eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #2/2014
С.Кузнецов, Б.Огнев, С.Поляков
Система оптической связи в водной среде
Система оптической связи в водной среде
Просмотры: 5620
В статье приведено описание макета линии подводной оптической связи и экспериментальные результаты его исследований, определены перспективные характеристики систем беспроводной высокоскоростной связи в водной среде между объектами подводного базирования.
Теги: distance and rate of data transfer underwater optical communication дальность и скорость передачи данных подводная оптическая связь
В последнее время в связи с растущим интересом к ресурсам мирового океана большое значение придается развитию систем подводной связи. Активные работы в этом направлении ведутся в России и за рубежом. В России действуют программы исследований в области телекоммуникационных систем для решения задач технологической платформы "Освоение океана". Системы беспроводной подводной оптической связи (ПОС) очень перспективны, поскольку это практически единственная технология, которая может использоваться для создания высокоскоростного канала связи в водной среде.
К ключевым преимуществам такого способа связи можно отнести высокую скорость передачи информации, скрытность и мобильность. Потенциальные заказчики выдвигают следующие требования к системе оптической подводной связи:
скорость передачи информации не менее 100 Мбит/с;
высокая четкость передачи видеоизображений в режиме реального времени;
бесконтактная передача информации, что особенно актуально в водной среде;
большие углы обзора – важный параметр для использования на роботизированных подвижных платформах.
Система ПОС может применяться для сбора данных со стационарных датчиков сенсорных сетей и для управления беспилотными подводными аппаратами.
История развития систем подводной оптической связи
Был проведен ряд исследований по применению электромагнитных волн видимого диапазона для организации подводных линий связи [1–5]. Так, в 1995 году были исследованы светодиодные системы, которые теоретически обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстояние до 20 м или 1 Мбит/с на расстояние 30 м [6]. В 2005 году теоретически были рассчитаны дальности передачи данных со скоростями 220 Кбит/с и 4,4 Мбит/с в различных типах водных сред [6]. В 2006 году были осуществлены предварительные экспериментальные исследования подводной системы передачи информации с использованием всенаправленных светодиодных излучателей [7]. Полученные данные позволили сделать прогноз относительно возможности организации связи с символьной скоростью до 10 МГц на расстояние более 100 м [7]. В 2007 году в лабораторных условиях была продемонстрирована возможность достижения скорости передачи данных до 1 Гбит/с на расстоянии более 2 м [8]. Коммерческая компания Ambalux Corporation предлагает лазерные системы связи с заявленной скоростью 10 Мбит/с на дальности более 40 м [9].
В 2013 году в рамках государственного контракта №07.514.11.4083 ЗАО "Мостком" провело научно-исследовательскую работу по созданию системы беспроводной оптической связи. Результатом работы стал действующий макет, на котором были проведены испытания, необходимые для подтверждения правильности заложенных технологических решений и перспектив дальнейшего развития систем ПОС.
Архитектура оборудования
Облик системы ПОС определяются прежде всего средой распространения лазерного излучения. Прозрачность морской воды лежит в сине-зеленой области спектра [1–3, 5]. В рамках исследований была выбрана рабочая длина волны лазерного оптического излучения передатчика 455 нм как наиболее близкая к оптимальной с точки зрения ослабления световой волны в водных средах. Вторая причина этого выбора – доступность мощных (до 1 Вт) полупроводниковых лазеров, работающих на этой длине волны и допускающих прямую модуляцию. В результате был разработан малогабаритный передатчик с угловой шириной диаграммы направленности излучения по уровню половинной мощности 1,5 мрад и регулируемой выходной мощностью до 1 Вт.
В качестве приемника был выбран кремниевый фотодиод S5973 фирмы Hamamatsu, который работает в широкой полосе частот и имеет размер фоточувствительной площадки 400 мкм. Из-за малого размера площадки угловое поле зрения приемника составляет 8 мрад. Комплекс использованных схемотехнических и конструкторских решений позволил получить чувствительность приемника макета ПОС на уровне –28 дБм. Высокая чувствительность приемника и пиковая мощность передатчика позволили получить энергетический бюджет канала ПОС (с учетом потерь в оптике) 47 дБ.
Интерфейс связи с источниками информационных сигналов выполнен по наиболее распространенному в телекоммуникационной технике протоколу Ethernet/Fast Ethernet со стыком 10/100BASE-T. Как известно, передача данных обычно сопровождается предварительным транспортным кодированием, снижающим влияние среды на достоверность передачи. Так, передача данных Ethernet-пакета на физический уровень предварительно сопровождается кодированием (4b/5b, 8b/10b), что приводит к необходимости увеличения транспортной скорости до 125 Мбит/с. В созданном макете была предусмотрена возможность дополнительного телеметрического обмена между разнесенными приемопередатчиками в виде обмена блоками кодов размерностью 256 байт. Данное решение позволило одновременно передавать данные и дистанционно контролировать работу удаленного приемопередающего модуля при канальной скорости 131 Мбит/с.
Спроектированная линия подводной оптической связи состоит из двух идентичных приемопередающих модулей (ППМ), функционально-структурная схема которых представлена на рис.1. Конструктивно приемопередающие модули выполнены в виде металлических блоков цилиндрической формы высотой 370 мм и диаметром 220 мм, с защитным стеклом. Они имеют отрицательную плавучесть для более устойчивого позиционирования в водной среде и герметичность, достаточную для проведения непрерывных экспериментальных исследований не менее 2 ч на глубинах до 2 м.
На рис.2 представлена трехмерная модель и фотография готового образца приемопередатчика беспроводной оптической линии связи (без внешнего корпуса). Визуальный контроль наведения, а также выдача целеуказаний для работы автоматической системы наведения осуществляется с использованием IP-камеры. Угол обзора макета составил ±15° в обеих плоскостях и был ограничен конструктивным исполнением кожуха.
Исследования и полученные результаты
Экспериментальные исследования макета ПОС проводились в лабораторных условиях и в натурных испытаниях.
В лаборатории излучение пропускалось через стеклянную лабораторную емкость длиной 800 мм, заполненную жидкостью. В качестве рассеивающей жидкой среды использовался водный раствор препарата Maalox (алгелдрат + + магния гидроксид) различной концентрации. Данное вещество обладает маленьким коэффициентом поглощения, но при этом хорошо моделирует процессы рассеяния и, как показано [10], лучше всего подходит для моделирования морской воды.
В рамках исследований проводились измерения энергетического бюджета линии, пространственных характеристик приемного и передающего каналов с целью определения требований к системе наведения и алгоритмам формирования целеуказаний для системы наведения, а также изучалась возможность передачи видеоизображения в реальном времени.
Для различных концентраций Maalox (и, соответственно, коэффициента рассеяния) были измерены угловые диаграммы сигнала на приемнике (рис.3). Полученные результаты показывают, что при концентрациях Maalox выше 1 мл на исследуемый объем (65 л) характер рассеяния практически не изменяется. Это дает возможность использовать узкопольную систему, которая позволяет работать с высокочастотными сигналами, но при условии обязательного использования системы автоматического наведения. Также производилась оценка качества формируемого IP-камерой изображения, в зависимости от уровня ошибок, определяемого концентрацией Maalox. Полученные результаты позволили сделать вывод о допустимости применения в ПОС оптических приемников и передатчиков с малыми угловыми полями зрения и расходимостью излучения. Несмотря на потерю энергетического бюджета (за счет уширения угловой диаграммы на периферии пучка при больших коэффициентах рассеяния), такой подход представляется наиболее перспективным для передачи высокоскоростного трафика. Но требование к наличию системы автоматического точного наведения становится обязательным.
Натурные испытания проводились в
плавательном бассейне. Два приемопередающих модуля были помещены на глубину около 2 м на расстоянии 15 м друг от друга. В таком положении была произведена проверка всей системы в целом, включая герметичность корпуса. На рис.4 показаны различные стадии процесса наведения. После завершения процесса наведения установился высокоскоростной оптический канал связи со скоростью передачи информации 100 Мбит/с при уровне цифровых ошибок BER = 10–9.
Для оценки достижимых дальностей связи ПОС был проведен расчет уровня потерь в оптическом канале в зависимости от дистанции для различных типов вод (рис.5) [11]:
тип воды 1, погонное затухание 0,43 дБ/м (Южная часть Саргассова моря);
тип воды 2, погонное затухание 1,74 дБ/м
(Карибское море около Малых Антильских островов);
тип воды 3, погонное затухание 5,43 дБ/м (шельфовые воды в северной части Эгейского моря).
Расчеты выполнялись на основе проведенных измерений, как в лабораторных, так и в натурных экспериментах, с учетом классификации типов вод мирового океана. Графики показывают зависимость уровня потерь в канале связи от его длины для различных типов вод. На рис.5 видно, что для чистой воды при использовании в качестве приемника ПОС p–i–n-диода (с энергетическим бюджетом 47 дБ) дальность связи составляет 100 м.
Основные технические параметры разработанной системы ПОС:
Тип оптического передатчика лазерный диод
Рабочая длина волны излучения
оптического передатчика, нм 455
Мощность передатчика, мВт 100–1000
Тип приемника фотодиод
Скорость передачи данных, Мбит/с 100
Расстояние передачи данных, м 6–100
Угловая точность системы наведения, мрад 0,2
Энергетический бюджет, дБ, не менее 47
Как показали результаты исследований, для передачи высокоскоростного трафика не менее 100 Мбит/с целесообразно применять в системах ПОС оптические приемники и передатчики с малым угловым полем зрения и расходимостью излучения. При этом оборудование ПОС в своем составе обязательно должно иметь систему наведения и точного автоматического поддержания направления связи. Проведенные расчеты показали, что есть возможность увеличить дистанцию связи до 300 м при условии использования в качестве приемника фотоэлектронного умножителя, благодаря которому энергетический бюджет ПОС может быть увеличен до 75 дБ.
Характеристики аналогичных систем ПОС [12] приведены в таблице. Из сравнения видно, что полученные параметры разработанного макета ПОС позволяют уверенно заявить о его мировом уровне.
Литература
1. Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. Под ред. А.С.Монина.− М.: Наука. 1983.
2. Оптика океана. Т.2. Прикладная оптика океана Под ред. А.С.Монина. − М.: Наука. 1983.
3. Шифрин К.С. Введение в оптику океана − Л.: Гидрометеоиздат. 1983.
4. Карабашев Г.С. Флюоресценция в океане. −Л.: Гидрометеоиздат. 1987.
5. Доронин Ю.П. Физика океана – Санкт-Петербург, 2000.
6. Giles J.W., Bankman I.N. Underwater optical communications systems. Part 2: Basic Design Considerations. – MILCOM 2005, 2005.
7. Optical Modem technology for seafloor observatories. Farr N., Chave A.D., Freitag L., Preisig J., White S., Yoerger D., Sonnichsen F. – Proceedings of the IEEE Oceans 2006, 2006.
8. Hanson F., Stojan Radic. High bandwidth underwater optical communication. – Applied Optics, 2008, vol. 47.
9. Ambalux Corporation. 1013C1 High-Bandwidth Underwater Transceiver Data Sheet. 2006. –
www.ambalux.com/1013_Brochure.pdf.
10.Khalid Alhammadi. Applying wide field of view retroreflector technology to free space optical robotic communications. A dissertation submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University in partial fulfillment of the degree of Doctor of Philosophy In Electrical Engineering Raleigh, North Carolina September 2006.
11.Маньковский В.И. Основы оптики океана. – НАН Украины, Московский гидрофизический институт, 1996.
12.http://pdfcast.org/pdf/underwater-optical-wireless-communications-overview.
К ключевым преимуществам такого способа связи можно отнести высокую скорость передачи информации, скрытность и мобильность. Потенциальные заказчики выдвигают следующие требования к системе оптической подводной связи:
скорость передачи информации не менее 100 Мбит/с;
высокая четкость передачи видеоизображений в режиме реального времени;
бесконтактная передача информации, что особенно актуально в водной среде;
большие углы обзора – важный параметр для использования на роботизированных подвижных платформах.
Система ПОС может применяться для сбора данных со стационарных датчиков сенсорных сетей и для управления беспилотными подводными аппаратами.
История развития систем подводной оптической связи
Был проведен ряд исследований по применению электромагнитных волн видимого диапазона для организации подводных линий связи [1–5]. Так, в 1995 году были исследованы светодиодные системы, которые теоретически обеспечивали скорость передачи данных до 10 Мбит/с на расстояние до 20 м или 1 Мбит/с на расстояние 30 м [6]. В 2005 году теоретически были рассчитаны дальности передачи данных со скоростями 220 Кбит/с и 4,4 Мбит/с в различных типах водных сред [6]. В 2006 году были осуществлены предварительные экспериментальные исследования подводной системы передачи информации с использованием всенаправленных светодиодных излучателей [7]. Полученные данные позволили сделать прогноз относительно возможности организации связи с символьной скоростью до 10 МГц на расстояние более 100 м [7]. В 2007 году в лабораторных условиях была продемонстрирована возможность достижения скорости передачи данных до 1 Гбит/с на расстоянии более 2 м [8]. Коммерческая компания Ambalux Corporation предлагает лазерные системы связи с заявленной скоростью 10 Мбит/с на дальности более 40 м [9].
В 2013 году в рамках государственного контракта №07.514.11.4083 ЗАО "Мостком" провело научно-исследовательскую работу по созданию системы беспроводной оптической связи. Результатом работы стал действующий макет, на котором были проведены испытания, необходимые для подтверждения правильности заложенных технологических решений и перспектив дальнейшего развития систем ПОС.
Архитектура оборудования
Облик системы ПОС определяются прежде всего средой распространения лазерного излучения. Прозрачность морской воды лежит в сине-зеленой области спектра [1–3, 5]. В рамках исследований была выбрана рабочая длина волны лазерного оптического излучения передатчика 455 нм как наиболее близкая к оптимальной с точки зрения ослабления световой волны в водных средах. Вторая причина этого выбора – доступность мощных (до 1 Вт) полупроводниковых лазеров, работающих на этой длине волны и допускающих прямую модуляцию. В результате был разработан малогабаритный передатчик с угловой шириной диаграммы направленности излучения по уровню половинной мощности 1,5 мрад и регулируемой выходной мощностью до 1 Вт.
В качестве приемника был выбран кремниевый фотодиод S5973 фирмы Hamamatsu, который работает в широкой полосе частот и имеет размер фоточувствительной площадки 400 мкм. Из-за малого размера площадки угловое поле зрения приемника составляет 8 мрад. Комплекс использованных схемотехнических и конструкторских решений позволил получить чувствительность приемника макета ПОС на уровне –28 дБм. Высокая чувствительность приемника и пиковая мощность передатчика позволили получить энергетический бюджет канала ПОС (с учетом потерь в оптике) 47 дБ.
Интерфейс связи с источниками информационных сигналов выполнен по наиболее распространенному в телекоммуникационной технике протоколу Ethernet/Fast Ethernet со стыком 10/100BASE-T. Как известно, передача данных обычно сопровождается предварительным транспортным кодированием, снижающим влияние среды на достоверность передачи. Так, передача данных Ethernet-пакета на физический уровень предварительно сопровождается кодированием (4b/5b, 8b/10b), что приводит к необходимости увеличения транспортной скорости до 125 Мбит/с. В созданном макете была предусмотрена возможность дополнительного телеметрического обмена между разнесенными приемопередатчиками в виде обмена блоками кодов размерностью 256 байт. Данное решение позволило одновременно передавать данные и дистанционно контролировать работу удаленного приемопередающего модуля при канальной скорости 131 Мбит/с.
Спроектированная линия подводной оптической связи состоит из двух идентичных приемопередающих модулей (ППМ), функционально-структурная схема которых представлена на рис.1. Конструктивно приемопередающие модули выполнены в виде металлических блоков цилиндрической формы высотой 370 мм и диаметром 220 мм, с защитным стеклом. Они имеют отрицательную плавучесть для более устойчивого позиционирования в водной среде и герметичность, достаточную для проведения непрерывных экспериментальных исследований не менее 2 ч на глубинах до 2 м.
На рис.2 представлена трехмерная модель и фотография готового образца приемопередатчика беспроводной оптической линии связи (без внешнего корпуса). Визуальный контроль наведения, а также выдача целеуказаний для работы автоматической системы наведения осуществляется с использованием IP-камеры. Угол обзора макета составил ±15° в обеих плоскостях и был ограничен конструктивным исполнением кожуха.
Исследования и полученные результаты
Экспериментальные исследования макета ПОС проводились в лабораторных условиях и в натурных испытаниях.
В лаборатории излучение пропускалось через стеклянную лабораторную емкость длиной 800 мм, заполненную жидкостью. В качестве рассеивающей жидкой среды использовался водный раствор препарата Maalox (алгелдрат + + магния гидроксид) различной концентрации. Данное вещество обладает маленьким коэффициентом поглощения, но при этом хорошо моделирует процессы рассеяния и, как показано [10], лучше всего подходит для моделирования морской воды.
В рамках исследований проводились измерения энергетического бюджета линии, пространственных характеристик приемного и передающего каналов с целью определения требований к системе наведения и алгоритмам формирования целеуказаний для системы наведения, а также изучалась возможность передачи видеоизображения в реальном времени.
Для различных концентраций Maalox (и, соответственно, коэффициента рассеяния) были измерены угловые диаграммы сигнала на приемнике (рис.3). Полученные результаты показывают, что при концентрациях Maalox выше 1 мл на исследуемый объем (65 л) характер рассеяния практически не изменяется. Это дает возможность использовать узкопольную систему, которая позволяет работать с высокочастотными сигналами, но при условии обязательного использования системы автоматического наведения. Также производилась оценка качества формируемого IP-камерой изображения, в зависимости от уровня ошибок, определяемого концентрацией Maalox. Полученные результаты позволили сделать вывод о допустимости применения в ПОС оптических приемников и передатчиков с малыми угловыми полями зрения и расходимостью излучения. Несмотря на потерю энергетического бюджета (за счет уширения угловой диаграммы на периферии пучка при больших коэффициентах рассеяния), такой подход представляется наиболее перспективным для передачи высокоскоростного трафика. Но требование к наличию системы автоматического точного наведения становится обязательным.
Натурные испытания проводились в
плавательном бассейне. Два приемопередающих модуля были помещены на глубину около 2 м на расстоянии 15 м друг от друга. В таком положении была произведена проверка всей системы в целом, включая герметичность корпуса. На рис.4 показаны различные стадии процесса наведения. После завершения процесса наведения установился высокоскоростной оптический канал связи со скоростью передачи информации 100 Мбит/с при уровне цифровых ошибок BER = 10–9.
Для оценки достижимых дальностей связи ПОС был проведен расчет уровня потерь в оптическом канале в зависимости от дистанции для различных типов вод (рис.5) [11]:
тип воды 1, погонное затухание 0,43 дБ/м (Южная часть Саргассова моря);
тип воды 2, погонное затухание 1,74 дБ/м
(Карибское море около Малых Антильских островов);
тип воды 3, погонное затухание 5,43 дБ/м (шельфовые воды в северной части Эгейского моря).
Расчеты выполнялись на основе проведенных измерений, как в лабораторных, так и в натурных экспериментах, с учетом классификации типов вод мирового океана. Графики показывают зависимость уровня потерь в канале связи от его длины для различных типов вод. На рис.5 видно, что для чистой воды при использовании в качестве приемника ПОС p–i–n-диода (с энергетическим бюджетом 47 дБ) дальность связи составляет 100 м.
Основные технические параметры разработанной системы ПОС:
Тип оптического передатчика лазерный диод
Рабочая длина волны излучения
оптического передатчика, нм 455
Мощность передатчика, мВт 100–1000
Тип приемника фотодиод
Скорость передачи данных, Мбит/с 100
Расстояние передачи данных, м 6–100
Угловая точность системы наведения, мрад 0,2
Энергетический бюджет, дБ, не менее 47
Как показали результаты исследований, для передачи высокоскоростного трафика не менее 100 Мбит/с целесообразно применять в системах ПОС оптические приемники и передатчики с малым угловым полем зрения и расходимостью излучения. При этом оборудование ПОС в своем составе обязательно должно иметь систему наведения и точного автоматического поддержания направления связи. Проведенные расчеты показали, что есть возможность увеличить дистанцию связи до 300 м при условии использования в качестве приемника фотоэлектронного умножителя, благодаря которому энергетический бюджет ПОС может быть увеличен до 75 дБ.
Характеристики аналогичных систем ПОС [12] приведены в таблице. Из сравнения видно, что полученные параметры разработанного макета ПОС позволяют уверенно заявить о его мировом уровне.
Литература
1. Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. Под ред. А.С.Монина.− М.: Наука. 1983.
2. Оптика океана. Т.2. Прикладная оптика океана Под ред. А.С.Монина. − М.: Наука. 1983.
3. Шифрин К.С. Введение в оптику океана − Л.: Гидрометеоиздат. 1983.
4. Карабашев Г.С. Флюоресценция в океане. −Л.: Гидрометеоиздат. 1987.
5. Доронин Ю.П. Физика океана – Санкт-Петербург, 2000.
6. Giles J.W., Bankman I.N. Underwater optical communications systems. Part 2: Basic Design Considerations. – MILCOM 2005, 2005.
7. Optical Modem technology for seafloor observatories. Farr N., Chave A.D., Freitag L., Preisig J., White S., Yoerger D., Sonnichsen F. – Proceedings of the IEEE Oceans 2006, 2006.
8. Hanson F., Stojan Radic. High bandwidth underwater optical communication. – Applied Optics, 2008, vol. 47.
9. Ambalux Corporation. 1013C1 High-Bandwidth Underwater Transceiver Data Sheet. 2006. –
www.ambalux.com/1013_Brochure.pdf.
10.Khalid Alhammadi. Applying wide field of view retroreflector technology to free space optical robotic communications. A dissertation submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University in partial fulfillment of the degree of Doctor of Philosophy In Electrical Engineering Raleigh, North Carolina September 2006.
11.Маньковский В.И. Основы оптики океана. – НАН Украины, Московский гидрофизический институт, 1996.
12.http://pdfcast.org/pdf/underwater-optical-wireless-communications-overview.
Отзывы читателей
