Diplomski Rad - Optika u slobodnom prostoru - FSO

UNIVERZITET U NIŠUELEKTRONSKI FAKULTET

DIPLOMSKI RAD

Optika u slobodnom prostoru - FSO

Komisija za odbranu: Student: Dušan Mladenović broj indeksa 10559

1. Predsednik komisije Datum prijave rada:

____________________ ________________

2. Član komisije Datum predaje rada:

____________________ ________________3. Član komisije

Datum odbrane rada:____________________

________________

Diplomski rad – Dušan Mladenović_____________________________________________________________________

Sadržaj

1. Uvod ....................................................................................................................3

2. Osnovne karakteristike FSO sistema .....................................................6

2.1. Princip rada FSO linka ..............................................................................6

2.2. Osnovna ograničenja u FSO sistemima.....................................................9

2.3. FSO transmisiona formula.........................................................................13

2.4. Margina linka.............................................................................................14

3. Izbor talasnih dužina ....................................................................................15

3.1. Bezbednost oka .........................................................................................16

3.2. Uticaj talasne dužine na performanse sistema...........................................17

3.3. Uticaj postojeće infrastrukture na izbor talasnih dužina ...........................19

4. Slabljenje u FSO sistemima .......................................................................21

4.1. Uticaj atmosferskih pojava na slabljenje signala.......................................22

4.2. Uticaj geometrijskih parametara na slabljenje signala ..............................28

4.3. Ukupno slabljenje signala..........................................................................32

4.4. Slabljenje usled prolaska svetlosti kroz prozore .......................................35

5. Hibridni FSO/MMW sistemi ......................................................................37

5.1. MMW sistemi.............................................................................................37

5.2. Hibridni FSO/MMW sistemi......................................................................40

5.3. Redundantni kontroler linka i hibridni FSO/MMW sistemi.......................43

6. Zaljučak ............................................................................................................46

Literatura .............................................................................................................50

2


1. Uvod

Današnji informatički svet zavisi od prenosa podataka i multimedijalnog sadržaja

preko telekomunikacionih mreža. Iako nove tehnologije omogućavaju efikasniji

prenos informacija preko zastarelih telefonskih linija, optičke mreže ostaju najbolji

medijum za brz i siguran prenos podataka.

Postoje dva različita tipa optičkih komunikacija: jedan je optičkim kablom, a drugi

optičkim bežičnim sistemima kojima je osnova Free-space optika. Za razvoj mreža na

velikim udaljenostima najbolji su optički kablovi. U kombinaciji sa čestim (gustim)

multipleksiranjem po talasnim dužinama (Dense Wavelength Division Multiplex -

DWDM ) optički kablovi pružaju mogućnost prenosa brzinom od 40 Gb/s. Medjutim,

za konekciju između relativno kratkih distanci u gradovima, „poslednje milje“ između

optičkog kabla i većine krajnjih korisnika, optički kablovi i bežična optika se

upotpunjuju kako bi se postigao uspeh.

Poslednje dve decenije su protekle sa velikim investicijama u izgradnji globalne

optičke kablovske mreže, kako bi se zadovoljile sve veće potrebe za brzim prenosom

informacija. Međutim, da bi se dostigle projektovane brzine prenosa, potrebno je da

korsnici imaju prsitup optičkim mrežama. Čak i u gradskim sredinama, gde postoji

dobra pokrivenost optičkim kablovskim mrežama, samo je 7 do 10 procenata krajnjih

korisnika povezano na optičku kablovsku mrežu.

Optičke kablovske mreže nastavljaju da se razvijaju odmerenom i kontinualnom

brzinom, ali je njihova cena često visoka, postupak dug, a investicije nepovratne.

Nasuprot tome, optička bežična rešenja su komplementarna optičkim kablovima sa

znatno manjom cenom, bržom instalacijom, fleksibilnijim uslugama, uključujući

ostvarivanje konekcije u toku jednog dana, zbog jednostavne instalacije i rukovanja.

Raspravljajući sve više o obećanjima datim za razvoj informatičke ekonomije, lako je

zaboraviti na logističke izazove isporučivanja potrebne infrastrukture, kako bi se

3


osiguralo da svi oni koji žele da budu povezani, to i budu, bez obzira gde se nalaze.

Projektovani rast potražnje korisnika za brzim vezama će ostati samo želja, a pravi

izazov potpuno realizovanih mreža je ostvarivanje povezanosti uprkos vrlo realnim

fizičkim i ekonomskim preprekama koje postoje u današnjim modernim gradovima.

Nagrada za realizaciju ovakvih mreža je verovatan povratak prethodnih investicija u

optičke kablovske mreže i ulivanje poverenja korisnika u mreže sa velikim brzinama

prenosa, koje su potrebne za kontinualan ekonomski razvoj.

U jednom trenutku mnogi industrijski lideri u oblasti telekomunikacija i interesenti za

tehnologiju su sanjali o mrežama zasnovanim samo na optičkim kablovima. Ali

ovakva vizija je nepraktična iz više razloga. Postupak postavljanja optičkih kablova u

gradovima iziskuje mnogo vremena i veoma često je preskup. Održavanje i popravka

postojećih optičkih sistema u situacijama kada dođe do slučajnih prekida ili prekida

usled prirodnih katastrofa su takođe vremenski zahtevni i tehnički izazovni, jer

provajderi moraju udovoljavati korisnicima koji zavise od velikih brzina prenosa.

Već je poznato da su kablovske optičke mreže, sa svojim velikim brzinama prenosa,

veoma obećavajuće. Ipak, trenutak kada će ceo svet biti povezan optičkim kablovima

je decenijama daleko.

Jedna od najvećih dilema informatičkog sveta je kako najbolje omogućiti brz pristup

mrežama sa velikim brzinama prenosa, a izbor tehnologije koja će to omogućiti

zavisiće od cene i pouzdanosti. Za kompletne optičke mreže postoje samo dve

moguće tehnologije: kablovska optika i bežična optička rešenja.

Telekomunikacione firme i industrijski analitičari imaju lažnu predstavu da se Free-

space optika (FSO) tek nedavno pojavila u optičko-telekomunikacionom polju.

Međutim, FSO je nova u samo jednom pogledu, kao tržišno dokazana tehnologija za

optička bežična rešenja koja omogućuje povezivanje korisnika na privatne i javne

mreže, koristeći se u više od 60 zemalja.

FSO tehnologija je starija od kablovske optike. Tehnički gledano, optičke

komunikacije podrazumevaju sve oblike komunikacija koje koriste svetlost,

4


uključujući svetionike i signalna ogledala, pa je istorija optičkih komunikacija veoma

bogata.

Moderne optičke komunikacije počinju pronalaskom lasera 1960. godine, koji je

omogućio prenos digitalnih podataka putem svetlosnih impulsa.

Skoriji razvoj FSO tehnologije uzrokovan je potrebom za boljim

mrežama gradskih područja - MAN (Metropolitan Area Networks), ali

koreni tehnologije datiraju još iz Prvog svetskog rata, kada su vojne

jedinice i tajne agencije tragale za sigurnim bežičnim

komunikacionim sistemima, otpornim na radio smetnje. Mobilnost

ovakvih ranih FSO sistema činio ih je dragocenim vojnom osoblju

kome je bila potrebna sigurna komunikaciona oprema jednostavna

za postavljanje, prenos informacija i pomeranje na drugu lokaciju.

Razvoj optičkih komunikacija dalje se nastavio u periodu Drugog

svetskog rata i posleratne ekonomske rekonstrukcije koja je vodila

do progresa u polju telekomunikacija. Dok su elektronske inovacije,

kao što su tranzistor i integrisana kola, dovele do posleratnog

razvoja telekomunikacija, pronalazak lasera je omogućio dalja

istraživanja naprednih optičkih komunikacija koje su koristile, tada,

jedini medijum za prenos laserskog zraka dostupan fizičarima u

vojnoj i svemirskoj industriji – atmosferu ili “free space” , odakle i

potiče naziv Free space optika. Istraživanja u oblasti Free space

optike nastavljaju da napreduju zajedno sa sve širom upotrebom u

svemirskoj industriji, pokrivajući namene u komercijalnim i privatnim

telekomunikacionim mrežama. Današnja komercijalna optička

rešenja su rezultat vrhunca napretka Free space tehnologije.

5


2. Osnovne karakteristike FSO sistema

Free space optika je tehnologija koja omogućuje prenos podataka kroz

vazduh. To je bežična optička mreža, zasnovana na korišćenju slobodnog prostora

(atmosfere) kao medijuma za prenos i lasera (ili LED dioda) malih snaga kao izvora

svetlosti. Optička vidljivost između primopredajnika je neophodna.

2.1. Princip rada FSO linka

Slika 2.1. Uprošćen FSO sistem

Uprošćen FSO sistem je prikazan na slici 2.1, dok su optički predajnik i prijemnik

detaljnije prikazani na slici 2.2. U pradajniku, niz bitova u osnovnom opsegu se vodi

na ulaz modulatora, koji naizmenično generiše ili prekida jednosmernu struju koja

napaja lasersku ili LED diodu. Emitovana, modulisana po intenzitetu, svetlost zatim

prolazi kroz sočivo koje oblikuje svetlost u paralelni snop koji se prenosi atmosferom.

6


Tokom prenosa svetlosti kroz atmosferu javlja se osnovno fizičko ograničenje u FSO

sistemima prouzrokovano difrakcijom svetlosti. Naime, svetlosni zrak koji potiče od

izvora koji svetlost moduliše po intenzitetu se ne može usmeriti na površinu manju od

površine samog izvora. Pored efekata prouzrokovanim atmosferskim procesima, čak i

u vakumu, tokom prostiranja svetlosnog zraka u prostoru javljaja se divergencija ili

širenje. Emitovan FSO zrak se transformiše zbog fizičkih procesa koji se javljaju u

atmosferi: frekvencijski zavisna absorpcija, rasipanje (disperzija), refrakciona

turbulencija, kao i zbog povremenog odstupanja od pravolinijskog usmerenja

predajnika i prijemnika, usled pomeranja (torzije i gibanja) zgrada ili objekata na

kojima je FSO oprema postavljena.

Slika 2.2. Blok dijagram FSO komunikacionog sistema

7


Ovi procesi su nestacionarni, što znači da se njihov uticaj na FSO vezu menja

nepredvidivo.

Na drugom kraju FSO veze nalazi se prijemnik. Teleskop skulja i usmerava delove

svetlosnog zraka na fotodetektor, koji pretvara optičke signale u električne signale.

Detektovani signal se zatim pojačava i procesira. Osnovne funkcije procesiranja

signala u predajniku i prijemniku su šematski pokazani na slici 2.3. Slika 2.4.

pokazuje pojednostavljeni, jednozračni FSO primopredajnik.

Slika 2.3. Blok dijagram prijemnika i predajnika

8


Slika 2.4. Jednozračni primopredajnik

Najveći broj FSO sistema koristi prosto dvopolno kodiranje ( ON-OFF keying - OOK)

kao modulaciju, koja je ista kao i kod digitalne kablovske optike, gde se podaci

prenose u digitalnom obliku i gde postojanje svetlosti predstavlja logičku „1“ , dok

nepostojanje predstavlja logičku „0“. Ovako prosta modulaciona šema omogućava da

FSO sistemi budu nezavisni od protokola i brzina prenosa na fizičkom nivou veza.

2.2. Osnovna ograničenja u FSO sistemima

Nestacionarni atmosferski procesi, divergencija, apsorpcija, rasipanje. refrakciona

turbulencija i pomeranje su najveći ograničavajući faktori u FSO sistemima. U

nastavku je dat opis svakog procesa.

Divergencija

Divergencija ili širenje svetlosti predstavlja povećanje poprečnog prečnika

prostirajućeg zraka sa povećanjem rastojanja. Divergencija određuje koliko će korisne

svetlosne energije prikupiti u prijemniku koji se nalazi na kraju linka. Takođe,

9


određuje i osetljivost linka na smetnje usled pomeranja. Od svih atmosferskih procesa

koji izazivaju slabljenje, divergencija je jedini proces koji je nezavistan od prenosnog

medijuma, tj. javlja se u vakumu, kao i u vazduhu. Laserski zrak se može

okarakterisati kao gotovo koherentni, monohromatski elektromagnetni talas. U

predajniku, divergencija zraka se javlja usled difrakcije oko kružnog luka na kraju

teleskopa. U praksi, emitovani zrak je u prečniku veći od sočiva u prijemniku i ovo

omogućava potrebno poravnanje predajnika i prijemnika i prilikom pomeranja istih.

Slika 2.5. Divergencija svetlosti

Apsorpcija

Molekuli nekih atmosferskih gasova apsorbuju svetlosnu energiju, to su pre svega

vodena para, ugljen-dioksid (CO2) i metan (prirodni gas – CH4). Postojanje ovih

gasova na putanji emitovanog zraka se nepredvidivo menja u zavisnosti od

vremenskih uslova. Efekti gasova na FSO link su takođe nepredvidivi.

Rasipanje

Još jedan uzrok slabljenja svetlosnog zraka u atmosferi je rasipanje usled postojanja

aerosoli i ostalih čestica. U ovom procesu aerosoli i čestice koje se javljaju usled

magle, oblaka i prašine, koje su slične veličine kao talasna dužina zraka, skreću

svetlost sa njenog pravca. Neki od skrenutih delova zraka putuju dužim putem do

predajnika i nisu u fazi sa pravim zrakom. Zbog ove vrste interferencije javlja se

slabljenje.

10


Slika 2.6. Rasipanje svetlosti

Refrakciona turbulencija

Na slici 2.7. je prikazana promena od glatke slojevite strukture atmosfere do

turbulentne strukture.

Slika 2.7. Promena sturkture atmosfere

U slojevitom delu prelamanje svetlosti je predvidivo i konstantno, dok se u

turbulentnom delu nepredvidivo menja. Male oscilacije temperature u turbulentnom

delu izazivaju promene indeksa prelamanja. Jedan od efekata promenljivog

prelamanja svetlosti je svetlucanje, treperenje ili žmirkanje objekata na horizontu,

koje je izazvano proizvoljnim promenama amplitude svetlosti. Drugi efekat je

proizvoljna promena faze svetlosnih talasa. Refrakciona turbulencija je veoma česta

11


na krovovima gde se zagrevanje površine tokom dana pretvara u emitovanje toplote

noću.

Pomeranje primopredajnika

Za FSO link, poravnanje predajnika i prijemnika je neophodno kako bi se obezbedilo

da se ugao divergencije emitovanog zraka poklapa sa vidnim poljem teleskopa na

prijemniku. Kako je FSO zrak poprilično uzak, neporavnanje prouzrokovano torzijom

i njihanjem nosača primopredajnika (zgrade), kao i refrakciona turbulencija, može

prekinuti komunikacioni link. Jedna od metoda za rešenje ovog problema je

defokusiranje zraka (namerno povećanje divergencije) kako bi se omogućilo

pomeranje primopredajnika bez prekida linka. Druga metoda je dizajniranje

predajnika tako da on emituje niz zrakova tako da bar jedan bude usmeren ka

prijemniku, dok ostali nisu.

Slika 2.8. Neporavnanje primopredajnika

12


2.3. FSO transmisiona formula

Transmisiona formula omogućava proračun korisne snage signala prenesene od

predajnika do udaljenog prijemnika preko željenog linka. FSO transmisiona formula

ima eksponencijalno slabljenje i glasi:

,

(2.1)

gde je snaga optičkog signala u prijemniku, emitovana optička snaga lasera ili

LED diode, je površina teleskopskog sočiva prijemnika, je površina poprečnog

preseka emitovanog zraka na mestu prijemnog sočiva, je kombinovana predajno-

prijemna optička efikasnost, je koeficijent koja ima vrednost 1 za laserske izvore

svetlosti, a razlomljenu vrednost za LED diode, je daljina između predajnika i

prijemnika (dužina linka) i predstavlja empirijski koeficijent slabljenja u atmosferi.

Transmisiona formula daje osnovne smernice u projektovanju FSO sistema. Prilikom

izbora izvora svetlosti potrebno je naći kompromis između dve vrste izvora (laserski

ili LED), njihovih cena, talasnih dužina i dozvoljenih snaga kako bi bili bezbedni za

oko. Količnik površina omogućuje balansiranje između divergencije i neporavnanja

primopredajnika. Veća divergencija podrazumeva manju gustinu snage, tj. slabiji

signal na prijemniku, ali omogućuje veću toleranciju na pomeranje primopredajnika.

Iako je neporavnanje usled pomeranja primopredajnika, kao slučajni proces,

uračunato u koeficijent slabljenja , ono se može kompenzovati podešavanjem , tj.

kontrolisanjem divergencije. Takođe, dužina linka u eksponentu formule

predstavlja projektni zahtev, i njen uticaj na divergenciju implicitno utiče na površinu

teleskopskog sočiva prijemnika . Parametri i su striktno vezani za

primopredajnu opremu. Na kraju, koeficijent slabljenja sadrži sve efekte slabljenja

u atmosferskim procesima. Za praktična izračunavanja se dobija iz grafika za

raličite vremenske uslove (oblaci, magla, izmaglica) u funkicji talasne dužine.

13


Pored računanja snage optičkog signala u prijemniku , potrebno je proceniti

postojanje šuma koji se javlja prilikom procesa detekcije signala u prijemniku. Može

se pokazati da je odnos digitalni signal/šum (digital signal-to-noise ratio - DSNR)

proporcionalan sa preko zbira Gaussian promenljivih za unutrašni termalni šum

detektora i spoljašni šum zračenja.

2.4. Margina linka

Jedan od najvažnijih parametara koji opisuje preformanse FSO linka je margina linka.

U osnovi, ona predstavlja količinu prijemne svetlosti koja je veća od minimalne

potrebne za održavanje linka aktivnim. Obično se predstavlja u dB i izražava kao:

.

Pretpostavimo da je minimalna prijemna snaga kako bi link bio aktivan 5 nW. Ako su

uslovi takvi da je prijemna snaga u proseku 500 nW, onda je margina tog linka 20 dB.

Ovo znači da se 99 % snage u svetlosnom zraku može oslabiti pre nego što se link

prekine.

Važno je napomenuti da margina linka određenog FSO sistema zavisi od atmosferskih

uticaja, kao i od dužine linka. Izvori svetlosti mogu emitovati maksimalnu optičku

snagu bez obzira na vremenske uslove, ali količina prijemne svetlosti varira u

zavisnosti od atmosferskih uslova.

14


3. Izbor talasnih dužina

U narednom delu biće razmatran jedan od najbitnijih problema sa ekonomskog

apekta, a to je izbor talasne dužine optičkog linka. Postoje nekoliko transmisionih

prozora koji skoro da ne izazivaju slabljenja (manje od 0,2 dB/km) u opsegu od 700

nm do10000 nm. Prozori koji se najčešće koriste su 780 nm – 850 nm i 1520 nm –

1600 nm.

Slika 3.1. Spektar elektromagnetnih talasa i transmisioni prozori u infracrvenom

delu spektra

Istorijski gledano, najveći broj FSO sistema koristio je talasne dužine u skoro

vidljivom infra crvenom spektru (780 nm do 850 nm), najviše zbog dostupnosti izvora

svetlosti zasnovanih na efikasnim i pouzdanim poluprovodničkim diodama na ovim

talasnim dužinama, kao i zbog cenovne prednosti koju imaju uređaji koji rade na

talasnoj dužini od 780 nm, jer se ista dužina koristi i u CD rekorderima. Iako je cena

značajan faktor u izboru talasne dužene, moraju se uzeti u obzir i ostali faktori i

ograničenja, pre svega u pogledu bezbednosti ljudskog oka. Ostali važni tržišni

kriterijumi u izboru talasne dužine uključuju performanse sistema, kao i potencijal za

razvoj i skalabilnost sistema. Kada se uzmu u obzir svi ovi faktori, postaje jasno da je

pametnije koristiti talasne dužine oko 1550 nm, isto kao i kod komercijalnih

kablovskih optičkih komunikacionih sistema.

15


3.1. Bezbednost oka

Sa povećanjem broja FSO sistema koji proizvode laserske zrake u potencijalno

naseljenim mestima, problem bezbednosti oka postaje sve važniji u pogledu javne

bezbednosti i odgovornosti operatera FSO sistema. Zbog različitih biofizičkih

karakteristika oka u dva dominantna ospega talasnih dužina koji se koriste,

razmatranje bezbednosti oka ima ključnu ulogu krajnjem izboru talasne dužine.

Slika 3.2. Apsorpcija i propuštanje svetlosti u ljudskom oku

FSO sistemi koji se danas nalaze na tržištu se mogu podeliti u dve kategorije: sistemi

koji rade na talasnoj dužini oko 800 nm, i oni koji rade na oko 1550 nm talasne

dužine. Laserski zraci sa talasnom dužinom od 800 nm su blizu infra-crvenog

područja i nevidljivi su, ali kao i kod vidljive svetlosti prolaze rožnjaču i sočivo i

fokusiraju se u maloj tački na mrežnjači. Ovo je pokazano na 3.2.a. koja ilustruje

prolazak svetlsoti u vidiljivom području i svetlosti blizu infra crvenog područja (400

nm do 1400 nm). Kolinearni svetlosni zrak, u ovom opasnom po mrežnjaču talasnom

opsegu, koji ulazi u oko je 100.000 puta koncentrisaniji kada udari u mrežnjaču.

16


Mrežnjača nema nervne senzore za bol i nevidljiva svetlost ne prouzrokuje treptaj

oka, pa se zbog toga na talasnoj dužini od 800 nm mrežnjača može trajno oštetiti i pre

nego što žrtva bude svestna opasnosti. Za razliku od toga, slika 3.2.b. pokazuje da se

laserski zraci sa talasnom dužinom od 1550 nm apsorbuju u rožnjači i sočivu i ne

fokusiraju se na mrežnjači.

Slika 3.3. Odnos reakcije oka i apsorpcije svetlosti u funkciji talasne dužine

Moguće je napraviti laser koji je bezbedan za oko i za 800 nm, kao i za 1550 nm

talasne dužine, ali zbog pomenutih biofizičkih karakteristika oka dozvoljena snaga

lasera je oko 50 puta veća za talasnu dužinu od 1550 nm. Ova činjenica je veoma

važna projektantima, jer veća snaga lasera omogućava da sistemi funkcionišu na

većim udaljenostima, u lošijim atmosferskim prilikama i da obezbeđuju brži prenos.

3.2. Uticaj talasne dužine na performanse sistema

Najznačajniji izazov sa kojima se susreću bežični FSO sistemi nastaje usled

atmosferskog slabljenja, naročito zbog magle. Zbog toga se nameće pitanje da li će

atmosfersko slabljenje favorizovati određeni opseg talasnih dužina. Neki od procesa

17


slabljenja koji se javljuju u atmosferi su veoma zavisni od talasne dužine, kao što je

Rejlijevo (Rayleigh) rasipanje ulsed molekula vazduha. Slabljenje usled ovog procesa

je znatno veće na kraćim talasnim dužinama, tj. obrnuto je proporcionalno četvrtom

stepenu talasne dužine. Međutim, Rejlijevo rasipanje, kao i drugi slični procesi, nisu

najznačajniji za slabnjenje u FSO sistemima. Najveće slabljenje je prouzrokovano Mie

rasipanjem usled magle. Zavisnost Mie rasipanja od talasne dužine veoma zavisi od

specifične prirode kapljica magle, jer je to rezonantni proces koji je najveći kada je

veličina kapljica magle otrilike ista kao i talasna dužina svetlosti. U izmaglici i

slabijoj magli Mie rasipanje generalno rezultuje manjim slabljenjem na većim

talasnim dužinama. Ipak, merenje slabljenja u uslovima slabe vidljivosti su pokazala

da prednost većih talasnih dužina nije uvek primetna.

Slika 3.4. Slabljenje u zavisnosti od talasne dužine

I pored toga, činjenica da sistemi bazirani na talasnoj dužini od 1550 nm omogućuju

prenos 50 puta veće snage favorizuje veće talasne dužine. Podrazumevajući da su svi

ostali faktori isti, veća snaga 1550 nanometarskih sistema rezultuje mnogo boljem

prodiranju svetlosti kroz maglu, kao i bolje ponašanje svetlosti u drugim procesima

koji prouzrokuju slabljenje, a koji su nominalno isti za različite talasne dužine. Postoji

jedno svojstvo prostiranja talasa koje, na prvi pogled, daje prednost kraćim talasnim

dužinama, a to je difrakcija. Prema zakonima o difrakciji, za isti prenosni medijum i

za otvor izvora svetlosti iste veličine, širenje svetlosti usled difrakcije je linearno

18


proporcionalno talasnoj dužini. Ovaj princip pokazuje da, izostavljajući ostale efekte

širenja svetlosti i podrazumevajući da su ostali faktori jednaki, svetlost talasne dužine

780 nm može proizvesti za 6 dB jači intenzitet na prijemniku, nego svetlost talasne

dužine 1550 nm. Ipak, ova prednost se ne može realizovati u praktičnim FSO

sistemima, jer se emitovani zrak skoro uvek širi i preko difrakcione granice. Ovakvo

širenje zraka omogućuje povećanje tolerancije na pomeranja primopredajnika.

Do sada je razmatrana samo predajna strana FSO linka, tj. predajnik, ali se u obzir

mora uzeti i uticaj talasne dužine na prijemnoj strani, posebno na fotodiodu u

prijemniku. Generalno, visokokvalitetne fotodiode imaju sličnu efikasnost na 780 nm

i 1550 nm talasne dužine. Pošto je za detektovanje impulsa potreban određeni broj

fotona i pošto znamo da foton talasne dužine 1550 nm ima duplo manje energije od

fotona talasne dužine 780 nm, proizilazi da, za isti šum pretpojačavača, optički impuls

talasne dužine 1550 nm može da se detektuje sa otprilike 3 dB manje snage.

Talasna dužina od 10000 nm je relativno nova u komercijalnim FSO sistemima i

razvijena je usled nekih tvrdnji da poseduje bolje prenosne karakteristike u uslovima

magle. O tim, navodno boljim, prenosnim karakteristikama se još uvek vode debate,

zato što veoma zavise od vrste i trajanja magle. Nedostatak ove talasne dužine je što

svetlost ne prolazi kroz staklo, pa se ne može koristiti u sistemima koji se projektuju

tako da se primopredajnici nalaze iza prozora. Dobra strana slabog prenosa kroz

staklo svetlosti ove talasne dužine je da se emitovana svetlost veoma teško može

fokusirati korišćenjem optičkih pomagala (kao što je dvogled) pa je bezbednost

povećana.

3.3. Uticaj postojeće infrastrukture na izbor talasnih dužina

Osim prednosti koje su razmatrane u predhodnom delu, a koje su zasnovane na

osnovnim principima fizike, sistemi sa talasnom dužinom od 1550 nm imaju još neke

značajne prednosti. Pošto se ova talasna dužina koristi i u optičkim kablovskim

mrežama, prateća tehnička infrastruktura za ovu talasnu dužinu je ogromna i stalno

raste zahvaljujući milionskim investicijama. Takođe, intenzivna cenovna trka koja

19


karakteriše optičku komunikacionu industriju potvrđuje da će 1550 nanometarski

sistemi uvek moći da se prilagode novim jeftinijim tehnologijama nudeći bolje

performanse. Postojeća upotrebljivost ove ogromne komercijalne infrastrukture je

ključni faktor koji obezbeđuje da se 1550 nanometarski FSO sistemi stalno razvijaju

zajedno sa kablovskim optičkim mrežama.

1550 nanometarske laserske diode koje mogu raditi na 2.5 Gb/s su već široko

rasprostranjene, dok se uređaji koji mogu raditi na 10 Gb/s razvijaju. Poređenja radi,

najveća bitska brzina komercijalne 785 nanometarske diode je oko 622 Mb/s, sa

malim željama da se ta brzina poveća. Takođe, širom rasprostranjene komponente za

multipleksiranje po talasnoj dužini (wavelength-division multiplexing - WDM) za

1550 nm sisteme stvaraju mogućnost povećanja brzine prenosa. Takve komponente ne

postoje za sisteme 780 nm do 850 nm. Na kraju, jedna od očekivanih prednosti 780

nm dioda je mala cena usled velike proizvodnje za CD rekordere. Ovo očekivanje nije

opravdano jer je proizvodnja 1550 nm dioda takođe velika. Činjenica je da je moguće

napraviti 1550 nm lasersku diodu sa otprilike istom cenom koštanja po emitovanom 1

mW snage kao i 780 nm diode.

20


4. Slabljenje u FSO sistemima

Jedna od najvećih razlika između FSO i optičkih kablovskih mreža je predvidivost

slabljenja optičke snage u atmosferi u poređenju sa optičkim kablom. Optički kablovi

imaju konstantno i predvidivo slabljenje koje u sadašnjici iznosi od 2 dB/km do 3

dB/km za multimodna vlakna i od 0,2 dB/km do 0,5 dB/km za jednomodna vlakna. Sa

druge strane, atmosfersko slabljenje optičke snage je veoma promenjivo i teško

predvidljivo. Atmosfersko slabljenje može varirati od 0,2 dB/km u uslovima vedrog

neba, pa sve do 310 dB/km u uslovima veoma guste magle. Ova velike vrednosti

slabljenja za gustu maglu su važne jer mogu smanjiti dostupnost FSO sistema.

Današnji komercijalni FSO sistemi zahtevaju visoku dostupnost. Ako je margina linka

za atmosferska slabljenja 30 dB, onda će maksimalna dužina linka biti 100 m ili

manje kako bi se savladala naveća slabljenja od 300 dB/km u uslovima magle. Ovo

predstavlja najgori slučaj. U većini slučaja, nemoguće je projektovati FSO mrežu

između zgrada u kojoj su svi linkovi manje dužine od 100 m. Povećanjem margine

linka i u tipično manje ekstremnim vremenskim uslovima dužina linka se može

povećati. Međutim, da bi se zadovoljile potrebe visoke dostupnosti, dužina FSO

linkova i dalje mora biti kratka - manja od 500 m, ili se FSO linkovi moraju sprezati

sa sporijim mikrotalasnim ili milimetarskim linkovima.

21


Slika 4.1. Funkicja slabljenja u zavisnosti od vidljivosti. U gornjem delu su pokazani vremenski uslovi koji se odnose na određenu vidljivost.

Tipični FSO sistemi imaju margine linka od 30 dB do 50 dB što za dužinu linka od

500 m omogućava slabljenja od 60 dB/km do 100 dB/km. Za ove kraće FSO linkove

(manje od 500 m) magla i sneg su primarni vremenski uslovi koji dovode do prekida

linka.

Tehnička definicija vidljivosti kaže da je vidljivost rastojanje na kome se optička

snaga smanji na 2 % od početne snage, dok kvalitativna definicija vidljivosti

predstavlja minimalno rastojanje na kome je moguće raspoznavati tamne objekte na

horizontu.

4.1. Uticaj atmosferskih pojava na slabljenje signala

Slabljenje laserskog zraka kroz atmosferu opisano je eksponencijalnim Beers-

Lambertovim zakonom:

, (4.1)

gde je:

- transmitansa za rastojanje

22


- optička snaga na rastojanju

- optička snaga u predajniku

- ukpan koeficijent atmosferskog slabljenja (po jedinici dužine)

– rastojanje između primopredajnika

Ukupan koeficijent atmosferskog slabljenja se može izraziti kao:

, (4.2)

gde je:

- koeficijent molekulske apsorbcije

- koeficijent aerosolne apsorbcije

- molekularno ili Rejlijevo rasipanje

- aerosolni koeficijent ili koeficijent Mie rasipanja

Tipični koeficijenti slabljenja su:

= 0,1 ( 0,43 dB/km ), za vedro nebo

= 1 ( 4,3 dB/km ), za izmaglicu

= 10 ( 43 dB/km ), za maglu

Ulogu u koeficijentu slabljenja imaju apsorpcija i rasipanje laserskih fotona od strane

aerosoli i molekula gasa u atmosferi. Kako su talasne dužine (obično 785 nm, 850 nm

i 1550 nm) izabrane tako da upadaju u transmisioni prozor u granicama apsorpcionog

spektra, uticaj apsorpcije na ukupni koeficijent slabljenja je veoma mali, a efekti

rasipanja su dominantni u ukupnom koeficijentu slabljenja. Vrsta rasipanja je

određena veličinom određenih atmosferskih čestica i talasnom dužinom svetlosti. Ovo

se opisuje pomoću neimenovanog broja koji se naziva parametar veličine :

, gde je: (4.3)

– prečnik čestice i

- talasna dužina.

23


Tabela 4.1 pokazuje prečnike atmosferskih čestica i njihove parametre veličine , za

talasne dužine 785 nm i 1550 nm. Ovi parametri veličine su prikazani na slici 4.1.

zajedno sa regionima Rejlijevog, Mie i neselektivnog ili geometrijskog rasipanja.

Vrsta Prečnik

( )

Parametar veličine

785 nm 1550 nm

Molekuli vazduha 0,0001 0,0008 0,0004

Čestice izmaglice 0,01 - 1 0,08 – 8 0,04 – 4

Kapljice magle 1 - 20 8 – 160 4 – 80

Kiša 100 - 10000 800 – 80000 400 – 40000

Sneg 1000 - 5000 8000 – 40000 4000 – 20000

Grad 5000 - 50000 40000 – 800000 20000 – 400000

Tabela 4.1. Tipične atmosferske čestice koje uzrokuju rasipanje svetlosti sa njihovim prečnikom i odgovarajućim parametrom veličine za talasne dužine

svetlosti od 785 nm i 1550 nm. Parametri veličine su prikazani na slici 4.2.

Slika 4.2. Parametri veličine atmosferskih čestica prikazanih u tabeli 4.1. za talasne dužine 785 nm i 1550 nm. Takođe su prikazani i regioni Rejlijevog, Mie i

neselektivnog ili geometrijskog rasipanja. Za svaku vrstu rasipanja dat je i približan odnos između veličine čestica i talasne dužine, kao i koeficijent

slabljenja .

24


Sa slike 4.2. se vidi da se Rejlijevo rasipanje javlja kada su atmosferske čestice

mnogo manje od talasne dužine. Za korisne talasne dužine (785 nm i 1550 nm),

Rejlijevo rasipanje se prvenstveno javlja zbog molekula gasova u atmosferi. Zračenje

prouzrokovano Rejlijevim rasipanjem je jednako podeljeno u smeru prostiranja

svetlosti kao i u suprotnom smeru. Koeficijent slabljenja usled Rejlijevog rasipanja je

proporcionalan sa (gde je talasna dužina). Kako se plava svetlost rasipa više od

crvene svetlosti, Rejlijevo rasipanje uzrokuje da nebo bude plavo. Posledica

proporcije koeficijenta slabljenja kod Rejlijevog rasipanja sa je da za korisne

talasne dužine, efekat Rejlijevog rasipanja bude veoma mali.

Kako se veličina čestica približava talasnoj dužini, zračenje od efekta rasipanja od

većih čestica postaje dominantnije u smeru prostiranja svetlosti. Ova vrsta rasipanja,

kod koje je parametar veličine u granicama između 0.1 i 50, se naziva Mie

rasipanje. Mie rasipanje svetlosti u korisnim talasnim dužinama se javlja u izmaglici i

manjim česticama magle. Za Mie rasipanje, koeficijent slabljenja je proporcionalan

sa gde se kreće u granicama od 1,6 do 0.

Treća vrsta rasipanja se javlja kada su atmosferske čestice mnogo veće od talasne

dužine svetlosti koja se prostire. Za parametre veličine veće od 50, ova vrsta

rasipanja se naziva neselektivno ili geometrijsko rasipanje. Čestice koje prouzrokuju

ovu vrstu rasipanja su toliko velike da se pravac zračenja nastalog od rasipanja

svetlosti može opisati zakonima prelamanja svetlosti. Kapljice kiše, sneg, grad,

kapljice iz oblaka i guste magle prouzrokuju geometrijsko rasipanje. Rasipanje se

zove neselektivno zato što ne postoji zavisnost koeficijenta slabljenja od talasne

dužine.

Zavisnost koeficijenta slabljenja od talasne dužine se može prikazati uopštenom

formulom:

, (4.4)

gde su i parametri koje zavise od veličine i raspodele atmosferskih čestica.

Formula za proizilazi iz definicije vidljivosti, dok se može izraziti uz pomoć

eksperimentalnih podataka, pa dobijamo formulu:

25


, gde je: (4.5)

- koeficijent atmosferskog slabljenja ( od rasipanja )

- vidljivost ( u km )

- talasna dužina ( u nm )

- raspodela veličina čestica

za veliku vidljivost ( V > 50 km )

= 1.3 za prosečnu vidljivost ( 6 km < V < 50 km )

za slabu vidljivost ( V < 6 km )

Ova formula za izračunavanje koeficijenta atmosferskog slabljenja je veoma pogodna

jer za datu talasnu dužinu, slabljenje zavisi samo od vidljivosti. Vidljivost se može

lako odrediti uz pomoć informacija sa aerodroma ili vremenske prognoze. Vrednost

je važna zato što određuje zavisnost koeficijenta slabljenja od talasne dužine, kao i

vrstu rasipanja.

Kako formula 4.5 pokazuje slabljenje u funkciji talasne dužine, može se videti da

korišćenje svetlosti talasne dužine 1550 nm ima manje slabljenje od svetlosti talasne

dužine 785 nm. U narednoj tabeli pokazano je korišćenje ove formule.

Vidljivost (km) Koeficijent slabljenja (dB/km) za 785 nm

Koeficijent slabljenja (dB/km) za 1550 nm

Vremenski uslovi

0,05 315 272 Magla

0,2 75 60

0,5 29 21

1 14 9

2 7 4 Izmaglica

4 3 2

10 1 0,4 Vedro

23 0,5 0,2

Tabela 4.2. Atmosfersko slabljenje u funkciji vidljivosti za 785 nm i 1550 nm.

26


U literaturi se može naći slaganje sa formulom 4.5 (i tabelom 4.2.) da postoji

zavisnost slabljenja od talasne dužine u izmaglici. Međutim, podaci iz prakse

pokazuju da ta zavisnost ne postoji u uslovima magle. Neslaganje između podataka

dobijenih eksperimentalnim putem i korišćenjem formule 4.5 se uočava za male

vidljivosti, pa vrednost:

može predstavljati grešku. Činjenica je da postoje precizni podaci dobijeni

eksperimentalnim putem koji ukazuju da je (ne postoji zavisnost od talasne

dužine) u uslovima magle, gde je vidljivost manja od 500 m.

Eldridge je definisao tri uopštena tipa vremenskih uslova za kratke vidljivosti: magla

za vidljivosti manje od 500 m; izmaglica za vidljivosti veće od 1000 m i prelazna

zona koja se naziva sumaglica, za vidljivosti između 500 m i 1000 m. Ovi tipovi se

zasnivaju na promenama raspodela veličina čestica i promenama u propustljivosti

talasnih dužina. Eldridge je pokazao da se izmaglica prvenstveno sastoji od

mikroskopske fine prašine ili soli ili kapljica vode reda veličine nekoliko desetina

mikrometara. Magla se pojavljuje tokom velike vlažnosti (> 95%) kada se kapljice

veličine nekoliko mikrometara do nekoliko desetina mikrometara formiraju iznad

čestica izmaglice. Sumaglica se pojavljuje tokom prelaza iz izmaglice u maglu sa

povećanjem vlažnosti vazduha. Ovaj prelaz se obično dešava brzo i postoji znatno

povećanje kapljica veličine 1 do 2 mikrometara koje prouzrokuju brzo smanjenje

vidljivosti. Eldridge je takođe zaključio da se ovaj prelaz, tj. sumaglica pojavljuje u

intervalu vidljivosti od 500 m do 1000 m. Koristeći Eldridgeve definicije magle,

izmaglice i sumaglice, i činjenice da u uslovima magle ne postoji zavisnost slabljenja

talasne dužine, nova vrednost parametra je predložena, pa je konačna formula za

koeficijent slabljenja:

, gde je: (4.6)

- koeficijent atmosferskog slabljenja

- vidljivost ( u km )

- talasna dužina ( u nm )

27


- raspodela veličina čestica

za veliku vidljivost ( V > 50 km )

= 1.3 za prosečnu vidljivost ( 6 km < V < 50 km )

za izmaglicu ( 1 km < V < 6 km )

za sumaglicu ( 0.5 km < V < 1 km )

za maglu ( V < 0.5 km )

Vidljivost (km) Koeficijent slabljenja (dB/km) za 785 nm

Koeficijent slabljenja (dB/km) za 1550 nm

Vremenski uslovi

0,05 340 340 Magla

0,2 85 85

0,5 34 34

1 14 10

2 7 4 Izmaglica

4 3 2

10 1 0,4 Vedro

23 0,5 0,2

Tabela 4.3. Atmosfersko slabljenje u funkciji vidljivosti za 785 nm i 1550 nm dobijeno korišćenjem formule 4.6.

4.2. Uticaj geometrijskih parametara na slabljenje signala

Predajnik optičkog linka zrači laserski snop, gde je raspodela gustine snage u svakom

preseku Gausovog oblika, kao što je prikazano na slici 4.3.

Slika 4.3. Geometrijski parametri i Gausova raspodela gustine snage laserskog snopa

28


Odnos primljne i ukupne predajne snage lasera u slobodnom prostoru, ako se prijemna

optika nalazi na osi snopa i ukoliko se u obzir uzme samo slabljenje od divergencije

laserskog snopa dat je relacijom:

, (4.6)

gde je:

- predajna optička snaga

- predajna optička snaga

- poluprečnik prijemne optike

- širina (radijus) laserskog snopa na mestu prijemnika

Ovaj izraz može da posluži za teorijska razmatranja prostiranja laserskog zračenja

kroz slobodan prostor. Dometi veze koji se ostvaruju na ovakav način daleko su veći

nego stvari, jer nisu uzeti u obzir uticaji atmosfere kao prenosnog medijuma.

Slika 4.4. Kriva prijemne snage na različitim talasnim dužinama pri konstantnoj predajnoj snazi i idealnim uslovima prostiranja

29


Na slici 4.4. vidi se kriva prijemne snage kada slabljenje potiče samo od divergencije.

Prikazani rezultati su za talasne dužine u tri optička prozora. Vidi se da je što je

talasna dužina veća, veće je i slabljenje kroz prostor. Međutim, laseri koji rade na

većim talasnim dužinama su manje opasni po okolinu, odnosno moguće je preneti

znatno više snage.

Slika 4.5. Slabljenje u dB u zavisnosti od ugla divergencije

Rezultati uticaja ugla divergencije na slabljenje ( za rastojanje i talasnu

dužinu ) su prikazani na slici 4.5, i to punom linijom za slučaj vidljivosti

od 100 m, 300 m i 10000 m, a isprekidanom za slučaj vidljivosti od 1000 m. Sa slike

4.4. se vidi da se u zavisnosti od divergencije slabljenje može povećati i do 20 dB, što

nameće potrebu korišćenja izvora sa malom divergencijom. Pokazuje se takođe da je

promena intenziteta slabljenja značajnija pri manjim vrednostima divergencije, nego

pri većim. U tom smislu kontrola optičke podešenosti sistema ima značajan doprinos

u ostvarivanju pouzdane veze. Očigledno je da i pri maloj, odnosno neznatnoj

30


divergenciji postoji slabljenje. U ovom slučaju ono je posledica rastojanja, a s druge

strane i aperture prijemnog sistema.

U dalekoj zoni 1/e širina snopa je proporcionalna rastojanju između predajnika

(lasera) i prijemnika, , gde je divergencija snopa, a je rastojanje od

laserskog predajnika do prijemne optike. Relacija 4.6 pokazuje da odnos snaga zavisi

samo od rastojanja, za dati optički link. Međutim, u slučaju da je centar prijemne

optike pomeren radijalno od ose snopa za tada prijemnik, iste prijemne optike,

prima manju gustinu snage. Slika 4.6. prikazuje položaj centra prijemne optike, koja

je za radijalno pomerena od centra snopa.

Slika 4.6. Radijalni pomeraj prijemne optike od ose snopa

Na slici 4.6. predstavlja minimalnu širinu snopa na predaji, je prečnik prijemne

optike, a je radijalno rastojanje bilo koje tačke u anvelopi snopa od ose snopa, na

rastojanju od mesta minimuma snopa. Relacija za odnos snaga može aproksimirati

izrazom:

, (4.7)

gde je pomeraj od ose laserskog snopa.

Relacija 4.7. ukazuje na potrebu vrlo preciznog pozicioniranja predajnika i prijemnika

optičkog linka, tako da iz 4.7. teži nuli.

31


Pored radijalnog odstupanja od ose snopa prijemna optika nije uvek normalna na osu

snopa pa je primljena snaga funkcija i ugaonog odstupanja od normale. Analiza

pokazuje da je neophodno i ugaono pozicioniranje predajne i prijemne optike. Ugaona

odstupanja se u praksi donekle eliminiše upotrebom dvoosnih pozicionera prijemne

optike. Radijalno i ugaonog odstupanja prijemne optike od ose laserskog snopa

jednim imenom nazivamo geometriski faktor optičkog linka.

4.3. Ukupno slabljenje signala

Da bi proračun FSO linka bio realan, odnosno odgovarao stvarnim uslovima u

prostoru, potrebno je izrazu 4.7. dodati uticaj atmosfere koji je dat relacijom 4.1. tako

da konačan izraz koji predstavlja bilans predajne i prijemne optičke snage izgleda:

, (4.8)

gde je dato u izrazu 4.1 tj. , a dato u izrazu 4.5. odnosno

.

Na sledećim slikama uporedno je prikazana prijemna snaga u slučaju idealnog

prostiranja, u slučaju kada postoji slabljenje usled atmosfere tako da je prijemnik na

osi svetlosnog snopa i kada je van ose snopa i to za tri talasne dužine koje se nalaze u

okviru tri optička prozora koji se koriste u FSO sistemima.

32


U proračunu su korišćeni sledeći parametri:

Predajna snaga:

Širina snopa na izlazu predajnika:

Talasne dužine: , ,

Vidljivost: , , ,

Maksimalna udaljenost prijemnika od ose snopa laserskog zračenja:

Osetljivost prijemnika:

Slika 4.7. Poređenje prijemne snage pri idealnim uslovima, u uslovima atmosferskog salbljenja i u uslovima atmosferskog slabljenja i pomerenog

prijemnika van ose snopa za talasnu dužinu 810 nm

33






34


Sa slika se vidi da nije velika razlika pri prostiranju kroz slobodan prostor za različite

telasne dužine. Međutim, talasne dužine koje su obuhvaćene drugim i trećim optičkim

prozorom (1355nm i 1650nm) su manje opasne po živa bića koja se nađu u snopu

laserskog zračenja, odnosno moguće je znatno povećati predajnu snagu da bi se

dostigao nivo štetnosti koji daju laseri na nižim talasnim dužinama. Na osnovu svih

postavljenih scenarija vidi se da na distupnost veze dominatno utiču divergencija

laserskog snopa, atmosferska slabljenja i položaj prijemnika unutar snopa. Na

divergenciju je moguće uticati odgovarajućim sistemom sočiva kako bi se ona

smanjila.

Da bi se ostvario što efikasniji prenos informacija u FSO sistemima u kome je

zastupljena atmosfera sa svim svojim karakteristikama potrebno je birati talasne

dužine laserskog izvora koje su obuhvaćene optičkim prozorima. Problem koji se

javlja pri postavljanju ovih sistema na visoke tačke u prostoru (nebodere) jeste

pomeranje između predajnika i prijemnika tako da se na prijemniku registruje znatno

manji nivo snage.

4.4. Slabljenje usled prolaska svetlosti kroz prozore

Jedna od prednosti FSO sistema je što omogućuju komunikaciju kroz prozore, tako da

nije neophodno montiranje primopredajnika na krovovima ili posebnim antenama.

Ova prednost dolazi do izražaja pogotovu za pojedine korisnike koji nemaju slobodan

pristup krovu (stanari zgrada).

Poznato je da optički signali prolaze kroz staklo tj. prozore, međutim prolaskom kroz

staklene površine signal slabi. Obični prozori (neobojeni, sa jednom staklenom

površinom) uglavnom oslabljuju signal za oko 4 %, što znači da je ukupno slabljenje

ako imamo prozore od duplih stakala koji se nalaze na oba kraja linka oko 16 % .

Obojeni ili zaprljani prozori mogu unositi znatno veća slabljenja, koja uglavnom

zavise i od talasne dužine svetlosti koja se emituje.

35


Slika 4.10. Slabljenje signala prolaskom kroz 10 različitih vrsta stakala u zavisnosti od ugla (0o označava da je pravac prostiranja svetlosti normalan na

površinu stakla)

Sa slike 4.10. se vidi da slabljenje optičke snage prolaskom kroz zeleno refleksivno

staklo iznosi oko 7 dB, što nije zanemarljivo. Ipak, čisti prozori od neobojenih stakala

debljine 6 mm unose znatno manje slabljenje od oko 1 dB. Zanimljivo je primetiti da

prozori načinjeni od duplih stakla sa vakumom između njih, unose slabljenje koje

veoma zavisi od upadnog ugla svetlosti, i da je najmanje slabljenje kada je pravac

prostiranja svetlosti normalan na površinu prozora.

36


5. Hibridni FSO/MMW sistemi

Provajderi internet usluga (Internet Service Providers - ISP) imaju mnogo veće

zahteve za dostupnošću FSO linkova, zbog ugovora koji potpisuju sa korisnicima

kojima garantuju visoke performanse. Standardna zahtevana dostupnost za ISP je

99,999 %, što znači da je dozvoljeno vreme prekida rada sistema 5 minuta godišnje.

Da bi se ispoštovao ovaj zahtev o dostupnosti od 99,999 % u uslovima guste magle

kada je sabljenje i do 350 dB/km, FSO linkovi ne bi smeli da budu duži od stotinak

metara. Međutim, u gradskim uslovima skoro je nemoguće projektovati FSO sistem sa

tako kratkim dužinama. Povećanjem emitovane snage i smanjenjem geometrijskih

gubitaka teoretski se može projektovati sistem sa marginom linka i do 100 dB. Čak i

takav FSO sistem imao bi maksimalnu dužinu od 286 m u uslovima 350 dB/km

slabljenja usled guste magle.

Iz prethodnog se može zaključiti da se FSO sistemi sa zahtevanom dostupnošću od

99.999 % veoma teško mogu projektovati. Najefikasnije rešenje je projektovanje

hibridnih FSO i radio frekventnih sistema (FSO/RF) ili hibridnih FSO i milimetarskih

talasnih sistema (FSO/MMW). Kako bi se iskoristila prednost FSO sistema koji ne

zahtevaju licence za korišćenje frekvencija, potrebno je izabrati takav RF ili MMW

sistem da i on koristi frekvencije koje ne zahtevaju licence. Pomoćni RF ili MMW

sistem je sporiji od FSO sistema, ali ukupan procenat rada pomoćnog linka će biti

mnogo manji od primarnog FSO linka.Visoka dostupnost hibridnog sistema se može

dostići na mnogo većim udaljenostima u poređenju sa jednostavnim FSO linkom.

5.1. MMW sistemi

Milimetarski talasi imaju opseg od 30 Ghz do 300 GHz. Transmisiona formula za

MMW sisteme se može predstaviti isto kao i za FSO sisteme. Postoje tri komponente

slabljenja: slabljenje usled prostiranja talasa kroz slobodan prostor, slabljenje usled

apsorpcije gasova i slabljenje usled rasipanja. Baš kao i u FSO sistemima, slabljenje

usled prostiranja u slobodnom prostoru zavisi od emitovane snage, veličine prijemne

37


aperture i divergencije. Kod MMW sistema koji rade na 60 GHz, snaga je limitirana

na oko 500 mW za kako bi se omogućilo korišćenje te frekvencije bez licence.

Projektanti sistema su slobodni u izboru veličine antene od koje generalno zavise

performanse.

Jedini značajni molekulski gas koji utiče na slabljenje 60 GHz sistema je kiseonik.

Apsorpcija kiseonika za frekvencije od 60 GHz unosi sabljenje od 10 dB/km do 16

dB/km (na nultoj nadmorskoj visini, slika 5.1.) koje je konstantno, bez obzira na

vremenske uslove. Postavlja se pitanje zašto koristiti frekvenciju od 60 GHz kada je

ona podložnija na slabljenja od drugih frekvencija. Odgovor se krije u činjenici da za

frekventni opseg oko 60 GHz nisu neophodne licence u većini zemalja sveta. Pošto je

apsorpcija MMW energije velika, smanjuju se šanse da dođe do interferencije sa

drugim sistemima. Ova činjenica je glavni uzrok što za ovakve sisteme nije potrebna

licenca. Za sisteme sa razumnom veličinom antene od 30 cm dužina linka u uslovima

vedrog neba je oko 1500 m.

Slika 5.1. Funkcija slabljenja u zavisnosti od frekvencije (talasne dužine)

Jedan od najvećih nedostataka 60 GHz sistema je što kiša u značajnoj meri utiče na

performanse sistema. Veličina kapljica kiše varira od 100 µm do 10000 µm. Pošto se

38


rasipanje javlja kada je talasna dužina približno ista kao i veličina kišnih kapljica ili

drugih čestica, može se zaključiti da je slabljenje usled rasipanja veoma izraženo na

frekvencijama preko 10 GHz (10 GHz = 30000 µm, 38 GHz = 8000 µm).

Slika 5.2. Slabljenje u zavisnosti od frekvencije u MMW opsegu za različite količina padavina

39


5.2. Hibridni FSO/MMW sistemi

Bežični sistemi u telekomunikacijama se imaju svoje relativno velike nedostatke :

FSO sistemi imaju veliko slabljenje u uslovima magle, dok s druge strane MMW

sistemi imaju poteškoća prostiranjem u toku kiše. Američka kompanija AirFiber prva

je na tržištu izbacila proivod koji kombinuje ove dve tehnologije. Jedini vremenski

uslovi koji bi ugroziti prenos hibridnog FSO/MMW sistema je istovremena pojava

guste magle i jake kiše. Ipak, može se konstantovati da se ova dva vremenska uslova

neće javiti istovremeno, jer kako kiša pada, kišne kapljice će apsorbovati kapljice

magle i tako smanjivati maglu.

Slika 5.3. Rad hibridnog FSO/MMW sistema u različitim vremenskim uslovima

Zbog ovakvih karakteristika FSO/MMW linka mnogo je lakše obezbediti dostupnost

od 99,999 % i na većim udaljenostima.

40


U zavisnosti da li u hibridnom FSO/MMW sistemu oba podsistema (FSO i MMW)

rade istovremeno ili ne, postoje dva tipa hibridnih sistema. Kod prvog tipa sistema

FSO podsistem ima primarnu ulogu, dok je MMW pomoćni podsistem. FSO je

aktivan sve dok vremenski uslovi ne degradiraju njegove performanse, dok je MMW

pod sistem u pripravnosti, što znači da oba podsistema ne rade istovremeno. Kada se

javi veliko slabljenje u FSO podsistemu, sistem prebacuje komunikaciju preko MMW

linka uz pomoć prekidača. Granična snaga ili prag prelaza se mora odrediti kako bi se

ostvario prelaz na MMW link bez prekida. Kada sistem radi preko sporijeg MMW

linka, FSO podsistem se ne gasi i snaga u prijemniku se prati kako bi se što pre prešlo

ponovo na FSO podsistem koji je brži. Međutim, hibridni sistem ne aktivira ponovo

FSO podsistem i kada se dostigne prag prelaza FSO-u-MMW. Potreban je veći prag

prelaza (nivo snage) kako bi FSO podsistem postao aktivan. Razlog za korišćenje dva

različita praga prelaza (viši - za prelaz od MMW u FSO režim rada i niži - za prelaz

od FSO u MMW režim rada) je kako bi se smanjila učestanost prelaza sa jednog pod

sistema u drugi.

Slika 5.4. Osnovna arhitektura hibridnog FSO/MMW sistema

Na slici 5.5. prikazana je primljena snaga (logaritamska) u zavisnosti od dužine

hibridnog FSO/MMW linka za različite vidljivosti. Prva horizontalna linija odozdo

pokazuje izračunati prag prelaza od 3,5 µW na koje se dodaje oko 3 dB povećanje, a

zbog neuračunatih slabljenja. Tako se dobija prag prelaza FSO-u-MMW od 7 µW, i

41


region ispod ove linije je region rada MMW linka, tj. MMW link je tada aktivan.

Gornja linija predstavlja prag prelaza RF-u-FSO (10 µW) i region iznad nje

predstavlja vidljivosti i dužine linka kada je FSO podsistem aktivan. Kao što se vidi sa

slike 5.5. vidljivost se mora povećati na 1,6 km kako bi se aktivirao FSO link (za

ekserimentalne sisteme).

Slika 5.5. Primljena snaga u zavisnosti od dužine linka za raličite vidljivosti i pragovi prelaza iz jednog u drugi podsistem

Iako se može reći da sporiji MMW podistem značajno utiče na brzinu prenosa kod

hibridnih sistema, ukupno vremensko korišćenje pomoćnog MMW podsistema je

mnogo manje od korišćenja FSO podsistema, tako da je brzina prenos u većem

periodu vremena jednaka brzini prenosa kod FSO sistema. Sledaća slika pokazuje

zavisnost dostupnosti hibridnog sistema od dužine linka.

42


Slika 5.6. Zavisnost dostupnosti od dužine linka kod hibridnog FSO/MMW sistema

Na slici 5.6. tamna linija pokazuje dostupnost u procentima u funkciji dužine linka za

sisteme koji koriste samo FSO link. Hibridni FSO/MMW sistem povećava dostupnost

linka na 99,999 % za sve dužine sve do maksimalnog dometa FSO linka. Tamna

površina ispod te linije pokazuje procenat vremena u toku kog je aktivan brzi FSO

link. Svetlija površ pokazuje procenat vremena kada se koristi MMW link. Kao što se

sa slike 5.6. vidi FSO link će biti aktivan tokom mnogo dužeg vremenskog perioda.

Međutim, kako dužina linka raste, procenat vremena kada je MMW aktivan se

povećava.

5.3. Redundantni kontroler linka i hibridni FSO/MMW sistemi

Drugi tip hibridnih FSO/MMW sistema podrazumeva istovremeni rad FSO i MMW

podsistema. Optimalna tehnika za realizaciju FSO/MMW sistema je korišćenje

redundantnog kontrolera linka (Redundant Link Controller - RLC). RLC služi za dve

funkcionalnosti. Kao prvo, omogućuje FSO/MMW sistemima da funkcionišu bez

gubitaka. Ovo znači da kada su atmosferski uslovi takvi da dovode do prekida jednog

linka i dok drugi link preuzima prenos podataka nijedan bit se ne gubi, čak i kada su

te promene česte usled promena vremenskih uslova.

43


Jedan od boljih primera prekida linkova su periodični prekidi uzrokovani prolaskom

ptica kroz pravac linka. Ovo se može učiniti neznatnim prekidom, ali gubitci podataka

pogotovu u ovakvim brzim prenosima podataka mogu biti značajni i neprihvatljivi za

komunikacije u realnom vremenu kao što je prenos zvuka. Prekidi usled ptica se

javljaju u svim FSO sistemima, bez obzira na veličinu primopredajne optike ili broja

emitovanih zraka. Funkcija RLC rešava ovaj problem tako da kompletno ispravlja

ovakve privremene prekide. Ovo nije slučaj kod ostalih tehnika koje se koriste u

hibridnim FSO/MMW sistemima kod kojih se javlja kašnjenje, pa zbog toga i gubitak

podataka tokom prelaza sa jednog na drugi podsistem.

Slika 5.7. šematski pokazuje kako RLS održava integritet podataka na pricipu

upoređivanja okvira (frejmova). Korišćenjem dva podsistema, FSO i MMW, RLC

proverava (po principu okvir po okvir) ciklični redundantni kod (Cyclic Redundancy

Check - CRC ) koji je ubačen u svaki okvir. Ako je okvir neisparavan, RLC peuzima

odgovarajući okvir iz drugog podsistema i šalje ga korisniku. Kako su okviri

duplicirani, prektično je nemoguće da dođe do greške ili do kašnjenja u prenosu. Kako

se svi privremeni okviri i CRC uklanjaju pre nego što se bitovi proslede drugom

nivou, ovakvi sistemi predstavljaju protokolno nezavistne sisteme.

Slika 5.7. Prikaz RLC funkcionalnosti

Druga korist u korišćenju RLC-a je pružanje prave redundantnosti opreme. Ako se

jedan od delova hibridnog FSO/MMW sistema pokvari i zahteva servisiranje, u skoro

44


svim slučajevima se on može odstraniti iz sistema i popraviti, bez gubitaka u prenosu

podataka korisnicima.

Hibridni FSO/MMW ili FSO/RF sistemi sa RLC-om predstavljaju jedinstveno rešenje

koje omogućava konzistentan prenos na zagarantovanim brzinama prenosa podataka.

Ovakav pristup se značajno razlikuje od pokušaja spajanja FSO i RF sistema pri čemu

je RF sistem bio samo pomoćni (backup) sistem i dolazilo je do gubitaka u prenosu

tokom prelaska sa jednog na drugi podsistem. Nedostatak FSO/MMW sistema sa

RLC-om je što se uglavnom zahteva ista brzina rada FSO i MMW podsistema, jer je

realizacija RLC-a za podsisteme različitih brzina veoma složena.

Slika 5.8. Izgled komercijalnog FSO/MMW uređaja

45


6. Zaljučak

Poslednjih godina tehnološki napredak u razvoju novih optičkih predajnika i

prijemnika je omogućio da se ideja o prenosu optičkim sistemima u slobodnom

prostoru praktično realizuje, iako se ideja javila još 60-ih godina prošlog veka. Razvoj

ovih sistema podržavala je najviše američka vojska. Ideja je bila da se napravi sistem

koji će omogućavati pouzdan prenos velikog broja informacija, a koji će biti teško

prisluškivati i ometati. Za te svrhe je veoma pogodno zračenje iz infracrvenog spektra,

a naročito značajno je bilo što je 50-ih godina, sa razvojem nuklearne tehnike, postala

poznata teorija fotodetektora. Optički komunikacioni sistemi u slobodnom prostoru su

širokopojasna komunikaciona tehnologija koja zahteva optičku vidljivost između

primopredajnika i koja koristi optičke impulsno modulisane signale da bi bežično

prenosila informacije. Skraćeno se ovakvi sistemi nazivaju FSO sistemima (Free

Space Optics).

Umesto optičkog kabla, kao medijum za prenos se koristi vazduh kroz koga se

prostire laserski snop. To je u osnovi i najbitnija razlika između optičkog kablovskog i

bežičnog prenosa, jer je optičko vlakno medijum čije se karakteristike prenosa znaju

unapred (poput slabljenja, disperzije itd.), dok je vazduh nestabilan medijum i njegove

karakteristike nisu poznate unapred. Interesantno je pomenuti da se svetlost prostire

brže kroz vazduh (≈ C0 , odnosno približno brzini svetlosti u vakuumu) nego kroz

optičko vlakno (≈ 2/3 C0).

U upotrebi je najčešće infracrveni deo spektra, obzirom da se isti opsezi koriste i pri

prenosu kroz optička vlakna. U pitanju su tri optička prozora: I - 850 nm (375 THz),

II - 1310 nm (230 THz) i III - 1550 nm (194 THz). Na ovaj način kod bežičnih

optičkih sistema moguće je koristiti opremu koja se koristi i kod kablovskih optičkih

sistema – odnosno lasere, prijemnike, pojačavače, DWDM uređaje i drugu sličnu

opremu.

46


Važno je još napomenuti da ovi sistemi omogućavaju različite digitalne protoke (10,

20, 52, 155, 622 Mbps i 2.5 Gbps), što do sada ne može da ponudi ni jedna druga

bežična tehnologija prenosa. Na ovaj način optički bežičan prenos postaje realna

alternativa tehnologijama FTTH (Fiber To The Home) i FTTB (Fiber To The

Building) u pristupnim mrežama. Takođe, neophodno je istaći da je tehnika bežičnog

optičkog prenosa nezavisna od protokola i ima mogućnost prenosa bilo kog tipa

saobraćaja (analogni, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, SDH, ATM itd.),

obzirom da je u pitanju fizički sloj OSI modela.

U pogledu zakona fizike, veoma je jednostavno uspostaviti radio link tipa ''tačka-

tačka''. Potrebno je samo da se predajnik i prijemnik dobro usmere i da postoji optička

vidljivost između njih (ukoliko su u pitanju učestanosti ~ GHz). Međutim, u stvarnosti

je situacija nešto drugačija, imajući u vidu problem interferencije, pa je zbog toga

često za uspostavljanje potrebnog radio linka neophodno nabaviti skupe licence za

korišćenje određenog frekvencijskog opsega, a koje se ne izdaju brzo i lako. Moguća

alternativa radio linku je optički bežični prenos, obzirom da nije potrebno pribaviti

bilo kakve dozvole da bi se kao predajnik, odnosno prijemnik koristili optički uređaji

(za iznad 300 GHz tj. λ < 1 mm ne postoji regulisanje spektra niti izdavanje licenci).

Imajući u vidu da jedan laserski snop ima veći propusni opseg od kompletnog radio

spektra, prednost je očigledno na strani optičkog u odnosu na radio link.

Domet linka je značajno ograničen i da bi link bio veoma pouzdan (99.999%

vremena) ne preporučuje se rastojanje veće od 5 km. Kao i u ostalim tehnologijama

bežičnog prenosa, postoje kompromisi između dometa i performansi sistema. Na

ovom mestu je veoma važno istaći da protok podataka ne zavisi od dometa, obzirom

da će linkovi od 10 Mbps odnosno 2.5 Gbps raditi isto u istim uslovima. Ovakvi

veliki protoci najčešće se ostvaruju jednostavnim pojačavanjem optičkog signala koji

dolazi iz vlakna, umesto generisanja novog.

Ono što je karakteristično za tehnologiju bežičnog optičkog prenosa je to što je

oprema relativno jeftina i brzo se instalira. U poređenju sa cenom određenog

kablovskog optičkog linka, ukoliko bi se uspostavio bežični optički link uštedelo bi se

čak i do 7 puta u odnosu na troškove uspostavljanja samog kablovskog linka. Takođe,

47


period uspostavljanja bežičnog optičkog linka meri se satima, u najgorem slučaju

danima, dok je za ekvivaletno uspostavljanje optičkog kablovskog linka potrebno više

meseci, nakon pribavljenih svih dozvola. Što se tiče prenosnih karakteristika opreme

za bežični optički prenos, najveći svetski proizvođači ove opreme (Canon, MRV

Communications, LightPointe, Cisco, Lucent, Nortel, Corning ...) uglavnim su

standardizovali i usaglasili postupak proizvodnje ovih uređaja i njihovih

karakteristika, čime su izbegnuti problemi raličitih tumačenja karakteristika sistema.

Možda se do sada iz svega navedenog može zaključiti da bežični optički link

predstavlja optimalnu alternativu optičkom kablu, međutim postoje mnogi problemi

koje je potrebno rešiti da bi pomenuti zaključak zaista važio i u realnim uslovima. Na

performanse samog bežičnog optičkog linka utiču mnogi parametri, čime ga još uvek

značajno udaljuju od performansi optičkog kabla.

Prilikom prostiranja laserskog snopa kroz vazduh, na slabljenje utiču same

karakteristike vazduha (čak i pri idealnim vremenskim uslovima), divergencija

svetlosti, turbulencija atmosfere, zatim kiša i najviše od svega – magla. Tipičan

optički bežičan link ima marginu linka od ~30 dB, odnosno ovaj podatak ukazuje

koliko izgubljene snage može sebi link da priušti pre nego što prestane da radi. Pod

idealnim atmosferskim uslovima vazduh ima slabljenje približno 1 dB/km (u

optičkom vlaknu ovo slabljenje je 4 puta manje – od 0.22 ÷ 0.35 dB/km), pa je

maksimalni domet linka 20 km. Treba imati u vidu da su atmosferski uslovi retko kad

idealni, odnosno da je mali procenat vremena kada optički link zaista može postići

pomenutih 20 km.

Povećanjem snage emitovanja može se kod lasera povećati margina linka, međutim i

tu postoje problemi. Povećanje margine linka za 10 dB zahteva 10 puta veću snagu

lasera, čime se značajno povećavaju troškovi, veličina opreme i snaga napajanja.

Takođe, velika snaga lasera može štetno da utiče na svakoga ko se nađe na putu

laserskog snopa.

Pouzdanost linka može se povećati pažljivim planiranjem i određivanjem pozicija za

predajnik i prijemnik, kao i adekvatnom analizom margine linka. Takođe, zbog širenja

48


talasa i njihanja zgrada usled vetra i seizmičkih pojava, potrebno je koristiti

sofisticirane uređaje za praćenje pozicije predajnika i prijemnika. Smanjivanjem

rastojanja između predajnika i prijemnika se takođe doprinosi pouzdanosti linka.

Međutim, što se magle tiče, tu je problem znatno veći, pošto slabljenje u uslovima

guste magle može iznositi i preko 300 dB/km. Potrebno je voditi računa da se ovakvi

sistemi ne primenjuju u mestima gde je magla česta (kotline, pored reke, planinski

predeli, itd.). U slučaju područja gde postoji veći broj maglovitih dana u toku godine,

umesto bežičnog optičkog linka moguće je koristiti hibridne FSO/RF sisteme iz

razloga što se u radio prenosu koriste znatno niže učestanosti (2÷90 GHz) u odnosu na

optički (~375 THz), pa elektromagnetni talasi lakše prodiru i kroz gustu maglu.

Frekvencija koja se najčešće koristi za RF podsistem hibridnog FSO/RF sistema je 60

GHz, jer u većini zemalja sveta nije potrebna dozvola za korišćenje ovog dela spektra.

Ova frekvencija spada u red milimetarskih talasa, pa se zbog toga ovakvi sistemi

češće nazivaju hibridni FSO/MMW sistemi.

49


Literatura

1. Optical Wireless Solutions Based on Free-Space Optics (FSO) Technology -

LightPointe Communications, Inc. 2004.

2. Analysis of Free Space Optics as a Transmission Technology - Tom

Garlington, Joel Babbitt, George Long, U.S. Army Information Systems

Engineering Command (USAISEC), 2005.

3. Defining a Common Standard for Evaluating and Comparing Free-Space

Optical Products - fSONA Communications, 2000.

4. Wavelength Selection For Optical Wireless Communications Systems -

fSONA Communications, 2001.

5. Understanding The Performance Of Free-Space Optics - Scott Bloom, Eric

Korevaar, John Schuster, Heinz Willebrand, Optical Society of America,

2003.

6. Comparison Of Laser Beam Propagation At 785 Nm And 1550 Nm In Fog

And Haze For Optical Wireless Communications - Isaac I. Kim, Bruce

McArthur, and Eric Korevaar, Optical Access Incorporated, 2003.

7. A Trial-Based Study of Free-Space Optics Systems in Singapore - Info-

Communications Development Authority of Singapore, 2002.

8. Availability of Free Space Optics (FSO) and hybrid FSO/RF systems - Isaac I.

Kim and Eric Korevaar, Optical Access Incorporated, 2003.

9. Hybrid Free Space Optical / Millimeter Wave Outdoor Links For Broadband

Wireless Access Networks - T. Kamalakis, I. Neokosmidis, A. Tsipouras, T.

Sphicopoulos, S. Pantazis, I. Andrikopoulos, National and Kapodistrian

University of Athens, Space Hellas S.A. 2007.

10. 60 GHz MMW Applications - Helsinki University of Technology, 2003.

11. An Experimental Hybrid FSO/RF Communication System - Ankara University

- Faculty of Engineering, 2007

12. The Last-Mile Solution: Hybrid FSO Radio - Scott Bloom, PhD, W. Seth

Hartley, MS, 2002.

50


13. Efekti slabljenja u optičkim komunikacionim sistemima u slobodnom prostoru

- Branko Radan i Dejan Gvozdić, Elektrotehnički fakultet , Univerzitet u

Beogradu, 2002.

14. Ograničenja u primeni optičkog linka u otvorenom prostoru - Žarko Barbarić,

TELFOR, 2007.

15. Primena bežičnog optičkog prenosa u kablovsko distributivnim sistemima -

Borivoje M. Milosavljević, Aleksandar Stojanović, Aleksandar Maksimović,

JP PTT saobraćaja "Srbija", 2004.

16. Uticaj atmosfere i divergencije laserskog snopa na prijem podataka u

optičkim komunikacionim sistemima u slobodnom prostoru - Milan Milošević,

TELFOR, 2006.

51

Documents

Diplomski Rad - Optika u slobodnom prostoru - FSO