Enter №1…8» ввести цифру от 1 до 8 и нажать клавишу «Enter».

Программа для микроконтроллера передатчика «TXlaser» состоит из основного цикла (DO…LOOP) и двух подпрограмм обработки прерываний: по приёму (Urxc) и по переполнению таймера 0 (Timer0).

Для получения выходной частоты 1,3 КГц таймер сконфигурирован с коэффициентом деления частоты (Prescale) = 1024. Кроме того, счёт начинается с нижнего значения Z = 253 (при высоком уровне на РВ2) и доходит до 255. Происходит прерывание по переполнению таймера, при обработке которого осуществляется переключение вывода РВ2, а таймеру вновь задаётся значение Z = 253. Таким образом, на выходе РВ2 появляется сигнал частотой 1,3 КГц (см. Рис.2). В этой же подпрограмме количество импульсов на РВ2 сравнивается с заданным, и в случае их равенства таймер останавливается.

В подпрограмме обработки прерывания по приёму задаётся количество импульсов, которое необходимо передать (1 – 8). В случае, если это количество будет больше 8, в терминал выдаётся сообщение «ERROR».

Во время работы подпрограммы на выводе PD6 присутствует низкий уровень (светодиод HL1 выключен), а работа таймера остановлена.
В основном цикле на выводе PD6 – высокий уровень, и светодиод HL1 включён.
Текст программы «TXlaser»:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 1000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Config Pind.0 = Input "UART - RxD
Config Portd.1 = Output "UART - TxD
Config Portd.6 = Output "светодиод HL1
Config Portb.2 = Output "выход OC0A

"конфигурац.таймера0-коэфф.деления=1024:
Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024
Stop Timer0 "останов таймера

Dim N As Byte "определение переменных "
Dim N0 As Byte

Const Z = 253 "нижниий предел счёта таймера для вых.частоты=1,3КГц
Timer0 = Z

On Urxc Rxd "подпрограмма обраб.прерывания по приёму
On Timer0 Pulse "подпрограмма обраб.прерывания по переполнению

Enable Urxc
Enable Timer0

Do "основной цикл
Set Portd.6 "включение светодиода HL1
Loop

Rxd: "подпрограмма обработки прер. по приёму
Stop Timer0
M1:
Print "Write commad"
Input "Enter № 1...8:" , N0 "ввод команды
If N0 > 8 Then "ограничение номера команд
Print "Error"
Goto M1
End If
N0 = N0 * 2
N0 = N0 - 1 "заданное значение кол-ва импульсов в пачке
Toggle Portb.2
Start Timer0 "запуск таймера
Return

Pulse: "подпрограмма обработки прерыв.по переполнению
Stop Timer0
Toggle Portb.2
Reset Portd.6 "выключение светодиода
Timer0 = Z
N = N + 1 "приращение кол-ва импульсов
If N = N0 Then "если число импульсов = заданному
N = 0
N0 = 0
Waitms 500 "задержка 0,5с
Else
Start Timer0 "иначе, продолжить счёт
End If
Return
End "end program

Передатчик выполнен на печатной плате размерами 46х62 мм (см. Рис.3). Все элементы, кроме микроконтроллера, SMD – типа. Микроконтроллер ATtiny2313 применён в корпусе типа DIP. Его рекомендуется располагать в панели для DIP микросхем TRS (SCS) – 20, чтобы иметь возможность «безболезненно» перепрограммировать.

Печатная плата передатчика TXD.PCB находится в папке «FILE PCAD» .
Принципиальная схема приёмника лазерного канала представлена на рис.4. На входе первого усилителя DA3.1 (LM358N) фильтр низкой частоты, образованный элементами СЕ3, R8, R9 и имеющий частоту среза 1КГц, ослабляет фоновые помехи 50 -100 КГц от осветительных приборов. Усилители DA3.2 и DA4.2 усиливают и увеличивают длительность принятых импульсов полезного сигнала. Компаратор на DA4.1 формирует выходной сигнал (единица), который поступает через инверторы микросхемы CD4011D (DD2) - DD2.1, DD2. Cигнал синхронно приходит на контакты микроконтроллера ATtiny2313 (DD1) – T0 (PB4) и РВ3. Таким образом, Timer0, работающий в режиме счёта внешних импульсов и Timer1, отмеряющий время этого счёта, запускаются синхронно. Контроллер DD1, выполняющий функцию дешифратора, отображает принятые команды 1…8 установкой лог.1 на выводах PORTB соответственно РВ0…РВ7, при этом приход последующей команды сбрасывает предыдущую. При приходе команды «8» на РВ7 появляется лог.1, которая с помощью электронного ключа на транзисторе VT1, включает реле К1.

Питание приёмника осуществляется постоянным напряжением 9 -12В. Аналоговая и цифровая части питаются от напряжений 5В, которые определяются стабилизаторами типа 78L05 DA5 и DA2.

В программе «RXlaser» Timer0 сконфигурирован, как счётчик внешних импульсов, а Timer1, как таймер, считающий период прохождения максимально возможного количества импульсов (команда 8).

В основном цикле (DO…LOOP) Timer1 включается при принятии первого импульса команды (К=0), происходит сброс условия разрешения включения таймера Z=1.
В подпрограмме обработки прерывания по совпадению cчёта Timer1 со значением максимально возможного счёта считывается и устанавливается в PORTB номер команды. Устанавливается так же условие разрешения включения Timer1- Z=0.
Текст программы «RXlaser»:

$regfile = "attiny2313a.dat"
$crystal = 4000000
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32

Ddrb = 255 "PORTB-все выхода
Portb = 0
Ddrd = 0 "PORTD-входа
Portd = 255 "подтяжка PORTD
Config Timer0 = Counter , Prescale = 1 , Edge = Falling "как счётчик импульсов
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1024 , Clear Timer = 1 "как таймер
Stop Timer1
Timer1 = 0
Counter0 = 0

"определение переменных:
Dim X As Byte
Dim Comm As Byte
Dim Z As Bit
Dim K As Bit

X =80
Compare1a = X "кол-во имп. в регистре совпадения
Z = 0

On Compare1a Pulse "подпрограмма прерывания по совпадению

Enable Interrupts "разрешение прерываний
Enable Compare1a

Do "основной цикл
If Z = 0 Then "первое условие включения таймера
K = Portd.3
If K = 0 Then "второе условие включения таймера
Start Timer1
Z = 1
End If
End If
Loop

Pulse: "подпрограмма обраб.прерыв.по совпадению
Stop Timer1
Comm = Counter0 "считывание из счётчика внешних импульсов
Comm = Comm - 1 "определение номера бита в порту
Portb = 0 "обнуление порта
Set Portb.comm "установка бита,соответ.номеру команды
Z = 0
Counter0 = 0
Timer1 = 0
Return
End "end program

Программы «TXlaser» и «RXlaser» находятся в папке Lazer_prog .

Приёмник расположен на плате размерами 46х62 мм (см. Рис 5). Все компоненты – SMD типа, за исключением микроконтроллера, который необходимо разместить в панели для микросхем DIP типа TRS(SCS) – 20.

Настройка приёмника сводится к установке сквозного коэффициента передачи и порога срабатывания компаратора. Для решения первой задачи необходимо подключить осциллограф к выводу 7 DA4.2 и подбором величины R18 установить такой сквозной коэффициент передачи, при котором максимальная амплитуда шумовых выбросов, наблюдаемых на экране, не будет превышать 100 мВ. Затем осциллограф переключается на вывод 1 DA4.1 и подбором резистора (R21) устанавливается нулевой уровень компаратора. Включив передатчик и направив луч лазера на фотодиод, необходимо убедиться в появлении прямоугольных импульсов на выходе компаратора.
Печатная плата приёмника RXD.PCB находится также в папке FILE PCAD .

Повысить помехозащищённость лазерного канала возможно с помощью модуляции сигнала поднесущей частотой 30 – 36 КГц. Модуляция пачек импульсов происходит в передатчике, приёмник же содержит полосовой фильтр и амплитудный детектор.

Схема такого передатчика (передатчик 2) изображена на Рис.6. В отличии от рассмотренного выше передатчика 1 передатчик 2 имеет генератор поднесущей, настроенный на частоту 30 КГц и собранный на слотах DD2.1, DD2.4.. Генератор обеспечивает модулирование пачек положительных импульсов.

Приёмник лазерного канала с поднесущей частотой (приёмник 2) собран на отечественной микросхеме К1056УП1 (DA1). Схема приёмника изображена на Рис.7. Для выделения командных импульсов к выходу микросхемы DA1 10 подключены амплитудный детектор с фильтром низкой частоты и нормализатор импульсов, собранные на логических элементах DD3.1, DD3.2, диодной сборке DA3 и C9, R24. В остальном схема приёмника 2 совпадает со схемой приёмника 1.

Е. Н. Чепусов, С. Г. Шаронин

Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.

Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями - это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.

Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда - даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.

Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, - лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы - от RS-232 до АТМ.

Как осуществляется лазерная связь?

Лазерная связь в отличие от GSM связи позволяет осуществлять соединения типа "точка-точка" со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Семейства, модели и их особенности

В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем - LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с - до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.

Таблица 1.

Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква "S" в конце наименования).

Таблица 2.

Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).

Установка лазерных систем

Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.

При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.

В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.

Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.

При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема - капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.

Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.

Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.

Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.

Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.

При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.

Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.

Рисунок 1. Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.

Несколько типовых способов включения

Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа "точка-точка". В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.

На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды - коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф - компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 - до 1000 м при угле "уверенного" приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле "уверенного" приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.

Рисунок 2. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.

Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S - до 213 м.

Рисунок 3. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.

На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.

Рисунок 4. Объединение вычислительных и телефонных сетей.

Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN "A" в ЦО и LAN "B" в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями - на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.

Рисунок 5. Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.

Что выгодней?

Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).

Таблица 3.

30 января на орбиту был запущен спутник Eutelsat 9B. Он стал первым спутником, оснащённым системой EDRS (Европейская система передачи данных). Желая узнать подробности о новой технологии, корреспондент Mediasat отправился в офис разработчика модуля EDRS – компании Tesat, которая расположена в небольшом немецком городке Бакнанг. Руководитель отдела лазерных технологий Матиас Моцигемба провёл для нас экскурсию по предприятию и рассказал о технологии лазерной связи, которая пока ещё мало известна в мире.

При поддержке Космического агентства Германии компания Tesat разработала Терминал лазерной связи (LCT), который обеспечивает поддержку передачи данных на высокой скорости между низкоорбитальными (LEO) и геостационарными (GEO) спутниками. Терминал делает возможной передачу данных на скорости 1,8 гбит/сек на расстояние до 45 000 километров. Эти LCT-терминалы и должны стать основой магистральных каналов передачи данных в системе EDRS, которая должна обеспечить передачу данных между LEO и GEO спутниками.

Матиас Моцигемба: «Теперь у нас есть возможность предоставления услуг высокого качества в режиме, приближённом к режиму реального времени. Это имеет огромное значение! LEO-спутник делает снимок и отправляет его на GEO-спутник, который, в свою очередь, отправляет его на землю в радиочастотном диапазоне. Лазерный луч отличное решение в вакууме, однако, в условиях атмосферы это не самый лучший выбор, поскольку облака могут создавать помехи. Для защиты телевизионного сигнала вы можете использовать высокие скорости передачи данных и защищённую от помех оптическую технологию в фидерной линии. Появление технологии лазерных коммуникаций можно сравнить с началом использования оптического волокна вместо медного».

Телепорт системы наблюдения за Землёй может быть иностранным сервисом, использующим наземные незащищённые линии.
Служба оптической передачи данных (с LEO на GEO и с GEO на наземную станцию передачи).
Наземная станция может располагаться в своей стране в зоне прямой видимости GEO-спутника.
S/C – суверенитет ваших информационных активов.

Необходимость разработки этой технологии была продиктована растущим спросом на ёмкости передачи данных для гражданских и военных спутников наблюдения, HALE миссий. Идея создания системы EDRS была выдвинута Еврокомиссией, которая уже занимается группировкой спутников Sentinel, программой Copernicus. Следующим шагом должно стать создание межспутниковых каналов связи. Компания Eutelsat предложила ёмкости для модуля связи на спутнике Eutelsat 9B. После семи лет разработки первого и второго поколения LCT в июле 2013 года была запущена система LCT на Alphasat. Система LCT на спутнике Sentinel-1A была успешно интегрирована в декабре 2013. В декабре 2014 года был запущен и введён в эксплуатацию спутник Sentinel 1A. В ноябре 2014 Европейское космическое агентство и Tesat провели совместную презентацию в прямом эфире, во время которой в режиме, приближённом к режиму реального времени было отправлено изображение с радара на спутнике Sentinel-1A через Alphasat на расстояние 41 700 километров на наземную станцию.

«Технически нет никакой разницы между оборудованием для лазерной связи, установленным на Alphаsat, и аналогичным оборудованием на Eutelsat 9B. Alphasat продемонстрировал технические возможности проекта, в то время как система EDRS на спутнике Eutelsat 9 B – это коммерческий сервис, предложенный Airbus Defense and Space. Обычно у спутника наблюдения за Землёй есть 10 минут для контакта с наземной станцией и 90 минут на оборот вокруг Земли. Это значит, что вы можете использовать космический актив лишь на 10%, и в случае чрезвычайной ситуации или стихийного бедствия слишком много времени уходит на ожидание контакта с наземной станцией наблюдения. Теперь же, во время наблюдений за морскими судами, к примеру, вы сможете обнаружить неполадку в течение 15 минут» , — говорит Матиас Моцигемба.

Ключевым элементом линейки продуктов является LCT-135 (телескоп с лучом диметром 135 мм) для межспутникового канала GEO/LEO. Как и в случае с предыдущей моделью, LCT-125, устройство объединяет в одном блоке все оптические, механические и электрические подмодули терминала, такие как система распределения электроэнергии, бортовой процессор, модули слежения и сбора данных, а также система обработки данных. Данные с AOCS-датчиков спутника с лёгкостью передаются на LCT через стандартный интерфейс – LIAU (Блок адаптации лазерного интерфейса).

Параметры LCT:

• Радиус действия – 45 000 км.
• Вес: 53 кг.
• Скорость передачи данных (полный дуплекс):
  для EDRS – 1,8 гбит/сек, для других миссий – 5,65 гбит/сек.
• Мощность передачи: 2,2 Вт
• Максимальная потребляемая мощность: 160Вт
• Габариты: 0.6 x 0.6 x 0.7 м.

На этой недели стали известны результаты своего рода лунной лазерной связи. Тест происходил в течение 30-ти дней в условиях сложных из-за лунной пыли. Работал специальный проводник, который находится в данный момент на территории орбиты луны. Данный тест показал, что система связи полностью рабочая не смотря на дальность расстояния. Она также успешно связывает, как и любой радиосигнал из НАСА.

Данная технология демонстрирует практичного использования широкополосных лазеров, для соединения и установки связи. Данная связь, вернее ее загрузка, исполняется значительно быстрее, чем аналогичная радиосвязь. Данный способ позволяет получать сигнал на Земле со скоростью в 622 Мбит и отправлять с 20 Мбит. Такая скорость была зафиксирована 20 октября. Она передавалась с Луны на Землю при помощи импульсного лазерного луча. Этот сигнал приняла станция в Нью-Мексико, который является частью совместной работы США и Испании.

Лазеры имеют большое преимущество перед радиосигналами. Именно они имеют большую пропускную способность. Немаловажным является передача данных специфическим когерентным пучком. Это способствует меньшей затрате энергии при передаче сигнала на большие расстояния.

Исследователи в НАСА утверждают, что тест программы прошел с большим успехом. Такого рода результатов они не ожидали. Лазерное сообщение принималось и предавалось обратно на орбиту даже в самых сложных условиях. Это подтверждает теорию о том, что какие бы помехи не были, сигнал будет поступать на Землю. Ни космическая пыль, не расстояние, не является преградой для лазерного сигнала. Даже в моменты, когда увеличивался слой атмосферы, передача сигнала, осуществляясь без особых проблем, что говорит об эффективности данного устройства. Среди скептиков в НАСА не осталось и следа недоверия, когда даже облака не стали преградой для передачи сигнала.

Удивительно, но в сигнале не было ни одной ошибки. Процедура напоминает общение по мобильному телефону. Тем более что она работает без вмешательства человека. Система даже способна заблокироваться, когда долгое время не поступает никакого сигнала с наземных станций.