Nr. Decizie ….. din … [307213]

UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” din BUCUREȘTI

ȘCOALA DOCTORALĂ ETTI-B

Nr. Decizie …….. din ………

TEZĂ DE DOCTORAT

CONTRIBUȚII LA STUDIUL COMUNICAȚIILOR OPTICE NEGHIDATE

CONTRIBUTIONS TO THE STUDY OF FREE SPACE OPTICAL COMMUNICATIONS

Doctorand: [anonimizat]. Manea Viorel

COMISIA DE DOCTORAT

BUCUREȘTI 2018

______________

Mulțumiri

Elaborarea și fundamentarea după standarde științifice înalte a unei teze de doctorat se poate realiza numai în condițiile unei îndrumări științifice de calitate. [anonimizat] a efectuării stagiului de pregătire de către d-nul prof. univ. emerit dr. ing. Dan Alexandru Stoichescu. [anonimizat]: [anonimizat], elaborare, redactare și finalizare a tezei.

[anonimizat] „frământare” a [anonimizat].

[anonimizat]. ing. [anonimizat], [anonimizat].

Realizarea acestei teze de doctorat nu ar fi fost posibilă fără sprijinul domnului cercetător științific dr. ing. [anonimizat] I.N.S.C.C. București, suport fără de care ducerea la bun sfârșit a tezei ar fi fost o sarcină mult mai dificilă.

Țin să mulțumesc domnului cercetător științific dr. ing. Sorin Soviany pentru analiza tezei și sugestiile legate de conținutul științific al acesteia.

[anonimizat]. Doresc să mulțumesc domnului tehnician Dan Ghiță pentru ajutorul dat în realizarea experimentelor de laborator și doamnei tehnician Veronica Văduva pentru ajutorul adus la corectura și respectiv tehnoredactarea lucrării.

Finalizarea acestei teze de doctorat a fost posibilă (și) datorită sprijinului familiei. [anonimizat], [anonimizat].

Cuprins

Lista tabelelor

Lista figurilor

Lista abrevierilor

Capitolul 1

Introducere

Prezentarea domeniului tezei de doctorat

Piața mondială a transmisiilor de date fără fir este bazată aproape în exclusivitate pe tehnologii hertziene. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]/s, [anonimizat].

[anonimizat], neghidat, lucrează la viteze de Gb/s pe distanțe de ordinul kilometrilor. Comunicația optică constituie abordarea optimă în ceea ce privește transmisiile de mare viteză. Tehnologia comunicațiilor optice neghidate (CON) este capabilă să asigure un procent semnificativ din banda fibrei optice, cu avantajul dat de lipsa întârzierilor de natură logistică, de lungă durată și amploare, cauzate de instalarea fibrei avantaj însoțit de diminuarea costurilor de implementare. Figura 1.1 arată clasificarea CON în funcție de distanța de transmisie.

Costurile sunt chiar mai mici decât cele rezultate din închirierea unui tronson de fibră DF (dark fiber), acolo unde acest fapt este posibil.

Dintr-o tehnologie de nișă, comunicațiile optice neghidate (denumite CON în această lucrare) au evoluat către o tehnologie comercială axată practic pe configurații statice de bandă largă. În literatura de specialitate, tehnologia se mai numește Free Space Optics – FSO sau Optical Wireless – OW. Necesitatea unei conexiuni punct la punct CON este evidențiată în aplicații ce necesită viteză ridicată a datelor, precum multimedia HD, FHD, UHD și interactiv, jocuri online și rețele de socializare. Tehnologia CON va migra către rețelele de acces care sunt localizate în afara rețelelor metropolitane tradiționale pe fibră optică având ca orientare mediul de afaceri și utilizatori rezidențiali cărora li se vor furniza servicii ce necesită asigurarea vitezei de transfer pentru susținerea aplicațiilor multimedia recente (televiziune de ultra-înaltă definiție). Deoarece furnizorii de telecomunicații au dezvoltat mai mult capacitățile de transport ale magistralelor, folosind fibra optică drept suport de comunicație în detrimentul rețelelor de acces, trebuia găsită, pentru acestea din urmă, o tehnologie care să îmbine versatilitatea și omniprezența tehnologiei radio cu capacitatea masivă de transport a datelor caracteristică tehnologiilor optice. Rețelele de acces pot fi realizate folosind conexiuni optice pe fibră optică sau folosind conexiuni punct-la-punct de tip CON. Rețelele de acces bazate pe acces optic neghidat pot profita de agregarea facilă cu rețelele magistrale (uneori pot lipsi rețelele suport), cu beneficii directe în ceea ce privește viteza traficului la utilizator.

În figura 1.2 este ilustrată piața globală a sistemelor CON (sursa: Electronic Cast Consultants) și evoluția acesteia până în anul 2020 inclusiv.

Din figura 1.2 se observă clar ponderea pe care o vor avea sistemele CON în realizarea sistemelor de comunicații până în anul 2020 inclusiv. De aici rezultă, pe lângă motivația directă, științifică, precum și utilitatea și interesul crescut pe care ar trebui să-l manifeste mediul de afaceri și, implicit, companiile de telecomunicații față de această tehnologie. Teza încearcă, într-un plan secundar, să evidențieze și avantajele aduse de această tehnologie, din punctul de vedere menționat anterior.

Cea mai mare provocare cu care se confruntă CON o reprezintă trecerea fascicolului prin canalul atmosferic, în care semnalul este atenuat datorită fenomenelor de absorbție și împrăștiere. Fascicolul optic, la trecerea prin atmosferă, suferă, în anumite cazuri, o atenuare substanțială care poate duce la degradarea semnalului optic și, implicit, la alterarea și, în ultimă instanță, la pierderea datelor. Un alt factor responsabil de degradarea performanței sistemelor CON este scintilația, proces cauzat de neomogenitatea temperaturii atmosferei.

Dezavantajul principal al utilizării acestor sisteme de comunicație este efectul nociv al fenomenelor ce au loc în atmosfera terestră asupra fascicolului optic, care pot afecta fiabilitatea conexiunii. Severitatea și durata acestor fenomene afectează distanța de transmisie și disponibilitatea conexiunii. Dificultatea majoră în proiectarea sistemelor CON este asigurarea performanței în diferite condiții meteorologice, în special în prezența ceții.

Tehnologia CON poate asigura conectivitate în oricare punct al rețelei, fie ea internă, de acces sau de conexiune cu alte rețele. Deoarece funcționează pe nivelul 1 OSI, este transparentă la tipul de protocol utilizat și este capabilă de integrare/operare cu o varietate de elemente de rețea și tipuri de interfețe. În tabelul 1.1 sunt redate, comparativ, mediile de acces uzuale și costurile lunare estimate.

Sistemele CON nu au nevoie de licență pentru operare. În comparație cu sistemele wireless nelicențiate, sistemele CON sunt sigure și nu sunt afectate de interferențele electromagnetice. Deoarece sistemele CON sunt destinate să opereze pe nivelul 1 OSI (fizic), CON asigură mai degrabă o tehnologie orientată pe conexiune decât pe protocol – strategia de asigurare a accesului fiind dependentă de topologie. Acesta este motivul pentru care sistemele CON sunt, uneori, menționate ca sisteme ce fac parte integrantă din sistemele pe fibră optică. Furnizorii de servicii au solicitat producătorilor de echipament CON realizarea de sisteme transparente la protocol, imaginând CON mai degrabă ca o strategie de „prelungire” a fibrei sau de înlocuire a ei, decât ca pe o strategie de sine-stătătoare de acces. Similar unei porțiuni de rețea de fibră optică, CON reprezintă nivelul fizic de conexiune. În stadiul actual de dezvoltare, tehnologia CON este potrivită pentru a umple golul în buclele de acces ale rețelelor metropolitane. CON poate fi folosită pentru a suplini lipsa de viteză în rețelele metropolitane de acces, cu aplicații directe ce privesc închideri ale rețelelor de tip inel sau completări de rețele mesh.

Avantajele aduse de tehnologia CON sunt reprezentate de:

Viteza de lucru până la 2,5Gbit/s (comercial, corespunzând unei conexiuni optice de maxim 4 km);

Cerințele minime de echipament, CON necesitând pentru o conexiune punct-la-punct doar o pereche de unități optice emițător-receptor ce conțin și dispozitivele de alimentare, interfațare și cablare;

Flexibilitatea dată de instalarea rapidă și simplă, putând utiliza echipamente portabile; acestea dau tehnologiei CON abilitatea de a răspunde la cererile pieței de telecomunicații și necesităților de dezvoltare ale rețelei;

Imunitatea la interferențele electromagnetice;

Dimensiunile reduse ale întregului ansamblu ce permit montarea acestuia aproape oriunde;

Necesarul mic de operațiuni de mentenanță ce conduc la cheltuieli de operare minime.

Aplicațiile posibile sunt: rețelele de acces, extensiile rețelelor metropolitane, conectivitate de tip „întreprindere” sau „campus”, conexiuni back-up pentru fibră optică sau transmisii optice fără fir de servicii eterogene, pe arhitecturi scalabile.

Conexiunea optică neghidată este o tehnologie complementară conexiunii prin fibră optică. Comparativ cu tehnologiile radio, conexiunea optică fără fir este economică și sigură, asigură bandă mult mai largă și reduce timpul de acceptare pe piață. Tehnologia optică fără fir are capacitatea de a accelera proiectarea, realizarea și finalizarea unei rețele optice de acces și de a aduce traficul în rețeaua locală, în mod securizat și fiabil.

Tabelul 1-2 prezintă, comparativ, caracteristicile tehnologiilor de transmisie tipice utilizate în rețelele actuale de telecomunicații.

Din punct de vedere al modalității de transmitere a informației există rețele bazate pe CON de tip punct-la-punct și omnidirecționale.

Aplicațiile posibile CON în domeniul rețelelor de telecomunicații pot fi:

a) Extensii de rețele metropolitane: aceste conexiuni nu ajung de obicei la utilizatorul final, CON putând fi utilizate ca o extensie a rețelelor (inelelor) metropolitane sau pentru conectarea de noi rețele.

b) Conectivitate intercampus: flexibilitatea tehnologiei CON permite stabilirea de conexiuni optice neghidate în cazul: conectivitate LAN-LAN, interconexiuni între dispozitive de stocare de date aflate în locații diferite, conexiuni intercampus etc.

c) Conectivitate de tip „ultim-kilometru”; acestea sunt conexiunile optice care ajung până la utilizatorul final. Aceste conexiuni pot fi realizate în configurații punct-la-punct, punct-la-multipunct sau mesh. Implementarea rețelelor de fibră optică în mediul urban poate conduce la costuri de zeci sau sute de mii de euro, în acest preț intrând săparea canalizației și obținerea drepturilor asupra terenurilor. În contrast, o conexiune CON de 1 Gbps de 1 km distanță de transmisie costă mai puțin de 10.000 euro, investiția amortizându-se rapid. Cifrele prezentate sunt preluate din studii la nivelul anilor 2010-2017. Datorită tehnologiei optice asemănătoare fibrei optice, pentru „ultimul kilometru” se înlătură gâtuirea prezentă la celelalte tehnologii (cupru și radio), în același timp tehnologia CON fiind mai ieftină decât fibra optică.

d) CON pot fi utilizate ca și conexiuni redundante pentru back-up-ul sistemelor de fibră optică. Mulți operatori amplasează fibră pentru aplicații bussiness conectând două fibre pentru a realiza back-up în caz de nefuncționare a uneia din ele. Dacă întregul mănunchi de fibre este tăiat, atunci rezerva este nefolositoare. Se poate utiliza o singură fibră împreună cu un sistem CON ca și conexiune redundantă.

e) Acces: tehnologia CON se poate utiliza în aplicații de acces de tipul Gigabit-Ethernet. Furnizorii de servicii pot utiliza CON pentru a înlocui sistemele de buclă locală, în scopul furnizării de conexiuni optice de înaltă capacitate sau în scopul scăderii costurilor în cazul înlocuirii fibrei optice (FTTH).

f) Distribuție de semnal: CON pot fi utilizate pentru aplicații backhaul în rețele radio de tip LMDS sau celulare (de la nodul central către celule) și, de asemenea, pentru rețele de transport și distribuție Gigabit Ethernet.

g) Servicii DWDM: Sistemele CON pot ajunge de la 2,5 Gbps în prezent la 10 Gbps folosind WDM (experimental încă). Aceste viteze nu pot fi atinse de nicio tehnologie radio actuală.

h) rețele Ethernet: sunt disponibile comercial sisteme ce furnizează servicii de transport pentru 10BaseT, 100BaseT și 1000BaseT Gigabit-Ethernet pentru distanțe de până la 4 km. Gigabit Ethernet s-a impus ca standard în mediul corporativ deoarece este ieftin, cu o răspândire mare și este compatibil înapoi cu mai vechile standarde Ethernet.

i) CON pentru comunicații de tip PMP (punct-la-multipunct) în interiorul clădirilor, ce constă în distribuția de semnal de la un punct central (emițător) la mai multe receptoare simultan folosind sisteme de oglinzi și reflectoare pasive.

j) Servicii wireless heterogene ce constau din mixarea tehnologiilor de optică neghidată cu sisteme radio.

Caracteristicile comunicației CON sunt: transmisie punct-la-punct, full-duplex, cu un debit al datelor ce poate atinge 10Gb/s. Rata erorilor de biți, BER se situează în gama 10-16 – 10-9, pentru lungimi de undă situate între 850 și 1550nm. Pentru viteze de până la 2,4Gb/s, distanța de transmisie este limitată la maxim 5km, iar modulația poate fi analogică sau digitală cu transparență la orice format de date. Echipamentele CON au o durată redusă de instalare (12-24 ore) și presupun costuri reduse de întreținere cu securitate foarte bună a datelor transmise. Au fost realizate conexiuni optice pentru aplicații militare cu viteze de până la 100Mbit/s pe distanțe de peste 50km, cu transceiverele optice montate pe nave aflate în mișcare [3]. Realizările industriale ale unor firme renumite precum MRV [1], Fsona [2], Lightpointe [3], ArtoLink [4] precum și unitățile de emisie-recepție pot fi văzute în figurile 1.3, (a), (b), (c) și respectiv (d).

Sistemele CON sunt influențate de mediul de propagare complex, reprezentat de atmosfera terestră. Turbulențele atmosferice produc fluctuații ale amplitudinii și fazei semnalului optic recepționat, precum și întârzieri ale acestuia, degradând performanța globală a conexiunii. Pentru sistemele CON, înțelegerea corectă a modului de propagare a fascicolului optic ce traversează atmosfera terestră în diferite condiții atmosferice adverse comunicației devine o necesitate, mai ales în cazul sistemelor comerciale, unde trebuie asigurată o anumită disponibilitate a conexiunii optice. Sistemele CON trebuie să dispună de posibilitatea de control a alinierii pentru asigurarea protecției la șocuri și vibrații (recalibrare dinamică) și, de asemenea, sunt necesare proceduri de mentenanță simple și ieftine, cu software de management al elementelor conexiunii optice și al dispozitivelor plasate într-o singură locație.

Sistemele de comunicații optice neghidate (CON) reprezintă cea mai sigură metodă optică de comunicație fără fir datorită probabilității scăzute de interceptare și caracteristicilor anti-bruiaj.

Interceptarea fascicolului laser folosind tehnici clasice este foarte greu de realizat întrucât orice încercare de interpunere în calea fascicolului optic duce la descoperirea inițiatorului atacului. Datorită acestor aspecte de securitate, companiile de comunicații, organizațiile militare și guvernamentale au dezvoltat sisteme optice de comunicații fără fir pentru voce, video și transmisii de date în bandă largă care se bazează pe aceste avantaje.

Există câteva întrebări cu privire la aspectele de securitate care se pot pune comunicațiilor optice fără fir:

poate fi „descoperită” existența conexiunii optice?

poate fi monitorizat traficul?

poate fi „citit” și „înțeles” conținutul traficului?

poate fi „bruiată” conexiunea?

pot fi introduse date false (suplimentare) în structura fluxului de date transmis?

Percepția generală despre comunicațiile wireless și, în particular, despre comunicațiile optice neghidate este aceea că ele oferă un grad scăzut de securitate comparativ cu tehnologiile cablate. De fapt, CON sunt mult mai sigure decât tehnologiile radio din următoarele motive:

fascicolele laser CON nu pot fi detectate cu analizoare de spectru sau detectoare de câmp;

transmisiile laser CON punct-la-punct sunt stabilite între puncte aflate în vizibilitate directă și nu pot fi interceptate ușor. Interceptarea ar necesita unități emițător-receptor aliniate perfect cu fascicolul laser, lucru foarte dificil de realizat practic;

fascicolele laser lansate de transceiverele CON au o divergență foarte scăzută și operează, de regulă, în spectrul infraroșu (nu sunt vizibile cu ochiul liber) fiind dificilă detecția lor;

datele pot fi transmise printr-o conexiune criptată (securizată) adăugând un nivel suplimentar de securitate în transmisiunile CON.

Prin natura sa, conexiunile optice folosesc fascicole laser cu divergența de 1 miliradian (sau mai puțin) fără lobi laterali, care au „amprenta” (diametrul în planul receptorului) de 1m la distanța de 1km. Fascicolul optic este oprit total de pereți sau blocuri opace. Interceptarea nu se poate face decât cu inserarea unui receptor în calea fluxului optic. În funcție de locație (înălțime și poziția geografică), este foarte dificil de „mascat” un asemenea receptor. De asemenea, el trebuie să introducă o atenuare foarte mică fascicolului optic original, ceea ce este foarte dificil de realizat practic. În concluzie, este practic imposibil de interceptat semnalul optic fără a fi detectat inițiatorul atacului asupra sistemului.

Sintetizând, conexiunea optică fără fir este o soluție „oriunde și oricând” pentru completarea rețelelor suport și de acces existente, în orice topologie. Din perspectivă economică, amortizarea rapidă a investiției este, probabil, cel mai mare avantaj adus de CON. Din perspectivă tehnică, flexibilitatea conexiunii optice neghidate o face extrem de atractivă pentru eliminarea gâtuirilor de trafic în rețelele de acces și pentru realizarea rapidă și economică a conexiunilor optice temporare, suport (backhaul) și de back-up.

Scopul tezei de doctorat

Aceastǎ teză de doctorat își propune sǎ analizeze condițiile dificile de propagare pentru CON și să propună metode prin care acestea să fie depășite, în special printr-o proiectare corectă a conexiunii optice neghidate, care ține cont de condițiile de propagare din zonele de amplasare; în acest fel, comunicația optică neghidată poate fi integrată în rețelele de acces și suport actuale, asigurând viteză ridicată de transport a datelor și un înalt grad de compatibilitate, transparență și reconfigurabilitate. Pentru realizarea acestui deziderat CON trebuie să depășească problemele legate de propagarea atmosferică extrem de dificilă în anumite cazuri, care poate provoca chiar extincția semnalului optic. Teza analizează modul în care pot fi alese componentele adecvate acestui scop, alegerea tipului potrivit de modulație, utilizarea sistemelor de transmisie optică multi-capete pentru transmiterea informației pe căi multiple sau pentru asigurarea redundanței.

Diseminarea contribuțiilor acestei teze s-a realizat prin publicarea de cărți, articole în reviste de specialitate și prezentarea în cadrul unor conferințe de profil, în țară și străinătate, pe toată perioada studiilor doctorale și în afara acesteia.

Conținutul tezei de doctorat

Abordarea lucrǎrii este realizată într-o manierǎ clasicǎ. Organizarea întregului material respectǎ principiile simplu → complex și general → particular.

În capitolul 1, Introducere, sunt prezentate problematica generală a comunicațiilor optice neghidate, scopul (motivația) și conținutul tezei.

Capitolul 2 analizează sistemul de comunicații optice neghidate prin prisma modelului de sistem, de semnal și al conexiunii optice. Este analizat modul de integrare a sistemului optic neghidat în rețele de acces de bandǎ largǎ (P2P, inel, mesh, WDM).

Capitolul 3 studiază componentele și tehnologiile optice, sursele și receptoarele optice (diodele LED și LASER și clasele de siguranță ale acestora, precum și fotodiodele PIN și APD). Este prezentat modul de alegere a lungimilor de undă pentru aceste componente, mecanismul detecției optice, tipurile de modulatoare/demodulatoare, precum și aspectele modulației optice OOK, PPM și adaptive. Sunt prezentate tehnicile de multiplexare în domeniul optic, OFDMA și OCDMA și sistemele WDM-CON.

Capitolul 4 analizează propagarea fascicolului optic. Este prezentat modelul propagǎrii fascicolului optic într-un mediu ideal și sunt studiate efectele atmosferei asupra fascicolului optic. Este analizată compoziția atmosferei și interacțiunea acesteia cu fascicolul optic precum și atenuarea acestuia din cauza fenomenelor de absorbție, împrǎștiere și scintilație. Este caracterizată conexiunea optică neghidată în medii afectate de turbulențe, utilizând modele pentru acestea din urmă, rezultând astfel bugetul de pierderi CON. Este analizat și efectul divergenței optice asupra calității conexiunii.

Capitolul 5 se ocupă de studiul ratei de transfer/distanță de transmisie în comunicațiile optice neghidate cu accent pe studiul metodelor de contracarare a efectelor fenomenelor atmosferice adverse. Acest lucru poate fi realizat prin conexiuni optice multi-fascicol, pentru fluxuri separate de informație sau pentru același flux de date transmis prin fascicole optice identice. Calitatea conexiunii este evaluată folosind factorul BER și diagrama ochi. Este evaluată influența tehnicilor de modulație asupra comunicației optice neghidate.

În capitolul 6 este analizată supraviețuirea conexiunii optice neghidate într-un mediu cu turbulențe, fiind investigate metodele de asigurare a disponibilității conexiunii optice neghidate. Este calculată probabilitatea de întrerupere a fascicolului optic realizându-se un model Matlab pentru evaluarea disponibilității conexiunii folosind metoda valorii de prag. Este evaluată necesitatea utilizării opticii adaptive precum și problematica diversității spațiale și temporale.

La finalul capitolului sunt detaliate elementele de proiectare pentru sisteme CON multi-gigabit, de tip CON – WDM. A fost realizat un model experimental WDM pentru validarea rezultatelor. Simulările și graficele au fost realizate folosind mediul Matlab, Optiwave – OptiSystem și VPI-Photonics.

Capitolul 2

Sistemul de Comunicații Optice Neghidate

2.1 Modelul unui sistem CON

Comunicațiile optice neghidate utilizează ca mediu de transmisie atmosfera terestră și reprezintă o soluție modernă, sigură și relativ ieftină, comparativ cu tehnologiile devenite clasice (radio, fibră optică), pentru obținerea de viteze mari de transmisie pentru conexiuni punct-la-punct.

Figura 2.1 prezintă schema de principiu a unui sistem de comunicații terestre laser punct–la–punct, simplex.

Fascicolul optic este emis de un sistem ce conține una sau mai multe diode laser sau LED folosind „optică de formare” și un sistem de lentile) este în mod deliberat ușor divergent pentru a reduce problemele de nealiniere optică; acest lucru se obține, pentru o distanță dată, din sistemul optic al emițătorului. În partea opusă, semnalul este recepționat de fotodioda aflată în echipamentul receptorului, semnalul fiind colimat (focalizat) pe foto-detector cu ajutorul sistemului optic de formare a fascicolului.

Sistemul CON utilizează modulația unui fascicol laser pentru a transmite date digitale în ambele sensuri (full-duplex) prin intermediul unei perechi emițător-receptor, la fiecare dintre capete. Avem de-a face cu o legătură bilaterală punct-la-punct, prin intermediul unui mediu de transmisie care este atmosfera terestră, echipamentele aflându-se în vizibilitate directă.

Dacă lângă emițător se montează un receptor iar lângă receptor se montează un emițător atunci sistemul simplex din fig. 2.1 devine un sistem duplex (bidirecțional). Ansamblul emițător-receptor se va numi transceiver optic. Cele două căi ale conexiunii operează fiecare pe câte o lungime de undă proprie.

Calitatea unei conexiuni terestre laser duplex este condiționată de:

rigidizarea echipamentului emițător/receptor la fiecare locație a conexiunii, pentru a minimiza efectele vibrațiilor, șocurilor și deplasărilor mecanice ale suportului;

orientarea liniei optice de aliniere proiector – telescop pe o direcție perpendiculară față de direcția de maxim a intensității fondului luminii solare, pentru eliminarea zgomotului de fond din receptor;

plasarea conexiunii în locuri lipsite de surse ce pot produce turbulențe atmosferice (fum, condens, praf industrial, etc.), și de suprafețe cu proprietăți reflectante.

Pentru optimizarea funcționării CON pot fi implementate echipamente adiționale, spre exemplu:

sisteme automate de control al alinierii optice (auto-tracking);

linie de asistență radio (rezervă), utilizată în cazul întreruperii conexiunii optice (turbulențe atmosferice masive);

sisteme de ventilare și termostatare a unităților care lucrează în exterior, fenomenul de condens care apare pe lentile putând produce defocalizarea fluxului optic ce are ca efect atenuarea fascicolului optic util.

2.2 Modelul conexiunii optice

Funcționarea conexiunii laser se bazează pe transmisia unui fascicol optic divergent, în linia de vizibilitate directă. În figura 2.2 este reprezentată schematic o conexiune CON în care echipamentele laser sunt plasate pe înălțimi dominante (clădiri sau forme de relief înalte), și sunt orientate unul către celălalt. Echipamentul transmițător trimite informația digitală către receptor prin intermediul unei raze laser modulate. Acest fascicol este, de fapt, un con de lumină, și este, în mod deliberat ușor divergent pentru a reduce problemele de nealiniere optică. În partea de recepție, semnalul este preluat de o fotodiodă. Echipamentul utilizează modulația unui fascicol laser pentru a schimba date digitale în ambele sensuri (Full-Duplex) prin intermediul unei perechi emițător-receptor (în ambele sensuri), la fiecare dintre capete. Avem de-a face cu o legătură bilaterală punct-la-punct, prin intermediul unui mediu de transmisie care este atmosfera terestră, echipamentele aflându-se în vizibilitate directă.

Structura unui sistem CON duplex este reprezentata în figura 2.2.

Unitatea de emisie, denumită și proiector sau lunetă, are în componență un sistem de lentile care direcționează și focalizează fascicolul de lumină către receptor. Performanțele întregului sistem depind de calitatea acestui sistem de lentile și de tipul diodei utilizate (LED sau laser).

Între emițător și receptor semnalul se propagă prin canalul atmosferic și este afectat de turbulențe și fenomene de absorbție și împrăștiere. Zgomotul de fond, produs de radiația solară, scade raportul semnal/zgomot al sistemului. Filtrele optice, plasate în amonte de fotodioda din blocul receptor, refac raportul semnal/zgomot (figura 2.2). Receptorul, denumit și telescop, este dotat cu un sistem optic ce direcționează și focalizează fascicolul optic pe suprafața activă a fotodiodei.

Considerând un sistem de axe al cărui plan xOy este planul sistemului de lentile de la emisie, axa Oz este dreapta de propagare a fascicolului gaussian.

Fascicolul gaussian care se propagă de-a lungul axei z, poate fi caracterizat la emițător (z=0) de raza fascicolului optic W0, la care intensitatea fascicolului optic scade cu 1/e2 față de maximul atribuit axei optice, de numărul de undă k = 2/ (unde este lungimea de undă) și de raza curburii Fo care specifică frontul de undă al fascicolului optic. Cazurile F0 = ∞, F0 > 0 și F0 < 0 corespund cazurilor în care fascicolul optic este colimat (focalizat), convergent și respectiv divergent. Fascicolul optic la z = L este descris de parametrii de formare inițială:

(sursa formulelor)

(2.1)

în care 0 descrie curbura, iar 0 este raportul Fresnel al undei la z = 0. Parametrii de ieșire ai undei plane sunt:

(2.2)

unde F este raza curburii fascicolului optic la receptor. Raza fascicolului optic la receptor este dată de relația:

(2.3)

Semiunghiul divergenței fascicolului optic este:

(2.4)

unde

(2.5)

este raza fascicolului optic la jumătatea distanței dintre emițător și receptor.

Se poate defini intensitatea și puterea de-a lungul fascicolului optic. Iradianța este intensitatea undei optice, egală cu pătratul amplitudinii. Axa optică definește dreapta care unește centrele sistemelor optice ale emițătorului și respectiv receptorului. La distanța r față de axa optică, în planul de propagare, iradianța poate fi exprimată ca fiind [43]:

(2.6)

unde I0 = I0 (0, 0) este iradianta la ieșirea transmițătorului pe centrul fascicolului optic, iar exponentul exprimă iradianța în spațiu liber (considerat fără turbulențe).

Relația dintre intensitatea undei optice și puterea totală a fascicolului optic pentru cazul r=0 poate fi scrisă sub forma:

(2.7)

unde P0 este puterea totală transmisă de fascicolul optic. Puterea P incidentă pe apertura lentilelor receptorului de diametru D situat la distanța L este:

(2.8)

Parametrii sunt prezentați în figura 2.3. La unghiuri mari ale divergenței, mrad, și =W0/|F0|. Atunci, relația (2.5) poate fi exprimată sub forma W = W0 + L.

Presupunând că la receptor amprenta fascicolului optic este mai mare decât diametrul suprafeței active a receptorului, , intensitatea optică pe lentila receptorului poate fi considerată uniform distribuită. Puterea optică recepționată poate fi scrisă ca:

(2.9)

2.3 Modelul semnalului

Alegerea modelului de canal adecvat pentru sistemul optic depinde de nivelul relativ al zgomotului optic (radiație de fond) resimțit în locul în care sistemul a fost implementat. Canalul de acest tip poate fi modelat cu ajutorul unui proces Poisson. Aproximația poate fi realizată datorită naturii aleatorii a fotonilor emiși de către sursa luminoasă. Pentru cazul în care radiația de fond (zgomotul) are o putere comparabilă cu cea a semnalului optic, (această situație se poate întâlni când mai multe sisteme de emisie-recepție optică utilizează aceeași lungime de undă) zgomotul în canal poate fi modelat aproximativ de un zgomot alb, gaussian și aditiv (ZAGA). Acuratețea modelului poate fi considerabil mărită prin combinarea contribuțiilor distribuțiilor poissoniene cât și a celei gaussiene. Pentru a obține forma mixtă, primul pas a constat în calculul sumei variabilelor stocastice Poisson și gaussiană. Expresia densității de probabilitate pentru o astfel de sumă este ușor de determinat analitic, dar o abordare numerică este imposibilă întrucât conține o însumare a unui număr infinit de termeni.

Schema unui sistem optic wireless este prezentată în figura 2.4.

Canalul optic wireless este un canal în care se folosește modulația în intensitate și detecția directă (IM/DD).

Modelul echivalent al canalului este ilustrat în figura 2.5 unde x(t) reprezintă puterea optică (semnalul de intrare), y(t) este fotocurentul total produs de către fotodetector Rpr este sensibilitatea fotodiodei, iar h(t) este răspunsul canalului.

Folosind modelul gaussian, curentul la ieșirea receptorului este dat de:

(2.10)

unde simbolul „” desemnează convoluția datorită faptului că semnalul optic nu are valori negative, iar puterea optică medie transmisă, P, este limitată prin standarde pentru a respecta normele de siguranță a ochilor și a pielii, astfel încât x(t) trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

(2.11)

unde x(t) este putere.

Aceste constrângeri influențează încă din faza de proiectare alegerea tipului de semnal, a modelului canalului și a modulației. În ecuația de mai sus semnalul de intrare x(t) reprezintă putere, nu amplitudine. Această condiție diferă de cea a canalelor convenționale wireless de RF, unde puterea și totodată media pătratică a amplitudinii semnalului de intrare este limitată. Aceste constrângeri unice fac distincția între canalul wireless optic și canalele convenționale cu zgomot gaussian liniar.

Canalul rezultat combină caracteristicile de filtre de zgomot gaussian ale canalelor tradiționale (convenționale) bazate pe cupru și constrângerile IM/DD ale sistemelor bazate pe transmisia prin fibre optice. Este posibil ca schemele de modulație folosite în canalele convenționale cu rezultate satisfăcătoare să nu fie potrivite canalelor optice wireless. Mai multe detalii referitoare la schemele de modulații vor fi prezentate în capitolul 3.

2.4 Integrarea sistemului optic neghidat în rețele de acces de bandă largă

Tehnologiile optice fără fir folosesc transmisia optică prin atmosferă. Accesul optic fără fir este utilizat tot mai des în transmisia traficului în zonele urbane aglomerate, pentru a conecta un abonat la furnizorul de servicii. Comunicația optică impune alinierea optică a proiectorului (emițătorul optic) cu telescopul (receptorul optic). Conexiunile optice multiple punct-la-punct pot forma o rețea mesh cu caracteristici îmbunătățite de scalabilitate și fiabilitate. Costul unei conexiuni optice neghidate este 10% din costul aceleiași conexiuni pe fibră optică, iar durata de instalare este de cel mult două zile. Conexiunea optică fără fir furnizează viteze de până la 2,4Gb/s, iar în cadrul testelor de laborator s-a ajuns la viteze de 10Gb/s. Lungimea conexiunii poate ajunge la 4km, în condiții optime de vizibilitate. Atmosfera este un mediu ostil pentru transmisia optică, datorită proceselor de atenuare prin absorbție, împrăștiere și scintilație care erodează semnalul optic pe traseul proiector – telescop. Turbulențele atmosferice, ceața, ploaia, ninsoarea, pot reduce lungimea conexiunii optice fără fir la mai puțin de câteva sute de metri. Divergența mică a proiectorului (tipic miliradiani) face dificilă alinierea optică între proiector și telescop pe distanțe mari (de ordinul km). Supraviețuirea conexiunii optice fără fir este condiționată de folosirea sistemelor autoadaptive pentru aliniere și tehnologiilor de contracarare a fluctuațiilor atmosferice. Integrarea cu rețele pe cablu, de exemplu cu rețelele optice pasive PON, îmbunătățește mult performanța și asigură supraviețuirea conexiunii optice fără fir.

Diversitatea tehnologiilor de acces de bandă largă, utilizate în mod curent în rețelele actuale, este prezentată în tabelul 2.1.

Conexiunea optică fără fir este o tehnologie complementară conexiunii prin fibră optică. Comparativ cu tehnologiile radio, conexiunea optică fără fir este economică, asigură bandă mult mai largă și securitate și reduce timpul de acceptare pe piață. Tehnologia optică fără fir are capacitatea de a accelera finalizarea unei rețele optice de acces și de a aduce traficul în rețeaua locală LAN, în mod securizat și fiabil.

Conexiunea optică fără fir este o soluție „oriunde și oricând” pentru completarea rețelelor de acces existente, în orice topologie, cu aport imediat de venituri. Flexibilitatea conexiunii optice fără fir o face extrem de atractivă pentru eliminarea gâtuirilor de trafic în rețelele de acces.

Comunicația optică este abordarea optimă în ceea ce privește accesul de mare viteză. Natura optică a transportului traficului facilitează conectivitatea fibră optică – CON, ceea ce creează rezerve substanțiale pentru creșterea capacității în zona rețelelor de acces [4]. În atmosferă, semnalul optic este reflectat, refractat și absorbit de obiecte, ceață, ploaie. Teoretic, orice lungime de undă poate fi utilizată dacă se introduc metode de compensare a pierderilor de putere cauzate de condițiile atmosferice prin diferite mecanisme specifice de atenuare, precum absorbția, împrăștierea sau scintilația. Nivelul minim al absorbției se găsește în fereastra lungimii de undă de 1550nm, iar pierderile prin împrăștiere Mie cresc odată cu scăderea lungimii de undă. Turbulențele atmosferice pot schimba relativ ușor starea de polarizare a fascicolului laser, pe distanța de propagare.

2.4.1. Sistemul punct-la-punct

Principiul unei conexiuni optice punct-la-punct realizate cu un fascicol laser sau LED se bazează pe transmisia unui fascicol optic divergent, echipamentele aflându-se în vizibilitate directă. În figura 2.6 este reprezentată schematic o conexiune CON [11] în care echipamentele laser sunt plasate pe înălțimi dominante (clădiri sau forme de relief înalte), și sunt orientate unul către celălalt. Echipamentul aflat în locația A trimite informație digitală către locația B prin intermediul unui fascicol laser. În partea opusă, semnalul este recepționat de fotodioda aflată în echipamentul din locația B. Pentru o comunicație duplex, același proces se desfășoară concomitent de la B la A.

Comunicația punct-la-punct este realizată prin alinierea emițătorului și receptorului pe linia de vizibilitate directă și transmisia semnalului prin canalul atmosferic.

O unitate CON este echipată cu emițător și receptor și va fi denumită în continuare unitate ER (emițător-receptor). Structura unui sistem complet CON (interior-exterior) cu modalitatea de conectare a echipamentelor componente este reprezentată în figura 2.7.

Implementarea sistemelor de transmisiuni ce folosesc tehnologie CON este asemănătoare cu a sistemelor de relee radio:

instalare pe înălțimi dominante (clădiri, piloni sau formațiuni de relief înalte);

echipamentele trebuie să fie poziționate în linie de vedere directă, fără obstacole;

timpi de instalare (montare/aliniere) mai mici de o zi per conexiune optică.

Este necesară o aliniere foarte precisă, dată de caracteristicile echipamentului (divergență scăzută a fascicolului laser). Gradul de „cuplaj” al legăturii optice este dat de alinierea transmițătorului cu receptorul. Această aliniere poate fi influențată (și) de vibrații și deplasări mecanice. Divergența fascicolului este o funcție strâns legată de construcția, designul și calitatea opticii folosite. Un fascicol focalizat îngust este de preferat, dar are dezavantajul creșterii costurilor prin existența lentilelor de colimare și unităților de urmărire automată. Diametrul lentilelor receptorului trebuie să se potrivească perfect cu „amprenta” fascicolului care să conțină maximul de energie optică ce poate fi extras. În acest scop, la emițător trebuie să existe dispozitive de focalizare care să permită împerecherea optică emițător-receptor pentru o distanță dată a legăturii [11], [12].

2.4.2. Sistemul inel

În figura 2.8 se prezintă o arhitectură de rețea de tip inel, în care distanțele dintre noduri (locații) sunt de până la 1000 m. Topologia inel conectează locațiile 1-6 printr-o conexiune optică în buclă. În topologia inel nu există capete libere. Semnalul parcurge bucla într-o singură direcție, trecând pe la fiecare transceiver optic [5]. Spre deosebire de topologia magistrală, care este pasivă, aici fiecare transceiver acționează ca un repetor, preluând fascicolul optic, amplificându-l și transmițându-l la transceiverul următor. Deoarece fascicolul traversează rețeaua trecând prin fiecare unitate de emisie-recepție, defectarea uneia dintre ele afectează întreaga rețea.

În figura 2.8, fiecare locație poate stabili o conexiune cu toate celelalte locații. Între locațiile 1, 2 și 4, 5 sunt montate repetoare optice (RO), pentru a reface puterea semnalului între limitele admisibile ale bugetului de pierderi. De fapt, în toate locațiile 1-6 sunt dispuse repetoare optice, de tip transceiver dual, echipate cu module ROADM. Prin intermediul acestora este injectat/extras fascicolul optic în/din rețea. Amplasarea multiplexoarelor ROADM transformă rețeaua inel din figura 2.8 într-o rețea optică transparentă.

În cazul disfuncției unui transceiver optic, traficul în inel este întrerupt prin sucombarea conexiunii asociate nodului defect. În sensul de deplasare al traficului prin inel, nodurile succesoare nodului defect sunt inaccesibile traficului. Restabilirea comunicației în inel se realizează prin inversarea sensului de parcurs, cu ajutorul unor protocoale de schimbare de sens.

Ca exemplu, în figura 2.9 este reprezentat un inel MAN de fibră optică dublat de un inel CON. Acesta din urmă poate îndeplini și rol de extensie. Punctul de prezență POP stabilește legătura dintre magistrala de fibră optică și inelul CON.

Unitatea POP este fie complet transparentă, caz în care cuplajul fibră optică – CON este direct, eventual cu amplificare EDFA sau SOA, fie asigură conversia optic-electric-optic pentru preluarea/inserția fluxului electronic [10], [11], [12], [13].

Tipul de semnal optic comun fibrei optice și tehnologiei CON facilitează racordarea directă a unei rețele de acces CON de ultim kilometru la magistrală prin intermediul fibrei optice. Prin utilizarea interfețelor multiprotocol OSU, care combină circuite Ethernet și TDM T1/E1 într-un trunchi optic[14], [15] conectat direct cu transceiverul CON, pot fi furnizate multiple servicii punct-la-punct de-a lungul unei conexiuni CON [16].

Avantajele inelului CON includ sincronizare standard SDH/Sonet, posibilitatea de interfațare cu trunchiuri optice STM-1/OC [17]. De asemenea, se pot cupla până la patru interfețe E1/T1 și o singură interfață Ethernet 10/100/1000-base-TX (full duplex).

2.4.3. Sistemul mesh

Topologia CON mesh oferă variante flexibile de interconectare a nodurilor cu păstrarea avantajelor evidențiate de soluțiile inel și stea.

Figura 2.10 prezintă o rețea mesh derivată din extinderea unei topologii inel. Instalarea de conexiuni suplimentare (liniile punctate) crește fiabilitatea și securitatea rețelei în caz de defectare, prin redundanță.

Rețeaua mesh oferă o conexiune optică continuă și dispune de algoritmi de reconfigurare în cazul detecției nodurilor blocate sau neoperaționale. Algoritmii sunt utilizați pentru a găsi cea mai bună rută de ocolire a nodurilor neoperaționale și de transmisie securizată la destinație a pachetelor de date.

O rețea mesh-optică  în care toate nodurile sunt interconectate este o rețea total conectată. Rețeaua mesh-optică prezintă proprietatea specifică de a interconecta toate componentele rețelei prin unități, în general fixe, denumite hop-uri (nodurile 1-6). Singura problemă care poate apare este distanța uneori prea mare între „diagonalele” rețelei. Pentru o rețea cablată sau radio acest lucru nu reprezintă un impediment însă pentru comunicația optică este important în cazul în care atmosfera produce o atenuare peste limita de supraviețuire a conexiunii.

Dacă la intersecția diagonalelor rețelei se plasează un nod central (unitate optică punct-la-multipunct), atunci rețeaua mesh devine un amestec de topologii stea și inel (figura 2.11). Din punct de vedere al fiabilității, distanțele mai scurte sunt avantajoase întrucât unitatea optică multipunct este localizată în centrul rețelei [11].

În schema din figura 2.11, UOM îndeplinește, printre alte funcții, și rolul de repetor optic activ. Acesta furnizează transmisiei traficului securitate parțială la blocare, prin selectarea căilor optice alternative în cazul întreruperii unei conexiuni [6], [7], [8].

Comparativ cu configurațiile inel și stea, topologia mesh-CON furnizează comunicației securitate sporită, cu costuri mai mari, impuse de complexitatea echipamentelor utilizate.

Topologia mesh este o infrastructură descentralizată, capabilă să interconecteze un număr mare de noduri pe o suprafață relativ întinsă (km pătrați). Această topologie este aplicabilă rețelelor multi-nod, este scalabilă, poate transporta volume mari de date standardizate la viteze de până la 40Gbps per conexiune optică, furnizând cea mai bună protecție atât rețelei cât și serviciului. Topologia mesh CON este aplicabilă și rețelelor ad-hoc dacă se asigură conectivitate optică pentru conexiune. Costurile unei rețele mesh cresc odată cu numărul nodurilor, datorită creșterii conectivității per nod și traficului asociat acestora.

În general, un nod al unei rețele mesh optice ce folosește optica neghidată ca mijloc de comunicație este capabil să găsească nodul corespondent cu care trebuie să comunice, să se poziționeze precis astfel încât să realizeze o anumită viteză de transfer a datelor cu un factor BER impus, și, în cazul deplasării nodului corespondent, să fie capabil să-l urmărească, menținând viteza de transmisie și rata erorilor [1]. În acest sens, nodurile trebuie să conțină tehnologie care să permită conexiuni optice punct-la-multipunct sau de tip omnidirecțional.

Tehnologiile ce folosesc optica neghidată sunt atractive datorită reutilizării densității spațiale, consecință a directivității fluxurilor optice, prin consumul redus de energie, viteza mare de transmisie a datelor și eliminarea restricțiilor legate de necesitatea licențierii frecvențelor. Dezavantajele sunt legate de obligativitatea asigurării unei linii directe de vedere între nodurile ce comunică optic și de reducere a calității transmisiei în cazul obstrucționării parțiale sau totale a liniei de vedere, sau atenuării semnalului din cauza fenomenelor meteorologice.

Pentru a putea fi integrate în rețele mesh optice, CON trebuie să răspundă următoarelor probleme:

cât de repede și de precis poate fi stabilită și menținută conexiunea optică între nodurile rețelei (reconfigurare fizică autonomă folosind metode de căutare și aliniere)?

cum se poate optimiza performanța rețelei în termeni de costuri rețea și managementul congestiei (reconfigurare logică autonomă folosind optimizarea topologiei)?

cum se poate răspunde autonom la posibilele degradări de performanță datorită pierderii conexiunii optice sau schimbărilor dese și rapide în cererile de trafic (reconfigurare dinamică prin controlul topologiei)?

Dezvoltarea unei rețele wireless mesh se bazează pe componentele deja existente: protocoale de rutare pentru rețele ad-hoc, protocolul MAC IEEE 802.11 și protocoale pentru securitate WEP, WPA și WPA2.

Problemele pe care le ridică folosirea tehnologiei CON în rețele mesh se referă la:

generarea de informație completă despre dispunerea nodurilor și modul în care pun în comun informațiile de poziție pentru stabilirea rutei optime;

reprezentarea informației de rutare într-un cadru local de coordonate 3D-dimensional ce cuprinde informația de „localizare” a nodurilor utilizând GPS și dispozitivele ce furnizează azimutul și elevația;

găsirea unei metode de măsurare precisă a vectorilor de aliniere a transceiverelor CON datorită directivității pronunțate a fluxurilor optice laser sau LED;

rapiditatea și precizia cu care se pot stabili conexiuni optice între noduri (mobile sau fixe) în rețea precum și menținerea alinierii ȋn cazul vibrațiilor și deplasărilor;

găsirea metodelor de optimizare a performanței rețelei în termeni de costuri de rețea și congestie în rețele CON (protocoale specifice).

Rețelele mesh-CON se pot clasifica în 3 grupe, ținând cont de funcționalitatea nodurilor, și anume: rețele mesh-CON conectate cu rețele magistrale, rețele mesh-CON client și rețele mesh-CON hibride [2].

Caracteristicile tehnologiilor mesh optice sunt legate de crearea de rețele multi-hop, suport pentru rețele ad-hoc optice și capabilități de auto-configurare (uneori și auto-organizare), dependența mobilității de tipul nodurilor mesh (ruterele mesh optice au mobilitate minimă, clienții mesh putând fi noduri staționare, mobile sau nomadice [2]).

De asemenea, pot fi asigurate diverse tipuri de acces la rețea (acces Internet cât și comunicarea punct la punct) și se permite integrarea altor tipuri de rețele wireless, atât radio cât și optice.

O caracteristică importantă a rețelelor mesh-optice o reprezintă (retro)compatibilitatea și interoperabilitatea cu rețelele wireless existente, acestea trebuind să asigure conectivitate atât pentru clienți ce dețin echipamente optice, cât și pentru clienți ce dețin rutere Wi-Fi. De asemenea, este necesară și interoperabilitatea cu alte tipuri de rețele wireless radio, cum ar fi WIMAX și rețelele celulare [2].

Aplicațiile rețelelor mesh optice care conțin conexiuni CON sunt legate de realizarea de rețele rezidențiale de bandă largă, rețele de cartier și întreprinderi, rețele metropolitane și rețele ce necesită o securitate sporită [2].

Factorii care influențează performanța unei rețele mesh optice sunt tehnologiile folosite, scalabilitatea, conectivitatea mesh și asigurarea QoS [2].

De asemenea, trebuie asigurată compatibilitatea și inter-operabilitatea precum și asigurarea securității datelor, în același timp cu asigurarea unei operări facile.

Rutarea în rețelele mesh întâmpină un număr de probleme, incluzând restricții de bandă, topologie dinamică a rețelei și incertitudinea calității căii [3]. Stabilirea procedurii de rutare în rețelele mesh optice trebuie să fie dinamică și adaptivă. Marea parte a abordărilor propuse în prezent sunt derivate din extensii ale protocoalelor de rutare existente ale rețelelor Ethernet bazate pe cablu. Protocoalele de rutare pot fi clasificate ca proactive, reactive și hibride.

În cadrul topologiei de tip mesh, toate nodurile sunt de tip trasator de rute, ca în figura 2.12. Nodurile sunt capabile să comunice atât între ele, cât și cu puntea de legătură.

Datele pot ajunge la stația centrală fie direct de la nodul furnizor, fie după ce au tranzitat mai multe noduri optice conectate cu nodul furnizor. Această modalitate de propagare a datelor permite extinderea rețelei pe o rază nelimitată. Rețeaua de tip mesh este, de asemenea, foarte tolerantă la eventuale defecțiuni ale conexiunilor, pentru fiecare nod existând mai multe căi de comunicare a datelor către puntea de legătură [4], [5]. Dacă un nod este afectat și nu mai poate funcționa ca receptor sau transmițător de date, rețeaua se auto-configurează și găsește o cale alternativă ocolind blocajul.

Dezavantajul acestui tip de topologie constă în întârzierile care pot apărea când rețeaua se extinde prea mult. Rețelele cu rază scurtă de acțiune, bazate pe arhitecturile de tip mesh au evoluat mult în zilele noastre, permițând managementul eficient al diverselor dispozitive optice, radio sau hibride.

Capacitatea de auto-organizare a acestor rețele a contribuit la dezvoltarea de noi aplicații, această proprietate conducând la adoptarea lor în multe aplicații recente ce folosesc, spre exemplu, comunicația optică inter-nod pentru rețele mesh pur optice [6], [7], [8].

Rețelele de tip mesh-optice pot fi proiectate în diferite moduri, pentru a face față diferitelor cerințe. Există, însă, un set de bază de cerințe comune. Acestea includ:

Scalabilitatea. Rețeaua trebuie să suporte numărul de noduri necesare în momentul inițializării acesteia și, în același timp, să poată susține creșterea ei fără a afecta eficiența de transmisie sau capacitatea de stocare a datelor.

Receptivitatea. Tehnologia trebuie să permită recepția datelor în condiții de mediu dintre cele mai diverse, conexiunile optice fiind dublate obligatoriu de conexiuni radio.

Aria de acoperire (distanța). Este mai eficient din punct de vedere al consumului de energie să se emită cu putere optică mică, la distanțe de sute de metri decât să fie transmis un semnal puternic, pe o distanță mare. Dispozitivele de repetare dintr-o rețea folosesc un protocol care suportă redirecționare în trepte (de tip multi-hop), astfel încât pachetele de date să fie transmise de la un nod la altul, atunci când distanța dintre sursă și destinație este prea mare.

Comunicarea bi-direcțională. Comunicarea dintre oricare nod și unitatea centrală trebuie să fie bi-direcțională. Pe de o parte aceasta va permite stației de bază să transmită anumite semnale de ajustare a parametrilor de funcționare a nodurilor. Pe de altă parte, nodurile vor putea, astfel, funcționa și ca repetori sau elemente de confirmare.

Siguranța datelor. Integritatea datelor este întotdeauna o cerință critică pentru multe aplicații.

Factorul dimensionării fizice. Dimensionarea fizică a transceiverelor optice trebuie să fie cât mai compactă, astfel încât nodurile optice finale să permită atașarea cu ușurință la dispozitivele existente.

Punctul critic al rețelelor mesh este scalabilitatea, deoarece există un număr foarte mare de protocoale de rutare, acestea trebuind să fie corespunzătoare segmentelor de rețea cu fir/fără fir (radio sau optic).

Sunt necesare protocoale robuste pentru a face față atât cerințelor anterioare, cât și cerințelor particulare ce pot apărea pentru topologiile de tip mesh. Protocolul de direcționare oferă suport pentru topologia rețelei și gestionează vehicularea datelor în rețea. Pentru ca rețeaua să se ridice la standardele unei rețele mesh având comunicație hibridă (optică și radio), protocolul trebuie să suporte toate cerințele de bază. De asemenea, se pot folosi tehnici de modulație moderne precum OFDM.

Rețelele de acces mesh-optic pot fi realizate folosind conexiuni optice pe fibră optică sau conexiuni punct-la-punct de tip wireless optic. Rețelele mesh bazate pe acces optic pot profita de agregarea facilă cu rețelele magistrale (uneori pot lipsi rețelele suport), cu beneficii directe în ceea ce privește viteza traficului la utilizator.

Pentru rețelele mesh cu acces optic se pot prevedea scheme complexe de depanare a rețelei, pe diferite nivele de protecție și restaurare împotriva diverselor tipuri de defecte ce pot apărea în rețea. Protecțiile în rețea pot fi de canal, conexiune, segment și de cale de transmisiune.

Rețelele mesh optice pot beneficia de transparență, care se traduce prin lipsa conversiilor optic-electric și electric-optic în nodurile rețelei. Rețelele tradiționale opace au nevoie de conversii multiple realizate în transpondere care au rolul de reamplificare, reformare de semnal și resincronizare (3R). Dacă prelucrarea și comutarea semnalelor se face integral în domeniul optic (folosind distribuitoare optice și multiplexoare fotonice reconfigurabile ROADM pentru conectarea cu rețelele suport sau magistrale), atunci rețeaua este total transparentă, calitate ce permite tranzitul unei mari diversități de formate.

Rutarea traficului în rețele mesh optice total transparente este o problemă de selecție și alocare a lungimilor de undă, ce rezolvă continuitatea lungimii de undă pe o cale optică și/sau conversia lungimilor de undă. Acest tip de rețele sunt descrise ca rețele cu rutarea lungimilor de undă, sau WRN. Rețelele opace pot (re)utiliza aceleași lungimi de undă pentru segmente ce compun o cale optică, pe baza unor algoritmi optimali de rutare pentru căile de lucru și de protecție.

Capitolul 3

Componente și tehnologii optice

3.1 Surse optice

3.1.1. Dioda LED

Diodele LED sunt utilizate pentru rate de bit scăzute, produc un fascicol mai puțin precis decât al unei diode laser și operează în gama de lungimi de undă 700 – 900 nm.

Diodele LED sunt utilizate pentru comunicații pe distanțe scurte și pentru a reduce prețul echipamentelor. Caracteristicile electrice și optice sunt sintetizate în tabelul 3.1.

Pentru a proiecta un sistem CON, interesează în special răspunsul în frecvență al unui LED, care este determinat de dinamica purtătorilor de sarcină și, implicit, de durata de viață a acestora Tn. Un parametru ce influențează răspunsul în frecvență este reprezentat de capacitatea parazită a unui LED (descrisă de constanta de timp TRC).

Dacă se aplică un curent de polarizare de valoare mică, constant, atunci influența capacității parazite a LED-ului poate fi neglijată. Configurația de test a sistemului poate fi văzută în figura 3.1:

Banda de modulație optică la 3dB poate fi definită ca frecvența de modulație pentru care funcția de transfer în putere este redusă cu 3dB. Atunci se poate scrie expresia:

(3.1)

Valorile pentru durata de viață a purtătorilor de sarcină Tn și pentru constanta RC sunt de 1ns. Din formula (3.1) rezultă .

Caz numeric: pentru o viteză de transmisie de 300Mbps și o lungime a secvenței de 128 biți, lățimea ferestrei este de aproximativ 430ns.

Pentru 256 eșantioane per bit rezultă o frecvență de eșantionare de 76GHz. Rezoluția este de aproximativ 2MHz. Pentru este analizată descrierea diagramei ochi pentru evaluarea performanței sistemului. Rezultatele, pentru viteze de transmisie de 100 și 300Mbps sunt reprezentate în figura 3.1.

Mărind rata de bit peste valoarea critică a benzii optice la 3dB degradarea performanțelor este vizibilă.

Dacă se menține valoarea de 300Mbps și se reduc timpii Tn și TRC atunci se poate mări valoarea f3dB (figura 3.2).

3.1.2. Dioda LASER

Diodele laser au o putere radiantă la ieșire mai mare decât diodele LED și furnizează fascicol coerent.

Diodele laser utilizate în CON sunt de trei tipuri:

Fabry Perot (FP),

Distributed Feedback (DFB),

Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL).

Diodele laser FP și DFB sunt utilizate pentru lungimi de undă mari (1500 – 1600nm), iar VCSEL pentru lungimi de undă în jurul a 850nm.

În tabelul 3.2 sunt redate valorile tipice ale puterii radiante și performanțele de modulație pentru laserii uzuali, iar tabelul 3.3 prezintă, comparativ, caracteristicile principalelor tipuri de laseri uzuali și domeniul de utilizare.

Tabelul 3.4 prezintă, comparativ, principalele caracteristici ale diodelor LASER și ale diodelor superluminescente [15], [16].

Pentru a proiecta un sistem CON ce folosește ca transmițător un laser semiconductor, este utilă definirea frecvenței de modulație.

În cazul utilizării pentru sistemele CON de mare viteză a unui laser semiconductor modulat direct, frecvența de modulație nu poate depăși frecvența oscilațiilor de relaxare ale LASER-ului. Frecvența de relaxare depinde deopotrivă de durata de viață a purtătoarei și respectiv a fotonului.

(3.2)

Frecvența de relaxare a oscilațiilor crește odată cu creșterea curentului de polarizare.

Pentru parametrii impliciți, se aleg valorile , , și se consideră , de unde rezultă .

Fereastra de timp pentru lungimea secvenței de 128 biți, este de 98,5ns.

Pentru 512 eșantioane per bit, rezultă o frecvență de eșantionare de 670 GHz. Rezoluția implicită este de 10MHz, figura 3.3.

Creșterea frecvenței de modulație peste frecvența de rezonanță conduce la realizarea unui sistem inutilizabil. Influența curentului de polarizare este foarte importantă; de exemplu, prin scăderea curentului IB la valoarea de 20mA, se reduce performanța sistemului (scăderea bitrate-ului), dar se menține valoarea BER în limite acceptabile, figura 3.4.

3.1.3. Clase de siguranțǎ pentru surse optice

Clasa de siguranță a laserului corespunde cantității maxime de radiație emise de laser la o anumită lungime de undă (tabelul 3.5). Acesta primește clasificarea și eticheta CDRH (Center for Devices and Radiological Health) în funcție de destinația sa. În tabelul 3.5 sunt date clasele și nivelele de siguranță ale laserilor.

3.2 Receptoare optice

În aplicațiile CON pentru recepționarea semnalului optic se folosesc fotodetectoare care sunt fotodiode realizate din joncțiuni pn, fotodiode pin sau cu avalanșă controlată. Variantele pentru alegerea fotodetectorului sunt mult mai limitate comparativ cu ferestrele de lungimi de undă disponibile, aceasta datorită numărului foarte mare de structuri laser și materiale. Cele mai utilizate materiale care intră în compunerea fotodetectoarelor sunt siliciul (Si) sau arseniura de galiu-indiu (InGaAs). Detectoarele se bazează pe tehnologii PIN sau APD. Siliciul este materialul utilizat în domeniul vizibil sau infraroșu apropiat. Tehnologia fotodetectoarelor bazată pe siliciu este matură și poate detecta nivele foarte scăzute ale semnalului. Fotodetectoarele bazate pe siliciu au un maxim de senzitivitate (răspuns spectral) în jurul ferestrei de 850nm. Senzitivitatea reprezintă puterea optică minimă necesară fotodiodei pentru a detecta semnale (energie optică), pentru un BER impus. Fotodetectoarele pe siliciu lucrează foarte bine în conjuncție cu laserii VCSEL ce operează în fereastra de 850nm. Siliciul pierde din senzitivitate brusc pentru lungimi de undă peste 1000nm, având o cădere abruptă la 1100nm.

3.2.1. Fotodioda PIN

Fotodiodele PIN au câștig intern zero, tensiuni mici de polarizare (10-50V pentru λ=850nm și 5-15V pentru λ=1300 – 1550nm), liniaritate pronunțată și curent de întuneric redus. Datorită faptului că sunt dispozitive ieftine, sunt utilizate pe scară largă în realizarea sistemelor optice CON.

3.2.2. Fotodioda APD

Fotodiodele APD au sensibilitate mai ridicată decât diodele PIN. Fotodiodele APD sunt caracterizate prin câștig intern, o dependență puternică de temperatură a curbei V-I și tensiuni înalte de polarizare (250V pentru λ=850nm și 20-30V pentru λ=1300 – 1550nm). Sunt dispozitive scumpe dar ideale pentru viteze mari și sensibilitate ridicată a receptoarelor [17].

3.3 Modulatoare/Demodulatoare

Sistemele CON se bazează pe două metode de modulare a laserului: directă (internă) sau externă. Folosind prima metodă, curentul de polarizare al laserului este modulat, aducând laserul în două stări pornit/oprit. Dacă această metodă este aplicată sistemelor ce comută rapid, atunci materialul semiconductor, în regim dinamic, introduce o modulație de fază intrapuls. Din această cauză se preferă modularea externă a laserului CW, în special pentru sistemele cu rată de bit înaltă (> 2,5Gbps). Se utilizează modulatoare electro-optice de mare viteză, denumite interferometre Mach Zehnder (figura 3.7).

În acest dispozitiv, puterea de intrare este divizată egal între cele două brațe de joncțiunea în Y de la intrare. Fazele relative ale câmpurilor sunt alterate de fazele modulatorului, plasat în cele două brațe, înainte de recombinarea în joncțiunea Y de ieșire. Câmpurile se adună și lumina apare la ieșire când diferența de fază dintre cele două căi este de 2πN radiani (N întreg). Undele se vor anula reciproc și ieșirea va fi zero când diferența de fază este (2N + 1)π radiani. Puterea de ieșire poate fi scrisă:

(3.3)

unde ΔΦ este diferența de fază dintre cele 2 ramuri.

Pentru laserii solizi, pe gaz sau cei cu pompare optică, modularea nu se poate face intern ci folosind modulatoare externe montate în calea radiației (modulare în intensitate sau în fază). Din acest motiv, în CON sunt utilizate aproape exclusiv diodele electroluminiscente (radiație necoerentă) și joncțiunile laser semiconductoare (emit fascicol cvasi-coerent și coerent); ambele tipuri au avantajul că modularea se face direct, intern, prin modificarea curentului de injecție putând fi atinse frecvențe de modulație de sute de MHz pentru diodele electroluminiscente sau zeci de GHz în cazul joncțiunilor laser.

3.4 Detecția opticǎ

Sensibilitatea unui receptor optic este determinată de combinația componentelor electronice care constituie dispozitivul de recepție. Puterea optică minimă detectabilă este raportată la un anumit factor BER. De regulă, valoarea puterii minime detectabile de către o fotodiodă este dată în dBm, la o valoare de referință a factorului BER de 10−9.

Receptoarele heterodină și homodină pot fi utilizate folosind modulații cu stări coerente arbitrare. Aceste receptoare, catalogate ca utilizând modulații de ordin înalt, pot atinge eficiențe spectrale mult mai înalte decât PPM sau OOK cu numărare de fotoni. Sistemele de detecție coerente sunt, în general, mult mai practice decât cele necoerente și sunt folosite pentru aplicații ce necesită rate de bit extrem de înalte. Sistemele coerente sunt, de asemenea utilizate cu precădere pentru:

sisteme care operează în atmosfera terestră;

sisteme afectate de zgomot ambiental;

aplicații de acces multiplu.

Pentru sistemele CON cu distanțe de transmisie de câțiva kilometri „numărarea” de fotoni nu este practică și se poate detecta semnalul la recepție din intensitatea fluxului optic. În cele ce urmează vom considera capacitatea canalului pentru diferite tipuri de modulație în cazul detecției bazate pe intensitatea fluxului optic. Zgomotul la receptor are o distribuție gaussiană. Capacitatea canalului este maximul informației mutuale I(X; Y) dintre intrarea X a canalului și ieșirea Y, în acord cu distribuția la intrare Px(x):

(3.4)

unde Px(x) este PMF a lui X. Fie fY(y) distribuția lui Y și fY/X(y/x) distribuția condițională a lui Y față de X. Variabila X ia valorile 0 și 1, corespunzând stărilor „existență impuls – ON” sau „lipsă impuls – OFF”. De aici se poate scrie relația:

(3.5)

Se va evalua capacitatea pentru canal AWGN (zgomot alb aditiv). Vom considera că, în absența împrăștierii, coeficientul h este 0, iar în prezența ei h este 1. Dacă I0 este intensitatea fluxului optic emis și I intensitatea fluxului receptat, atunci h, care reprezintă coeficientul (gradul) de împrăștiere, se poate scrie:

(3.6)

Semnalul recepționat va fi atunci:

(3.7)

unde este randamentul de conversie optic/electric, care, pentru simplitate, se poate considera 1. De asemenea, n este zgomotul receptorului, dominat de zgomotul termic și modulat de un proces gaussian aleatoriu cu media zero. Pentru poziția OFF, rezultă =n.

În figura 3.8 este prezentată modulația optică pentru detecția necoerentă:

Pentru cele două cazuri studiate avem:

Pentru modulația OOK, dacă se asumă modelul gaussian pentru receptor, atunci probabilitățile condiționate sunt:

(3.8)

(3.9)

S-a considerat că și, practic, nu s-au făcut optimizări față de Px(x). Vom considera simbolurile echiprobabile.

Pentru modulația PPM, vom folosi notația pentru distribuția condițională peste simbolurile de intrare și ieșire Q-PPM. Aici, un simbol x corespunde valorilor Q (per slot), notate cu xi, unde i = 1, …, Q. Se presupune realizarea comunicației în absența interferențelor intersimbol (ISI) ceea ce înseamnă că, semnalul corespunzător unui slot temporal este independent de al celorlalte. Atunci distribuția devine:

(3.10)

Dacă simbolurile sunt echiprobabile, considerăm că primul slot este 1, iar celelalte 0. Vom nota această poziție cu x1. Similar, notăm prin xk simbolul PPM pentru care poziția k este 1. Atunci capacitatea canalului devine:

(3.11)

și:

(3.12)

Distribuțiile p0(y) și p1(y) sunt date în relațiile (3.8) și (3.9). Pentru valori mari ale lui Q, integrala (3.11) este dificil de calculat, în consecință se va utiliza simularea Monte-Carlo pentru a evalua capacitatea C [41].

În figura 3.9 (capacitatea bit/slot) se observă rezultatele unei simulări, respectiv capacitățile OOK și PPM versus SNR. Raportul semnal/zgomot (electric) este exprimat sub forma Eb/N0, unde Eb este puterea medie recepționată pentru un bit de informație, iar N0 este densitatea spectrală de putere a zgomotului. Pentru a fixa SNR, se fixează banda canalului pentru diferite tipuri de modulație (se va fixa durata slotului pentru fiecare Q).

3.5 Alegerea lungimilor de undă și componentelor

Sursele de lumină și receptorii folosiți în realizarea transceiverelor optice sunt combinații ale unor componente semiconductoare. Multe dintre aceste surse și foto-detectori sunt fabricate industrial cu costuri mici în cantități mari, fiind utilizate pe scară largă în tehnologia transmisiei pe fibră optică. Sursele și receptorii optici care au fost optimizate pentru transmisiuni digitale la rate de bit înalte pentru transmisii pe distanțe lungi de zeci și sute de kilometri și folosesc ca suport fibra optică au caracteristici care le fac potrivite și pentru utilizarea în transmisiuni CON digitale.

Ochiul uman este capabil să detecteze radiația luminoasă în spectrul vizibil cu lungimea de undă cuprinsă între 400 nm (albastru) și aproximativ 700nm (roșu). Sistemele CON actuale operează în domeniul 750-1550nm. Se pune problema alegerii domeniilor de lungimi de undă cu atenuare de valori mici în condiții de cer senin.

Figura 3.10 arată care este atenuarea, în dB/km pentru atmosfera terestră în condiții de cer senin și vizibilitate perfecta (> 17km) în funcție de lungimea de undă aleasă pentru transmisie.

Această diagramă a fost creată folosind MODTRAN (MODerate resolution atmospheric TRANsmission), software dezvoltat de Spectral Sciences Inc. și Airforce Research Laboratory pentru studiul proprietăților de transmisie optică prin atmosfera terestră.

După cum se observă în figura 3.8, există câteva ferestre care sunt aproape „transparente” optic (atenuare < 0,2dB/km, condiții de cer senin), situate în intervalul 700-1600nm.

Aceste ferestre sunt centrate pe următoarele lungimi de undă:

• 850 nm – caracterizată prin atenuare scăzută ce se pretează pentru sisteme CON. Sunt disponibile diode laser și fotodetectori fiabili, ieftini, produși pe scară largă în industria de telecomunicații. Se pot utiliza diode fotodetectoare sensibile de tip APD și diode laser VCSEL care folosesc această fereastră;

• 1060nm – în această fereastră valorile atenuării sunt extrem de mici. Din nefericire componentele corespunzătoare pentru lucrul în această fereastră nu sunt disponibile în mod uzual datorită utilizării reduse de către industria de componente pentru telecomunicații;

• 1250nm – oferă atenuare mică, dar laserii ce emit în această fereastră sunt utilizați sporadic, în aplicații nespecifice CON. Atenuarea atmosferică crește foarte mult la 1290 nm făcând ca utilizarea acestei ferestre să fie doar una marginală;

• 1550nm – această bandă este potrivită transmisiilor CON datorită atenuării mici și proliferării transmițătorilor și receptorilor de calitate. Componentele includ diode laser eficiente și fiabile, precum și amplificatoare EDFA și SOA.

Folosirea în comunicațiile optice neghidate a ferestrei de 1550 nm conduce la avantaje legate de propagarea fluxului optic în caz de vreme nefavorabilă, neafectarea vederii umane, și, foarte important, fascicolul optic cu această lungime de undă poate penetra o mare varietate de tipuri de sticlă. Acest lucru este important deoarece se elimină necesitatea negocierii drepturilor de operare a unităților CON situate pe acoperișul clădirilor. Comunicația CON de tip fereastră-fereastră elimină și costurile suplimentare legate de izolarea și protecția contra intemperiilor a echipamentelor care, altfel, ar trebui să lucreze în spațiu deschis. De asemenea, timpul de punere în funcțiune a unui sistem CON fereastră-fereastră este mult redus (30 minute sau mai puțin), datorită sistemelor de urmărire și aliniere dinamică emițător-receptor.

Trebuie remarcat faptul că trei din cele patru ferestre de atenuare prezentate anterior coincid cu ferestrele standard utilizate în sistemele echipate cu fibră optică. Acest lucru este notabil pentru proiectanții de sisteme CON deoarece pot profita de existența unor componente fiabile, performante și relativ ieftine, ajunse la maturitate tehnologică.

Alegerea tipului potrivit de componentă pentru obținerea unei viteze de transmisie la o distanță dată, cu un anumit cost, este strâns legată de caracteristicile acesteia. Figura 3.11 arată care sunt limitele aproximative ale sensibilității pentru dispozitivele de emisie și recepție folosite în construcția transceiverelor CON.

Figura 3.9 arată că dioda LASER produce putere de câțiva mW, iar dioda LED generează putere în domeniul 100 – 200μW. În ambele cazuri puterea emisă scade odată cu creșterea vitezei de transmisie. În general, dioda LED furnizează o putere cu 10-15dB mai mică decât dioda LASER. Nivelul puterii optice este un criteriu foarte important atunci când performanțele sistemului sunt limitate de zgomotul detectorului.

Un comentariu poate fi făcut cu privire la rata de bit maximă suportată de sistem în cazul celor două tipuri de transmițători.

Limitarea survine în cazul LED-urilor unde frecvența maximă nu poate depăși câteva sute de Mbps. Diodele laser pot asigura viteze de transmisie ce depășesc 10Gbps.

3.6. Modulația optică

3.6.1. Modulația OOK

Cel mai răspândit format de modulație utilizat în comunicațiile CON este OOK (On-Off Keying), deoarece transceiverele sunt simple, iar interfațarea cu sistemele de fibră optică, facilă. Cunoscută și ca modulație binară cu schimbare de amplitudine, OOK este o formă a modulației în intensitate, IM, în care fiecare simbol binar este reprezentat prin prezența sau absența energiei semnalului optic. La receptor, deciziile logice de „0” și „1” sunt determinate de energiile simbolurilor recepționate, ce pot fi peste sau sub un nivel de prag ales. Pentru a obține un factor BER în limite acceptabile (minim 10-9), valoarea de prag trebuie să se modifice permanent, printr-un proces de feedback realizabil ca un sistem de control al erorilor – FEC implementat hardware [8], [31].

Pentru un receptor OOK, probabilitatea de eroare este aproximată de:

(3.13)

unde Navg este SNR, egal cu media numărului de fotoni/bit recepționați, iar funcția Q este:

(3.14)

Funcțiile Erf și Erfc sunt funcțiile de eroare și, respectiv, complementară de eroare.

Este demn de reținut că expresiile BER din ecuațiile (3.13) și (3.14) sunt valabile în cazul în care distribuția zgomotului este gaussiană.

Modulația OOK poate fi utilizată atât pentru formate NRZ cât și pentru formate de tip RZ. Pentru formatul OOK-NRZ puterea optică αePT reprezintă simbolul digital „0” în timp ce puterea optică PT reprezintă simbolul „1”. Factorul de extincție optică αe ia valori între 0 și 1, 0 ≤ αe < 1. Durata finită a impulsului optic este aceeași cu a duratei simbolului, T. Pentru formatul OOK-RZ, durata pulsului este mai mică decât durata simbolului, și de aici rezultă eficiența în putere față de OOK-NRZ cu dezavantajul consumului mărit de bandă [8]. Dacă este responsivitatea fotodetectorului PIN, semnalul modulat OOK, se poate scrie [8]:

(3.15)

unde n(t) ~ N(0,σ2) este zgomot alb gaussian, iar dj = [-1,0]. În analiza care urmează se presupune că factorul de extincție este zero, dacă nu se precizează altfel. La receptor, semnalul este introdus într-un detector de prag care compară semnalul primit cu un nivel de prag prestabilit. Probabilitatea de eroare poate fi scrisă [8]:

(3.16)

în care probabilitățile marginale sunt:

(3.17)

(3.18)

Pentru simboluri echiprobabile, p(0) = p(1) = 0,5, iar valoarea de prag optimă este ith= 0,5I. Probabilitatea de eroare (condiționată) se reduce la:

(3.19)

cu valorile Q(x)=0,5 erfc(x/). În prezența turbulențelor atmosferice, nivelul de prag nu mai este fixat la jumătatea nivelului simbolului „1”. Probabilitatea marginală p (i/1) este modificată prin medierea ecuației (3.14) peste statistica scintilației, obținându-se [10]:

(3.20)

De notat că scintilația nu se produce dacă nu este trimis impuls optic. Dacă se consideră transmiterea simbolurilor echiprobabilă, și este folosită post-detecția simbol cu simbol:

(3.21)

unde nivelul de prag se obține din relația (3.21) cu =1.

3.6.2. Modulația PPM

Este un format de modulație ortogonal ce face parte din familia modulației în impulsuri. Modulația PPM îmbunătățește eficiența în putere fața de modulația OOK, cu dezavantajul creșterii necesarului de bandă și a măririi complexității. În modulația PPM, fiecare bloc de log2M biți este mapat peste unul din cele M simboluri posibile. În general, notația M-PPM este utilizată pentru a indica ordinul modulației. Fiecare simbol este constituit dintr-un puls de putere constantă PT, ce ocupă o singură poziție, alături de cele M-1 poziții libere. Poziția impulsului corespunde valorii zecimale log2M a biților de date. În acest caz informația este codată prin poziționarea impulsului în interiorul unui simbol. Dependența duratei unui cadru Ts de durata unui bit este dată de relația:

(3.22)

În figura 3.12 sunt reprezentate, comparativ, formele de undă pentru modulația OOK (NRZ și RZ) și 16-PPM.

Un receptor PPM necesită, în același timp, și sincronizare de cadru și de simbol pentru a demodula informația codată prin poziția impulsului în interiorul cadrului. Datorită eficienței superioare, PPM este o tehnică de modulație potrivită pentru sisteme CON ce comunică pe distanțe foarte mari [32]. Dacă presupunem că pe toată durata comunicației este menținută sincronizarea, receptorul optic detectează semnalul transmis prin încercarea de a determina energia optică din fiecare cadru transmis. Prin detecția directă, fotonii sunt „numărați” în intervalul Ts, iar fotocurentul pentru un cadru PPM se poate scrie ca [8]:

(3. 23)

unde PR este puterea optică recepționată pe durata unui cadru.

Pentru a crește numărul de fotoni ce se pot extrage din semnalul optic se pot utiliza fotodiodele APD care sunt mai sensibile, dar, din păcate, procesul de foto-multiplicare care guvernează generarea de electroni secundari este un proces aleator și generează zgomot, înrăutățind performanța generală. Pentru un semnal optic bun (ce corespunde unei distanțe mici de transmisie, adică maxim 4km), factorul BER condiționat de factorul Ks este dat de [8]:

(3.24)

unde:

În prezența turbulențelor atmosferice factorul BER necondiționat pentru un semnal binar PPM obținut prin medierea relației (3.24) peste statistica scintilației poate fi aproximată prin [8]:

(3.25)

unde și sunt factorii de pondere și, respectiv, zerourile polinomului Hermite de ordin n [9].

(3.26)

și respectiv:

(3.27)

Fluctuația mediei Ks este produsă de turbulențele atmosferice, iar media ansamblului este dată de:

(3.28)

Pentru un sistem ce folosește modulația de tip M-PPM, factorul BER descris de valoarea are o limită superioară dată de [8]:

(3.29)

Cum era de așteptat, prin mărirea scintilației atmosferice, este necesară și mărirea nivelului de semnal pentru a obține în final un BER impus.

3.7. Multiplexarea în domeniul optic

Accesul multiplu asigură accesul mai multor utilizatori la o resursă (limitată) de comunicație. Acest lucru se poate realiza printr-o serie de tehnici cunoscute sub denumirea de tehnici de multiplexare optică sau de acces multiplu.

Cerințele de capacitate ale sistemelor de telecomunicații sunt legate direct de numărul de utilizatori care pot fi deserviți simultan, sau, altfel spus, cât de multă informație poate fi transferată folosind același canal de comunicație. Una dintre modalitățile prin care se poate crește viteza de transmisie totală este realizarea unei alocări eficiente a resurselor. În cazul sistemelor de telecomunicații apare necesitatea ca un număr din ce în ce mai mare de utilizatori să poată transmite și recepționa în același timp semnale de la una sau mai multe stații de bază.

Pentru ca mai mulți utilizatori să poată folosi simultan resursele de comunicații trebuie stabilit un mod în care aceste resurse să fie alocate fiecărui utilizator în parte. Tehnica prin care este împărțit un canal de comunicații comun între utilizatori multiplii poartă numele de acces multiplu. Un sistem cu acces multiplu este prezentat în figura 3.X:

Așa cum se observă, un număr mare de utilizatori împart același canal de comunicație în scopul de a-și transmite informațiile proprii. De exemplu, acest canal poate fi o bandă de frecvență din spectrul optic sau radio pe care utilizatorii multiplii o folosesc pentru a comunica cu dispozitivul pereche. Într-un sistem de comunicație avem o cantitate limitată de resurse (spectru), pe care acesta trebuie să o gestioneze în mod corespunzător astfel încât toți abonații să poată fi deserviți de sistem cu un QoS corespunzător [1].

În mediile cu acces multiplu este nevoie ca simbolurile asociate utilizatorilor să fie diferite. Semnalul fiecărui utilizator trebuie să fie unic identificat printr-o „etichetă” care să poată fi identificată corect la recepție. Eticheta utilizatorului poate fi atribuită în unul din domeniile: timp, frecvență, cod, sau spațiu. În funcție de modul în care resursele de comunicații sunt împărțite, tehnicile de acces multiplu se clasifică în [1]:

Acces multiplu cu diviziune în frecvență (FDMA) – benzi de frecvență specifice sunt alocate fiecărui utilizator.

Acces multiplu cu diviziune în timp (TDMA) – intervale de timp diferite sunt alocate utilizatorilor diferiți.

Acces multiplu cu diviziune în cod (CDMA) – utilizatorii se disting în funcție de codul care diferă de la un utilizator la altul.

Acces multiplu cu diviziune în spațiu (SDMA) – sistemul folosește diversitatea spațială.

De asemenea, prin combinația acestor tehnici pot fi obținute alte metode hibride. Fiecare tehnică de acces multiplu are avantajele și dezavantajele ei, acestea depinzând de aplicație, caracteristicile canalului și numărul de utilizatori.

3.7.1. Tehnici OFDMA/OCDMA

Tehnica multiplexării cu diviziune în frecvență evită suprapunerea spectrală a canalelor multiplexate (figura 3.13), pentru a elimina interferența între canale, având însă, drept consecință, o eficiență spectrală scăzută. Pentru a îmbunătăți eficiența spectrală, în tehnica multiplexării cu diviziune în frecvență ortogonală OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) canalele multiplexate se suprapun în frecvență, dar cu condiția ca aceste canale să fie distanțate în frecvență cu o spațiere foarte precisă, în scopul evitării interferenței între canale [1], [2].

Există două variante OFDMA, una care utilizează filtre trece jos la emisie și la recepție, pentru a limita suprapunerea spectrală doar la canalele adiacente, cealaltă variantă folosind transformata Fourier rapidă ce permite o realizare practică mai puțin complexă,.

Tehnica OFDMA prezintă avantaje și pentru transmisiunile pe canale radio, cu propagare multicale, permițând evitarea interferenței simbolurilor produse de dispersia timpilor de propagare pe diversele căi [2].

În cazul CDMA se alocă toate resursele simultan tuturor utilizatorilor, distincția între aceștia făcându-se după secvențele de cod, care sunt unice. În consecință, se face codarea semnalelor în banda de bază înaintea transmisiei utilizând unul din numeroasele coduri quasi-ortogonale. Semnalele sunt apoi decodate la receptor prin corelare [4], [5].

Printre avantajele CDMA se numără posibilitatea accesului asincron și securitatea sporită a transmisiei. În cazul tehnicilor de acces multiplu tradiționale TDMA, FDMA, fiecărui utilizator al sistemului i se alocă anumite resurse ca frecvența sau intervale temporale, sau ambele, resurse care sunt diferite pentru fiecare utilizator. În cadrul unui sistem CDMA modularea secvenței de informație se face cu o secvență de cod. Modularea se realizează prin multiplicarea semnalului de date cu secvența de cod care are variații mult mai rapide. Secvența de cod reprezintă chiar adresa de destinație.

Fiecare receptor corelează propria sa adresă cu semnalul recepționat. Dacă semnalul ajunge la adresa corectă ieșirea receptorului corespunde valorii funcției de autocorelație a secvenței de cod, altfel este corelată cu o altă secvență de cod din set. Datorită ortogonalității setului, zgomotul de corelație rezultat este scăzut.

Sistemele CDMA nu au un număr fix de utilizatori, însă performanțele sistemului depind de numărul de utilizatori activi simultan, care poate fi mult mai mic decât numărul de utilizatori găzduiți de sistem. Creșterea numărului de utilizatori activi face ca performanțele să se degradeze în aceeași măsură pentru toți utilizatorii.

Sistemele de comunicație optice au primit o atenție crescută în ultima perioadă. Datorită capacității mari a fibrelor optice și a posibilității de comunicație optică prin spațiul liber, acestea sunt utilizate tot mai mult ca mediu de transmisie rezultând sisteme de tip OCDMA. De asemenea, sistemele de comunicație optice de interior fără fir (wireless) au trezit interesul datorită dorinței de a dispune de legături de date de mare viteza și necostisitoare în cadrul rețelelor locale și a aplicațiilor pe dispozitive mobile [4], [5], [6].

Principiile de bază din cadrul CDMA pe frecvențe radio se păstrează și în cazul CDMA optic (OCDMA – Optical Code Division Multiple Access).

Clasificarea sistemelor OCDMA:

a) Sisteme OCDMA cu adresare în timp (Time Addressing/Code Pulse Positioning OCDMA) – acestea se bazează pe poziționarea convenabilă a impulsurilor în cuvântul de cod.

b) Sisteme OCDMA cu codare spectrală (Spectral Encoding OCDMA) – care utilizează modulația spectrală de amplitudine sau de fază.

Trebuie totuși să se ia în considerare specificul canalului optic de transmisie. Recepția optică se bazează pe detectarea puterii mai degrabă decât pe detecția amplitudinii și de aceea utilizarea codurilor din sistemele CDMA radio proiectate pentru receptoare bazate pe detecția amplitudinii nu este potrivită în sistemele optice necoerente. Pentru sistemele optice cu detecție coerentă, acest aspect nu reprezintă un impediment.

3.7.2. Sisteme WDM-CON

Tehnologia WDM-CON reprezintă soluția pentru rețelele de acces de bandă largă. Această tehnologie rezolvă multe dintre dezavantajele soluțiilor tradiționale TDM-PON. Tehnologia WDM poate asigura conexiuni optice punct la punct folosind o singură fibră sau infrastructură optică CON, pe canale optice distincte reprezentate de lungimi de undă diferite, ce pot partaja același mediu fizic fără suprapunere [24], [25]. Fiecare canal optic individual poate conține fluxuri de date de descărcare sau încărcare, poate fi divizat de splitere pasive împreună cu celelalte canale optice sau poate fi rutat individual folosind rutere optice spre anumite destinații.

Versatilitatea unei rețele WDM rezidă din utilizarea mai multor canale individuale (asociate unor lungimi de undă). Un ruter optic poate comuta 32 sau chiar 128 de canale de lungimi de undă individuale, ceea ce înseamnă tot atâtea conexiuni punct-la-punct.

Maturizarea tehnologiei CON-WDM și diponibilitatea sa comercială va fi o variantă competitivă în raport cu TDM-PON din rețelele de acces de bandă largă. Tehnologia necesită cercetări teoretice și aplicative pentru dezvoltarea de noi algoritmi de alocare dinamică a benzii care să permită lărgirea gamei de servicii livrabile utilizatorilor, cum ar fi serviciile „Triple Play” (voce, date, TV) [26].

Provocarea tehnologică a rețelelor CON-WDM este de a evita folosirea în zona de acces, în ONU, a echipamentelor optice selective în λ care sunt costisitoare [26]. Este vorba de laseri acordabili pentru emițătoarele optice și receptoare optice acordabile în lungime de undǎ. Laserii acordabili necesită multă informație de administrare și control care trebuie transmisă pe o rețea separată sau prin canale distincte de management. Prin perfecționarea tehnologiilor echipamentelor optice de emisie și recepție, soluția sistemelor acordabile în λ poate fi acceptabilă și eficientă economic comparativ cu sistemele cu lungime de undă fixă [26].

Sistemele CON convenționale, ca în figura 3.14, utilizează conversia optic-electric și electric-optic pentru prelucrarea semnalului la emițător și respectiv receptor. Aceste sisteme permit viteze de lucru de până la 2,5Gbps și au limitări în ceea ce privește banda de lucru și puterea [27], [28], [29], [30].

Sistemele de comunicații optice neghidate fotonice sunt transparente optic (figura 3.15), sunt în totalitate compatibile cu infrastructura de fibră optică și sunt independente din punct de vedere al protocoalelor și vitezelor de lucru. Datorită transmiterii semnalului în întregime optic, acestea permit transmiterea fluxurilor WDM prin canalul CON la viteze de până la 10Gbps.

Sistemele CON ce permit transmiterea semnalelor WDM prin canalul de transmisiuni sunt utilizate pentru furnizarea de servicii wireless heterogene cum ar fi WLAN, sisteme de telefonie celulară și peste IP, televiziune analogică și digitală. Schema bloc a unui astfel de sistem, RoCON, este prezentată în figura 3.16. Tehnologia CON utilizează aceleași lungimi de undă ca și fibra optică, în intervalul de la 850nm la 1625nm, profitând de avantajul maturității tehnologice și fiabilității crescute.

Domeniul folosit cu preponderență de fibra optică (1280 – 1620nm) și canalele optice au fost definite de ITU pentru două tipuri de comunicații optice, DWDM și CWDM (multiplexare cu divizarea lungimii de undă, densă și respectiv rară).

DWDM este o tehnologie ce implică precizie și, implicit, costuri mai ridicate, fiind mai dificil de implementat decât tehnologiile convenționale [30]. Este utilizată cu preponderență în comunicațiile pe distanțe foarte mari (zeci, sute de km). CWDM este mai puțin pretențioasă ca tehnologie, pretându-se la comunicații optice pe distanțe de câțiva kilometri. Datorită acestor criterii, CWDM este o tehnologie care se potrivește mai bine cu cerințele tehnologice și specificațiile de standard ale CON.

CON, în implementarea D/C-WDM poate asigura conectivitate rețelelor de bandă largă, putând asigura tranzitarea diverselor standarde ca Wi-Fi (IEEE 802.11), WiMAX (IEEE 802.16), UWB (IEEE 802.15), tehnologii celulare 3G-4G, HFC și DVB-T [9].

În figura 3.17 este arătată modalitatea de utilizare a CON pentru transmisia semnalelor RF (video, date, voce). Acest lucru se realizează efectuând conversia din domeniul electric în optic și asignarea, pentru fiecare serviciu în parte, a unei lungimi de undă.

Pentru proiectarea unui sistem CON/RoCON se pot evalua performanțele ținând cont de parametrii interni și externi din tabelul 3.2:

Tehnologia RoF se poate implementa în domeniul CON deoarece reprezintă o opțiune de interconectare de mare viteză – Gbps pentru diferite tipuri de rețele. Aplicațiile pot fi de tip backhaul (rețele suport), interconectare sisteme de antenă distribuită și asigurarea serviciilor triple-play (voce-date-TV).

Capitolul 4

Propagarea fascicolului optic

4.1 Modelul propagǎrii fascicolului optic într-un mediu ideal

Propagarea câmpului optic în spațiul liber este descrisă de ecuațiile Maxwell:

(4.1)

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10)

(4.11)

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(4.15)

Pornind de la relația

rot E (4.16)

(4.17)

Deoarece și atunci

(4.18)

și în final se obține ecuația care descrie propagarea fascicolului optic într-un mediu liber (neghidat):

(4.19)

unde (4.20)

Pentru rezolvarea acestor ecuații, se face translatarea din domeniul timp în domeniul frecvență cu ajutorul transformatei Fourier

(4.21)

(4.22)

(4.23)

unde este de forma:

4.2. Efectele atmosferei asupra fascicolului optic

Realizarea practică a unui sistem CON este dependentă nu doar de calitățile intrinseci ale emițătorului sau receptorului, calități dependente de modul de proiectare și tehnologia utilizată, ci și de caracteristicile mediului de transmisie reprezentat de atmosfera terestră. Atenuarea este principalul factor ce trebuie luat în considerare pentru comunicațiile de tip CON. Canalul atmosferic este format din gaze și aerosoli – particule microscopice suspendate în atmosferă. Sunt prezente ceața, ploaia, negura și alte forme de precipitații. Nivelul acestora depinde de locație (longitudine, latitudine, altitudine) precum și de anotimp. Cea mai mare concentrație de particule este întâlnită la suprafața terestră (troposferă), și descrește odată cu mărirea altitudinii (spre ionosferă).

Sistemele CON sunt afectate de fenomenele de absorbție, împrăștiere și scintilație ce apar la trecerea fluxului optic prin atmosfera terestră. Atmosfera interacționează cu lumina datorită compoziției atmosferice care, în mod normal, constă într-o varietate de particule mici suspendate, denumite aerosoli.

Pentru o comunicație efectuată într-o atmosferă clară, lipsită de perturbații atmosferice și o vizibilitate bună, atenuarea variază între 0,2 și 10dB/km ajungând, pentru ceață extrem de densă, la peste 200dB/km (întreruperea comunicației).

4.2.1. Compoziția atmosferei

Atmosfera nu este mediul ideal de comunicație. Propagarea fluxului optic este influențată de:

compoziția gazelor ce compun atmosfera;

prezența aerosolilor – mici particule de mărimi variabile (de la 0,1 la 100µm) în suspensie în aer (ceața, negura);

hidrometeori – ploaia, zăpada, grindina;

litometeori – praf, fum, nisip;

modificarea gradientului indicelui de refracție în aer (mediu de propagare) care reprezintă sursa scintilațiilor și turbulențelor.

La trecerea prin atmosferă, fascicolul optic este absorbit și împrăștiat, ceea ce conduce la pierderi de putere și la deviația fascicolului de la traiectoria sa inițială.

Turbulențele atmosferice produc fluctuații ale nivelului semnalului recepționat care cresc rata erorilor de bit în sistemele de comunicații ce au în componență unități optice de emisie-recepție CON. Pentru a putea cuantifica aceste limitări ale performanțelor, este nevoie să fie cunoscută intensitatea cu care fluctuează semnalul recepționat în cazul diferitelor tipuri și nivele de turbulență atmosferică [10].

Pentru conexiunile CON mediul de propagare este atmosfera terestră.

Compoziția atmosferei poate afecta transmisiunile optice, și, pentru a evalua efectele asupra canalului, trebuie să fie cunoscute caracteristicile componentelor gazoase [11]:

Componente cu densitate fixă (variație mai mică de 1%) și care au o densitate cvasi-uniformă pentru altitudini de la 15km la 25km. Cei mai importanți constituenți sunt azotul (N2), oxigenul (O2), argonul (Ar) și dioxidul de carbon (CO2). În domeniul vizibil și infraroșu, până la lungimi de undă de 15µm, CO2 dă cea mai puternică atenuare.

Componente cu densitate variabilă, a căror densitate depinde de locația geografică și care sunt în proporție mult mai mică.

Vaporii de apă sunt constituenții cu proporție variabilă din compoziția atmosferei. Concentrația variază cu parametrii climatici și meteo și atinge 2% în medii maritime, dar este neglijabilă la altitudini mai mari de 20km.

O altă componentă majoră este ozonul (O3), a cărui concentrație variază cu altitudinea (maximul de concentrație este atins la 25km), latitudinea sau sezonul. Acesta prezintă o absorbție importantă în domeniile ultraviolet și infraroșu, situată în jurul lungimii de undă de 0,6µm.

Aerosolii sunt particule extrem de fine (solide sau lichide), practic suspendate în atmosferă. Mărimea particulelor variază între 0,01µm și 100µm. Sub efectul gravitației, particulele mai mari staționează în vecinătatea solului. Ceața, negura și burnița sunt aerosoli lichizi, iar cristalele de sare și particulele de praf și nisip sunt aerosoli solizi. Negura este un tip de ceață densă care se formează îndeosebi dimineața și seara, reducând mult vizibilitatea. Ea este prezentă în special în zonele de coastă, și în apropierea apelor și lacurilor.

Aerosolii produc atenuarea fascicolului optic prin absorbție, proces favorizat la lungimi de undă comparabile cu dimensiunile particulelor.

Sistemele CON sunt afectate de fenomenele de absorbție și împrăștiere ce apar la trecerea fluxului optic prin atmosfera terestră [11]. Atmosfera și radiația interacționează pentru a produce absorbție selectivă de frecvențe, împrăștiere și scintilație:

a) absorbția selectivă de frecvențe rezultă din interacția între fotoni și atomi și/sau molecule și conduce, în final, la extincția fotonilor incidenți, creșterea temperaturii și emisii radiative;

b) împrăștierea este schimbarea vectorului număr de undă al radiației, cu sau fără modificarea lungimii de undă;

c) scintilația este modificarea intensității radiației sub efectul refracției aleatoare a radiației la trecerea fascicolului printr-un mediu caracterizat de celule (volume) atmosferice cu distribuții neuniforme ale temperaturii. Celulele sunt caracterizate prin dimensiuni (10cm – 1Km), temperaturi și indici de refracție variabili. Drept urmare, intensitatea fascicolului recepționat este modulat cu o frecvență cuprinsă între 0,01 și 200Hz.

Scintilația produce distorsionarea fronturilor de undă, fapt ce conduce la defocalizarea fluxului optic. Radiația solară poate afecta performanța CON dacă este coliniară cu direcția de propagare.

4.2.2. Absorbția

Absorbția are loc atunci când moleculele în suspensie (în general apa) aflate în atmosfera terestră interacționează cu fotonii radiației luminoase ceea ce poate conduce la:

dispariția fotonilor incidenți,

creșterea temperaturii,

scăderea densității de putere ceea ce determină scăderea calității conexiunii optice.

Absorbția se manifestă cu precădere la anumite lungimi de undă. Utilizarea unei puteri mai mari a radiației optice împreună cu o diversitate spațială a fascicolelor optice multiple emise menține disponibilitatea conexiunii în limite acceptabile.

Să considerăm o radiație luminoasă cu lungimea de undă care traversează un mediu cu o grosime dx (fig. 4.1):

Datorită proprietăților de absorbție ale mediului, numărul fotonilor din radiația incidentă este redus la trecerea prin mediu. Intensitatea radiației măsurată la x+dx în relație cu intensitatea măsurată la x se poate scrie:

(4.1)

Cantitatea dI(, x), corespunde cu cantitatea de lumină absorbită de mediu care este proporțională cu radiația incidentă I(, x), cu dx și cu parametrul spectral ce reprezintă gradul de absorbție al mediului (, x) pentru această lungime de undă:

(4.2)

Din relațiile (4.1) și (4.2) se obține:

(4.3)

Coeficientul de transmisie spectrală a mediului se definește ca:

(4.4)

Dacă mediul de propagare este omogen, atunci coeficientul de absorbție (,x) va fi independent de x și coeficientul de transmisie se scrie ca:

(4.5)

4.2.3. Împrǎștierea

Împrăștierea este cauzată de particule ce au dimensiuni comparabile sau mai mici decât lungimea de undă a radiației incidente.

Analizăm trei forme de împrăștiere: Raman, Rayleigh și Mie.

Împrăștierea Raman este cauzată de particulele atmosferice care au dimensiuni între 10% și 150% din lungimea de undă a radiației incidente. Împrăștierea Raman provoacă emisii fotonice cu frecvențe diferite față de frecvența radiației incidente. Intensitatea radiației Raman este de 106 până la 108 ori mai mică decât intensitatea împrăștierii Rayleigh. Împrăștierea Raman este intensă în cazul surselor laser puternice.

Împrăștierea Rayleigh este cauzată de molecule și particule atmosferice ale căror dimensiuni sunt sub 10% din lungimea de undă a radiației incidente. Energia fotonilor incidenți rămâne neschimbată după împrăștiere, iar frecvența emisiei fotonice este aceeași cu a radiației incidente. Efectul Rayleigh contribuie la atenuarea totală a radiației.

Coeficientul de extincție Rayleigh, βm(λ) este [18]:

(4.6)

unde λ este lungimea de undă (μm), ρ este factorul de depolarizare atmosferic ( 0,03), n (λ) este indicele de refracție al aerului. βm(λ) se măsoară în Km-1.

Se poate aproxima:

(4.7)

unde:

, (4.8)

p este presiunea atmosferică (mbar), , .

Împrăștierea pe molecule este neglijabilă la lungimi de undă spre infraroșu, iar împrăștierea Rayleigh afectează lungimi de undă de la ultraviolet până în domeniul vizibil.

Intensitatea împrăștierii Rayleigh, Is, este aproximată prin:

(4.9)

I0 este intensitatea radiației incidente, este factor de polarizare, este lungimea de undă, r este distanța (din centrul de împrăștiere până la detector), este unghiul incident (radiație împrăștiată).

Din formula 4.9 se observă că lungimile mici de undă sunt împrăștiate mai mult decât lungimile mari de undă.

Pentru comparație, intensitățile împrăștierii pentru lungimile de undă de 0,7m și 1,5m sunt:

(4.10)

Împrăștierea Mie este similară împrăștierii Rayleigh cu diferența că radiația incidentă are aceeași frecvență cu a radiației împrăștiate. Distribuția luminii împrăștiate este diferită la împrăștierea Mie datorită mărimii particulelor, cu aceeași dimensiune ca a lungimii de undă incidente. Figura 4.2 ilustrează diferențele dintre împrăștierea Rayleigh și Mie.

Intensitatea undei Rayleigh (figura 4.2a) este distribuită uniform, iar unda directă Mie (figura 4.2b și figura 4.2c) este mai puternică. Diferențele de intensitate se accentuează cu mărirea dimensiunii particulelor. Pierderea în intensitate a radiației directe descrește odată cu mărirea particulelor ce provoacă împrăștierea.

Transmisia CON în infraroșu apropiat este împrăștiată de ceață și nori care au în compoziție particule cu dimensiuni comparabile cu lungimea de undă. Ploaia atenuează mult mai puțin transmisia CON, deoarece picăturile de ploaie sunt mult mai mari decât lungimea de undă a radiației optice.

În tabelul 4.1 sunt prezentate particulele atmosferice tipice care produc fenomenul de împrăștiere cu dimensiunile și procesele de împrăștiere asociate, pentru lungimea de undă de 850nm.

Împrăștierea este cauzată de interacția radiației cu particule denumite „scateri”. Scaterii sunt particule atmosferice de tipul celor descrise în prima coloană a tabelului 4.1. Când dimensiunea fizică a scaterului este mai mică decât lungimea de undă avem de-a face cu împrăștiere Rayleigh. Când scaterul are dimensiuni comparabile cu lungimea de undă avem de-a face cu împrăștiere Mie, și, în fine, dacă dimensiunea scaterului este mult mai mare decât lungimea de undă avem de-a face cu împrăștierea Raman sau neselectivă. De importanță practică este împrăștierea Mie, pe care o vom studia în continuare.

În general, atenuarea prin împrăștiere atmosferică poate fi scrisă ca:

(4.11)

unde β(,x) este coeficientul spectral de împrăștiere.

Atenuarea este o funcție dependentă deopotrivă de frecvență și vizibilitate în relație cu distribuția mărimii particulelor.

Atenuarea pentru ceața extrem de densă poate depăși 300dB/km pe când pentru ploaie ușoară este de doar 10dB/km.

Coeficientul de împrăștiere (extincție) Mie notat βn este dat de ecuația:

(4.12)

unde:

n () este coeficientul de împrăștiere a aerosolilor în km-1;

este lungimea de undă, în µm;

dN(r)/dr reprezintă distribuția particulelor pe unitatea de volum exprimată în cm-4;

n’ este partea reală a indicelui de refracție a aerosolului considerat;

r raza în cm a particulelor;

Qd (2/,n’) este secțiunea de captură (împrăștiere) a aerosolului.

Procesul se petrece când mărimea particulelor este comparabilă cu lungimea de undă a radiației incidente. Acest fenomen constituie factorul de restricție cu ponderea cea mai mare care împiedică stabilirea de conexiuni optice la distanțe mari. În domeniul optic, este cauzat în principal de ceață și negură. Atenuarea în domeniul optic atinge zeci/sute de dB/km pe când în domeniul radio (cu titlu comparativ) atinge doar câțiva dB/km.

Teoria Mie precizează coeficientul Qd în ipoteza particulelor sferice și suficient de distanțate între ele.

Întrucât concentrația, compoziția și distribuția particulelor variază în timp și spațiu, este dificil de calculat atenuarea produsă de acești aerosoli. Concentrația este legată de vizibilitatea optică, dar nu există o distribuție unică a mărimii particulelor pentru o vizibilitate dată. Vizibilitatea caracterizează transparența atmosferei estimată de un observator uman. Ea este caracterizată de parametrul RVR (Runway Visual Range), ce reprezintă distanța la care intensitatea optică scade până la 5% din intensitatea maximă.

În general, distribuția particulelor este log-normală pentru aerosoli și gamma modificată pentru ceață. Se poate scrie relația [18]:

(4.13)

unde N(r) este numărul de particule pe unitatea de volum, r diametrul particulei iar , a și b sunt parametri ce caracterizează distribuția mărimii particulelor (tabelul 4.2).

unde N este numărul total de particule de apă pe unitatea de volum (cm3), Rm este diametrul particulei (μm) pentru care distribuția prezintă un maxim, W este conținutul de apă în stare lichidă (g/m3), V este vizibilitatea asociată tipului de ceață (m).

Coeficientul n poate fi legat de vizibilitate și lungimea de undă prin:

(4.14)

V este vizibilitatea în km;

nm este lungimea de undă în nm;

Q este un factor care depinde de distribuția mărimii particulelor de împrăștiere:

– 1,6 pentru vizibilitate foarte bună (V> 50 km),

– 1,3 pentru vizibilitate bună (6<V<50 km),

– 0,585 V1/3 pentru vizibilitate scăzută (V< 6 km).

În tabelul 4.3 sunt evidențiate problemele de propagare în CON și modalitatea de remediere.

Conexiunile optice CON trebuie să facă față mediului de propagare de la suprafața terestră, unde atmosfera are densitatea maximă.

Împrăștierea Mie datorată aerosolilor și distribuției particulelor care constituie ceața sunt considerate elementele atmosferice majore ce atenuează semnalul optic. Pentru calculul atenuării există două modele utilizate pe scară largă: modelul Kim și modelul Kruse [4].

Atenuarea specifică este dată de [11]:

(4.16)

Variabilele sunt vizibilitatea V[km], lungimea de undă [nm], vizibilitatea raportată la o lungime de undă de referință 0[nm] pentru care vizibilitatea scade la V% față de condițiile de cer senin.

Figura 4.3 arată atenuarea semnalului funcție de vizibilitate.

Dependența lungimii de undă este dată de factorul q, care, pentru modelul Kruse este [11]:

, (4.17)

iar pentru modelul Kim [11]:

(4.18)

Pentru factori mari de atenuare, modelul Kim este mai potrivit (afirmația este bazată pe observații experimentale) [11].

Calculul atenuării dată de ploaie se poate face folosind ecuația:

(2.23)

unde variabila R este rata dată în mm/h cu dependența din figura 4.4.

Calculul atenuării provocate de zăpadă se face în funcție de tipul de ninsoare: zăpadă „uscată” și zăpadă „umedă” (apoasă). În fig. 4.5 este reprezentată atenuarea dată de zăpadă pentru cele 2 cazuri.

(2.24)

Pentru temperaturi joase avem de-a face cu zăpada „uscată”, iar pentru temperaturi mai ridicate cu zăpada „umedă”.

Pentru zăpadă „uscată”:

și b = 1,38 (2.25)

Pentru zăpadă „umedă”:

și b = 0,72 (2.26)

Alți autori (Naboulsi [39]), propun modele pentru atenuare provocată de ceața de radiație și respectiv de advecție, modele valabile pentru lungimi de undă între 690 și 1550 nm și vizibilități în gama 50 la 1000 m.

Ceața de radiație se formează de obicei pe timpul nopții, când temperatura suprafeței terestre radiază căldura acumulată în timpul zilei și întâlnește „pături” de aer rece ce devin saturate. Acest fenomen de condensare a vaporilor este întâlnit noaptea și la sfârșitul zilei. Diametrul particulelor este în jurul a 4 µm, iar concentrația de apă este între 0,01 și 0,1 g/m3.

Coeficientul de atenuare pentru ceața de radiație [39]:

[dB/km] (2.27)

În figura 4.6 este redată distribuția mărimii particulelor pentru ceața de radiație.

Ceața de advecție se formează în general în zonele maritime și de uscat unde aerul cald și umed întâlnește suprafețe reci de apă sau zone de coastă acoperite de zăpadă. La contactul dintre masele de aer și suprafețele reci apare fenomenul de condensare a vaporilor de apă. Ceața de advecție este caracterizată de un conținut de apă mai mare de 0,2 g/m3 și un diametru al particulelor apropiat de 20 µm.

Coeficientul de atenuare pentru ceața de advecție [39]:

(2.25)

În figura 4.7 este redată distribuția mărimii particulelor pentru ceața de advecție, iar în tabelul 2-3 parametrii distribuției mărimii particulelor pentru ceața de convecție și de advecție.

O comparație grafică a rezultatelor formulelor utilizate pentru calculul atenuării de împrăștiere folosind modelele Kruse, Kim și Naboulsi (pentru cele două cazuri – advecție și convecție), poate fi văzută în figura 4.8.

4.2.4. Scintilația

Celulele formate în atmosferă (distribuite aleator) se formează datorită turbulențelor termice ce apar de-a lungul mediului de propagare. Variația fronturilor de undă cauzată de distribuția acestor celule produce focalizarea și defocalizarea fluxului optic. Amplitudinea și frecvența scintilațiilor depind de mărimea celulelor, comparate cu diametrul fascicolului optic. Intensitatea și frecvența scintilațiilor cresc odată cu frecvența undei fotonice.

Pentru undă plană și turbulențe reduse, varianța scintilației poate fi descrisă de ecuația [11]:

(4.19)

unde: [nm] este lungimea de undă, l[m] reprezintă lungimea canalului, [m-2/3] este parametrul structurii indicelui de refracție.

Valorile parametrului sunt de 10-16 pentru turbulențe reduse, 10-14 pentru turbulențe moderate și 10-13 pentru turbulențe pronunțate [11].

Parametrul are valori diferite pentru undele radio și undele optice. Comparativ, undele milimetrice sunt sensibile în special la fluctuații de umiditate atmosferică, în timp ce câmpul optic este sensibil la variațiile de temperatură, prin indicele de refracție.

4.2.5. Divergența opticǎ

Un fascicol optic care se propagă prin atmosfera terestră suferă pierderi de putere din cauza efectului de difracție și din cauza ariei limitate a suprafeței active a receptorului. Pierderile optice sunt datorate scăderii puterii optice la trecerea prin dispozitivele optice (lentile); pierderile geometrice sunt datorate fenomenelor de dezaliniere și defocalizare optică.

Atenuarea puterii optice prin pierderi geometrice Pg este [11]:

(4.20)

în ipoteza .

unde: DR[m] este diametrul lentilei receptorului, DT[m] reprezintă diametrul lentilei transmițătorului, [mrad] este unghiul de divergență al fascicolului, l[m] reprezintă distanța de propagare.

În figura 4.9 sunt prezentate pierderile geometrice funcție de lungimea canalului CON.

4.2.6 Modele de turbulență – bugetul de pierderi CON

Pierderile optice la recepție reprezintǎ pierderile cauzate de calitatea lentilelor și dispozitivelor optice la care se adaugǎ pierderile optice de nealiniere datorate divergenței fascicolului optic.

În figura 4.10 este prezentat bugetul de putere al conexiunii optice neghidate punct-la-punct. Semnalul pleacă din emițător cu o putere Pe. Încă din emițător semnalul optic este slab atenuat de optica de emisie și apoi lansat în atmosferă unde suferă pierderi cumulate prin absorbție, împrăștiere Mie și scintilație. La receptor, semnalul este atenuat de optica de recepție și ajunge pe foto-detector cu puterea Pr. Neglijând pierderile optice pe lentilele emițătorului și receptorului, care, în practică, sunt foarte mici, rezultă că sistemul trebuie să compenseze doar pierderile de semnal optic cauzate de trecerea semnalului prin atmosfera terestră. Aceste atenuări pot fi compensate în două moduri: prin mărirea puterii în laserul de emisie sau prin mărirea sensibilității receptorului (în figura 4.10 prin micșorarea pragului de sensibilitate la recepție).

Puterea la emisie nu se poate mări foarte mult și din cauza reglementărilor internaționale privitoare la puterea maximă emisă de sistemele laser în atmosferă.

Prin mărirea puterii laserului la emisie se obține, într-adevăr, un semnal mai bun la recepție, dar nu în toate cazurile. Pentru cazurile de ceață foarte deasă, oricât s-ar mări această putere, semnalul este foarte puternic atenuat. Prin combinarea celor două metode, se poate realiza o conexiune optică sigură; este necesar să se asigure o margine a conexiunii ce corespunde unei valori acceptabile a parametrului BER. Sub această margine a conexiunii, valoarea BER poate ajunge la nivele la care comunicația este afectată de erori, iar sub pragul de sensibilitate al receptorului nu se mai recepționează practic semnal.

Puterea optică care ajunge pe apertura receptorului este dată de ecuația ce definește bugetul de putere al conexiunii (în decibeli):

(4.21)

(4.22)

unde: PR = puterea recepționată

PT = puterea emisă

sis = atenuarea sistemului (emițător-receptor)

atm = suma atenuărilor cauzate de fenomenele atmosferice

T = atenuare totală

Atenuările date de sistem sunt atenuările produse de optica de emisie și respectiv recepție, precum și atenuarea dată de dezalinierea optică a fascicolului optic la recepție:

(4.23)

unde: opt = atenuări optice

n = atenuări de nealiniere optică emițător-receptor.

Suma atenuărilor cauzate de fenomenele atmosferice poate fi scrisă:

(4.24)

unde:

sp = coeficient de atenuare specifică care este de aproximativ 0,5dB/Km pentru atmosferă clară și ajunge pentru ceață densă la 310dB/Km.

= coeficient de atenuare datorat turbulențelor (dB)

= coeficient de atenuare cumulat (absorbție+împrăștiere Mie+scintilație) (dB)

Pentru CON, atmosfera nu este canalul de comunicație ideal. Turbulențele atmosferice provoacă fluctuații ale nivelului semnalului recepționat care pot mări rata erorilor de bit în sistemele de comunicații digitale. Pentru a putea cuantifica aceste limitări ale performanței, este nevoie să fie cunoscut cum fluctuează semnalul recepționat în cazul diferitelor tipuri și nivele de turbulență atmosferică.

Densitatea atmosferei într-un anumit punct fluctuează constant datorită variațiilor de temperatură și presiune. Când fascicolul laser se propagă prin atmosferă, distribuția spațială a indicelui de refracție variază aleator, ceea ce cauzează o mulțime de probleme:

fluctuația intensității fascicolului optic ce poate fi observată la recepție. Aceasta este definită ca scintilație;

variația intensității semnalului optic cu mărimea detectorului și a opticii ce colectează semnalul pe detector.

Vântul, care „mișcă” atmosfera terestră într-o manieră „corelată”, poate cauza deplasarea fină a axei de simetrie a fascicolului optic, dar într-o măsură mult mai mică comparativ cu turbulențele atmosferice.

Calculul bugetului de puteri într-un sistem CON este un mijloc simplu care descrie pierderile din sistem. Acestea sunt determinate de:

atenuarea sistemului [dB/km] – TxRx

cuplajul de la sursa optică la sistemul de lentile [dB] – doar Tx

pierderi în sistemul de focalizare (lentile emițător-receptor) [dB] – TxRx

pierderi în conectori optici [dB] – TxRx

pierderi în fibra optică și conectori fibră – CON [dB] – TxRx

cuplajul sistemului de lentile și foto-receptor [dB] – TxRx

Densitatea atmosferei într-un anumit punct fluctuează constant din cauza variațiilor de temperatură și presiune. Când fluxul optic produs de sursa laser se propagă prin atmosferă, distribuția spațială a indicelui de refracție variază aleator, ceea ce conduce la:

scintilație;

variația intensității fascicolului optic cu mărimea aperturii receptorului;

Radiația optică, cu o distribuție gaussiană a intensității, aflată în propagare prin atmosferă, suferă deteriorări progresive odată cu mărirea distanței de propagare și a nivelului turbulențelor. Aceste schimbări progresive sunt legate de:

deformarea formei fascicolului optic, considerată circulară la lansare;

creșterea divergenței fascicolului optic, prin mărirea abaterii față de axa de simetrie;

creșterea dimensiunii secțiunii transversale a fascicolului optic prin difracție;

refracțiile multiple ale fascicolului optic în zone cu indici de refracție variabili;

scăderea coerenței radiației optice;

fluctuația fazelor fronturilor de undă la receptor.

Atmosfera fluctuează relativ lent; de fapt nu există fluctuații mai rapide de 1ms. În acest fel, la rate de bit înalte, un număr foarte mare de biți sunt transmiși prin canal care se află într-o stare „înghețată”, dar pentru grupuri succesive de biți caracteristicile canalului se modifică lent. În consecință, factorul BER se modifică în permanență datorită acestor fluctuații.

Datorită numărului mare de variabile aleatoare asociate canalului atmosferic, puterea recepționată este descrisă prin funcții de distribuție (de exemplu log-normală); semnalul fluctuează lent, cu o distibuție gaussiană în jurul unei valori medii.

Cel mai important parametru în descrierea performanței unei conexiuni CON este marginea conexiunii. Aceasta reprezintă rezerva de putere (de siguranță) peste puterea optică minimă necesară sistemului pentru a menține conexiunea activă.

Parametrii de performanță ai unui sistem CON sunt mărimi controlabile care permit asigurarea rezervei de putere:

Puterea de transmisie

Puterea de transmisie este definită ca puterea fascicolului optic la ieșirea sursei laser.

Divergența la emisie

Profilul intensității fascicolului optic este, de regulă, gaussian.

Sensibilitatea receptorului

Sensibilitatea receptorului s este definită ca puterea optică minimă ce poate fi detectată de către receptor în condițiile menținerii unui BER de minim 10-6.

Relațiile între marginea de zgomot, gama dinamică și parametrii ce caracterizează conexiunea se pot scrie ca [5]:

(4.29)

unde: Prec și Ptr [mW] reprezintă puterile de recepție și transmisie, L [%] reprezintă pierderi optice, D [m] reprezintă diametrul receptorului, d [rad] reprezintă divergența fascicolului optic, R [km] reprezintă distanța între emițător și receptor iar a [dB/km] reprezintă atenuarea atmosferică.

Raportul dintre puterea recepționată și sensibilitatea sa poate fi exprimată astfel:

(4.30)

Marginea conexiunii este o funcție complexă ce ține cont de lungimea (maximă) a conexiunii optice și de condițiile atmosferice. Astfel se poate scrie relația (adaptare după [11]):

(4.31)

Marginea conexiunii poate fi privită ca o sumă de doi factori complet independenți: unul implică condițiile specifice ale conexiunii optice, altul implică factorii ce țin de sistemul însuși.

Parametrii ce țin de conexiune sunt esențiali în evaluarea atenuării introduse de factorii atmosferici.

Ceilalți parametri (legați de sistem) reflectă măsura în care sistemul poate compensa această atenuare și sunt strâns legați de setul de cerințe impuse la proiectarea inițială a sistemului.

Neglijând termenul legat de parametrii conexiunii, putem scrie expresia marginii generalizate [11]:

(4.32)

Marginea generalizată furnizează un standard pentru evaluarea și compararea diverselor sisteme CON independent de lungimea maximă a conexiunii optice, sau de condițiile atmosferice. Calculul acesteia derivă din relația de calcul a marginii conexiunii și ține cont de toți parametrii semnificativi care definesc performanța unui sistem CON. În general, un sistem este ales pentru o anume aplicație particulară, pentru a furniza un anume nivel de performanță în cele mai defavorabile condiții atmosferice.

Un concept important este cel de „gamă dinamică” a unui sistem CON. Gama dinamică este definită ca fiind diferența dintre maximul și minimul nivelelor de putere pe care le poate accepta sistemul. Este foarte important ca un sistem CON să detecteze nivele de semnal mici, în condiții de turbulențe, dar și să tolereze semnalele optice foarte puternice ce pot cauza probleme prin saturarea receptorului. Acest lucru se manifestă la conexiunile optice pe distanțe scurte, cu atenuare scăzută, unde fascicolul optic este „agresat” foarte puțin de atmosfera terestră.

4.2.7 Caracterizarea conexiunii optice neghidate în mediu cu turbulențe

Pentru turbulențe slabe, cea mai utilizată metodă de analiză este aproximarea clasică Rytov [5]. Această aproximare este utilă în studiul CON, în sensul în care aceste relații dau funcțiile de covarianță pentru fluctuațiile de intensitate ale semnalului optic recepționat.

Prezența turbulențelor atmosferice va degrada performanța globală a CON datorită caracterului aleatoriu al semnalului recepționat. Pentru a evalua această performanță, este necesară găsirea unor modele de distribuții care să descrie intensitatea fluctuațiilor.

Conform [5], un estimator al intensității, <I>, este:

(4.33)

Din (4.33) se poate deduce împrăștierea fascicolului optic în prezența turbulențelor.

Expresiile pentru 2 și T sunt date în [8] și sunt de forma:

(4.34)

(4.35)

unde este varianța Rytov. Din (4.34) și (4.35) se deduce echivalarea printr-un profil gaussian a intensității:

(4.36)

WE este valoarea efectivă a ariei efective a fascicolului optic afectat de turbulențe, definit ca [21]:

(4.37)

Expresia este considerată a fi o măsură a turbulențelor ce conduc la deformarea și împrăștierea fascicolului optic, dincolo de efectele normale ale difracției.

Dacă apertura receptorului este mai mare decât amprenta optică a fascicolului, atunci se poate defini o funcție de covarianță a intensității ce conduce la reducerea intensității varianței cu un factor A, conform [7]:

(4.38)

unde este intensitatea varianței raportată la o apertură de diametru D a receptorului.

Modelul de distribuție al fluctuațiilor atmosferice poate descrie canalul cu turbulențe atmosferice, furnizând o măsură a performanței sistemului CON, prin estimarea intensității cu ajutorul funcției de densitate de probabilitate.

Funcția de densitate a probabilității a intensității, pI, este o distribuție lognormală [8]:

(4.39)

unde varianța poate fi obținută din varianța Rytov .

Efectele turbulențelor atmosferice asupra fascicolului optic pot fi clasificate în:

a) Efectul turbulențelor atmosferice asupra intensității scintilațiilor

Teoria larg acceptată, pentru studiul turbulențelor este atribuită lui Kolmogorov care cuantifică efectele turbulențelor prin varianța Rytov [4]:

(4.40)

unde reprezintă numărul de undă, reprezintă lungimea de undă, L reprezintă distanța de propagare, iar reprezintă parametrul de structură al indicelui de refracție [4].

În acord cu modelul de turbulență Hufnagel-Valley, este determinat de viteza vântului și altitudine.

Distribuția intensității scintilațiilor este de tip gamma-gamma [8]:

(4.41)

unde I este intensitatea normalizată a scintilațiilor, este funcția gamma, iar este funcția Bessel modificată de tip 2 și ordin v. Parametrii pozitivi și reprezintă indecșii ce caracterizează intensitatea scintilației (turbulențe pronunțate, respectiv scăzute) [4].

b) Efectul turbulențelor atmosferice asupra fluctuației de fază

Pentru simplitate, fluctuația de fază introdusă de atmosferă poate fi echivalată cu deviația standard a frecvenței semnalului recepționat fIF. În acest caz, eroarea de fază poate fi scrisă ca [4]:

(4.42)

unde Tb este intervalul de timp dintre două detecții consecutive.

Teoria acceptată pentru fluctuația de fază este teoria de aproximare a perturbației derivată din teoria Rytov [4]. Corespunzător acestei teorii, distribuția fluctuațiilor de fază satisface distribuția gaussiană. Atunci distribuția poate fi scrisă ca:

(4.43)

unde este funcția de densitate de probabilitate a lui , iar este varianța erorii de fază, definită de:

(4.44)

unde este frecvența semnalului.

c) Modelul densității spectrale pentru indicele de refracție al fluctuațiilor

Intensitatea scintilațiilor și fluctuațiilor de fază au o caracteristică spectrală de tip trece-jos, indicând o variație lentă a caracteristicilor atmosferei. În această teză, intensitatea scintilațiilor și fluctuația de fază a fascicolului optic prin atmosferă se presupun a fi formate din procese cu caracteristici spectrale de tip trece-jos.

Capitolul 5

Rată de transfer/distanță de transmisie în comunicațiile optice neghidate

5.1. Contracararea efectelor atmosferice adverse

5.1.1. Comunicația multi-fascicol, mono-λ pentru fluxuri separate de informație

Pentru a folosi cât mai eficient un sistem CON, se pot transmite mai multe canale simultan, fiecare canal transportând fluxul propriu de date.

Sistemul supus analizei are ca sursă fotonică o sursă laser CW unică, ce emite pe lungimea de undă de 1550nm. Un distribuitor optic pasiv (eng. splitter) separă fascicolul optic de la intrarea sa în trei fascicole modulate independent OOK prin intermediul a trei modulatoare Mach-Zender. Fascicolele optice transportă informația cu rate de bit individuale, diferite. Pentru fiecare canal virtual (fascicol optic) este valabil același buget de pierderi. Componentele sistemului sunt reprezentate în figura 5.1.

Sistemul beneficiază de avantajul unei singure lungimi de undă de transport, furnizând trei căi de transmisie independente. Puterea laserului CW la emisie este setată la 100mW.

Pentru a mări marginea conexiunii sistemului în ansamblu, au fost adăugate amplificatoare optice, care au rolul de a compensa pierderile în distribuitoare și modulatoare Mach-Zender.

La receptor, trei detectoare independente (fotodiode) realizează conversia optic-electric.

Intensitatea fascicolului laser gaussian poate fi descris de ecuația:

(5.1)

unde r este distanța transversală de la centrul fascicolului optic, z reprezintă distanța de propagare, , reprezintă diametrul fascicolului în .

este diametrul fascicolului pentru care intensitatea acestuia scade la față de axa de maximă intensitate, :

(5.2)

unde este lungimea de undă a fascicolului optic.

Să considerăm N fascicole paralele care pleacă dintr-un singur emițător laser cu lungimea de undă . În planul receptorului, centrul fascicolului este poziționat la . Intensitatea totală în punctul este:

(5.3)

unde reprezintă distanța transversală din centrul fascicolului în planul receptorului.

Ne propunem să calculăm distanța minimă dintre centrele a două fascicole adiacente astfel încât suprapunerile de intensitate optică între acestea să fie neglijabile pentru a nu se produce interferența.

Rezultă o dispunere spațială a fascicolelor optice, necesară pentru a asigura sistemului un minim de interferență, considerând faptul că propagarea în canalul de transmisiune nu este afectată de turbulență sau existǎ turbulență scăzută.

Condiția de neinterferențǎ este datǎ de ecuația:

(5.4)

Ecuația (5.4) aratǎ cǎ, de fapt, doar un singur fascicol optic contribuie la intensitatea totalǎ în punctul de interes, curent. Prin urmare, este convenabil sǎ simplificǎm matematic procesul, considerând douǎ fascicole poziționate la distanța D unul fațǎ de altul. Fie r distanța dintre centrul unui fascicol și axa ce separǎ cele douǎ fascicole.

În acest caz, intensitatea totalǎ este:

(5.5)

Minimul de intensitate este dat de . Simplificând, și intensitatea minimǎ totalǎ este datǎ de:

(5.6)

Putem considera cǎ intensitatea (5.6) are o valoare foarte micǎ (practic, cele douǎ fascicole nu se suprapun); dacǎ aceasta este mai micǎ decât intensitatea individualǎ a fiecǎrui fascicol la , , se poate scrie relația:

(5.7)

Distanța minimǎ normalizatǎ este:

(5.8)

Din relațiile (5.2) și (5.8) se poate obține variația distanței D cu distanța de propagare:

(5.9)

Majoritatea aplicațiilor CON necesitǎ cel puțin distanțe de propagare de ordinul sutelor de metri. Atunci, ținând cont de relația înlocuind și reducând (5.9) la o formǎ mai simplǎ obținem:

(5.10)

D este limitatǎ de dimensiunile receptorului și atunci lungimea maximǎ de propagare pe care sistemul poate sǎ o acopere este datǎ de:

(5.11)

Figura 5.2 aratǎ variația distanței normalizate dintre centrele fascicolelor fațǎ de distanța normalizatǎ de propagare pentru [nm/mm].

Se poate observa liniaritatea dintre D și distanța de propagare, care demonstreazǎ cǎ dimensiunea receptorului (a diametrului lentilei acestuia) trebuie sǎ fie din ce în ce mai mare pentru a putea evita interferențele inter-canal pentru conexiunile optice neghidate lungi.

Problema diametrelor lentilelor optice este una realǎ și o dimensiune rezonabilǎ este asiguratǎ numai cu lentile de o calitate înaltǎ, scumpe. Folosirea acestora conduce și la pǎstrarea unor dimensiuni rezonabile ale dispozitivelor, care sǎ asigure portabilitate unităților de emisie-recepție optice.

Figura 5.3 aratǎ intensitatea totalǎ în planul receptorului produsǎ de trei profile de fascicole identice plasate în linie, dupǎ ce au traversat un canal de propagare lipsit de turbulențe, caracterizat de raportul [m/mm].

Din figura 5.3 se observǎ cǎ, la suprafața receptorului, cele trei fascicole nu interferǎ unul cu celǎlalt. Dacǎ distanța de propagare se mǎrește la [m/mm], atunci apare interferența inter-canal, așa cum se poate vedea în figura 5.4.

Aceastǎ simulare furnizeazǎ un model care determinǎ distanța transversalǎ dintre fascicolele paralele în așa fel încât sǎ nu se producǎ interferența între fascicole în planul receptorului. Acest model aratǎ minimul de interferențǎ dintre fascicolele optice în funcție de maximul distanței de propagare dacǎ fascicolele cu lungime de undǎ identicǎ traverseazǎ un canal neafectat de turbulențe atmosferice.

Modelul prezentat demonstreazǎ cǎ distanțele mari de propagare necesitǎ suficient spațiu între fascicole cu aceeași lungime de undǎ. Pot fi construite sisteme CON de dimensiuni mici, care opereazǎ pe distanțe scurte (uzual zeci/sute de metri), sau sisteme de lungǎ distanțǎ, dar care sunt limitate de dimensiunile total nepractice ale lentilelor receptorului.

5.1.2. Comunicația multi-fascicol pentru ameliorarea factorului BER

Utilizarea mai multor transmițǎtori optici (capete optice) în transceiverele CON conduce la obținerea unei comunicații mai sigure în cazul canalelor de comunicație afectate de turbulențe. Prin utilizarea mai multor capete de transmisie se poate asigura, în unele cazuri, un nivel mai bun al semnalului optic pe fotodioda receptorului corespondent și obținerea unei rate a erorilor de biți mai bune. Sunt utilizate tehnici de diversitate spațialǎ și temporalǎ precum și metode diverse de amplificare opticǎ.

Comunicația optică neghidată trebuie să surmonteze diferitele efecte induse de condițiile de propagare atmosferică. Pentru a remedia parțial aceste efecte, sunt propuse metode de modulație optică care să mărească robustețea sistemului.

Această simulare, ce folosește mediul Optiwave, analizează comparativ două sisteme mono-fascicol și multi-fascicol, ce lucrează sub influența condițiilor diverse de propagare, utilizând spre comparație două tipuri de modulație: OOK și L-PPM. Este analizată disponibilitatea conexiunii optice cu ajutorul diagramei ochi care reprezintă o metrică a calității conexiunii prin evaluarea directă a factorului BER.

Sistemul mono-fascicol este asemănător sistemului CON tradițional. Acest tip de sistem este utilizat numai în cazul fascicolelor optice caracterizate de o atenuare scăzută. De asemenea, trebuie să se țină seama și de puterea optică maximă transferată fascicolului optic din considerente de limitare și încadrare în clasele de siguranță pentru surse optice. Figura 5.5 reprezintă schema bloc a unui sistem CON tradițional cu sistemele și subsistemele componente.

Pentru a putea penetra ceața densă, utilizarea unui mono-fascicol de putere ridicată nu este recomandată din cauza micro-reflexiilor care provoacă un fenomen de deviere totală a fascicolului de la traiectoria inițială. Micro-reflexiile apar ca urmare a interacțiunii fascicolului cu particulele în suspensie ce formează ceața. Cu cât ceața este mai densă cu atât numărul de particule din unitatea de volum este mai mare, iar interacțiunea cu fascicolul optic va fi mai accentuată.

Soluția prezentată constă în divizarea fascicolului optic în n fascicole optice (n=4 din motive de complexitate tehnologică) de putere mult mai redusă care poartă aceeași informație. Această tehnică se mai numește și „diversitate la emisie” și aspectele teoretice au fost prezentate în capitolul 6.1.3. De asemenea, se pot obține rezultate mai bune prin alegerea corespunzătoare a tipului de modulație.

Transmițătorul care folosește diode LASER (LED) multiple poate reprezenta o soluție pentru realizarea comunicației optice pe distanțe mai mari și menținerea ratei de bit și valorilor BER la valori rezonabile. Această metodă poate fi abordată în două moduri:

folosind 4 transmițători identici, fiecare cu driver-ul propriu, atacați de același semnal;

folosind un singur transmițător urmat de un distribuitor 1:4.

Pentru ambele variante s-a utilizat varianta modulării externe (Mach-Zender), având în vedere obținerea de viteze ridicate de transmisie. Dezavantajul constă în utilizarea unui sistem cu patru lentile de colimare, câte una pentru fiecare cale de transmisie, care din punct de vedere tehnologic este complex și costisitor.

Simulările efectuate au ținut cont de condiția ca fascicolele optice să ajungă în același timp (sincron) pe lentila receptorului (cu alte cuvinte să nu existe întârzieri între fascicole). Existența acestor întârzieri ar complica foarte mult schema receptorului.

Rata erorilor de bit pentru sisteme CON ce implementează OOK sau PPM

Rata erorilor de bit BER este numărul de biți eronați raportați la numărul total de biți transferați într-un interval de timp.

În transmisiile digitale, numărul biților eronați este numărul biților recepționați din cadrul unui flux de date de-a lungul unui canal de comunicație care au fost alterați din cauza zgomotului, atenuării de diferite tipuri, absorbției și reflexiei semnalului, interferențelor, distorsiunilor sau erorilor cauzate de desincronizarea biților.

În cazul CON, rata erorilor de bit (BER) depinde de puterea medie ce ajunge la receptor, fenomenele de defocalizare a spotului optic și de zgomotul de la receptor (ce constă în zgomot Johnson și de alice – caracteristică intrinsecă a receptorului). BER mai depinde și de nivelul de decizie stabilit la receptor.

Atmosfera fluctuează relativ lent; de fapt nu există fluctuații mai rapide de 1 ms. În acest fel, la rate de bit înalte, un număr foarte mare de biți sunt transmiși prin canal care se află într-o stare „înghețată”, dar pentru grupuri succesive de biți caracteristicile canalului se modifică lent. În consecință, BER se modifică în permanență datorită acestor fluctuații cauzate de turbulențele atmosferice. Datorită numărului mare de variabile aleatoare asociate canalului atmosferic, puterea recepționată este descrisă prin distribuția log-normală; semnalul fluctuează lent, cu o distibuție gaussiană în jurul unei valori medii.

În cazul ideal al lipsei turbulențelor, factorul BER poate fi calculat prin luarea în considerare a erorilor rezultate din zgomotul de la receptor (fotodiodă). Zgomotul este rezultatul aditiv al zgomotului de alice și Johnson ce apar la conversia foton-electron. În prezența turbulențelor atmosferice, trebuie luați în considerare factori suplimentari care se adaugă zgomotului de la receptor în calculul efectiv al BER. Aceste fluctuații afectează în aparență doar simbolul „unu” recepționat, deoarece ce un bit 0 recepționat implică de fapt lipsa semnalului. Prin utilizarea unei funcții ce descrie probabilitatea de a detecta eronat un bit 1 se poate calcula un BER mediu pentru diferite variații ale intensității turbulențelor.

Se pot utiliza câteva tehnici de detecție a semnalului ce se bazează pe existența unui prag de detecție la receptor. Numai când semnalul de la intrarea detectorului depășește acest prag admitem că semnalul este prezent. Pot apare alarme false atunci când zgomotul depășește acest prag și este interpretat ca prezență de semnal. Mai există un caz, acela în care semnalul este înecat în zgomot, caz denumit detecție eșuată. Conceptul de prag de detecție este ilustrat în figura 5.6.

În sistemele bazate pe OOK distribuția de probabilitate a zgomotului sau a semnalului în prezența zgomotului se presupune a fi de tip gaussian. În acest caz nivelul de prag este stabilit în jurul valorii medii a nivelului semnalului. Atunci probabilitatea de eroare poate fi scrisă ca:

(5.13)

Atunci BER poate fi scris ca:

(5.14)

În relația (5.14) erfc este funcția de eroare:

(5.15)

Pentru sistemele CON cea mai utilizată metodă este modulația în intensitate cu detecție directă (IM/DD – Intensity Modulated Direct Detection). În sistemele CON intensitatea sursei optice este modulată pentru a putea transmite semnale. Pentru transmisie de date digitale nu există alternative practice devreme ce există codarea sursei (compresie de date), codare de canal (detecție/corecție de erori), precum și multiplexarea fluxurilor de informație. Transmisia datelor digitale se poate face bit-cu-bit (codare binară), sau bazată pe cuvinte de biți (codare blocuri de date). În continuare se vor studia câteva scheme de codare binară și bazate pe codarea în bloc precum și performanțele acestora în termeni de putere și eficiență a utilizării benzii.

Cea mai simplă schemă de modulație binară este OOK (fig. 5.7). Aceasta presupune existența unui puls codat ca „unu” în timp ce „zero” este lipsa impulsului. Pentru a micșora complexitatea modulatorului se folosesc impulsuri dreptunghiulare. Debitul de transmisiune a informației este , unde este durata unui bit și este în relație directă cu rata la care sursa de fotoni poate fi comutată on sau off. Pentru OOK, pulsul transmis (normalizat), este dat de:

(5.16)

La demodulator, pulsul recepționat este integrat pe perioada unui bit, apoi eșantionul este comparat cu valoarea de prag pentru a decide dacă este „unu” sau „zero”. Procedeul se numește demodulare cu detecția maximului de probabilitate, care minimizează rata erorilor de bit (BER). Datorită zgomotului de la detector, pot exista erori în determinarea simbolurilor ce urmează a fi transmise. În transmisiile OOK zgomotul aleator poate fi considerat ca având o distribuție gaussiană. Considerând că ambele simboluri sunt echiprobabile, nivelul de prag este stabilit între cele două niveluri ale simbolurilor și valoarea BER poate fi scrisă ca:

(5.17)

unde este valoarea SNR pentru detecția directă.

OOK este tehnica de modulație preferată în comunicațiile optice neghidate datorită simplității și ușurinței în implementarea practică. Modulația OOK reprezintă un bun compromis între utilizarea eficientă a benzii și puterea consumată pentru a realiza acest deziderat. Modulația OOK este aproape independentă față de rata de bit pentru debite binare care depășesc 100 Mbit/s.

BER este o probabilitate condiționată care trebuie mediată peste funcția de densitate de probabilitate (pdf) . Spre exemplu, pentru OOK se poate scrie:

(5.18)

unde (SNR) este media SNR în prezența turbulențelor, <Is> reprezintă media curentului de ieșire a fotodetectorului, iar PI(s) reprezintă funcția de densitate de probabilitate (pdf) a semnalului fluctuant de la receptor ce depinde de nivelul de turbulență și calea de propagare . În ecuația (5.18), erfc(x) este funcția de eroare complementară.

În cazul modulației PPM se folosește codarea în bloc în care biții sunt transmiși în blocuri; codarea optică „în bloc” este asigurată prin convertirea fiecărui cuvânt de q biți într-unul singur de L=2q câmpuri optice pentru transmisie. Cea mai utilizată schemă de codare optică în blocuri este PPM (Pulse Position Modulation) (fig. 5.8) unde un cuvânt de intrare determină poziția unui puls dreptunghiular în interiorul unui cadru. Cadrul cu durata Tf este divizat în L ferestre de timp și numai una dintre acestea poate conține un puls. Această schemă este cunoscută ca L-PPM datorită factorului L asociat câmpurilor optice. Forma pulsului L-PPM transmis este dată de:

(5.19)

Un receptor optimizat ce se bazează pe L-PPM este alcătuit dintr-un banc de filtre, fiecare integrând fotocurentul în interiorul unui impuls. Impulsul demodulat își are originea în slotul în care nivelul curentului depășește un anumit prag și, dacă poziția impulsului este cea corectă, atunci biți sunt decodați fără erori. Erorile de bit se produc în special în grupurile de biți și, pentru zgomot de tip gaussian factorul BER poate fi scris ca:

(5.20)

Se observă că pentru valoarea L=2 se obține același BER ca în cazul modulației OOK.

Compararea eficienței în putere a celor două scheme de modulație poate fi realizată evaluând expresiile BER pentru cele două tipuri de modulații. În figura 5.9 se observă performanța OOK pentru cazurile NRZ și RZ și L-PPM pentru valorile L=2,4 și 8. Se poate observa că 8-PPM are cea mai bună performanță BER fiind și cea mai eficientă schemă în ceea ce privește necesarul de putere al transmisiei. Pentru a obține o valoare dată a factorului BER [4], necesarul de putere în OOK și L-PPM poate fi scris ca:

(5.21)

și respectiv:

(5.22)

Se observă faptul că L-PPM necesită cu mai puțină putere decât OOK pentru a obține o valoare impusă a factorului BER.

În figura 5.10 se poate vedea performanța BER pentru OOK și L-PPM (L=2,4 și 8):

O altă comparație între cele două tehnici de modulație se poate face folosind eficiența utilizării lărgimii de bandă. Eficiența spectrală este definită ca fiind raportul dintre rata de bit și lărgimea de bandă necesară (exprimată în bps/Hz). Necesarul de bandă este Breq= Rb pentru OOK și Breq= LRb/ log2L pentru L-PPM (fig. 5.11).

Din acest punct de vedere OOK este de aproximativ două ori mai eficient decât L-PPM. L-PPM este mai puțin eficient decât OOK în termeni de eficiență a utilizării lărgimii de bandă. În tabelul 5.1 sunt sintetizate comparativ necesarul de bandă și de putere pentru OOK și L-PPM [4]:

Tehnicile de modulație analizate necesită impulsuri cu forma ideală pentru decodare fără eroare. Este necesară prezența unor circuite auxiliare de ceas care să furnizeze markeri foarte preciși pentru integratoare, astfel ca limitele de integrare să se producă exact peste durata unui cadru. Dacă aceste circuite nu sunt suficient de precise, pot apărea valori false de integrare (valori produse în intervalele de offset), fapt care poate conduce la degradarea performanțelor de decodare. În sistemele bazate pe OOK erorile de ceas pot cauza variații în curent ale semnalului care pot fi văzute ca surse adiționale de zgomot ce degradează performanța globală. Pentru sistemele bazate pe PPM, erorile de ceas pot cauza pierderi de energie a impulsului în intervalele corecte și creșteri de energie în zone de offset. Deoarece pot afecta un cadru întreg, erorile de ceas în cazul PPM limitează avantajele acestei metode comparativ cu OOK.

Analiza BER pe platforma de simulare Optiwave

Modelul prezentat în acest capitol, prezentat în referința [7] din „Lista lucrărilor originale” prezintă o conexiune optică formată din trei elemente principale: modulul transmițător, canalul CON și modulul receptor.

Parametrii principali folosiți pentru simulare sunt:

Transmițător: Sursă LASER CW, f =1.93THz, putere=33dBm, apertură 5cm, divergență fascicol 0.25mrad, lungime de undă λ = 1550nm, pierderi pe componentele optice 2dB, tip de modulație selectabil: OOK sau L-PPM;

Canal CON: Distanța transmisie 600m, Gama atenuării: 0.2 – 300dB/km (corespunzător tabelului 5.2);

Receptor: Apertură: 7.5 cm, sensibilitate: – 40dBm.

Debitul de informație a fost setat la valoarea de 2.5Gbit/s.

Ordinul modulației PPM poate fi setat la valorile fixe L=1,2,4 sau 8.

Pentru cazul multi-fascicol simularea este realizată pentru n=3 fascicole optice.

Toate simulările au fost realizate folosind mediul de lucru Optiwave din platforma Optisim.

Modelul pentru analiza BER mono-fascicol este reprezentat în Fig. 5.12.

În tabelul 5.2 sunt redate vizibilitatea și atenuarea corespunzǎtoare pentru diverse condiții atmosferice.

Valorile din tabelul 5.2 sunt preluate din „Codul Internațional de vizibilitate” (Anexa 2) pentru diverse condiții atmosferice.

Folosind aceste valori și parametrii principali de simulare pot fi generate diagramele ochi și se pot estima valorile factorului BER.

Pentru a crește nivelul semnalului optic, înainte de distribuitorul optic este introdus un amplificator optic. Câștigul optic este setat la 20dB. Pentru simplificarea calculelor, atenuarea fascicolului introdusă de distribuitorul și sumatorul optic se neglijează. Valoarea câștigului optic trebuie să fie setată la o valoare rezonabilă (experimentată prin mai multe determinări). Valorile mari produc reflexii multiple și efecte de ordin 2 care vor devia fascicolul de la traiectoria estimată, în special în prezența ceții dense. Schema simulatorului pentru n-fascicole poate fi văzută în Fig. 5.13.

Modelul de analiză BER pentru CON multi-fascicol poate fi văzut în Fig. 5.14.

Pot fi generate analize calitative și cantitative folosind ca sursă valorile BER și diagramele ochi, ca rezultat al simulării. Diagrama ochi este un instrument util pentru analiza calitativă a semnalului în transmisiile digitale. Aceasta furnizează o evaluare vizuală imediată a performanței sistemului în ansamblu și poate furniza date despre imperfecțiunile introduse de canalul de transmisie. Diagrama ochi poate furniza o aproximare rapidă a semnalului raport/zgomot, a erorilor de ceas sau valorilor parametrului jitter. Pe lângă diagrama ochi și valoarea BER este calculată/determinată și valoarea puterii optice în planul receptorului pentru trei cazuri distincte de atenuare atmosferică.

Scenariu mono-fascicol

În figurile 5.15, 5.16 și 5.17 pot fi văzute diagramele ochi pentru ploaie ușoară, zăpadă sau ceață ușoară/densă, pentru scenariul mono-fascicol, pentru modulații OOK sau L-PPM.

Pentru sistemul mono-fascicol valorile puterii recepționate / BER pentru diferite valori ale atenuării ce rezultă în urma simulării sunt date în tabelul 5.3

Scenariu multi-fascicol

În figurile 5.18, 5.19 și 5.20 pot fi văzute diagramele ochi pentru ploaie ușoară, zăpadă sau ceață ușoară/densă, pentru scenariul mono-fascicol, pentru modulații OOK sau L-PPM.

Pentru sistemul multi-fascicol valorile puterii recepționate / BER pentru diferite valori ale atenuării ce rezultă în urma simulării pot fi văzute în tabelul 5.4.

Această simulare analizează două sisteme CON, mono-fascicol și multi-fascicol, analiză care are drept scop final găsirea căilor de extindere a distanței de transmisie optică CON la viteze de ordinul Gbps cu un factor BER rezonabil. De asemenea, a fost examinat efectul modulației OOK și L-PPM asupra performanței generale a întregului sistem. Această schemă de simulare demonstrează că tehnica de modulație L-PPM este mai bună decât OOK în termeni de performanță globală.

În mod obișnuit, diagramele ochi sunt compuse din eșantioane de tensiune /timp ale datelor originale, achiziționate la o anumită rată de eșantionare care este, ca ordin de mărime, sub rata de eșantionare a datelor transmise. Rezultatele prezentate indică faptul că schema de modulație L-PPM este mai puțin sensibilă în condiții atmosferice slabe decât modulația OOK. Diagrama ochi arată toate aspectele parametrice ale tuturor secvențelor posibile din semnalul original, indiferent de cât de rar apar unele efecte.

Diagramele ochi pentru nivelurile de putere recepționate în toate situațiile arată performanța superioară a tehnicii de modulație L-PPM.

Rezultatele analizei au arătat, de asemenea, că performanța L-PPM este mai bună decât OOK în detrimentul eficienței lărgimii de bandă.

Pentru sistemele CON, BER = 10-6 este o limită, sub această valoare comunicarea este încă posibilă încă, dar cu erori. Un tip de modulație adecvat trebuie selectat în cele din urmă pentru a se adapta condițiilor meteo care să conducă la păstrarea erorilor de transmisie la un nivel minim.

În comparație cu soluția cu un singur fascicol, mai multe fascicole oferă performanțe mai bune în ceea ce privește puterea recepționată și valorile BER. Soluția multi-fascicol permite o legătură cu un BER mai bun decât 10-6. Rezultatele din tabelul 5.4 arată că în condiții de ceață densă avem un BER = 10-7 (o valoare limită, dar ușor mai bună comparativ cu valorile care rezultă din condițiile atmosferice nefavorabile din tabelul 5.3).

Soluția cu mai multe fascicole, care utilizează tehnica de modulație L-PPM, ar putea extinde distanța de propagare a conexiunii optice sau, pentru aceeași distanță de transmisie, s-ar putea crește viteza datelor transferate prin sistem.

În această simulare a fost neglijată interacțiunea dintre fascicolele optice, presupunând că acestea ajung sincron la suprafața receptorului.

5.2. Evaluarea influenței tehnicilor de modulație asupra comunicației optice neghidate

5.2.1 Efectul zgomotului cuantic asupra comunicației optice neghidate ce folosește modulația OOK

Conform [16], transmisiunea optică OOK este caracterizată de emisia impulsurilor luminoase de tipul „tot sau nimic” corespunzând unui semnal electric modulat în timp printr-o informație analogică PPM (Pulse Position Modulation), PFM (Pulse Frequency Modulation) sau purtător de informație digitală codată.

În aceste cazuri, receptorul trebuie să decidă, la fiecare moment, între două posibilități:

prezența luminii (a fotonilor) la intrarea în receptor → stare binară 1;

absența luminii (lipsă fotoni) la intrarea în receptor → stare binară 0;

În cazul ideal se presupune că nu există alte surse de zgomot decât zgomotul cuantic, atunci pragul de decizie poate să fie fixat între zero și un foton pentru un interval de timp T. Probabilitatea P0 de recepție a unui foton atunci când este emisă starea binară 0 este practic nulă:

(5.23)

Se poate întâmpla ca la emisia pulsului optic (stare 1 emisă), în intervalul T să nu fie recepționat nici un foton (stare 0 recepționată).

Probabilitatea P1 de a interpreta ca un 0 semnalul 1 emis, este conform legii lui Poisson:

(5.24)

Probabilitatea de a recepționa în mod excepțional x=0 fotoni în timpul T, atunci când în medie se recepționează:

(5.25)

este

(5.26)

unde reprezintă numărul mediu de fotoni primiți în intervalul de timp T, corespunzând energiei optice primite (fluctuațiile aleatoare ale lui x în jurul lui se repercutează asupra curentului de ieșire și asupra deciziilor binare ce pot fi luate la recepție).

Implementările practice CON implică utilizarea modulației în intensitate și detecția directă pentru sistemele IM/DD. Datele transmise sunt modulate în intensitate folosind OOK și trec prin canalul de transmisiuni (atmosferă) către receptor. Acesta colectează fluxul optic cu ajutorul lentilelor și îl focalizează pe fotodetector care convertește puterea optică instantanee în curent electric necesar procesului de detecție. În prezența turbulențelor atmosferice între transmițător și receptor, semnalul recepționat este afectat de existența fluctuațiilor de intensitate. Atunci, puterea instantanee a semnalului recepționat este aleatoare:

(5.27)

unde D este apertura și I (0, L) intensitatea semnalului la distanța L de emițător.

Cantitatea observată poate fi scrisă și ca:

(5.28)

Mai mult decât atât, valoarea medie a curentului este, unde este factorul de responsivitate al fotodetectorului.

Curentul de ieșire al detectorului este , (în acest caz, o variabilă aleatoare) care are valoarea medie și varianța , unde reprezintă fluctuații în semnal care contribuie la sporirea nivelului de zgomot la detector. Atunci se poate scrie că:

(5.29)

și, utilizând relațiile de mai sus și relația SNR în absența turbulențelor

(5.30)

f = lărgimea de bandă a filtrului de la recepție – lărgime de bandă aleasă convenabil pentru a se potrivi peste anvelopa frecvențelor din semnalul recepționat. Obținem atunci o valoare medie:

(5.31)

În acest fel, prezența turbulențelor induce fluctuații în semnalul recepționat care vor degrada performanța SNR a unui sistem cu detecție directă.

În prezența turbulențelor optice, expresia factorului BER trebuie să fie modificată în așa fel încât să conțină și efectele date de fluctuația semnalului. În acest caz, valoarea de prag este stabilită la jumătatea mediei semnalului recepționat ce corespunde impulsului .

Probabilitatea de detecție falsă Pf nu depinde de caracterul aleator al semnalului recepționat și poate fi scrisă ca:

(5.32)

și, atunci, probabilitatea de eșec este:

(5.33)

unde iS este semnalul aleator la detector, ce corespunde intensității instantanee a semnalului recepționat. Pentru calculul BER mediu aceste ecuații trebuie să fie scrise ținând cont de fluctuația intensității spectrului. Conform [4], se obține:

(5.34)

unde PI(i) este funcția de densitate de probabilitate a fluctuațiilor de intensitate ale semnalului.

Prin asumarea faptului că nivelul de prag este stabilit dinamic la jumătatea nivelului semnalului recepționat, , se obține relația [4]:

(5.35)

Se va utiliza expresia (5.35) pentru limita teoretică a unui sistem CON și relația (5.34) când este necesar un model precis pentru comparația diferitelor rezultate experimentale.

Capitolul 6

Supraviețuirea conexiunii optice neghidate într-un mediu cu turbulențe

6.1 Asigurarea disponibilității conexiunii optice neghidate

Comunicația optică prin atmosfera terestră este un proces complex, dificil predictibil și nu întotdeauna cuantificabil. Turbulențele produc fluctuații ale amplitudinii și fazei semnalului optic recepționat, degradând performanța globală a conexiunii. Termenul de supraviețuire a conexiunii optice are, în contextul acestui capitol, înțelesul de asigurare a funcționalității sistemului de comunicații la debitul de informație binară și distanța de transmisie stabilite prin proiectare.

Disponibilitatea conexiunii optice se referă la durata de timp în care o conexiune este operațională. Canalul de comunicație CON trebuie să fie modelat pentru a lua în calcul factorii care influențează nivelul performanțelor: ceața, ploaia, zăpada, interferența cu radiația solară, absorbția, împrăștierea și scintilația. Aceste fenomene se manifestă atât în spectrul vizibil cât și în infraroșu.

Turbulențele atmosferice provoacă fluctuații ale nivelului semnalului recepționat, care pot mări rata erorilor de bit în sistemele de comunicații digitale. Sistemele CON sunt afectate de fenomenele de absorbție și împrăștiere ce apar prin interacțiunea dintre unda optică și atmosfera terestră. Fascicolul optic interacționează cu o mare varietate de particule mici suspendate, prezente în atmosferă. Interacțiunea produce o varietate de efecte: absorbție selectivă de frecvențe, împrăștiere și scintilație. Cuantificarea atenuării este condiționată de fluctuația de intensitate cauzată de tipuri și nivele de turbulență atmosferică. Particulele din atmosferă sunt distribuite aleatoriu sub efectul gradientului de temperatură ce apare de-a lungul mediului de propagare. Variația fronturilor de undă, cauzată de distribuția acestor celule, produc defocalizarea fascicolului optic.

Amplitudinea și frecvența scintilațiilor depind de raportul dintre mărimea particulelor și diametrul fascicolului optic. Intensitatea și frecvența scintilațiilor cresc odată cu frecvența undei fotonice.

Abilitatea unităților de emisie-recepție din sistemele CON de a recepționa semnale este determinată de sensibilitatea optică a receptorului precum și de mărimea și calitatea lentilelor care focalizează fluxul optic pe fotodetector. Unghiurile de divergență ale fascicolului optic emis de laser sunt tipic de ordinul miliradianilor. Deoarece fascicolul optic are forma unui trunchi de con, el pleacă din emițător cu un diametru de câțiva mm (tipic 1-10 mm) și ajunge, după 1 km, la diametre de câțiva metri (tipic 0,5-3 m). Deoarece fascicolul optic are o anumită divergență, o parte din energia optică emisă ajunge la receptor în afara secțiunii de captură. Este de preferat ca receptorul să aibă o apertură cât mai mare pentru a capta cât mai mult din fascicolul emis. Acest lucru implică utilizarea unor lentile cu diametre mari, prelucrate foarte precis, care presupun costuri foarte ridicate. Minimizând această divergență, mai multă lumină poate fi concentrată pe fotodioda receptorului. Pentru un sistem real, pierderile posibile pot fi reprezentate de pierderile de aliniere, filtrele din receptor, pierderile sistemului optic și pierderile de cuplare. Sistemele reale au fascicolele optice divergente într-o anumită măsură astfel încât sistemul să fie tolerant la mici vibrații și deplasări fără a sacrifica performanța globală a sistemului.

O analiză detaliată a sistemelor CON din acest punct de vedere este realizatǎ în [2], [5].

6.1.1 Probabilitatea de întrerupere a fascicolului optic

Variațiile în timp ale canalului sunt evaluate folosind modelul cvasi-static (modelul canalului „înghețat”). Potrivit acestui model, turbulențele atmosferice sunt considerate constante pe durata unui pachet de date, modificându-se la o nouă valoare odată cu trecerea la un nou cadru. Fenomenul ce provoacă frecvent întreruperea fascicolului optic este scintilația. Celulele formate în atmosferă produc modificarea fronturilor de undă și, implicit, defocalizarea fascicolului optic. Amplitudinea și frecvența scintilațiilor depind de dimensiunile celulelor, comparativ cu diametrul fascicolului optic.

Probabilitatea de întrerupere este dată de funcția de distribuție cumulativă (fdc):

(6.1)

Pentru valoarea de prag IT(0, L) se obține astfel [2]:

(6.2)

În sistemele CON sursele dominante de zgomot sunt radiația de ambianță (de exemplu radiația solară) și zgomotul la receptor (intrinsec, propriu dispozitivului). Aceste tipuri de zgomot aditiv sunt modelate prin distribuții gaussiene. Pentru a obține statistica unui transceiver CON, se opresc pe rând sursa (laserul), pentru a evalua zgomotul de ambianță și cel termic, apoi se acoperă lentila receptorului pentru a elimina zgomotul de ambianță.

Iradianța, sau intensitatea undei optice, este direct proporțională cu pătratul amplitudinii câmpului optic. La distanța radială r față de axa optică, iradianța este dată de:

(6.3)

unde I0 = I0 (0, 0) este iradianța ieșirii transmițătorului pe centrul fascicolului optic, iar exponentul exprimă iradianța în spațiu liber, considerat fără turbulențe.

Relația dintre intensitatea undei optice și puterea totală a fascicolului optic pentru cazul r=0 poate fi scrisă sub forma [4]:

(6.4)

unde P0 este puterea totală transmisă de fascicolul optic. Puterea P incidentă pe apertura lentilelor receptorului de diametru D situat la distanța L este:

(6.5)

În cazul real, la unghiuri de divergență mari , și atunci unghiul de divergență poate fi calculat simplu prin relația =W0/|F0|. De asemenea, W = W0 + L.

Presupunând că la receptor amprenta fascicolului optic este mai mare decât diametrul suprafeței active a receptorului (), intensitatea optică pe lentila receptorului poate fi considerată uniform distribuită și puterea optică recepționată este:

(6.6)

Dacă se consideră atenuarea atmosferică atm ca o variabilă aleatoare, atunci probabilitatea de indisponibilitate a sistemului CON este [2], [4]:

(6.7)

unde M1 este marginea conexiunii cu valoarea M1 = M/L12 și E este probabilitatea de depășire a atenuării atmosferice impuse ca limită.

Dacă se consideră o margine fixă a conexiunii, atunci orice mărire a atenuării atmosferice cauzează întreruperi ale comunicației. Aceste întreruperi formează serii aleatoare {i} care pot fi caracterizate de probabilitatea:

(6.8)

Un exemplu poate fi dat pentru cazul când durata întreruperii este mai mare decât * pentru cazul particular când se depășește M1. Atunci Er/ poate fi estimat din:

(6.9)

unde este numărul de întreruperi mai mari decât *, iar N este numărul total de întreruperi pentru o perioadă suficient de lungă de timp. Tipic, întreruperile sunt de lungă durată. În acest caz, E/ nu se schimbă dramatic cu valoarea aleasă pentru marginea conexiunii M1.

6.1.2 Model Matlab pentru evaluarea disponibilității conexiunii folosind metoda valorii de prag.

Rezultatul (contribuția originală) din acest capitol a fost publicată în revista „Telecomunicații” (capitolul 7, poziția [10] în „Lista lucrărilor originale”).

Cele mai importante efecte ale turbulențelor asupra fascicolului optic sunt: distorsiuni ale fazei fronturilor de undă, împrăștierea fascicolului, captura și redistribuirea intensității optice în interiorul acestuia. Pentru un fascicol optic puternic afectat de turbulențe, scintilația este cea mai importantă cauză a pierderilor de putere.

Este dificil de evaluat influența scintilației pentru diferite tipuri de turbulențe atmosferice și este foarte greu de anticipat care este efectul acestui tip de turbulență asupra disponibilității CON pe termen lung. Pentru evaluare s-au făcut câteva simplificări: fluctuațiile s-au considerat a fi de mică intensitate, fascicolul optic laser se consideră a fi circular, iar valoarea BER nu scade sub valoarea de 10-6.

Intensitatea I a unei unde optice care se propagă prin atmosferă poate fi considerată o variabilă aleatoare. Varianța normalizată a intensității undei optice, sau indexul de scintilație, este definită de:

(6.10)

În cazul fluctuațiilor puternice, indexul de scintilație este invers proporțional cu varianța Rytov pentru undă plană, și este dat de:

(6.11)

unde este parametrul de structură al indicelui de refracție. Acest parametru depinde de intensitatea vântului, altitudine, umiditate, presiune atmosferică, și variază de la 10-12 până la 10-19 m-2/3. Pentru un câmp de turbulențe omogen, care are o direcție de propagare orizontală fața de suprafața terestră, indicele de refracție este constant.

Distribuția intensității optice este:

(6.12)

unde este varianța undei X (log-amplitudine) și I0 este intensitatea medie recepționată fără turbulențe [3]. Media este și varianța este .

Deviația standard pentru fluctuațiile de amplitudine poate fi obținută din:

(6.13)

unde este lungimea de undă, în nm, (L) este parametrul de structură al indicelui de refracție la altitudinea constantă L în m-2/3, Z reprezintă distanța de transmisie, în m, iar este varianța Rytov dată de:

(6.14)

Pentru L < 20m, variază între 10-13m-2/3 și 10-17m-2/3 pentru turbulențe puternice, respectiv slabe. Uzual se folosește valoarea 10-15m-2/3.

Disponibilitatea conexiunii optice punct-la-punct este [3]:

(6.15)

unde Ith este o valoare de prag.

Transmitanța este invers proporțională cu distanța și atenuarea atmosferică.

Pentru lungimea de undă de 550nm, raportul de prag, stabilit de Organizația Mondială de Meteorologie, este 0,05.

Sistemul CON utilizează lungimile de undă de 850, 1310 și 1550nm.

Pentru un raport de prag fixat, disponibilitatea conexiunii este dată de deviația standard a fluctuațiilor de amplitudine (logaritmice) x, dependentă de condițiile atmosferice și distanța de transmisie [3].

Figura 6.1 redă disponibilitatea conexiunii optice în funcție de parametrul de structură și funcție de lungimea conexiunii, pentru diferite valori ale transmitanței, valori calculate cu ajutorul programului Matlab.

Se observă că disponibilitatea unei conexiuni CON este maximă pentru lungimi ale conexiunii optice de până la 5 km.

Figura 6.2 prezintă modelarea în mediu de lucru Matlab a disponibilității conexiunii funcție de distanță pentru un sistem CON generic.

Calitatea unei conexiuni optice CON în funcție de disponibilitate și factorul BER este determinată de parametrii conexiunii și de proprietățile statistice ale atmosferei terestre. Parametrii tehnici ai conexiunii CON sunt dați de producătorii de echipamente, însă determinarea parametrilor statistici ai atmosferei reprezintă o reală problemă. Dezavantajul CON față de fibră este că atenuarea puterii fascicolului optic este variabilă și greu de prezis. Probabilitatea de întrerupere a fascicolului optic este calculată folosind metoda valorii de prag. Aceasta se bazează pe presupunerea că întreruperile transmisiei datelor recepționate se află în interiorul unor intervale temporale unde intensitatea fluxului optic scade sub o valoare de prag aleasă (sau puterea optică recepționată scade sub sensibilitatea receptorului). Metoda valorii de prag oferă o metodă simplă de calcul a probabilității de întrerupere și nu necesită o investigare minuțioasă a performanțelor receptorului.

Concluzii:

Curbele de disponibilitate prezentate furnizează o indicație de proiectare pentru un sistem CON ce funcționează pentru lungimi rezonabile ale conexiunii optice (maxim 4 km), potrivite pentru sisteme ce funcționează în zone pentru care s-au determinat în prealabil parametrii statistici ai atmosferei terestre.

Așa cum am arătat la începutul capitolului, disponibilitatea unei conexiuni CON se referă la durata de timp în care o conexiune optică este operațională și este exprimată în procente.

Ca exemplu, o disponibilitate de 99,9% înseamnă că legătura poate să nu fie operațională cel mult 43 minute în fiecare lună, sau 8,6 ore pe an. O disponibilitate de 99,99% înseamnă că legătura poate să nu fie operațională cel mult 4 minute pe lună, sau un total de 52 minute pe an.

Pentru asigurarea unei disponibilități ridicate se folosesc frecvent comunicațiile hibride RF/optice. Sub-sistemul radio este folosit pentru asigurarea comunicației atunci când condițiile meteo sunt adverse comunicației optice. Sub-sistemul CON este afectat în principal de ceață, sub-sistemul radio este afectat în principal de ploaie. Împreună, cele două subsisteme pot asigura o disponibilitate a conexiunii CON-RF de 99,999%. Tabelul 4-2 prezintă comparativ tehnologiile radio și CON din punctul de vedere al vitezei și distanței de transmisie, securitate și cost [13].

Fiecare tehnologie are propriile sale avantaje și dezavantaje. Sistemele radio pot oferi acces la rețele de mare viteză într-o configurație punct-la-multipunct în timp ce sistemele FSO furnizează conexiuni punct la punct. În cazul condițiilor nefavorabile (ceață densă), sistemele radio sunt relativ neafectate dar performanța sistemelor CON se degradează brusc. Cu toate acestea, sistemele radio au costuri de funcționare mai ridicate datorită licențierii spectrului (sistemele CON funcționează în bandă de frecvență nereglementată) iar performanțele sistemelor radio se degradează puternic în condiții grele de ploaie. Sistemele CON sunt afectate într-o mai mica măsură de ploaie. Într-adevăr, tehnologia CON este un complement bun pentru tehnologia radio în măsura în care este luată în considerare performanța sistemului în timpul diferitelor evenimente meteorologice.

În concluzie, metodele de proiectare care pot conduce la obținerea unei disponibilități a conexiunii optice de 99.99% sunt reprezentate de:

utilizarea de elemente fotonice pe tot lanțul de transmisie (cât mai puține conversii E-O și O-E);

utilizarea tehnicilor WDM și EDFA;

utilizarea tehnicilor multi-fascicol și multi-apertură;

folosirea lungimii de undă de 1550nm;

utilizarea unui fascicol de divergență extrem de scăzuta la transmițător și o apertură optică mare la receptor (sisteme optice de formare/captare a fascicolului);

utilizarea sistemelor de auto-aliniere pentru o focalizare precisă a fascicolului emis pe suprafața lentilei receptorului;

sisteme radio de backup în caz de propagare optică dificilă;

folosirea sistemelor de control automat al puterii optice emise pentru evitarea saturării fotodiodei receptorului;

folosirea, acolo unde este posibil, a tehnologiei mesh pentru reducerea distanței dintre unitățile de emisie-recepție optice.

6.1.3 Diversitate spațială și temporală

Proiectarea sistemelor optice neghidate nu permite întotdeauna mărirea diametrului lentilei receptorului peste o anumită valoare (uzual 20cm) deoarece se va obține o creștere a zgomotului de fond. Prin urmare, creșterea aperturii receptorului poate să nu fie întotdeauna o soluție optimă. Pentru a atinge același nivel de performanță ca un receptor echipat cu o lentilă unică, aceasta este înlocuită de un număr de lentile (fie la emițător, fie la receptor) care sunt suficient de distanțate unele de altele. Separarea dintre lentilele multiple trebuie să fie mai mare decât lungimea de coerență, r0, a atmosferei astfel încât fascicolele multiple să fie independente și necorelate.

Această tehnică, denumită și multi-apertură, fie la transmițător (numită și diversitate de transmisie) fie la receptor (numită și diversitate de recepție) sau în ambele părți (numită MIMO – Multiple Input Multiple Output) este cunoscută ca diversitate spațială, așa cum se arată în figura 1 și este utilizată pentru a atenua efectul turbulențelor atmosferice.

Pentru a determina îmbunătățirea performanței unui sistem multiapertură vom considera cazul unui receptor cu N detectoare statistic independente. În acest caz, prin însumarea ieșirilor obținem (ecuațiile trebuie rescrise, sunt poze):

(6.1)

Relație în care η reprezintă eficiența conversiei din domeniul optic în electric, iar Is,j și In,j reprezintă curentul semnalului și respectiv zgomotului corespunzător receptorului jth. Pentru simplificare vom considera că media și varianța curenților asociați semnalului și zgomotului sunt identici. Atunci media și varianța curentului total recepționat, Ir este:

(6.2)

Media SNR este data de:

(6.3)

Unde este media SNR pentru un singur detector. Ecuația (6.3) arată că ieșirea SNR pentru N detectoare independente poate îmbunătăți performanța sistemului cu un factor de . În același timp, iradianța normalizată efectivă (indexul de scintilație) este redusă cu un factor N:

(6.4)

Unde N este numărul de detectoare de la receptor. Utilizarea fascicolelor optice multiple reduce substanțial efectul scintilației induse de turbulențe. Principaleletipuri de diversitate spațială pot fi văzute în figura 6.3.

Dacă se utilizează un singur fascicol laser pentru transmisia prin atmosferă, turbulențele atmosferice vor „diviza” fascicolul într-o multitudine de fascicole mai mici. Aceste fascicole se vor deplasa în mod independent, datorită schimbărilor locale ale indicelui de refracție al atmosferei. La receptor, diferitele fascicole se vor combina între ele, în fază sau în antifază.

Combinarea în fază conduce la o creștere a puterii, în timp ce combinarea în antifază va cauza scăderea semnalului, ceea ce duce la fluctuații aleatorii ale puterii la receptor. Dacă în locul unui singur fascicol sunt folosite pentru transmisie mai multe fascicole, independente și necorelate, atunci orice suprapunere a fasciculelor la receptor va avea ca efect creșterea energiei recepționate. În plus, probabilitatea de întrerupere a căii optice va fi redusă semnificativ.

Dacă se iau în calcul întârzierile semnalului optic pe căile optice multiple avem de-a face cu diversitatea temporală care complică schema receptorului dar permite o mai bună imunitate la turbulențe.

În afară de fluctuațiile datorate turbulențelor, un alt beneficiu este reprezentat și de limitarea puterii emițătorului (pe fiecare cale optică) în limitele admisibile de siguranță ale laserului.

6.1.4. Optica adaptivă

Zonele de turbulență sunt reprezentate de „volume de aer”, de diferite forme și dimensiuni, prezente în atmosferă, care își modifică permanent forma și densitatea, acționează ca un grup de lentile și determină "împrăștierea" fascicolului optic în atmosferă datorită fenomenului de scintilație.

Proiectanții de sisteme au încercat să depășească problema atenuării în diferite moduri – cu un succes limitat. O soluție nouă, optica adaptivă (AO – Adaptive Optics), poate restaura forma fascicolelor de lumină deformate de atmosfera terestră la o stare aproape originală, abordând cauzele apariției fenomenului de scintilație, care constă în împrăștierea și răspândirea fascicolului în atmosferă. Sistemul optic adaptiv poate rezolva problemele de propagare ale comunicațiilor optice neghidate prin îndeplinirea cerințelor operatorilor de telecomunicații: legături optice independente de protocoalele utilizate, funcționarea pe distanțe mai mari, la lărgimi de bandă mai mari, cu o fiabilitate (disponibilitate a conexiunii) crescută pentru toate tipurile de condiții meteorologice.

Schimbările aleatorii de fază determină o interferență în fază și antifază, rezultând un model de "strălucire" de intensitate variabilă a radiației luminoase pe suprafața receptorului numită scintilație.

Scintilația este cauzată de indicele de refracție neuniform ce apare în porțiunile de turbulență dintre emițător și receptor, rezultat al temperaturii fluctuante a aerului, presiunii și vântului. Volumele de aer cu densități variate există într-o gamă de dimensiuni – de la câțiva milimetri până la metri – și cresc, se micșorează și se deplasează cu frecvențe de până la 100 Hz. Deoarece viteza luminii prin aer depinde de indicele de refracție, aceste volume de aer în continuă schimbare se comportă ca o ”colecție” de lentile în permanentă mișcare care fac ca energia optică a fascicolului să ajungă parțial la receptor. Sursele de căldură care contribuie la scintilație sunt comune în zonele urbane și suburbane și includ străzi, locuri de parcare, acoperișuri și coșurile de evacuare a fumului și gazelor (de obicei fierbinți) ale clădirilor.

În al doilea rând, indicele de refracție în continuă schimbare determină ca unele părți ale fascicolului să încetinească mai mult decât altele, distorsionând „fâșii” uniforme din fascicolul optic emis. Aceste schimbări aleatorii de fază cauzează interferențe distructive asupra fascicolului optic.

În al treilea rând, schimbările indicelui de refracție determină împrăștierea fronturilor în tranzit, reducând energia pe axa centrală a fascicolului. În cele din urmă, fascicolele se „rătăcesc” (efectul de „imagine dansantă”) din cauza mișcării suporturilor echipamentelor sau a clădirilor pe care sunt montate precum și datorită influenței termice neuniforme cauzată de încălzirea solară.

Tehnica de optică adaptivă a fost dezvoltată inițial pentru a corecta atenuarea introdusă de atmosferă prin înclinarea oglinzilor telescoapelor cu o frecvență de câțiva hertzi. Acest lucru a redus scintilația și a permis o claritate îmbunătățită a imaginilor neclare. Cu toate acestea, a fost necesară o mărire de zece ori a frecvenței pentru a elimina complet neclaritățile produse de atmosferă asupra imaginilor.

Tehnicile ce utilizează optica adaptivă folosesc tehnologii avansate, în special procesare rapidă în timp real, pentru a elimina zgomotul din semnalele optice. Fascicolul optic trece mai întâi printr-o lentilă cu focalizare dinamică care este apoi reflectată de un element optic special, numit oglindă deformabilă, care aplică un fascicol în antifază cu cel original, anulând aberațiile optice ale fascicolului de intrare. O parte a frontului de undă corectat este separată de un senzor de undă care măsoară distorsiunea reziduală sau eroarea în frontul de undă. Semnalul de corecție este calculat într-un procesor și trimis către oglinda deformabilă. Fascicolul optic „curățat” este introdus printr-un divizor către receptor, prezentat în figura 1 ca un port de date bidirecțional.

Întârzierea sau latența dintre măsurarea erorii reziduale a fronturilor de undă și mișcarea oglinzii deformabile trebuie menținută la un nivel minim, în caz contrar sistemul va corecta condițiile anterioare, nu cele curente, atmosferice. Aceasta este o provocare, cu procese aleatorii care se schimbă rapid, cum ar fi turbulențele atmosferice, unde starea viitoare nu poate fi dedusă din condițiile actuale. În astfel de situații, sistemul de comandă trebuie să funcționeze de cel puțin 10 ori mai rapid decât procesul controlat.

Din moment ce atmosfera are fluctuații de ordinul a 100 Hz, sistemul de comandă trebuie să facă corecții în oglinda deformabilă la o frecvență de 1.000 Hz sau mai rapid.

Figura 6.4 prezintă metoda de implementare practică a conceptului de optică adaptivă [AOptix].

În figura 6.5 sunt reprezentate pierderile prin scintilație fără optica adaptivă (a), unde scintilația determină defazarea semnalului rapid și cu valori mari (~ 40 dB), ceea ce face imposibilă recepționarea corectă a semnalului. Cu ajutorul opticii adaptive (b), pierderea medie de scintilație și abaterea standard a pierderii sunt mult reduse și se înscriu în normele de toleranță ale unui receptor standard.

Sistemele de comunicații optice neghidate sunt de fapt sisteme de comunicații bidirecționale, duplex. Datorită acestui fapt, oglinda deformabilă nu are numai rolul de a corecta frontul de undă al fascicolului de intrare, dar, în același timp, pre-formează în prealabil și frontul de undă pentru fascicolul de ieșire pentru a corecta aberațiile cunoscute deja. Pre-modelarea fascicolului de la emițător pentru a corecta efectele induse de atmosferă, elimină aberațiile optice și scintilația, astfel încât fascicolul să poată fi perfect focalizat pe lentila receptorului.

Au fost efectuate simulări pentru a compara performanțele sistemelor în totalitate optice care funcționează pe o distanță de 2 km cu și fără optică adaptivă. Fără optică adaptivă, scintilația determină aberații ale semnalului. Prin aplicarea tehnicilor de optică adaptivă, pierderea medie prin scintilație și abaterea standard a pierderii sunt mult reduse. Prin corectarea distorsiunilor fundamentale ale frontului de undă, care provoacă migrarea, scintilația și răspândirea fascicolului, acest sistem este capabil să transmită fascicole colimate foarte precis și să captureze mai mult de 90% din energia fascicolului emis.

Optica adaptivă aduce avantaje în ceea ce privește refacerea fascicolului optic. Este posibilă transmiterea de fascicole bidirecționale, colimate, care corectează efectele scintilației prin corectarea fronturilor de unde deformate, de mii de ori pe secundă. Ca urmare, este posibilă și transmiterea directă, fără conversie, de la fibra transmițătorului prin atmosferă și captarea fascicolului înapoi în fibra receptoare, toate aceste procese având loc cu margini acceptabile ale conexiunii optice, conferind fiabilitate și stabilitate.

6.1.5 Interferența între sisteme CON

Rezultatul (contribuția originală) din acest capitol a fost publicată în cadrul proceeding-ului conferinței ECAI 2018 (capitolul 7, poziția [14] din „Lista lucrărilor originale”).

Interferența reprezintă suprapunerea totală sau parțială a fascicolelor optice ce sunt generate de două sau mai multe perechi de unități de emisie-recepție. Interferența între sistemele CON apare, de regulă, între sistemele care operează în mediul urban unde densitatea de unități de emisie-recepție este mare.

Deoarece amprenta fascicolului optic în planul receptorului poate fi de ordinul metrilor la distanțe de transmisie ce depășesc 1 km, există câteva aspecte negative care trebuie luate în calcul la proiectarea a două sisteme FSO:

a) Interferența între fascicolele optice ale sistemelor CON ce conduce la scăderea raportului semnal-zgomot pentru fiecare conexiune optică în parte; fascicolul emis de unitatea optică aflată în apropiere reprezintă o sursă de perturbație, mai ales pentru sistemele digitale unde apare interferența intersimbol. Acest tip de interferență este, la rândul său, de două tipuri:

Interferența a două sau mai multe fascicole cu aceeași lungime de undă; acest lucru este cunoscut în literatura de specialitate ca interferență interferometrică.

Interferența a două sau mai multe fascicole cu lungimi de undă diferite, cunoscută ca interferență intercanal.

Datorită interferenței, un alt tip de efect nedorit îl poate reprezenta faptul că o parte importantă din energia fascicolelor poate ajunge pe suprafața receptorului vecin, ceea ce înseamnă că există posibilitatea interceptării fluxului de date din fascicolul optic.

b) Interferența fascicolelor optice cu radiația solară; la montarea echipamentelor trebuie să se evite alinierea axei dispozitivelor de emisie-recepție cu axa de maximă activitate a soarelui (axa răsărit-apus). Radiația solară are efectul nedorit de scădere a raportului semnal-zgomot și, dacă nu sunt prevăzute filtre optice pe o gamă precisă de lungimi de undă, pot suprasatura fotodioda receptorului dacă radiația ajunge direct pe dispozitivul optic și implicit pe fotodiodă.

Interferența cu radiațiile solare este mai puternică pentru sistemele ce operează la 1550nm. Acest tip de interferență poate fi combătut prin utilizarea unui filtru optic îngust care să blocheze radiațiile sub 850nm și să lase să treacă numai lungimile de undă utilizate la comunicația intersistem. De asemenea, se pot utiliza filtre spațiale care să nu permită trecerea radiației incidente în receptor sub un unghi mai mare de 1,5grade.

Metodele de anihilare (totală sau parțială) a fenomenului de interferență sub o limită (un prag) de la care efectele să nu mai fie resimțite țin de o proiectare corectă a sistemelor. Pe lângă folosirea filtrelor de atenuare a unor game de lungimi de undă este necesară și amplasarea corectă, la o anumită distanță și sub un anumit unghi, a unităților de emisie-recepție. Ecuația care descrie variația densității de putere a fascicolului optic pentru unghiul de divergență θ este [2]:

(1)

Figura 1 descrie forma fascicolului optic gaussian pentru o conexiune optică neghidată generică. Ecuația (1) urmărește indicațiile din figura 6.6.

În cazul interferenței între sisteme ce operează pe aceeași lungime de undă, sistemele trebuie plasate la distanțe calculate corect pentru a evita suprapunerea fascicolelor optice. Acest tip de interferență, denumită interferometrică, este definită în recomandarea de standard ITU-T seria G [2].

Interferența interferometrică se poate scrie ca [2]:

(1)

(2)

Unde r este raportul de extincție liniară a semnalului dorit. Interferența dintre sistemele care nu operează la aceeași lungime de undă este denumită interferență intercanal. Ecuația care descrie procesul este [2]:

(4)

unde, din nou, r este raportul de extincție liniară a semnalului dorit.

Pentru a înțelege mai bine fenomenul, vom analiza practic următorul scenariu:

Dacă două perechi de sisteme CON trebuie instalate între clădiri ce se află în limita de vizibilitate directă, se pune întrebarea care este distanța minimă dintre transmițătoarele optice aflate pe aceeași clădire pentru a evita interferența interferometrică. Atenuarea maximă, impusă, datorată interferențelor este de 0,6dB, iar distanța dintre clădiri (transmițătoare corespondente) este d=500 m.

Datele de proiectare pentru sistemele CON pot fi văzute în tabelul 6.2 (conform [2]):

Conform ecuației (2) se calculează CI folosind ca sursă datele din tabelul 1, de unde rezultă CI = -34,7dB care conduce la o penalizare de 0,45dB cu un raport de extincție de aproximativ 10 dB.

În acest exemplu, conexiunile optice sunt paralele, iar setările și unghiurile pentru transceivere sunt aceleași. În termeni liniari, aceasta înseamnă CI = 0,000512. Utilizând ecuația (1) rezultă:

(5)

(6)

Din rezolvarea ecuației (5) rezultă θ = 3,78 mrad.

Din ecuația (6) rezultă X = 1,7m.

Figura 6.7 reprezintă schema geometrică pentru evidențierea fenomenului de interferență. Rx și Tx reprezintă marjele de eroare ale divergenței care pot menține interferența în limitele de proiectare impuse.

Rezultatele obținute conduc la concluzia că transmițătorii situați în aceeași locație (pe același imobil) nu pot fi mai aproape de 1,7m unul de celălalt, ținând cont de divergența echipamentului optic și de distanța de transmisie de 0,5 km între planurile de emisie și recepție. Tinând cont de acest rezultat particular, se poate trage concluzia că:

metoda oferă o limită de interferență între cele două fascicule, ceea ce duce la transferul corect al datelor pe cele două căi de transmisie;

datele de la un emițător optic nu pot ajunge accidental la receptorul vecin.

6.2 Proiectarea unui sistem CON multi-gigabit

6.2.1. Alegerea componentelor unui sistem CON. Simulare

Rezultatul (contribuția originală) din acest capitol a fost publicată în cadrul proceeding-ului conferinței ATOM-N 2016 (capitolul 7, poziția [10] din „Lista lucrărilor originale”).

Sistemele CON reprezintă o alegere viabilă pentru segmentul backhaul (suport) al unei rețele de acces. Alegerea componentelor pentru construcția transceiverelor CON reprezintă o preocupare majoră a proiectanților de sisteme. În acest capitol este prezentat modul de proiectare a unei legături pentru transceivere CON ce utilizează în partea de transmițător diode LED sau LASER, iar în partea de receptor diode PIN sau APD. Este realizată o analiză a comportării surselor LASER sau LED, precum și a fotodiodelor PIN sau APD pentru diferite tipuri de atenuatori, având ca scop optimizarea comunicației optice neghidate pentru diferite scenarii de atenuare.

Termenul de “optimizare” are aici înțelesul de alegere, în funcție de zona geografică aleasă (date statistice ce privesc propagarea atmosferică culese pe o perioadă mare de timp, de obicei 6 luni, sau chiar 1 an) a componentelor potrivite ce echipează transceiverele CON. Acest lucru este foarte util pentru asigurarea unui raport calitate/preț corect a hardware-ului CON ce funcționează într-o anumita zonă geografică.

În acest scop este calculat factorul BER versus distanță de transmisie pentru diferite combinații de surse/receptoare optice utilizând modelarea Matlab și simularea Optisim/Optiwave pentru o conexiune optică punct la punct.

Analiza comportării surselor LASER sau LED, folosind ca receptori diode PIN sau APD este utilă pentru predicția, cu o anumită precizie, a comportării perechilor posibile de componente pentru diferite scenarii. Componentele sunt analizate introducând în platformele de simulare date privind puterea de emisie, divergența fascicolului la emisie, factorul BER așteptat, aperturile lentilelor, distanța de transmisie precum și, indirect (ca factor de selecție secundar), fiabilitatea și costul.

Este calculată banda optică (sunt generate diagramele de spectru optic) care pot furniza date despre comportarea componentelor în special la rate de bit înalte. Atenuarea specifică (dB/km) este furnizată de Codul Internațional de Vizibilitate sau, pentru acuratețe ridicată, vor fi utilizate date privind vizibilitatea furnizate de Institutul Național de Meteorologie pentru zone geografice bine delimitate.

Pentru a utiliza programele de simulare, au fost încărcate librăriile ce conțin caracteristicile componentelor. Componentele utilizate pentru simulare sunt:

IR Laser tip ADL 80Y04TL (producător „Laser components”),

IR LED tip L 7558 (producător „Hamamatsu”) [13],

fotodiodă PIN tip G 10899 (producător „Hamamatsu”) [13]

fotodiodă APD tip S 12023 (producător „Hamamatsu”) [13].

Tabelul 6.3 arată caracteristicile LED/LASER pentru componente utilizate în transceivere CON.

Fotodiodele PIN au următoarele caracteristici:

câștig intern zero;

tensiuni mici de polarizare:

10-50V pentru lungimi de undă de 850nm;

5-15V pentru lungimi de undă între 1300 și 1550nm,

liniaritate pronunțată;

curent de întuneric redus.

Fotodiodele APD sunt caracterizate de:

sensibilitate ridicată comparativ cu diodele PIN.

câștig intern;

dependență puternică de temperatură a curbei V-I;

tensiuni înalte de polarizare:

250V pentru lungimi de undă de 850nm;

20-30V pentru lungimi de undă cuprinse între 1300 și 1550nm.

Sensibilitatea optică a unui receptor este determinată cu precădere de sensibilitatea fotodiodei de recepție. Puterea optică minim detectabilă este, de obicei prezentată la un nivel de referință BER. Uzual, puterea minim detectabilă de către o fotodiodă este specificată în dBm, raportată la un factor BER de 10-9.

Modelarea canalului

Conexiunile optice CON sunt stabilite în linie de vedere iar mediul de propagare este la suprafața pământului unde atmosfera are densitatea maximă.

Pentru calculul atenuării pot fi utilizate cele două modele descrise în teză, modelul Kim și modelul Kruse.

Atenuarea specifică pentru ceață este dată de relația [2]:

(6.16)

unde vizibilitatea V [km], pentru lungimea de undă [nm], este vizibilitatea raportată la o lungime de undă de referință 0 [nm] pentru care vizibilitatea scade la V% [%], comparativ cu valorile de cer senin.

Dependența de lungimea de undă este dată factorul q, care pentru modelul Kim este dat de relația [2]:

(6.17)

Pentru modelul Kruse valoarea coeficientului q este dată de relația [2]:

(6.18)

Pentru factori de atenuare reduși este recomandat modelul Kim.

Atenuarea pentru ploaie este dată de relația [2]:

(6.19)

unde rata variabilă R este exprimată în mm/h. [2]

Calculul atenuării cauzate de zăpadă se face ținând cont de consistența particulelor: avem de-a face cu zăpadă "uscată" și zăpadă "umedă" (apoasă).

(6.20)

Pentru temperaturi joase avem de-a face cu tipul de zăpadă „uscată” iar pentru temperaturi la limita înghețului avem de-a face cu tipul de zăpadă „umedă”:

Pentru zăpadă „uscată”:

și b = 1,38 (6.21)

Pentru zăpadă „umedă”:

și b = 0,72 (6.22)

Platformele utilizate pentru simulare utilizează două configurații datorită modului specific de modulație: modulație directă pentru LED și modulație externă (ce folosește un modulator Mach-Zender) pentru LASER. Ambele platforme sunt echipate, alternativ, cu diode PIN și APD, rezultând patru combinații posibile notate cu C1÷C4.

Schemele de realizare ale platformelor de simulare pot fi văzute în figurile 6.8 și 6.9. Foile de catalog ale diodelor LED/LASER și fotodiodelor PIN/APD utilizate sunt atașate în Anexa 3 a tezei.

Toate simulările sunt realizate în mediu Optiwave, pentru lungimea de undă de λ = 810nm. Distanța inițială (maximă) a conexiunii a fost de 5km, factorul BER așteptat mai bun decât 10-10. Rata de bit a fost aleasă la 600Mbps (limitată de dioda LED), apertura emițătorului (diametru) 10cm, apertura receptorului 20cm. Tabelul 6.4 arată atenuarea fascicolului ce corespunde diverselor condiții atmosferice adverse, iar tabelul 6.5 perechile posibile de transmițători/receptori.

Caracteristicile din foile de catalog au fost utilizate ca date de intrare pentru platformele de simulare, platforme ale căror scheme de realizare pot fi văzute în figurile 6.3 și 6.4.

Sunt investigate comportările tuturor combinațiilor posibile de transmițători/ receptori pentru conexiunea optică punct la punct. Combinațiile posibile pot fi văzute în tabelul 6.4. Figurile 6.10, 6.11, 6.12 și 6.13 arată factorul BER versus distanță pentru combinațiile de componente C1-C4. Tabelul 6.6 interpretează comportarea diferitelor combinații de transmițător/receptor, pentru diferite atenuări ale fascicolului optic.

Figura 6.14 arată dependența puterii optice recepționate funcție de distanța de transmisie. Din această figură se poate observa că sub limita de -25dBm comunicația nu mai este posibilă. Puterea maximă utilizabilă este cea corespunzătoare combinației C2 transmițător/receptor.

Limitarea apare în cazul folosirii LED-urilor deoarece frecvența de comutație a acestora nu poate asigura (pentru tipul ales) o rată de bit mai mare de 600Mbps. Diodele LASER pot asigura comunicații la rate de bit superioare valorii de 10Gbps, dar, pentru simulare va fi folosită valoarea de 600Mbps pentru comparație directă cu componenta mai lentă.

Utilizarea combinațiilor C1 și C2 pentru conexiunile optice aduce avantajele legate de utilizarea:

fluxurilor de date ce pot susține traficul de date internet și video de înaltă definiție (>2.5Gbps);

instrumentelor legate de realizarea rapidă a rețelelor de acces;

divergenței mici a fascicolului optic care poate asigura o distanță de comunicație de până la 3,5km; fascicolul îngust permite ca o mare parte a energiei emise de transmițător să ajungă pe lentilele receptorului;

Figurile 10÷13 arată reprezentarea grafică a spectrului optic (analizoarele OSA1÷OSA4). Figurile 6.19 și 6.20 reprezintă diagrama ochi pentru scenariile C3 și C1 pentru cazul cel mai defavorabil – ceața iar valorile BER asociate acestora sunt de 10-8 respectiv 10-6. Acestea corespund distanței de simulare de 2km.

Pentru CON, ceața, ploaia, zăpada și aerosolii reprezintă o amenințare din cauza dimensiunii apropiate dintre aceste particule și lungimea de undă utilizată în sistemele reale. Transmisiile CON în regiunea de infraroșu apropiat suferă de dispersie datorată fenomenului de ceață și norilor, acestea fiind compuse din particule care au dimensiuni comparabile cu lungimea de undă. Combinația LASER și APD furnizează o putere optică ridicată în planul receptorului furnizând un factor BER bun. Transmisiile CON sunt mai puțin afectate de ploaie și zăpadă din cauza dimensiunilor mari ale picăturilor în comparație cu lungimea de undă. Receptorul APD este preferat datorită sensibilității sale ridicate.

Pentru a proiecta o conexiune optică ca parte a unei rețele de acces, putem folosi combinația de dispozitive descrise mai sus. LED-PIN (C3) sau LED-APD (C4), oferă rezultate bune, cu costuri moderate, dictate de utilizarea unor dispozitive ieftine cu sacrificarea vitezei, a distanței de transmisie și a factorului BER. Dacă se dorește obținerea unei rate de bit înalte cu un factor BER foarte bun, trebuie să ținem seama de soluția LASER-APD (C2), care oferă aceste performanțe, dar cu dezavantajul prețului mai mare impus de dispozitivul LASER și fotodetectorul APD. Avantajele ar putea fi reprezentate de o divergență foarte mică a fascicolului LASER (1-5 miliradiani) și o deviație mică a lungimii de undă (2-5 nanometri). Scenariul LASER-PIN (C1) poate reprezenta o soluție de compromis în termeni de preț cu raportare la performanța oferită.

6.2.2. Proiectare sistem CON – WDM

Rezultatele prezentate în acest capitol au fost publicate în proceeding-urile conferinței ECAI edițiile 2016 și 2017 (pozițiile [9] și [11] din capitolul 7 – „Lista lucrărilor originale”).

Sistemul de transmisie optică în spațiu liber (CON), numit și sistem fotonic de transmisie în spațiu liber (FSP), este sistemul de transmisie a semnalelor optice modulate în spectrul vizibil sau în infraroșu prin atmosferǎ, proiectat și utilizat pentru comunicații de bandă largă. Cel mai frecvent, pentru emisie sunt utilizate sisteme laser, dar și LED-uri sau diode cu emisie în infraroșu.

Teoria CON este în esență aceeași ca și cea pentru transmisia prin fibră optică. Diferența constă în faptul că fascicolul de energie este transmis prin atmosferǎ de la sursă la destinație, în loc de a fi ghidat printr-o fibră optică. La sursǎ, energia opticǎ vizibila sau IR este modulatǎ cu datele care urmează să fie transmise. La destinație, fascicolul este colectat de sistemul optic, proiectat pe un fotodetector ce face conversia optic-electric, iar datele sunt extrase din semnalul electric (demodulare), rezultatul fiind trimis către utilizatorul final.

Sistemele CON pot funcționa pe distanțe de mai mulți kilometri. Atâta timp cât există o linie clară de vedere între sursă și destinație, comunicarea este teoretic posibilă. Chiar dacă nu există nici o linie directă de vedere, oglinzi poziționate strategic pot fi folosite pentru a reflecta semnalele optice. Figura 6.21 prezintă tehnologia tradiționalǎ de comunicație multicanal CON.

În figura 6.16 se observă că pentru realizarea legăturii între emițător și receptor se utilizează câte un canal CON între fiecare cuplu de utilizatori.

Cu toate că sistemele CON pot reprezenta o soluție bună pentru transmisiuni de bandă largă în zone unde nu poate fi dezvoltată infrastructura de fibră, există limitări în implementare, cele mai semnificative fiind legate de faptul că ceața, fumul, ploaia, praful sau zăpada, pot atenua fascicolul optic sau chiar bloca calea de transport optic.

Sistemele implementate în tehnologia de multiplexare cu divizarea lungimii de undă (WDM) funcționează prin utilizarea diferitelor lungimi de undă ale luminii pentru transmiterea mai multor semnale, multiplexate pe o singură pereche de fibre, semnalul rezultat după multiplexare putând fi amplificat și transportat la distanță.

Semnalul optic de client este translatat pe o lungime de undă fixă, de bandă îngustǎ din spectrul WDM prin intermediul unui transponder. Interfețele de client pot fi și multiplexate în scopul eficientizării utilizării benzii alocate unui canal optic, prelucrarea și multiplexarea semnalelor fiind în acest caz efectuată în echipamente de tip muxponder. Semnalele optice din spectrul WDM de la ieșirile transponderilor sunt multiplexate, amplificate și transmise în linie. La recepție semnalul complex este demultiplexat, semnalele client fiind din nou translatate prin intermediul echipamentelor de tip transponder de la lungimea de undă WDM la lungimea de undă de bandă largă de 1550 sau 1310nm.

Maparea semnalelor client pe canalele optice este independentă de tipul semnalului client. Fiecare canal optic este multiplexat/demultiplexat independent la capetele rețelei de transmisie iar semnalul client este transmis în formatul original, sistemele WDM asigurând servicii de transport punct la punct transparente.

Multiplexoarele WDM implementează funcția de multiplexare la nivel optic, nu intervin în a citi informațiile dintr-un cadru SDH, Ethernet sau pachet IP, astfel încât toate datele asociate cu un anumit serviciu client sunt transportate de către același canal fotonic. Lungimile de undă transportate de sistemele WDM pot fi atribuite unor clienți diferiți.

Diversitatea tipurilor semnalului care poate fi transportat pe o lungime de undă a crescut de la semnal SDH (STM1, STM4, STM16, STM64) la Ethernet (1GbEth, 10Gb Eth LAN, 10Gb Eth WAN, 100GB Eth), Fiber Channel sau semnale video, cum ar fi SD SDI, HD SDI sau DVB.

Sistemele cu multiplexare în lungime de undă au evoluat de la transmiterea a 8 sau 16 semnale peste aceeași pereche de fibre la 40, 64, 160 și chiar 192 canale transmise simultan, distanța între canalele optice micșorându-se de la 200Ghz, cât era inițial, la 100GHz, 50 până la 25GHz.

Există două versiuni ale tehnologiei WDM standardizate de către ITU –T: CWDM și DWDM, diferența majoră fiind spațierea lungimilor de undă. DWDM (dense WDM) este o tehnologie cu spațiere mică între canalele optice, permițând o densitate mare a canalelor optice transportate și, în consecințǎ, capacități mai mari de transport pe o singură pereche de fibre. Este o tehnologie pentru care s-au dezvoltat soluții de amplificare și regenerare, în scopul mǎririi distanței de transport, fiind aplicabilă în rețele de transport de mare capacitate și mare distanță.

Tehnologia CWDM (Coarse WDM) este caracterizatǎ de spații mari între canalele optice transportate, fapt care limitează numărul maxim de canale la 18. Nu au fost dezvoltate soluții de amplificare sau regenerare, fiind tehnologia de transport adecvată pentru majoritatea aplicațiilor metro.

Tehnologiile cu multiplexare în lungime de undǎ sunt prezentate sintetic în tabelul 6.7:

Sistemele CON pot transporta și semnale optice rezultate din multiplexarea mai multor lungimi de undă. Pentru cazul WDM prezentat în figura 6.22, prin utilizarea la un capăt al rețelei a unui multiplexor, iar la celălalt a unui demultiplexor comunicația se poate face pe un singur canal duplex CON. Similar sistemelor pe fibrǎ opticǎ, există două tipuri de tehnologii WDM-CON utilizate în rețelele actuale și anume: multiplexarea cu divizarea densă a lungimii de undă (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM-CON) și multiplexarea cu divizarea lungimii de undă cu distanța inter-canal mare (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM-CON).

Sistemele WDM digitale permit rate de bit și protocoale de acces independente pe același sistem, fapt extrem de important pentru dezvoltarea rețelelor ce conțin sisteme CON. Se elimină, astfel, costul asociat cu conversiile între protocoalele utilizate. Fiecare canal optic utilizând un anumit protocol poate fi tratat (multiplexat/ demultiplexat) independent la capetele rețelei de transmisie. De aceea, diferitele formate de date optice digitale, utilizând diferite rate de date, pot fi transmise în formatele lor inițiale prin același canal optic. De exemplu: Gigabit-Ethernet, Fibre Channel, ITU-R601 optical video, SONET, ATM, FDDI și alte date în format optic se pot propaga toate în același timp într-un singur canal optic CON (două fascicole separate pentru duplex). Figura 6.23 aratǎ independența formatelor optice și a ratei de bit pentru tehnologia WDM.

Caracteristici WDM-CON:

Transparența – fiecare canal de transmisie suportă orice format de transmisie simultan și independent: informație analogicǎ, date digitale sincrone, asincrone;

Rutare de lungimi de undă – calea de transmisie a unui semnal optic poate fi rutatǎ prin conversia lungimii de undă la nodurile intermediare ale rețelei;

Scalabilitate – adǎugare ușoarǎ de echipamente, atunci când e nevoie, pentru mǎrirea capacității și extinderii rețelei.

Este așteptat ca WDM-CON să fie tehnologia centrală în rețelele de tip „totul optic” viitoare. În literatura de specialitate sunt analizate performanțele sistemului optic neghidat, și modalitatea de implementare WDM-CON [1], [2], [3]. În lucrarea [4] este investigatǎ posibilitatea utilizarii WDM-CON pentru transmiterea, printr-un singur canal optic, a mai multor formate optice cu rate de bit proprii [4]. Este evaluatǎ, de asemenea, influența factorilor atmosferici și a divergenței fascicolului optic asupra sistemelor WDM-CON [5].

Modul de integrare a sistemelor CWDM-CON și DWDM-CON în rețelele de comunicații (transparente, translucide și opace) este analizat în [3], [6] și [8].

Lucrarea [7] evalueazǎ performanța unui sistem CWDM-CON cu 16 canale pentru o regiune puternic afectatǎ de turbulențe atmosferice și scintilație. În referința [9] se studiază comparativ un sistem de comunicații CON hibrid WDM (DWDM + CWDM) cu 12 canale, analizând comportarea acestuia prin intermediul distanței de transmisie, a puterii recepționate, a factorului BER în diferite condiții de propagare. O soluție interesantǎ de transport DWDM-CON la 40GBps este evaluatǎ în [10].

Se poate crește viteza (rata de bit) a unui sistem CON pornind de la expresia:

(6.23)

unde M este numǎrul de canale, B este lățimea de bandă iar expresia este limita capacității datǎ de teorema lui Shannon. Existǎ mai multe metode:

a) Mărirea lărgimii de bandă (folosind frecvențe mai înalte). Această metodă necesită luarea în considerare a pierderilor ce apar la trecerea prin atmosfera terestră;

b) Aplicarea unui tip de modulație cu eficiența spectrală mărită (exemplu QAM). Necesită un factor SNR ridicat, putere ridicată la emisie și câștig ridicat în transmițătorul optic;

c) Utilizarea canalelor independente de transmisie (necesită multiple aperturi – lentile).

Utilizând multiplexarea spațială și folosind lungimi de undǎ adecvate se pot forma canale multiple, independente, ce pot fi transmise multiplexat printr-un canal CON unic.

Alegerea lungimilor de undǎ se face conform ferestrelor de atenuare valabile pentru sistemele cu fibrǎ opticǎ și respectiv MODTRAN pentru CON. Deoarece ferestrele de atenuare pentru cele douǎ tipuri de tehnologie coincid, acest lucru este util pentru proiectanții de sisteme CON, deoarece pot profita de existența unor componente fiabile, performante și relativ ieftine, ajunse la maturitate tehnologică.

Sistemele care sunt dezvoltate pentru a utiliza întregul spectru optic CWDM incluzând banda E cunoscută ca o regiune cu atenuare mare, folosesc complet spectrul de multiplexare optică (full spectrum CWDM – FS – CWDM). Aceste sisteme cu FS-CWDM oferă 16 din 18 lungimi de undă definite. Atenuarea mare a primelor două lungimi de undă este motivul pentru care sistemele FS-CWDM oferă tipic doar 16 lungimi de undă.

Utilizând mediul de simulare Optiwave se evalueazǎ performanța unui sistem CWDM/DWDM – CON folosind ca surse 8 laseri CW.

Deoarece CON este o tehnologie de „ultim-kilometru”, CWDM-CON este tehnologia WDM potrivitǎ acestui scop. Grila CWDM standard prevede, conform ITU-T G.694.2, intervalul 1270 până la 1610 nm cu spațiere de 20 nm între canale, fiind suficientǎ pentru a se adapta ușor la variația lungimii de undă a laserilor fără management termic, ieftini. Aceste lungimi de undă pot fi utilizate printr-o alegere potrivită a sistemului CON. Primele două lungimi de undă (1270 și 1290 nm) se aflǎ în regiunea spectrului optic unde împrăștierea Rayleigh creează pierderi mari.

Pentru DWDM – CON, conform ITU-T G.694.1 canalele corespund celor din tabelul 6.8:

Spațierea între canale poate fi de 0,8nm (grila de 100GHz) sau 0,4nm (grila de 50GHz). Condiții de proiectare:

distanța de transmisie inițialǎ pentru care se face simularea este de 5km (distanțǎ „tipicǎ” pentru o rețea de acces);

factor BER așteptat mai bun decât 10-10;

rata de bit minimǎ nu poate scǎdea sub 1Gbps.

puterea injectată în multiplexorul WDM de fiecare sursă CW este de 20dBm.

De remarcat cǎ cele 8 canale, având lungimi de undǎ diferite, pot transporta informații cu formate și protocoale diferite la rate de bit independente (tabel 6.9).

Simularea sistemului pentru cele 8 canale cu spațiere de 0,8nm este redată în figura 6.24.

Aceeași simulare este făcută și pentru sistemul CWDM cu alt set de lungimi de undă, spațiate la 20nm.

Condiții impuse:

Distanța conexiunii: 3km;

Atenuarea pentru conexiunea CON link este de 2dB (corespunzând condițiilor atmosferice de cer senin din tabelul 6.6). Simulările sunt efectuate utilizând această valoare;

Factor BER așteptat mai bun decât 10-10;

Rată de bit între 1 și 2,5GBps;

Rata de bit minimă nu poate coborî sub 1Gbps;

Apertura transmițător: 15cm;

Apertura receptor: 20cm;

Divergența fascicolului: 2mrad;

Tipul modulației: NRZ;

Puterea injectată în multiplexorul WDM de fiecare sursă CW este de 20dBm.

De notat că toate cele 8 canale, fiecare având asociată o lungime de undă proprie, pot transporta informație în formate și protocoale diferite, la rate de bit independente.

Tabelul 6.10 conține datele pentru trasarea diagramei BER/distanță (tehnologie CWDM-CON).

Tabelul 6.11 conține datele pentru trasarea diagramei BER/distanță (tehnologie DWDM-CON).

Valoarea distanței de transmisie utilizată inițial pentru simulare este de 5 km (valoare "tipică" pentru o rețea de acces). Valorile intermediare (1,2,7 și 8) sunt calculate folosind diagrama-ochi Optiwave conform tabelelor 6.8 și 6.9.

Utilizând platforma de simulare Optiwave, se calculează factorul BER pentru fiecare lungime de undă corespunzătoare canalelor de la 1 la 8, separat pentru CWDM și DWDM. Valorile BER sunt calculate pentru distanțe de transmisie de 1, 2, 3, 4 și respectiv 5km.

Diagramele (graficele) din figurile 6.25 și 6.26 sunt calculate numai pentru canalele 1, 2, 7 și 8 pentru o citire mai ușoară a valorilor.

Figurile 6.27 și 6.28 arată factorul BER pentru ambele tehnologii CWDM/DWDM, corespunzătoare distanței de transmisie de 2km. Pentru aceleași condiții de propagare, tehnologia CWDM este ușor superioară.

Rezultatele arată supraviețuirea conexiunii optice CWDM/DWDM–CON pentru o rată de bit de 2,5Gbps corespunzătoare unor factori atmosferici ce introduc o atenuare scăzută. După 2km distanță de transmisie, factorul BER scade sub limita de 10-10, pentru DWDM-CON cu spațiere de 0,8nm. Sistemul CWDM-CON este mai robust (datorat în mare parte și spațierii inter-λ de 20nm) și, în acest caz, distanța utilă a conexiunii crește la aproximativ 3km.

În condiții ideale – fără atenuare, fără pierderi optice și geometrice, fără scintilație, cu aliniere perfectă, distanța maximă de transmisie pentru o conexiune WDM-CON ce rezultă din simularea Optiwave este de aproximativ 10km.

În condiții reale, cu atenuare, (absorbție, scintilație și împrăștiere), distanța maximă utilizabilă a conexiunii scade dramatic la câțiva kilometri (maxim 3km). Dacă la acestea se adaugă condiții nefavorabile ca ceața, ploaia, negura, zapada, etc., atunci distanța scade la cateva sute sau chiar zeci de metri.

6.2.2. Model experimental CON-WDM

Pentru validarea experimentală a rezultatelor provenite din simularea efectuată cu ajutorul platformei Optiwave a fost realizat un model de laborator cu ajutorul a două mini-proiectoare cu focalizare. Acest experiment a fost prezentat detaliat în cadrul unui articol trimis spre publicare în Buletinul Științific al Universității Politehnica București (poziția [16], capitolul 7, din „Lista lucrărilor originale”).

Acest model experimental propune un sistem optic de comunicație prin spațiul liber între două puncte aflate în vizibilitate directă prin intermediul un sistem duplex de comunicație ce utilizează un singur fascicol optic cu tehnologie WDM. Sunt măsurate și analizate viteza de transmisie pentru diferite distanțe și locații de transmisie, factorul BER și latența conexiunii ce caracterizează calitatea acesteia pentru diferite tipuri de atenuatori ai fascicolului optic.

Toate realizările industriale utilizează căi separate pentru transmiterea semnalului duplex (emisie-recepție). Modelul propus în acest articol propune transmiterea semnalului duplex în sistem WDM, folosind un singur fascicol optic.

În acest scop au fost utilizate două media-convertoare gigabit-ethernet ce folosesc ca interfață optică două module SFP ce operează pe două lungimi de undă distincte (up-link și down-link) și folosesc pentru transmisia full-duplex un singur fascicol optic. Este demonstrată valabilitatea soluției propuse, ce presupune transmiterea pe un singur fascicol optic a cel puțin două lungimi de undă distincte. Lungimile de undă pe care se realizează transmisia optică în cazul acestui experiment sunt λ1=1550nm și λ2=1310nm.

Dispozitivul experimental poate fi văzut în figurile 6.29, 6.30 și respectiv 6.31:

În figura 6.32 poate fi văzut sistemul optic și modul de focalizare pe terminația de fibră optică.

Distanța notată pe figură cu x este variabilă, are o cursă maximă de 1,5cm și, prin variația acesteia, se asigură focalizarea fascicolelor emise în spațiul liber sau recepționate pe terminația (montura) de fibră optică.

Evaluarea performanțelor platformei s-a făcut folosind programul iPerf ver.3 și testarea cu ajutorul platformei (site-ului) „SpeedTest” într-o rețea ce furnizează contractual viteza de 500Mbps trafic internet.

Alinierea inițială a dispozitivelor de emisie-recepție se face folosind LED-uri cu radiație în domeniul vizibil. Numai după efectuarea alinierii și reglajelor, sursa LED în vizibil va fi comutată pe sursa LASER a modulului SFP.

Nu se vor efectua reglaje și alinieri ale dispozitivelor folosind sursa LASER pornită și în NICIUN CAZ nu se va privi direct în sursa LASER a dispozitivului SFP. Fascicolul LASER de divergență foarte redusă are o putere suficient de mare (de ordinul miliwaților) pentru a putea provoca leziuni permanente ochiului (retinei). În figura 6.33 poate fi văzută schema bloc a dispozitivului experimental iar în figura 6.34 dispozitivul SFP utilizat în experimentul de laborator.

Pentru interconectarea dispozitivelor CON cu mediaconvertoarele se folosesc patchcord-uri caracterizate de reflexie și atenuare reduse. În acest sens sunt folosite ferule de calitate. Pentru fiecare pigtail este verificată suprafața fibrei și sunt analizați parametrii de transmisie – atenuarea de inserție și de retur.

Fibra optică SM – LWP (Low Water Peak) utilizată în aceste patch-cord-uri este construită folosind standardul ITU-T G.652.D. Atenuarea medie este de aproximativ 0.4dB/km la 1310 nm și de 0.25 dB/km pentru 1550 nm. Fibra optică este acoperită cu PVC și întărită cu fibre de kevlar.

Fibra optică cu tehnologie LWP (Low Water Peak) poate fi folosită pentru oricare lungime de undă din intervalul 1280 nm – 1650 nm.

În tabelul 6.12 sunt detaliate specificațiile tehnice ale patchcord-ului folosit la interconectarea dispozitiv CON – mediaconvertor.

Unitățile de emisie-recepție sunt, de regulă, montate în aceeași incintă împreună cu dispozitivele electronice de control și alimentare electrică. Transceiverele au lungime de undă fixă a emițătorului, uzuale fiind cele de 1550nm, și conțin interfețe de comunicație și sisteme de management al conexiunii optice (tabel 4-8).

Transmițătoarele pot fi construite, în funcție de lungimea de undă și puterea cerută, folosind diode laser VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), DFB (Distributed FeedBack) sau FP (Fabry-Perot) sau diode LED, întotdeauna folosind în circuitul de monitorizare și reacție fotodiode pentru ajustarea (controlul) puterii de ieșire.

Receptoarele pot utiliza fotodiode PIN sau cu avalanșă (APD), în ambele cazuri folosindu-se în conjuncție cu amplificatoare transimpedanță (TIA). Circuitele sunt proiectate folosind materiale ca GaAs (850nm) sau InP (1310 și 1550nm). În ambele cazuri joncțiunile sunt încapsulate TO cu terminalele sudate direct pe plăcile de cablaj imprimat (câteva exemple sunt redate în tabelul 6.14)

Modulul optic SFP funcționează cu fibre single-mode cu lungimi de până la 20km sau cu conexiuni CON la viteze de transmisie de până la 1,25Gb/s. Acesta poate fi modificat, în sensul montării unei lentile în locul conectorului LC, putându-se realiza conexiuni optice wireless.

Elemente distinctive:

comunicație bidirecțională pe un singur canal (WDM-FO/CON),

funcționează în rețele FO/CON/LiFi,

viteză de până la 1.25Gb/s (IEEE 802.3z 1000Base-FX),

rază maximă de 20km (FO) sau maxim 2km CON,

conector optic: LC.

Modulele optice sunt compatibile cu standardul SFP (Small Form-factor Pluggable). Modulul optic SFP funcționează cu fibre optice single-mode la viteze de până la 1,25Gb/s. Acest lucru este posibil datorită tehnologiei WDM care multiplexează două purtătoare de semnal optic pe același canal folosind diferite lungimi de undă, ceea ce reduce costurile de instalare.

Semnalul optic este transmis în fereastra II de transmisie (1310nm) și recepționat în fereastra III (1550nm). Modulul complementar cu 203/5G LC este modulul SFP-205/3G L1417 care transmite date în fereastra III și recepționează în fereastra II (1310nm).

Acest modul SFP este compatibil cu conectori de tip LC. Modulul Gigabit (GbE) SFP poate fi folosit împreună cu convertoare de mediu de transmisie și cu majoritatea switch-urilor și routere-lor cu slot-uri SFP (cu echipamente TP-Link sau CISCO), compatibile cu standardul IEEE 802.3z 1000Base-FX. Utilizarea de convertoare media, cu posibilitatea de a schimba modulele SFP este deosebit de avantajoasă atunci când este necesar să se facă modificări de configurare a rețelei. În loc să fie înlocuitǎ întreaga unitate, este suficient să se schimbe transceiver-ul SFP.

În figura 6.35 poate fi văzut interiorul unui modul SFP – WDM, emițătorul și receptorul fiind cuplate printr-un combiner optic pasiv. Modulele SFP testate în cadrul acestui experiment au fost inițial proiectate pentru comunicația pe fibră optică.

În tabelul 6.15 sunt redate vitezele de acces internet și condițiile asociate pentru modelul experimental WDM – distanța de transmisie, condiții meteo, factorul BER și latența conexiunii. Modelul experimental a fost utilizat pentru furnizarea de servicii internet într-o rețea LAN (rețea de acces), prin conectarea la internet a unui PC ce dispune de o placă de rețea Gigabit-Ethernet. S-a măsurat viteza de acces la internet pentru următoarele cazuri (rezultate experimentale):

Printre avantajele utilizării SFP se pot enumera: schimbare facilă a dispozitivelor și implicit a lungimii de undă, alimentare externă, posibilitatea utilizării tipului de comunicație WDM sau cu transmisie/recepție pe fascicole optice separate.

Pentru efectuarea măsurătorilor (factor BER și latență conexiune optică), s-a folosit dispozitivul de măsură și analiză rețea LanTEK® III (tester rețea), echipat cu interfețele standard ethernet și fibră optică. De asemenea, aparatul este calibrat și testat, fiind însoțit de aviz metrologic .

Concluzii:

Pentru modelul experimental s-au considerat ca valori de referință rezultatele obținute pentru comunicația pe fibră optică folosind patch-cordul de 2m. Pentru transmisia de interior, se poate observa o mică diferență între valorile de viteză a traficului, obținute pentru distanțele de 0.5m și 20m. În acest caz nu intervine atenuarea atmosferică, în schimb, datorită divergenței fascicolului optic, ajustată din dispozitivul de focalizare, energia optică nu ajunge în totalitate pe lentilele transceiverelor. Diferența este mică, dar perceptibilă. Deoarece se utilizează un singur dispozitiv optic pentru transmisie/recepție trebuie realizat un compromis între focalizarea pentru emisie și cea pentru recepție (care trebuie să admită un unghi de acceptanță al fascicolului mai larg). Dacă se realizează o conexiune simplex, atunci se poate focaliza perfect fascicolul pentru orice distanță de transmisie. Pentru distanța de 0.5m focalizarea este optimă atât pentru emisie cât și pentru recepție.

Pentru comunicația LASER de exterior rezultatele indică o creștere masivă a atenuării care se traduce prin scăderea bitrate-ului și mărirea valorilor de latență. Datorită motivelor expuse mai sus (este dificilă găsirea unui punct optim al distanței variabile X pentru asigurarea focalizării simultane emisie/recepție, acest lucru reprezentând un dezavantaj major al dispozitivului), precum și datorită distanței relativ mari de propagare, calitatea conexiunii se degradează vizibil chiar în condiții bune de propagare. La acest lucru se adaugă și atenuarea atmosferică care are valori de până la 5dB pentru cer senin, ajungând la 20-30dB pentru ploaie și chiar la 100-150dB pentru ceață. În acest ultim caz, valorile experimentale indică o valoare extrem de redusă a vitezei de transmisie (12/9.6Mbps) și valori foarte mari (inacceptabile) ale latenței (>30ms). Pentru aceste valori ale atenuării trebuie adoptate metode de proiectare ale transceiverelor ce folosesc tehnici de diversitate spațială. Se poate ajunge chiar la extincția semnalului, fiind necesară dublarea echipamentelor optice cu transceivere radio dacă se dorește asigurarea unei disponibilități corespunzătoare a sistemului.

Comparativ cu rezultatele obținute la simulările teoretice efectuate în capitolele anterioare folosind platformele Optiwave/Matlab, se poate remarca faptul că rezultatele practice obținute permit comunicația optică pe distanțe de cel mult 500m. Explicația distanței reduse de transmisie (limitată dramatic) s-ar putea datora faptului că dipozitivele SFP (proiectate pentru cuplaj strâns pe fibră optică) au fost adaptate funcționării într-un dispozitiv experimental CON care emite liber în atmosferă iar monturile optice și alinierea internă a fibrei optice cu lentila de colimare nu a fost făcută într-un laborator specializat folosind instrumente și aparatură de mecanică fină și optică. De asemenea, calitatea lentilelor utilizate nu este cea mai bună, lentilele cu pierderi foarte reduse având prețuri foarte mari, care depășeau cu mult bugetul limitat al acestui experiment.

Distanțe de transmisie de ordinul sutelor de metri obținute cu acest dispozitiv sunt suficiente pentru realizarea unor segmente de rețea de acces, cu toate avantajele și dezavantajele menționate de mai multe ori în această teză.

Experimentul reprezintă un succes deoarece demonstrează viabilitatea soluției propuse în această teză și reprezintă un punct de plecare pentru cercetări viitoare în acest domeniu. Versatilitatea acestui dispozitiv constă în posibilitatea schimbarii modulului SFP în funcție de cerințele experimentului la un moment dat, fără a afecta performanțele și construcția media-convertorului. De asemenea, pot fi prelungite în exteriorul modulului SFP dioda laser și fotodioda, cărora li se pot atașa lentile separate de formare/colimare a fascicolului optic.

Avantajele sunt legate de timpul scurt necesar realizării acestei conexiuni optice și folosirea de dispozitive uzuale, ieftine, ajunse la maturitate tehnologică. Pentru realizarea rețelelor de acces, distanțe de transmisie de ordinul sutelor de metri obținute cu ajutorul acestui dispozitiv sunt suficiente pentru cuplarea unui grup de locuințe, spre exemplu, la o rețea magistrală.

De asemenea, prin cuplarea mai multor canale WDM (printr-un sistem de multiplexare corespunzător), se pot atinge viteze de transmisie foarte mari, de peste 10Gbps. Cercetări viitoare vor investiga și acest aspect.

Dezavantajele sunt legate de necesitatea unei alinieri precise, dificil de realizat (comparativ cu sistemele clasice care au lentile separate de emisie/recepție) datorită dimensiunilor lentilei unice care are un diametru redus.

Dezvoltări viitoare vor aduce modificări ale modulelor SFP, prin utilizarea unor module ce emit pe fascicole optice separate (up-link/down-link) și vor fi echipate cu optică de formare a fascicolului, în scopul măririi distanței și vitezei de transmisie printr-o aliniere optică corespunzătoare.

Capitolul 7

7.1 Rezultate obținute

Teza prezintă problematica generală a comunicațiilor optice neghidate precizându-se poziția actuală a acestora și evoluția către o tehnologie comercială axată practic pe configurații statice de bandă largă.

Este analizat sistemul de Comunicații Optice Neghidate prin prisma modelului de sistem, de semnal și al conexiunii optice cu prezentarea modului de integrare a sistemului optic neghidat în rețele de acces de bandă largă (P2P, inel, mesh, WDM).

Sunt studiate componentele și tehnologiile optice, sursele și receptoarele optice (diodele LED și LASER și clasele de siguranță aferente acestora, precum și fotodiodele PIN și APD). Este prezentat modul de alegere a lungimilor de undă pentru aceste componente, mecanismul detecției optice, tipuri de modulatoare/demodulatoare, precum și aspectele modulației optice OOK, PPM și adaptive. Sunt prezentate tehnicile de multiplexare în domeniul optic, OFDMA și OCDMA și sistemele WDM-CON.

Este prezentat modelul propagării fascicolului optic într-un mediu ideal și sunt studiate efectele reale ale trecerii acestuia prin atmosfera terestră. Este analizată compoziția atmosferei și interacțiunea acesteia cu fascicolul optic precum și atenuarea indusă de aceasta datorită fenomenelor de absorbție, împrăștiere și scintilație. Conexiunea optică neghidată este caracterizată pentru medii afectate de turbulențe, utilizând modele de turbulență, obținând-se bugetul de pierderi CON. De asemenea, este analizat și efectul divergenței optice asupra calității conexiunii.

Un întreg capitol este dedicat studiului ratei de transfer/distanță de transmisie în comunicațiile optice neghidate cu accent pe studiul metodelor de contracarare a efectelor atmosferice adverse. Acest lucru a fost realizat prin utilizarea/studiul și simularea conexiunilor optice multi-fascicol, pentru fluxuri separate de informație sau pentru același flux de date transmis prin fascicole optice identice, pentru redundanță sau sporirea ratei de bit a sistemului. Calitatea conexiunii optice este evaluată folosind factorul BER și diagrama ochi folosind platforma de simulare Optiwave. Este evaluată influența tehnicilor de modulație asupra comunicației optice neghidate pentru comunicație optică mono-fascicol sau multi-fascicol optic.

Este analizată supraviețuirea conexiunii optice neghidate într-un mediu cu turbulențe, fiind investigate metodele de asigurare a disponibilității conexiunii optice neghidate. Este calculată probabilitatea de întrerupere a fascicolului optic realizându-se un model Matlab pentru evaluarea disponibilității conexiunii folosind metoda valorii de prag. Sunt analizate modalitățile de utilizare a opticii adaptive precum și problematica diversității spațiale și temporale.

Sunt detaliate elementele de proiectare pentru sisteme CON multi-gigabit, de tip CON – WDM. Au fost analizate modalitățile de implementare a tehnologiei WDM, specifică sistemelor de mare capacitate pe fibră optică, tehnologie translatată în domeniul CON terestru. S-au studiat particularitățile transmisiei CWDM-CON versus DWDM-CON, arătând-se care sunt limitele de aplicabilitate ale acestora (rată de bit versus distanță de transmisie și BER pentru diverse valori ale atenuării atmosferice). S-a calculat capacitatea totală a sistemului, pentru cele două cazuri, idealizat și în condiții reale, cu atenuare. Simulările au fost făcute pentru sisteme cu 8 canale CWDM/DWDM, evaluarea făcându-se cu ajutorul diagramei ochi, a analizoarelor WDM și de spectru optic.

A fost realizat un model experimental pentru validarea experimentală a rezultatelor obținute prin simulările Matlab și cele efectuate cu ajutorul platformei Optiwave.

7.2 Contribuții originale

Contribuțiile originale, personale, realizate în teză pot fi grupate în 3 categorii:

Contribuții teoretice generale prin:

Prezentarea cadrului general al comunicațiilor optice neghidate. În acest scop am avut în vedere:

evidențierea tendințelor actuale în alegerea, proiectarea și dezvoltarea sistemelor de comunicații optice neghidate (Cap…, pag…);

modalitățile de integrare în rețelele și sistemele de comunicații actuale (Cap…, pag…);

realizarea unei analize comparative a sistemelor de comunicații actuale, inclusiv CON și a resurselor pe care acestea le solicită (Cap…, pag…, tab. 1.2 );

Caracterizarea sistemelor CON actuale și a tehnologiilor utilizate la nivelul anilor 2017-2018 (Cap…, pag…)

Modelarea canalului CON gaussian (Cap…, pag…).

Prezentarea, într-o manieră proprie a propagării unui fascicol optic neghidat într-un mediu ideal precum și într-unul afectat de turbulențe (Cap…, pag…).

Contribuții teoretice specifice obiectivelor tezei prin simularea unui mediu de transmisie (absorbție, împrăștiere, turbulențe atmosferice, dezaliniere optică) și a comportării componentelor utilizate în acest scop (surse optice și fotodetectori). Au fost analizate aspecte legate de comportarea în frecvență a dispozitivelor optice, alegerea tipului de modulator (modulație directă sau externă), alegerea tipului de modulație optică.

Simulările au fost realizate cu ajutorul platformelor software Optiwave-OptiSystem, VPI-Photonics și Matlab. De asemenea, folosind rezultatele obținute în urma acestor simulări, a fost analizată comportarea sistemului optic neghidat în diverse situații limită și au fost propuse soluții de atenuare/anihilare a efectelor adverse. Contribuțiile au vizat:

studiul interferenței între sisteme optice neghidate ce emit/recepționează fascicole optice ce utilizează pentru transport aceeași lungime de undă sau lungimi de undă diferite (Cap…, pag…).

generarea prin simulare a unui model Matlab care determină distanța transversală dintre fascicole optice paralele în așa fel încât să nu se producă interferența între acestea în planul receptorului. Acest model arată minimul de interferență dintre fascicolele optice în funcție de maximul distanței de propagare dacă fascicolele cu lungime de undă identică traversează un canal neafectat de turbulențe atmosferice. Modelul prezentat demonstrează că distanțele mari de propagare necesită suficient spațiu între fascicole optice cu aceeași lungime de undă (Cap…, pag…).

elaborarea unui model propriu de buget de pierderi CON și definirea, într-o manieră proprie, a noțiunii de margine a conexiunii (Cap…, pag…, fig. 4.5)

analiza comparativă, folosind mediul de simulare Optiwave, a două sisteme mono-fascicol și multi-fascicol, ce lucrează sub influența condițiilor adverse de propagare, cu două tipuri de modulație: OOK și L-PPM. Este analizată disponibilitatea conexiunii optice cu ajutorul diagramei ochi care reprezintă o metrică a calității conexiunii prin evaluarea directă a factorului BER (Cap…, pag…).

realizarea cu ajutorul metodei valorii de prag a unui model Matlab pentru evaluarea disponibilității conexiunii optice în funcție de parametrul de structură și de lungimea conexiunii, pentru diferite valori ale transmitanței (Cap…, pag…);

evaluarea performanței unui sistem CWDM/DWDM – CON folosind ca surse 8 laseri acordabili care, având lungimi de undă diferite, pot transporta informații cu formate și protocoale diferite, la rate de bit independente (Cap…, pag…);

evaluarea performanțelor combinațiilor de dispozitive semiconductoare/laseri (emițători – receptori) pentru obținerea unui raport rată de bit/distanță de transmisie optim în cazul propagării nefavorabile. Modelarea a fost realizată cu ajutorul platformei Optiwave. S-a analizat comportarea surselor LASER sau LED, folosind ca receptori diode PIN sau APD cu scopul predicției comportării perechilor posibile de componente pentru diferite scenarii de propagare. Componentele sunt alese introducând în platformele de simulare date privind puterea de emisie, divergența fascicolului la emisie, factorul BER așteptat, aperturile lentilelor, distanța de transmisie (Cap…, pag…).

Contribuții de ordin practic reprezentate de realizarea unui model experimental ce utilizează un singur fascicol optic cu tehnologie WDM. Au fost măsurate și ulterior analizate viteza de transmisie pentru diferite distanțe, locații de transmisie și factori de atenuare. De asemenea, s-au obținut practic și analizat date despre factorul BER și latența conexiunii ce caracterizează calitatea transmisiei optice pentru diferite tipuri de atenuatori atmosferici ce agresează fascicolul optic (Cap…, pag…).

Toate contribuțiile prezentate au avut ca numitor comun asigurarea unui grad înalt de disponibilitate al conexiunii optice neghidate concomitent cu asigurarea unui factor BER și a unei latențe reduse. Pentru realizarea acestor deziderate, s-a utilizat transmisia multi-capete, alinierea și focalizarea acestora în funcție de distanța de transmisie, utilizarea unui tip de modulație adecvat și adaptarea puterii optice transmise în funcție de distanța de transmisie și atenuarea atmosferică.

7.3 Lista lucrărilor originale

articole și cărți publicate pe perioada stagiului doctoral:

[1] Viorel Manea, Radu Dragomir, Sorin Puscoci, Soluții de modelare a canalului FSO gaussian, Carte Editura Printech, Bucuresti, Decembrie 2013, ISBN 978-606-23-0024-1;

[2] Viorel Manea, Radu Dragomir, Dan Alexandru Stoichescu, Disponibilitatea conexiunii optice FSO, Articol, Revista Telecomunicatii pg. 3-8, decembrie 2013 ISSN-L 1220-8655 ISSN(online) 2247-1863;

[3] Viorel Manea, Multi-Gbps Capacity for Free Space Optical Systems, Articol, Revista telecomunicații, anul LVII, nr.1, iunie 2014, ISSN-L 1220-8655 ISSN(online) 2247-1863;

[4] Viorel Manea, FSO integration in public communication networks, articol, Revista Telecomunicatii septembrie 2014 ISSN-L 1220-8655 ISSN(online) 2247-1863

[5] Viorel Manea, Radu Dragomir, Sorin Puscoci, Fuziunea sistemului optic neghidat cu retele publice de comunicații, Carte Ed. Printech, Bucuresti, Decembrie 2014 ISBN 978-606-23-0307-5;

[6] Viorel Manea, Radu Dragomir, Dan Alexandru Stoichescu, Gapping single lambda Gaussian split-beams for interference-free spatial multiplexed FSO, Articol, ECAI 2015 – International Conference – 7th Edition Electronics, Computers and Artificial Intelligence 25 June -27 June, 2015, Bucharest, ROMÂNIA IEEE, IAS, Vol. 7 – No. 2/2015, ISSN – 1843 – 2115;

[7] Viorel Manea, Sorin Puscoci, Dan Alexandru Stoichescu, Wireless Optic Last Mile Multi-Gbit/s Communication System, Articol, ICEWC 2015: 17th International Conference on Electronics and Wireless Communication, Istanbul, Turkey International Science Index, pg. 2079-2084, october 2015 International Scholarly and Scientific Research & Innovation, eISSN:1307-6892;

[8] Viorel Manea, Characteristics and requirements of free space optical systems, Revista Telecomunicații, nr 1-2016

[9] Viorel Manea, Sorin Pușcoci, Monica Petre, Dan Alexandru Stoichescu, The approach of Wavelength Dense Multiplexing using Free Space Optical systems, – Articol, ECAI 2016 – International Conference – 8th Edition Electronics, Computers and Artificial Intelligence 30 June – 02 July, 2016, Ploiești, ROMÂNIA, Workshop on Optical Communication Systems Connectivity, OCSC-2016 session, Vol. 8 – 2016     ISSN – 1843 – 2115, IEEE Catalog Number, CFP1627U-DVD, ISBN – 978-1-5090-2044-7, IEEE indexed.

[10] Viorel Manea, Sorin Pușcoci, Dan Alexandru Stoichescu, Streamlining the functioning of the FSO systems by choosing the optimal transmission/reception components, – Articol SPIE Proceedings Publications, 8th edition of the International Conference "Advanced Topics in Optoelectronics, Microelectronics and Nanotechnologies" ATOM-N, 25 – 28 august 2016, Constanta, Romania. Proceedings of SPIE 0277-786X, V. 10010 , ISSN: 0277-786X , ISBN: 9781510604247, Published and indexed by SPIE

[11] Viorel Manea, Sorin Pușcoci, Dan Alexandru Stoichescu, Multi-head wavelength division multiplexing free space optical system, – Articol IEEE Proceedings Publications, 9th edition of the International Conference "ECAI 2017 – Electronics, Computers and Artificial Intelligence” 29 June – 01 July, 2017, Târgoviste, ROMÂNIA, vol. 9 – No. 1/2017 ISSN – 1843 -2115, Proceedings of IEEE print catalog number ISSN: CFP1727U-PRT, ISBN: 978-1-5090-6457-1.

[12] Viorel Manea, Sorin Pușcoci, Dan Alexandru Stoichescu, Performance improvement of a multi-head optical wireless communication system, – © ICST Institute for Computer Sciences, Social Informatics and Telecommunications Engineering 2018, O. Fratu et al. (Editors.): FABULOUS 2017, LNICST 241, pp. 1–6, 2018, https://doi.org/10.1007/978-3-319-92213-3_30, Springer Book ID: 468798_1_En, Book Title: Future Access Enablers for Ubiquitous and Intelligent Infrastructures, Chapter No: 30, ISBN 978-3-319-92213-3.

[13] Viorel Manea, Radu Dragomir, Tehnologii LiFi pentru aplicații în SmartHome/SmartCity, Carte Editura Printech, Bucuresti , Decembrie 2017 ISBN 978-606-23-0800-1

[14] Viorel Manea, Sorin Pușcoci, Dan Alexandru Stoichescu, Considerations on interference between FSO systems, – Articol IEEE Proceedings Publications, ECAI 2018 – International Conference – 10th Edition Electronics, Computers and Artificial Intelligence 28 – 30 June, 2018, Iași, ROMÂNIA. Articol publicat în proceeding-ul conferinței.

[15] Viorel Manea, Sorin Pușcoci, Dan Alexandru Stoichescu, Practical considerations about LiFi communications, Articol acceptat spre publicare SPIE Proceedings Publications, 9th edition of the International Conference "Advanced Topics in Optoelectronics, Microelectronics and Nanotechnologies" ATOM-N, 23 – 26 august 2018, Constanța, Romania.

[16] Viorel Manea, Radu Dragomir, Dan Alexandru Stoichescu, WDM-FSO experimental setup – articol propus spre publicare, Buletinul Științific, Universitatea Politehnica București, 2018.

Proiecte și rapoarte de cercetare pe perioada stagiului doctoral:

[17] Viorel Manea, Integrarea comunicației optice neghidate în rețele optice, Proiect nucleu, Director de proiect, 2014;

[18] Securitatea comunicației optice neghidate prin distribuția cheilor cuantice, Cap. 1 Cerinte de securitate în comunicațiile optice neghidate, Colaborator Proiect Nucleu 2014;

[19] Tehnologii și evoluții actuale în rețele de acces de bandă largă – evaluare și perspective, Cap. I 2 Tehnologii optice neghidate, Colaborator Proiect Nucleu, 2015;

[20] Viorel Manea, Tehnologii hibride de acces radio/fibră optică-FSO pentru canal laser terestru cu capacitate multigigabit/s, Proiect nucleu, Director de proiect, 2015

[21] Viorel Manea, Studiu privind soluții emergente de acces bazate pe tehnologii de optică neghidată, Proiect nucleu, Director de proiect, 2016

[22] Viorel Manea, Comunicații LiFi pentru aplicații SmartHome/SmartCity, Proiect nucleu, Director de proiect, 2016

[23] Raport Cercetare nr. 1 – Comunicații optice neghidate, 30-06-2014;

[24] Raport Cercetare nr. 2 – Comunicații optice neghidate – Modelarea atenuării și caracterizarea pierderilor, 03-12-2014;

[25] Raport Cercetare nr. 3 – Comunicații optice neghidate – Modulații utilizate în CON. Considerații asupra capacității canalului, 29-05-2015;

[26] Raport Cercetare nr. 4 – Comunicații optice neghidate – Wireless Optic Last Mile Multi-Gbit/s Communication System – Articol, ICEWC 2015: 17th International Conference on Electronics and Wireless Communication, Istanbul, Turkey, 25÷27-10-2015;

[27] Raport Cercetare nr. 5 – Comunicații optice neghidate – Gapping single lambda Gaussian split-beams for interference-free spatial multiplexed FSO, Viorel Manea, Radu Dragomir, Dan Alexandru Stoichescu, Articol, ECAI 2015 – International Conference – 7th Edition Electronics, Computers and Artificial Intelligence 25 June -27 June, 2015, Bucharest, ROMÂNIA IEEE, IAS, Vol. 7 – No. 2/2015, ISSN – 1843 – 2115;

Alte articole și publicații (anterioare stagiului doctoral)

[28] Radu Dragomir, Sorin Pușcoci, Viorel Manea, Short review on modelling optical wave attenuation within free-space optical links, ECAI proceeding conference, Pitești, 2011

[29] Viorel Manea, Radu Dragomir, Sorin Pușcoci, OOK and PPM modulations effects on bit error rate in terrestrial laser transmissions, Revista TELECOMUNICAȚII, Anul LIV, nr. 2/2011

[30] Radu Dragomir, Sorin Pușcoci, Viorel Manea, Comunicații optice neghidate, Carte Editura Elisavaros, București, 2011

[31] Viorel Manea, Propagarea fluxului optic în sistemele FSO, Revista TELECOMUNICAȚII, Anul LV, nr. 1/2012

[32] Viorel Manea, Statistica scintilației sistemelor FSO, Revista TELECOMUNICAȚII, Anul LV, nr. 2/2012

[33] Radu Dragomir, Viorel Manea, Spectral Approach of the Impulse Noise Empirical Distributions in Digital Loops, Proceedings of the 3rd International Conference on Circuits, Systems, Control, Signals (CSCSʹ12), vol. 8, pp. 193-197, October 17th – 19th, 2012, Barcelona, Spain.

7.4 Perspective de dezvoltare ulterioară

Cercetările ce vor fi întreprinse vor fi îndreptate către sistemele LiFi/VLC, cu aplicabilitate în rețelele de acces, de interior și pico-rețele. Tendința mondială actuală este de renunțare la sursele de lumină clasice, incandescente sau prin descărcare în gaze, ineficiente energetic și promovarea surselor de lumină performante, categorie din care fac parte dispozitivele cu LED-uri. LED-urile sunt realizate din materiale non-toxice, spre deosebire de corpurile de iluminat fluorescente care folosesc mercur – element periculos pentru mediu. Sunt, de asemenea, reciclabile si consuma foarte puțină energie electrică. Legislația europeană prevede înlocuirea în totalitate până în 2020 a surselor de iluminat cu incandescență și descărcare în gaze.

Acest lucru, coroborat cu posibilitatea folosirii dispozitivelor de iluminat bazate pe LED-uri ca și puncte de acces internet în locuințe, pe stradă, în locuri publice (parcuri, stadioane, săli de spectacole), în mijloace de transport, etc., conduce la un interes crescut în elaborarea unor tehnologii care sǎ simplifice accesul la internet. Totodată, folosirea sistemului ecologic de iluminat cu LED-uri și în scopul comunicației cu viteze Gbps pentru acces internet, conduce la dezvoltarea unei tehnologii verzi, fără impact negativ asupra mediului.

Funcțiile tehnologiei VLC sunt similare cu cele WiFi cu diferența folosirii luminii LED-urilor convenționale, ce emit în domeniul vizibil, în locul transmițǎtoarelor WiFi, folosind lumina în locul undelor radio. Se poate arăta că tehnologia nu este dăunătoare vederii umane datorită folosirii porțiunii de spectru în domeniul vizibil. În comparație, tehnologia CON folosește cu precădere domeniul infraroșu și o gamă de puteri ce depășește uneori puterea maximă admisă din motive de afectare a vederii umane.

LiFi deține un potențial major deorece poate transforma orice sistem de iluminare convențional cu LED-uri într-o componentă integrantă a unei rețele Gbps. Operează în domeniul lungimilor de undă/frecvențelor de ordinul nm/terraherților și evită interferența cu spectrul radio, care necesită licențiere. Este o tehnologie emergentă care va permite folosirea comunicațiilor optice rapide în zone unde aglomerarea de frecvențe radio este mare sau în zone unde folosirea undelor radio este interzisă, ca spitale, zone aeroportuare, unități de recuperare medicală ș.a.m.d.

Tehnologia LiFi este o tehnologie în dezvoltare, cu un potențial foarte mare de cercetare, nefiind încă disponibilă pentru comercializare, pentru aducerea tehnologiei pe piațǎ fiind nevoie de teste și certificări. Există si o încercare de standardizare (IEEE 802.15.7).

Cercetǎrile și dezvoltǎrile ulterioare vor analiza conceptele și vor defini sistemele VLC, punând în evidență tehnologiile și arhitecturile pentru rețele LiFi. Vor fi analizate sistemele, din prisma complexității tehnologice, al consumului energetic și al costurilor ce trebuie suportate. Vor fi evidențiate aplicațiile specifice, care utilizeazǎ LiFi, cu predilecție pentru domeniul SmartHome/SmartCity. Pentru a fi cuantificate, rezultatele teoretice ale studiilor vor fi verificate folosind platforme experimentale LiFi pentru aplicații în SmartHome – cu realizarea unor modele de laborator.

Vor fi analizate avantajele iluminatului cu LED-uri care sunt reprezentate de:

• consumul extrem de redus de energie, tehnologie verde;

• lumina mult mai bună, fără efect de pâlpâire, aproape de cea naturală;

• cheltuielile practic zero cu mentenanța, fiabilitate crescută;

• posibilitatea de modulare a luminii furnizate de becurile de iluminat cu LED, ce permite realizarea de comunicații de bandă foarte largă.

Vor fi analizate sistemele LiFi prin prisma complexității tehnologice, al consumului energetic și al costurilor ce trebuie suportate. De asemenea, vor fi evaluate caracteristicile tehnice și standardele VLC, descriind componentele – surse LED și fotodiode, folosind modele de laborator și platforme experimentale. Vor fi analizate sistemele VLC și WDM-VLC, precum și interconectarea acestora cu rețelele existente.

Cercetări viitoare vor investiga:

aspectul cuplării mai multor canale WDM (printr-un sistem de multiplexare corespunzător), în scopul obținerii de viteze de transmisie de peste 10Gbps;

îmbunătățirea calității sistemului optic al dispozitivului experimental prin utilizarea unor lentile cu apertură mai mare;

Anexe

A.1 Spectrul electromagnetic

A.2 Codul Internațional de vizibilitate

A.n Titlul Anexei n

A.3 Foi de catalog

Bibliografie