Admin

Перспективы беспроводного оптического канала связи

АНТОНОВ Антон Анатольевич, Российский университет транспорта РУТ (МИИТ), заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
ЖУРАВЛЁВА Любовь Михайловна, Российский университет транспорта РУТ (МИИТ), кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», профессор, доцент, д-р техн, наук, Москва, Россия
АЛИЕВ Сулейман Сулу оглы, Российский университет транспорта РУТ (МИИТ), кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», аспирант, Москва, Россия
Чыонг Динь Хоп, Российский университет транспорта РУТ (МИИТ), кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», аспирант, Москва, Россия

Ключевые слова: пропускная способность, беспроводный оптический канал, беспилотные летательные аппараты, турбулентность, доступность связи
Аннотация. В статье рассматривается возможность использования беспроводного оптического канала для связи с подвижными и стационарными объектами с помощью беспилотного летательного аппарата в качестве ретранслятора. Отмечаются достоинства и недостатки предложенной схемы организации каналов, а также задачи, которые необходимо решить для реализации такого проекта.

В последние годы значительно повысился интерес к использованию беспроводного оптического канала связи (БОКС). Он объясняется дефицитом частотного ресурса радиодиапазона и ростом потребности в увеличении пропускной способности каналов. Для повышения ресурса связи необходимо внедрение новых стандартов мобильной связи со скоростью передачи информации в сотни Гбит/с, что осуществимо за счет перехода на более высокие частоты (50 ГГц и выше).
Особенно это актуально для связи с подвижными объектами, где беспроводные каналы служат единственным способом обмена информацией [1]. Решением такой задачи может стать переход на инфракрасный диапазон длин волн и организация широкополосной связи с подвижными объектами.
Беспроводные оптические каналы обладают рядом уникальных свойств, в том числе: безопасностью передачи информации, нечувствительностью к электромагнитным излучениям, невозможностью перехвата сообщений и подавления связи средствами радиоэлектронной борьбы, отсутствием необходимости лицензирования и др. Однако есть и существенные недостатки БОКС, а именно: зависимость от погодных условий и турбулентности, а также колебаний опор с приемо-передающей аппаратурой, что ограничивает дальность связи и снижает ее качество.
Тем не менее, преимущества БОКС перевешивают ее недостатки. Поэтому атмосферные линии создают для обмена информацией между стационарными и подвижными наземными объектами, беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) и оператором на земле, а также между кораблями и спутниками.
Главными элементами модема БОКС являются модулируемый лазерный излучатель (рис. 1), свет от которого распространяется в виде расширяющегося конуса с углом расходимости 0, и фотоприемник с фотоматрицей (ФМ) диаметром апертуры Ф. Кроме того, имеются системы для автоматической коррекции оптической оси, измерения уровня оптического сигнала и подстройки мощности лазера, автоматической регулировки усиления приемника [2, 3].



Достигнутые успехи в совершенствовании качества канала БОКС позволили в последнее время приступить к реализации проектов по использованию атмосферной связи совместно с БПЛА в качестве ретранслятора для сотовой связи, например, в местах со сложным рельефом [4]. Аналогичные схемы могут быть полезны на железнодорожном транспорте для мониторинга безопасности маршрута и управления движением поездов [5]. Оптический модем оператора (дежурного), устанавливаемый на крыше здания, передает сигнал на БПЛА, который затем ретранслирует его на движущийся поезд.
Решающее значение при выборе оптического диапазона канала имеют упомянутые ранее преимущества БОКС, среди которых наиболее важными являются: возможность передачи высокоскоростной информации, нечувствительность к электромагнитным помехам и электромагнитная совместимость с поездной и станционной радиосвязью. Современные отечественные стационарные оптические модемы в условиях атмосферы обеспечивают связь на длине волны 1,55 мкм с коэффициентом готовности 0,999 для скорости 300 Мбит/с на расстояние не менее 3,5 км, для 10 Гбит/с - не менее 1 км [5].

Однако при ухудшении погоды возникает риск прерывания связи из-за потери лазерного луча [6]. Поэтому для реализации проектов применения оптической связи совместно с БПЛА необходимо решить задачу адаптивного сопровождения и восстановления лазерного луча от беспилотника. Причем на эти процессы влияют не только плохая погода и турбулентность атмосферы, но и изменение положения летательного аппарата, а также вибрации от его пропеллеров. Известно, что работа БПЛА возможна только при наличии эффективного канала управления. Поэтому для повышения его надежности целесообразно строить комбинированные сети на основе атмосферной связи совместно с радиосвязью, которые помогают процессу захвата и сопровождения оптического луча в случае сильных атмосферных возмущений [7].
Следует отметить, что задействование радиоканалов увеличивает уязвимость связи по причине возможного подавления сигнала, например, методами радиоэлектронной борьбы. Нужны способы повышения надежности канала управления, используя только особенности оптической связи, например, наличие «следа» от лазерного луча на фотоматрице ФМ-приемника.
Такой «след» представляет собой эллипс, являющийся проекцией конуса от лазерного луча (см. рис. 1). Расположение эллипса на ФМ и размеры (соотношение диагоналей) могут быть использованы для оценки координат БПЛА, которые необходимы для автоматической коррекции оптической оси. Вместе с тем, по яркости картинки (величине заряда на пикселях ФМ) можно определить расстояние до БПЛА и угол наклона конуса: чем короче ребра конуса, тем ярче изображение. Отсюда, рассчитав по эллипсу на ФМ координаты БПЛА, можно отследить его перемещение и создать систему адаптивного слежения за лазерным лучом. Причем оценка координат БПЛА позволит ограничиться только каналом управления без дополнительной спутниковой навигации.

Наклонный конус от лазерного луча в сферической системе координат, а также эллипс, связанный с вершиной конуса (БПЛА) двумя наклонными треугольниками, опирающимися на диагонали, изображены на рис. 2. После пространственного восстановления треугольников по малой и большой диагоналям эллипса определяется общая для них вершина конуса (расположение лазерного излучателя). На этом рисунке приняты обозначения: I - дальность БПЛА; h - высота БПЛА; 0 - угол места; а - азимут; n, m -стороны треугольника, опирающегося на большую и малую диагональ соответственно; г - радиус эллипса.

Рассмотрим возможность использования «следа» от лазерного луча в виде эллипса на ФМ для адаптивного слежения за БПЛА в условиях отсутствия радиосвязи. Важность решения такой задачи объясняется тем, что в существующих модемах БОКС для подстройки оптических систем применяется сервопривод. Инерционность этого электромеханического устройства не позволяет отслеживать перемещение БПЛА и «захватывать» оптический сигнал в условиях турбулентности и различных вибраций. Будут происходить постоянные срывы в канале БОКС, требующие восстановления связи. Поэтому решить поставленную задачу адаптивного слежения за БПЛА можно только с помощью оптоэлектроники на основании информации, полученной после определения положения на плоскости и измерения размеров эллипса (см. рис. 2). Предполагается, что технические характеристики модемов БОКС (значения 0, Ф, мощность лазерного излучателя, чувствительность ФМ) и условия работы атмосферного канала (оптическое затухание, скорость передачи информации, сила ветра и др.) известны.
На основании исходных данных и величины потерянной мощности света в процессе распространения в атмосфере рассчитываются длины ребер конуса. Они являются сторонами пространственных треугольников, опирающихся на диагонали эллипса, с общей вершиной в точке расположения БПЛА. Путем пересечения дуг, полученных от вращения медиан треугольников (главной оси конуса), аналогично принципу спутниковой навигации находится вершина конуса. С помощью координат точки расположения БПЛА (х, у, z) определяются дальность, азимут и угол места для сферической системы координат, традиционной для летательных аппаратов.

Полученные координаты необходимы также для формирования конуса света на фотоприемнике беспилотника, т.е. организации двухсторонней связи и выполнения БПЛА функции ретрансляции информации от разных источников. Формирование конуса света от оператора на БПЛА возможно путем применения адаптивных линз и поворотных зеркал, при помощи которых достигается требуемый угол излучения лазера согласно координатам объекта.
Оценка координат расположения БПЛА по «следу» в виде эллипса на ФМ оператора, имеющего размеры от нескольких мм до нескольких см (в зависимости от расстояния до БПЛА) позволит расширить сферу применения беспроводного оптического канала (рис. 3). Помимо каналов между стационарными объектами (крышами зданий), где обычно применяется атмосферная связь, появится возможность организации сети совместно с БПЛА. Такие варианты целесообразно использовать для управления подвижными объектами, мониторинга безопасности жизнедеятельности (пожаров, наводнений, землетрясений) на больших территориях, ретрансляции сигналов сотовой и спутниковой связи и др.
Однако при этом необходимо учитывать действие турбулентности атмосферы, в результате которой «след» в виде эллипса значительно искажается по размерам («рассыпается» по фотоматрице) и интенсивности (в идеале наиболее яркими являются участки эллипса, соответствующие более коротким лучам от конуса света).
Напомним, турбулентность - физическое свойство атмосферы, в которой постоянно изменяются давление, температура, направление и скорость ветра, из-за чего воздушные массы становятся неоднородными по своему составу и плотности. В результате меняется коэффициент преломления и оптический путь света. При интерференции прямого и отраженных от микрочастиц атмосферы лучей света уровень сигнала флуктуирует по амплитуде, выходя за пределы динамического диапазона (апертуры) фотоприемника.

Снижение уровня ниже порога чувствительности ФМ означает потерю сигнала, повышение выше максимально допустимого - искажение сигнала. В обоих случаях прием элементарного импульса при условии совпадения провалов и выбросов уровня с передачей информационного символа затруднен по причине возникновения ошибок.
Дисперсия амплитуды сигнала в значительной степени определяется протяженностью трассы БОКС (по аналогии с эффектом «накопления» линейных помех). Чем длиннее трасса, тем больше разброс значений уровня сигнала, тем глубже провалы и выше выбросы, тем хуже качество связи. Вместе с тем, чем больше скорость передачи информации, тем длительность импульса и его энергия меньше. Ухудшение погоды и увеличение скорости снижают отношение сигнал/шум и качество связи.
Поэтому на вероятность ошибки влияют турбулентность, скорость передачи информации и протяженность атмосферной линии. Так, в условиях турбулентности для атмосферного канала между стационарными объектами на расстоянии 5 км и скорости передачи 1,25 Гбит/с вероятность ошибки Рош составляет около 10-9. Если дистанцию сократить до 1,8 км, то вероятность ошибки снизится до величины 10~11 [1].

Кроме вероятности ошибки важным показателем эффективности и работоспособности атмосферного канала служит коэффициент доступности К. Он характеризует способность БОКС передавать и принимать сигналы с разной скоростью, протяженностью трассы и величиной турбулентности. Эффект турбулентности имеет накопительный характер, т.е. зависит не только от атмосферного давления и силы ветра, но и дальности связи.
Три характерных случая, имеющих место при работе БОКС, представлены на рис. 4. Случай А соответствует попаданию эллипса (круга) в апертуру приемника радиусом R, что означает возможность успешного приема оптического сигнала со скоростью выше 0,1 Гбит/с. Случай В иллюстрирует ситуацию, когда величина турбулентности значительно затрудняет прием сигнала со скоростью до 0,1 Гбит/с и делает его невозможным при скорости выше 0,1 Гбит/с. Случай С показывает, что происходит со «следом», когда из-за сильной турбулентности связь прекращается при любой скорости передачи информации. Эллипс от конуса света не попадает в апертуру ФМ, рассыпается на отдельные фрагменты (разной формы и яркости). Это означает, что в условиях сильных искажений изображения эллипса требуются дополнительные операции по его восстановлению для обнаружения контура «следа» (по аналогии с процедурой распознавания лиц).
Рассмотренные случаи показывают, что помимо оценки качества канала нужен расчет коэффициента доступности, так как величину ошибки можно определить только при условии попадания сигнала в апертуру приемника. Однако разброс сигнала на ФМ может приобрести характер, при котором связь нарушится. Вероятность такого события тем выше, чем больше дальность и скорость передачи информации (влияние турбулентности усиливается). С ростом скорости передачи энергия импульса уменьшается, размытость конуса света в результате эффекта рассеяния увеличивается. Поэтому в условиях сильной турбулентности работоспособность БОКС целесообразно оценивать коэффициентом доступности К. Это - вероятность того, что в апертуру приемника в виде круга с радиусом R попадет «эллипс» от конуса света с радиусом г (см. рис. 2).
Коэффициент доступности К можно рассчитать следующим образом:



где ст2 - параметр, характеризующий разброс оптического сигнала на ФМ в результате турбулентности.
Результаты расчета коэффициента доступности изображены на рис. 5 в виде графиков зависимости величины К от значения о2 для разных размеров апертур приемника R.
Пороговый характер графиков свидетельствует о том, что при определенных значениях турбулентности (о2 > 10-2 для К1 и а2 > 1 для К2) резко ухудшается доступность атмосферного канала и резко снижается коэффициент К, оптическая связь становится неустойчивой или совсем прекращается. Значение порога зависит не только от а2, но и от скорости передачи информации. Так, график К1 соответствует скорости менее 0,1 Мбит/с, К2 - более 0,1 Мбит/с.
Чем выше скорость передачи информации, тем меньше радиус апертуры, тем сложнее условия приема и хуже доступность канала. Такую же тенденцию можно проследить и в случае увеличения
протяженности трассы БОКС, так как растет радиус «следа» из-за расширения конуса света и повышаются оптические потери. Полученные графики (см. рис. 5) позволяют выбрать оптимальные параметры канала БОКС, при которых возможна устойчивая беспроводная оптическая связь.
В заключение следует отметить, что расширение возможностей применения беспроводного оптического канала связи с использованием БПЛА в качестве ретранслятора реализуема при определенных условиях. Прежде всего, требуется обеспечение высокого быстродействия операций «захвата и сопровождения» сигналов на основании данных, полученных в результате оценки координат БПЛА. Для этого необходима разработка инженерных решений для приема и распознавания «следа» в условиях турбулентности, поиск новых оптических диапазонов с минимальным затуханием света и влиянием атмосферы, а также новых полупроводниковых материалов, обладающих низкой инерционностью [8].
Решение задачи оценки координат по «следу» на ФМ и формирования лазерного луча согласно измеренным данным позволит создать системы «захвата и сопровождения» оптических сигналов без электромеханических сервоприводов и расширить сферу применения беспроводной оптической связи. При этом наиболее перспективным направлением является организация оптической связи с подвижными объектами на больших территориях с помощью БПЛА в качестве ретрансляторов без радиосвязи и GPS-навигации. Это актуально, прежде всего, в тех районах, где работа спутниковой связи затруднена, например за полярным кругом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беспроводной канал 10 Гбит/с : ключевые особенности и результаты тестирования / С.Н. Кузнецов, С.Ю. Поляков, О. Alali, В. Hashem // Инновации в науке, производстве и образовании : сборник трудов Международной научно-практической конференции 14-16 октября 2013 года. Рязань, 2013. С. 83-91.
2. Журавлёва Л.М., Левшунов В.В., Рыжков Д.А., Чыонг Д.Х. Беспроводный оптический канал связи с подвижными объектами // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 1. С. 13-16. DOI: 10.34649/АТ.2022.1.1.003
3. Патент 2750237 РФ, Н04В 10/00. Система двусторонней беспроводной оптической связи / Журавлева Л.М., Лошкарев В.Л., Ивашевский М.Р., Левшунов В.В., Нилов М.А.; патентообладатель РУТ (МИИТ). № 2020130839; заявл. 18.09.20; опубл. 24.06.2021; Бюл. № 18.
4. Активные и пассивные ретрансляторы в лазерных линиях связи с применением квадрокоптеров / Кузяков Б.А., Арестов В.В., Малянов Н.А., Прошин К.Д//Лазеры в науке, технике, медицине : сборник научных трудов XXIX Международной конференции. М., 2018. Т. 29. С. 76-80.
5. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи / Зеленюк И. Ю., Огнев И. В., Поляков С. Ю., Широбакин С. Е. // Вестник связи. 2002. № 4. С. 85-97.
6. Снижение уровня ошибок при передаче высокочастотных оптических сигналов в условиях турбулентной атмосферы за счет использования статистики уровня приемного сигнала / Керносов М.Ю., Кузнецов С.Н., Огнев Б.И., Паршин А.А. //Фотоника. 2020. Т. 14, № 5. С. 424-436.
7. Шастин Л.В., Шахов Н.В. О построении ультрафиолетовой линии связи и ориентации для управления малым беспилотным летательным аппаратом // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2022. Т. 8, № 2. С. 161-166.
8. Журавлева Л.М., Ивашевский М.Р., Музафаров И.Ф. Новые материалы в оптоэлектронике // Мир транспорта. 2018. Т. 16, № 2 (75). С. 74-83.