Оптические сети без оптоволокна

Если говорят об оптических сетях, то на ум сразу приходит
оптоволокно. Однако свет может распространяться и по воздуху и за гораздо меньшие
деньги. Речь идет о беспроводных оптических коммуникациях (wireless optics), которые
в индустрии известны также под названием "оптика в свободном пространстве"
(Free Space Optics — FSO).

Лазерный приемопередатчик

Хотя сетевая индустрия начала проявлять повышенный интерес
к беспроводным оптическим коммуникациям совсем недавно, их идея далеко не нова.
Она зародилась около 30 лет назад, задолго до того, как оптоволокно стало основной
средой при реализации высокоскоростных коммуникаций. В те далекие годы мысль о
том, что FSO-системы смогут обеспечить высокоскоростную связь даже на коротких
расстояниях, казалась футуристической. Однако в результате выполненных за последние
годы исследований и разработок современные оптические беспроводные системы способны
осуществлять дуплексную связь с гигабитовыми скоростями передачи данных в городских
сетях на расстояниях от нескольких кварталов до нескольких километров.

Сегодня наибольшее применение данная технология получила в сетях масштаба кампуса
и в корпоративных сетях. Здесь она используется для связи локальных сетей в близко
расположенных зданиях в тех случаях, когда прокладка кабельных каналов затруднена
или невыгодна. Но это не единственный сектор, на который претендует FSO. Последние
достижения позволяют рассматривать эту технологию в качестве основной при организации
широкополосного беспроводного доступа.

Технология FSO

В системах FSO используются инфракрасные лазеры, которые генерируют свет в диапазоне
около 200 THz, что соответствует длине волны порядка 1 мкм. Такой диапазон волн
не требует лицензирования даже в Украине.

Имеющееся на рынке оборудование работает на одной из двух длин волн: 850 или 1550
нм. Лазеры, излучающие длину волны 850 нм, намного дешевле, чем для волн 1550
нм, и поэтому предпочтительнее для связи на расстояниях до 100 м. Однако если
речь идет о больших расстояниях, мощном и в то же время безопасном для глаз излучении,
то на первый план выходят более длинноволновые лазеры. Инфракрасное излучение
на длине волны 1550 нм поглощается роговицей глаза и не доходит до сетчатки. Поэтому
нормами допускается мощность, большая почти на два порядка, чем для 850-нанометровых
лазеров. Такая мощность позволяет увеличить длину канала примерно в пять раз и
сохранить при этом устойчивую связь, а при использовании на коротких расстояниях
— значительно повысить скорость передачи данных.

Как и всякая технология, беспроводная оптика имеет свои сильные и слабые стороны.
На устойчивость и производительность канала сильное влияние оказывают как состояние
окружающей атмосферы, так и особенности распространения в ней инфракрасного луча.

Потери в атмосфере имеют различную природу. В свободном пространстве они связаны
с конусообразной формой луча и определяются той частью световой энергии, которая
не попала в апертуру оптической системы приемника. При необходимости передачи
на большие расстояния (4—5 км) для уменьшения расхождения пучка можно использовать
телескопы, добиваясь при этом диаметра луча до 2 м и значения потерь около 20
дБ. Возможно даже уменьшение диаметра луча до 0,5 м (потери 8 дБ), но при этом
возникают проблемы с попаданием луча в приемник.

Топология типа "решетка"

Ослабление луча в чистом воздухе определяется молекулярным
и аэрозольным поглощением и рассеянием и описывается законом Бугера—Ламберта
(экспоненциальное уменьшение интенсивности волны с расстоянием). Эффект, аналогичный
ослаблению, производят также рассеяние и рефракция света на капельках дождя, тумана
или снега. Свой вклад в ухудшение качества канала вносят и так называемые сцинтилляции
— временные и пространственные колебания интенсивности света, вызванные атмосферной
турбулентностью. Причинами возникновения турбулентности могут быть ветер и температурные
градиенты, при этом образуются области неоднородности с быстро изменяющимися плотностью
и коэффициентом преломления, называемые воздушными карманами. Они действуют подобно
призмам и линзам с изменяющимися во времени свойствами. Всем известное мерцание
звезд объясняется именно этим эффектом. Прохождение луча света через такие карманы
вызывает флуктуацию амплитуды принимаемого сигнала. Сцинтилляции начинают вносить
значительные искажения при расстояниях более 500 м. Для преодоления их отрицательного
влияния обычно используют несколько пространственно разделенных (обычно около
200 мм) лазеров, посылая на них данные одновременно. Маловероятно, что на пути
к приемнику все параллельные лучи попадут в один и тот же карман.

Топология типа "звезда"

Отрицательное влияние на качество передачи могут оказывать
и посторонние лучи, попадающие в фотоприемник. Они ведут к увеличению уровня шумов.
Для борьбы с ними перед фотодиодами помещают узкополосный инфракрасный фильтр,
который значительно уменьшает нежелаемые помехи. Обычно влияние посторонних источников
приводит либо к возникновению паразитного постоянного тока, либо к переменным
токам с частотами от 10 до 100 kHz. Если использовать линейный код, не содержащий
низкочастотных составляющих, то от таких помех также легко избавиться.

Как и для оптоволокна, окна прозрачности для воздуха концентрируются в области
длин волн 850, 1300 и 1550 нм. Это значит, что для беспроводной оптики могут применяться
те же коммерческие оптоэлектронные устройства, что и для оптоволоконной оптики.

Особенности архитектуры

Как и для других типов, архитектура сетей FSO в зависимости от нужд предприятий
и используемых приложений может иметь различные топологические конфигурации. Основными
из них являются соединения типа точка—точка, точка—многоточка и решетчатая (mesh)
структура. Допускается также комбинация этих трех основных топологий.

Соединения точка—точка обеспечивают выделенный канал с высокой пропускной способностью,
однако такой вариант трудно масштабируется. Что касается топологии типа точка—многоточка,
то она является эффективно более дешевой, но зато предоставляет меньшую пропускную
способность. При необходимости обеспечить высокую степень масштабируемости следует
отдать предпочтение кольцевой и решетчатой (mesh) топологиям или, в крайнем случае,
звездообразной. Такая топология позволяет легко добавлять узлы или реконфигурировать
сеть.

Сегодня существует острая потребность в выкоскоростных и недорогих решениях для
"последней мили". В то же время прокладка оптоволоконного кабеля не
всем под силу и не всегда возможна. Поэтому беспроводные оптические технологии
и вызывают повышенный интерес у сервис-провайдеров. Они вполне способны заменить
использующиеся сейчас дорогие решения на базе гибридных технологий.