«Последняя миля» оптических коммуникаций

Одна из наиболее обсуждаемых сегодня тем в индустрии коммуникаций связана с
такими уже порядком набившими оскомину терминами, как "последняя миля"
и "оптические коммуникации". Две компании сошлись в отчаянном поединке,
пытаясь завоевать для себя право предложить на рынок новое решение проблемы.

TeraBeam

TeraBeam Networks была основана в 1997 г. известным изобретателем Грегом Амадоном (Greg Amadon). Концепция, которая легла в основу новой технологии, получила название Fiberless Optics, что в переводе звучит как "безволоконная оптика". Идея заключается в передаче информации с помощью лазерного луча, распространяющегося не по оптоволокну, а в любой оптически прозрачной среде, например в воздухе.

Сконструированная лазерная установка позволяет уверенно принимать сигнал на расстоянии до 3 км. При этом ни изменения состояния атмосферы (различная оптическая плотность нагретых и охлажденных потоков воздуха), ни городской смог, ни даже запыленное стекло офиса не могут существенно повлиять на использование оборудования от TeraBeam Networks. Отсюда вытекает основное преимущество этой технологии: нет необходимости устанавливать приемопередающее устройство на крыше здания (получать для этого разрешение властей и оберегать технику от воров). Достаточно расположить "узел" оптической сети поближе к окну и сориентировать луч лазера на окно соседнего офисного здания (в котором, естественно, тоже должен быть установлен подобный комплект оборудования). При этом максимальная пропускная способность соединения отвечает запросам крупной корпорации — 1 Gbps.

Все это стало возможным благодаря разработке Джимом Обурном (Jim Auborn) нового типа лазерных диодов, которые излучают на длине волны около 1550 нм (дальний инфракрасный диапазон). Приемник по своему внешнему виду похож на небольшую спутниковую "тарелку" и стоит всего около $150.

Просвещенный в обсуждаемых вопросах читатель должен быть озадачен — оптические системы передачи информации в зоне прямой видимости с помощью лазеров уже давно успешно функционируют в некоторых корпоративных и университетских кампусах.

Так в чем же проблема? В том, что все ранние реализации использовали лазеры с длиной волны 700—800 нм. Излучение в этом диапазоне представляет серьезную угрозу для здоровья человека, поскольку при попадании в глаз луч будет сфокусирован на сетчатке. Свет с длиной волны 1550 нм воздействует только на роговицу, а это менее опасно. Однако до последнего времени не существовало лазерных диодов, которые смогли бы обеспечить необходимую мощность для дальних коммуникаций на терагерцевых частотах в воздушной среде.

В свое время Bell Labs получила контракт на разработку нового оборудования для реализации межспутниковых коммуникаций. В этом проекте не последнюю роль играл Джим Обурн.

В современной оптоволоконной индустрии для усиления сигналов используются материалы с примесью эрбия. Полупроводниковый лазер накачки переводит электроны атомов эрбия в более высокоэнергетическое состояние. Полезный сигнал, достигая участка оптоволокна с примесью эрбия, вызывает переход электронов в основное состояние, сопровождаемый излучением. В воздухе подобные оптические "доноры" не встречаются, и уж тем более их нет в вакууме. Обурн создал установку, в которой излучение полупроводникового лазерного диода используется как "накачка" для двух волокон с примесями иттербия или неодима. Чтобы уменьшить размеры оборудования, пришлось объединить их свойства в одном дважды плакированном волокне с примесями иттербия и эрбия. Для приема луча использовался телескоп-рефлектор, а для передачи — телескоп-рефрактор.

А затем Обурну пришла в голову поистине "золотая" идея — применить разработку в земных условиях. Так появилась технология OpticAir, обеспечивающая соединения точка—точка в реальных атмосферных условиях.

Какое-то время спустя, общаясь на научных конференциях с представителями компании TeraBeam, Джим обратил внимание на то, что их технологии очень схожи. Но в TeraBeam использовали для фокусирования лучей плоские дифракционные голографические линзы — устройства куда более удобные в применении, нежели телескопы. Кроме того, оборудование этой фирмы, в отличие от "индустриальной" техники Lucent, имело привлекательный дизайн и было ориентировано на работу в условиях офиса. Различие заключалось только в сетевой архитектуре: специалисты TeraBeam предпочли схему точка—мультиточка, адаптированную к нуждам Internet-провайдеров.

К счастью, обошлось без конфронтации, и руководство Lucent согласилось на сотрудничество. Подразделение OpticAir в обмен на 30% акций в полном составе перешло под юрисдикцию TeraBeam, а Обурн оказался в кресле вице-президента по развитию исследований вышеуказанной компании.

Первая тестовая оптическая сеть была развернута в Сиэтле (штат Вашингтон). По словам представителей фирмы, она функционирует уже два года. Всего инсталлировано 11 хабов и каждый из них способен обслуживать до 20 пользователей. Оптическая эффективность приемника, эквивалентная 40-сантиметровому телескопу, позволяет уверенно (без потерь) принимать сигнал, даже если источник перекрыт на 85%. Сиэтл "славится" своей плохой погодой, но даже дождь и снег не прервали установленного соединения на протяжении всего испытательного периода. То же говорят сотрудники компании и в отношении пролетающих птиц. "При плохой погоде возможно небольшое снижение производительности, но не более того. Что касается пролетающих птиц, то работу установки может нарушить только бомбардировщик B-52", — утверждает с долей иронии Амадон.

Так что все идет по плану, а планы тандема Lucent—TeraBeam более чем серьезные. "Мы ожидаем, что рынок широкополосного доступа к Internet составит 33 млрд. долл. в 2003 г., и предполагаем, что оптическая доля будет основной составляющей этого рынка", — заявил CEO корпорации Lucent Ричард МакГинн (Richard McGinn).

На свое развитие TeraBeam Internet Systems в рамках третьего раунда финансирования планирует привлечь всего 630 млн. долл. Штат компании за два года вырос с нескольких инженеров до 400 человек.

Несмотря на столь радужные оценки перспектив и реально собранные деньги, не все так безоблачно во внедрении технологии в массовые продукты. Даже если отбросить все неудачи изобретательской и предпринимательской деятельности 49-летнего Грега Амадона (в свое время он предложил уникальную концепцию защиты от мошенничества в мобильной коммерции и организовал для этого компанию Cellular Technical Services, а затем занялся "раскруткой" своего очередного изобретения — очков виртуальной реальности в рамках фирмы Virtual i-O; и то и другое начинание так и не было доведено до конца), есть масса проблем технического характера. Например, для поддержания связи необходимо удерживать луч лазера на 40-сантиметровом зеркале приемного устройства, нацеливаясь с 3-километрового расстояния. А это все равно, что пытаться попасть в мишень диаметром 6 мм с дистанции 50 м. При этом предполагается, что один хаб будет обслуживать до 96 индивидуальных пользователей!

Необходимо также учитывать различные эффекты, связанные с тепловым расширением зданий при попадании прямых солнечных лучей, с раскачиванием небоскребов под действием сильного ветра, с неблагоприятными погодными условиями (которые все же влияют на передачу). Все вышеперечисленные факторы как по отдельности, так и в комбинации способны значительно затруднить прецизионно-точное позиционирование пары приемник—передатчик. Как выяснилось, в действительности хаб не генерирует отдельные лучи — он работает по принципу маяка или, выражаясь точнее, прожектора. Каждый хаб обслуживает один 90-градусный сегмент пространства одним лучом. Следовательно, каждый из 96 пользователей получает канал емкостью около 10 Mbps! Вот уж действительно ошарашивающее известие — во всех маркетинговых документах и исследованиях экономические показатели системы сравнивались с традиционными оптоволоконными соединениями, хотя на самом деле об этом не может быть и речи. Правда, восходящая линия связи позволяет передавать вплоть до 100 Mbps и средняя загрузка хабов предполагается на уровне 40 пользователей. Что ж, если деградация производительности вследствие различных факторов не будет слишком велика, а стоимость комплекта оборудования не превысит обещанных $150, предложение TeraBeam имеет смысл.

Удивление вызывает и несколько странная бизнес-стратегия компании, согласно которой она собирается стать не только поставщиком оборудования, но и единственным его потребителем. План Амадона предполагает непосредственное предоставление услуг конечным пользователям широкополосного оптического доступа к Internet, а не продажу или лицензирование Fiberless Optics сторонним организациям. Как известно из краткой, но богатой событиями истории современных коммуникаций, еще ни один тесный союз производителя и провайдера в рамках единой коммерческой структуры не стал успешным.

AirFiber

Не только Джима Обурна и Грега Амадона посетила "счастливая мысль" о безволоконных оптических технологиях.

AirFiber была основана в мае 1998 г. группой единомышленников, в числе которых оказались Джим Данн (Jim Dunn) — в недалеком прошлом основатель компании Primary Access, имеющий богатый опыт конструирования коммуникационных систем для NASA; Дебра Кармоди (Debra Carmody) и Салли Уикстед (Sally Wixted) все из той же Primary Access (которая, кстати, вошла в 3Com), а также Скотт Блум (Scott Bloom), работавший на AstroTerra и в свое время занимавшийся разработкой систем оптических коммуникаций в открытом пространстве для космоса и авиации. Эта команда, как и TeraBeam, уже отыскала влиятельного покровителя — Nortel Networks, которая инвестировала в AirFiber 37 млн. долл.

Основное отличие технологии OptiMesh, созданной этой фирмой, от Fiberless Optics заключается в структуре сети. OptiMesh ориентирована на соединения типа точка—точка. Таким образом, если концепцию TeraBeam хорошо описывает метафора "маяк—корабли", то AirFiber — это уже некое подобие "рыбацкой сети". Каждый абонент должен инсталлировать на крыше своего здания узел стоимостью около 20 тыс. долл. Оптическая связь поддерживается с ближайшим узлом, расположенным в пределах прямой видимости, тот ретранслирует данные к более далекому узлу и так далее, вплоть до сетевого центра (рис. 1). Длина линий связи должна быть невелика, не более 200—500 м, что несколько упростит задачи преодоления неблагоприятных погодных условий и "нацеливания" лазера.

Рис. 1

Выполняется и отслеживание положения солнца для исключения ситуаций, когда работа приемника узла парализуется из-за попадания на него прямых солнечных лучей. Да и в случае внезапного нарушения соединения узел не будет беспомощен — он тут же обратится "за помощью" к соседнему.

Предполагается, что в зоне прямой видимости всегда будет находиться несколько узлов сети, и каждый из них сможет нести до 4 пар приемник—передатчик. Естественно, сетевая структура усложняется вследствие необходимости обеспечивать маршрутизацию, коммутацию и гибкое перераспределение нагрузки.

Сеть OptiMesh подразделяется на три составляющие (рис. 2): базовую сеть (Core Network), сеть доступа (Access Network) и пользовательскую сеть (Premise Network). Базовая сеть включает в себя довольно пестрый набор компонентов: тут оптоволоконные и микроволновые коммуникации, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы. Сеть доступа образована оптическими соединениями между локальными узлами, а пользовательские сети расположены в зданиях и позволяют распределять пропускную способность канала доступа (622 Mbps) между потребителями.

Рис. 2

В материалах компании утверждается, что благодаря следящим системам оконечное оборудование в состоянии самостоятельно справляться с колебаниями зданий и тепловыми деформациями, обеспечивая традиционную для оптоволоконной индустрии надежность 99,999% (5 минут простоя в год). Данная цифра была рассчитана для соединений на 200-метровой дистанции. Каждый узел содержит встроенный коммутатор ATM 6 X 6 для обслуживания требовательных к уровню пропускной способности потоков данных (голос, видео). Управление OptiMesh вполне под силу любому ПО, совместимому со стандартами администрирования для сетей ATM и SONET. Что касается безопасности системы для человека, то в материалах компании утверждается, что используемые лазеры (длина волны 780 нм) соответствуют стандарту IEC Class 1. Кроме того, узлы снабжены подсистемой Automatic Power Reduction (APR), которая снижает мощность луча в случае его полного перекрытия посторонним предметом.

Распространением и эксплуатацией сетей займутся локальные провайдеры. Таким образом, в отличие от Грега Амадона, руководство AirFiber не лелеет мечты о "мировом господстве". Компания пропагандирует модель "построй, а затем продай" ("build, then sell"), когда затраты на инсталляцию нового узла невелики, а при подключении пользователей внутри здания можно проводить гибкую политику цена/пропускная способность.

Заключение

Несмотря на всю критику, обрушившуюся в этом году на TeraBeam, наличие
таких серьезных конкурентов, как AirFiber—Nortel, вселяет определенные надежды
на благополучный исход. Технология, лежащая в основе обеих систем, уже очень долгое
время "просилась" на массовый рынок — проводились исследования, тесты
и даже пробные инсталляции. Появление Fiberless Optics и OptiMesh представляется
вполне логичным развитием событий.