Беспроводные оптические каналы связи FSO
Free Space Optics - оптика в свободном пространстве.  Если первые FSO-устройства обеспечивали скорости передачи в несколько десятков мегабит в секунду, то сегодня большинство коммерческих продуктов способно транслировать данные на скоростях от 45 Мб/с до 2,5 Гб/с.
Примечательно, что в лабораторных условиях некоторым производителям (например, TeraBeam и Lucent Technologies) уже удалось выйти на фантастическую отметку 160 Гб/с.
Несмотря на впечатляющие результаты, FSO-системы связи только с середины 90-х годов прошлого столетия начали утверждаться как полноценный коммерческий продукт. Например, только в Германии в 1996 году общий объем продаж беспроводных оптических систем вырос в 16 раз по сравнению с предшествующим годом, достигнув 25 млн DM.
Выход из "тени" FSO-технологии объясняется следующими причинами. Во-первых, в то время в таких системах назрела реальная необходимость - в локальных сетях (как, впрочем, и в глобальных) начался <наплыв> ресурсоемких приложений, требующих высокопроизводительных каналов. Во-вторых, лазеры стали более надежными и их сроки эксплуатации (MTBF - параметр наработки на отказ) достигли 5 и более лет, что сделало их рентабельными для коммерческого использования.
Основная идея "свободной" оптики (FSO) заключается в возможности передавать информацию с помощью модулированных световых волн, практически так же, как и в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). При этом световой луч находится в инфракрасном диапазоне (невидимом для глаз), который используют также такие устройства, как IrDA-модем в мобильных телефонах. Обычно светоизлучающие системы (лазер или светодиоды) в FSO-продуктах работают в диапазоне 700-950 нм (порядка 315-428 ТГц). Правда, в последнее время стали все чаще появляться устройства, ориентированные на диапазоны 1300 и 1550 нм, что гарантирует совместимость FSO c оптоволоконными DWDM-системами (см. ЧИП 10/2001, с. 86), также использующими эти окна прозрачности.
Фактически же выбор диапазонов для FSO был обусловлен практическим опытом работы лазеров в ВОЛС. В этих диапазонах (окнах прозрачности) световой луч в наименьшей степени подвержен затуханию в стекловолокне, что способствовало массовому производству лазерных компонентов именно для вышеназванных длин волн. Поэтому для атмосферных систем связи также оказалось предпочтительнее использовать уже существующие наработки в ВОЛС. Ведь разница между оптоволоконными линиями и FSO заключается только в среде распространения светового луча: для ВОЛС это стекловолокно, а для FSO-систем - открытая атмосфера.
Пожалуй, в среде передачи данных и кроются многие преимущества беспроводных оптических систем связи. Так, отсутствие "плотной" среды передачи сделало FSO значительно дешевле по сравнению с иными скоростными решениями. Например, в США и странах Западной Европы организация в городе двухкилометрового 155-мегабитного FSO-соединения составляет порядка $18 тыс., в то время как аналогичный канал оптоволоконной системы связи обойдется компаниям в $150-250 тыс.
Другим плюсом FSO-технологии является отсутствие во многих странах мира каких-либо ограничений и лицензионных условий для работы лазеров в атмосфере, поскольку частота излучения многих лазерных систем находится далеко за пределами 400-600 ГГц (границ радиодиапазонов, подлежащих регулированию). Например, в России и Украине таблица распределения радиочастот заканчивается 400 ГГц.
Кроме того, за счет острой направленности луча света полностью исключаются какие-либо взаимные помехи между беспроводными лазерными системами связи и другими аналогичными устройствами. Для сравнения вспомним, как остро стоят сегодня проблемы взаимных помех и перегруженности в диапазоне 2,4 ГГц, используемом радиотехнологиями семейства IEEE 802.11 (см. ЧИП 8/2003, с. 78).
Все беспроводные технологии позволяют за очень короткое время развернуть линию связи. Так и FSO-системы практически полностью избавляют от хлопот с прокладкой кабельной инфраструктуры. Единственное, что требуется, - это разместить электронно-оптический приемопередатчик на твердом и устойчивом месте (например, крыша здания, специальная мачта или подоконник) и соединить его с мультиплексором/преобразователем (находится в помещении), а также подвести к устройствам электропитание. Подобные работы можно выполнить в течение 1-2 дней.
Еще одним положительным атрибутом FSO-технологии является ее высокая защищенность от разного рода подключений и прослушиваний. Во-первых, передача данных осуществляется очень узким лучом, что гарантирует отсутствие излучений за пределами диаграммы направленности светового потока. Во-вторых, лазерный луч абсолютно невидим, поэтому обнаружить его представляется достаточно хлопотным делом. Даже если злоумышленник сумеет каким-то образом <встать> на пути следования луча, то чувствительный приемник сразу зафиксирует падение энергетической мощности принимаемого сигнала, что обязательно будет сопровождаться разрывом связи и сигналом тревоги администратору.
У беспроводных лазерных оптических систем также существуют недостатки. Раньше специалисты выделяли две основные проблемы - малое время наработки на отказ (показатель MTBF) излучающего элемента (лазера или светодиода) и сильная зависимость расстояния передачи сигнала от погодных условий. Эти факторы обусловливали готовность многих FSO-решений для городских условий на уровне 99,7 %, что зачастую было недостаточно для работы с некоторыми критическими бизнес-приложениями и абсолютно неприемлемым для использования FSO в провайдерских сетях. Ведь подобная готовность обещает нерабочее состояние сети до 27 часов в году.
Сегодня с первой проблемой удалось справиться - многие лазерные диоды мощностью до 100 мВт уже способны обеспечить MTBF, равное 150 тыс. часов (практически 15 лет работы). В FSO-системах также нашли применение схемы APC (Adaptive Power Control), которые управляют мощностью излучения в зависимости от атмосферных условий (например, в ясную погоду мощность излучения минимальная). Такие схемы позволяют продлить срок жизни лазерных устройств и повысить их надежность.
Проблема же снижения дальности передачи с ухудшением погоды пока остается актуальной. Факторами, способствующими затуханию светового сигнала, являются мокрый снег, дождь, песчаные бури и туман. Причем туман (особенно густой) в наибольшей степени может сказаться на дальности передачи FSO-системы, поскольку подвешенные в атмосфере молекулы воды сильно гасят движение фотонов света. Кроме того, помешать распространению луча могут и птицы, пересекающие путь свету.
Правда стоит отметить, что в дождливую погоду FSO-системы зачастую работают лучше, чем радиорелейные линии связи (РЛС), использующие радиодиапазон 18-64 ГГц. Например, сильный ливень (уровень осадков 75 мм/час) позволяет лазерной системе передавать данные на расстояния до 2 км, в то время как РЛС-системам такое расстояние уже не под силу. Однако РЛС оказываются на высоте при густых туманах, иногда способных полностью прервать работу беспроводных оптических систем.
Сегодня для повышения надежности связи в FSO-системах применяют различные методы, такие как увеличение мощности сигнала, использование резервных радиоканалов, применение многолучевых систем и др. Например, система из нескольких светоизлучателей (обычно до четырех) позволяет достичь значительного увеличения надежности передачи, ведь далеко не каждая помеха, будь то птица или частички пыли, смогут перекрыть путь следования сразу всем лучам.
Интересными являются решения, интегрирующие в себе беспроводную оптику и РЛС. Радиосистемы работают на значительно большей длине волны, чем FSO, поэтому успешнее преодолевают густой туман. Кстати, FCC даже выделила нелицензируемый W-диапазон (59-64 ГГц) для оборудования, объединяющего FSO и РЛС. Примечательно, что готовность подобных устройств может достигать 99,999 % (пять минут простоя за год) на расстояниях до одного километра. Кроме того, практика эксплуатации FSO-систем в регионах с относительно большим количеством ежегодных осадков и туманов (например, Лондон) показала, что многие системы способны стабильно обеспечивать связью на расстояниях до 2 км.

Построение системы связи FSO
Для построения беспроводного оптического канала связи необходимо установить на зданиях удаленных офисов приемопередающие лазерные системы, находящиеся в прямой видимости друг от друга. При этом внешнее оборудование должно быть жестко закреплено, чтобы вибрации (например, проезжающий мимо транспорт или сильный ветер) не смогли расстроить фокусировку луча. Оптический приемопередатчик чаще всего соединяется с внутренним блоком с помощью оптического кабеля (реже с помощью медного). При этом внутренний блок включается в проводные сети по различным интерфейсам - 10/100/1000 Ethernet, V.35, E1/E3, G.703/G.704, OC-12/OC-48 и др.
Когда же дело дойдет до приобретения устройств, заказчики могут найти на рынке FSO-системы различных характеристик. Например, объединить сети в удаленных филиалах или организовать высокоскоростной доступ помогут устройства LaserBit производителя LaserBit Communications. Модель LB-5000, в которой используется 4 лазерных диода, позволяет обеспечить высокоскоростной канал связи (100 или 155 Мб/с) на расстояние до 5 км. Мощность излучения лазерного устройства регулируется от 50 до 150 мВт. Корпус и детали крепления изготовлены из специального алюминиевого сплава, обеспечивающего длительный срок эксплуатации в различных погодных условиях.
В свою очередь оборудование семейства SkyNet компании PAV Data Systems обеспечивает соединение в условиях прямой видимости до 4 км. Модель SkyNet ATM-4000 использует трехлазерный передатчик с выходной мощностью 300 мВт. При этом скорость передачи данных составляет 155 Мб/с (интерфейс ATM OC-3).
У компании LightPointe существует высокоскоростное решение FlightSpectrum, обеспечивающее передачу данных на скоростях 52, 155, 622 Мб/с и 1,25 Гб/с. Система обеспечивает дальность передачи до 4 км. Для достижения же скорости 1,25 Гб/с в устройствах применяются специальные оптические усилители с легированным эрбием EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).
Интересным является семейство беспроводных оптических систем связи БОКС российской компании "НПК Катарсис". Так, устройство WOCC 100M-900 (мощность излучения двух светодиодных передатчиков по 150 мВт) позволяет гарантированно осуществлять связь в плохую погоду до 900 м. При этом скорость передачи данных составляет 100 Мб/с.
Кроме того, для организации высокоскоростных беспроводных каналов связи можно использовать оборудование SONAbeam 155M производителя FSONA (скорости 155, 622 и 1028 Мб/с на расстояния до 10 км), Hybrid FSO/Radio компании AirFiber (интегрированные возможности FSO и РЛС и скорости до 1,25 Гб/с), модели TereScope 1000 производителя MRV (интерфейс Gigabit Ethernet на расстоянии до 2 км) и др. Сегодня FSO-технология хотя и не переживает такой бум, как беспроводные Wi-Fi-решения, но постепенно завоевывает свою нишу на рынке. Интересно, что по данным Merill Lynch, к 2005 году оборот мирового рынка беспроводных оптических систем должен достигнуть $2 млрд.
Беспроводные лазерные системы сегодня находят применение у различных представителей рынка. Например, среди известных операторов связи, принявших на вооружение беспроводную оптическую технологию, следует отметить Vodafone, Sprint, Verizon и др. Интересно, что первая в мире гигабитная беспроводная оптическая сеть была запущена в Лондоне в 1999 году на оборудовании CableFree.
У нашего ближайшего соседа России также активно развивается рынок FSO-систем. Подобные устройства уже используют операторы МТС, "Мегафон", "Вымпелком", "Смартс" и др. Работают такие системы в аэропорту Шереметьево-2, а также во многих организациях. Например, на заводе "Тульское пиво" FSO-системы позволили снизить на 70 % затраты при строительстве корпоративной сети.
В отличие от российского, наш рынок FSO-решений только зарождается. Хотя уже существуют в Украине действующие системы в Донецкой области (металлургический завод и горнообогатительный комбинат), Западной Украине и Киеве. Причем в Киеве подобные устройства используют государственные структуры. Среди компаний, поставляющих беспроводные оптические системы связи в Украине, следует отметить "Инвэкс Телеком" (Киев), "Стелс-сервис" (Львов) и "Диатек" (Запорожье).
По мнению специалистов, развитие FSO-систем в Украине пока сдерживается по причине элементарного незнания этой технологии. А ведь она способна значительно упростить нашим компаниям решение проблемы пресловутой последней мили. Поэтому будем надеяться, что массовое внедрение FSO в Украине - дело ближайшего времени.