КАНАЛЫ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ НА РАССЕЯННОМ ИЗЛУЧЕНИИ В АТМОСФЕРНОЙ И ВОДНОЙ СРЕДАХ
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АТМОСФЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ
РАДИООПТИЧЕСКИЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ 6
1.1 Атмосферные беспроводные оптические линии связи 6
1.1 Гибридные беспроводные радиооптические линии связи 11
2 ПОДВОДНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ 15
3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 18
3.1 Постановка задачи для атмосферной оптической связи вне прямой
видимости 18
3.2 Постановка задачи для подводной оптической связи вне прямой
видимости 19
3.3 Модель канала оптической связи 20
4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ 25
2.1 Результаты расчётов для атмосферного канала 25
4.2 Результаты расчётов для подводного канала 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ A 41
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АТМОСФЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ
РАДИООПТИЧЕСКИЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ 6
1.1 Атмосферные беспроводные оптические линии связи 6
1.1 Гибридные беспроводные радиооптические линии связи 11
2 ПОДВОДНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ 15
3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 18
3.1 Постановка задачи для атмосферной оптической связи вне прямой
видимости 18
3.2 Постановка задачи для подводной оптической связи вне прямой
видимости 19
3.3 Модель канала оптической связи 20
4 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ 25
2.1 Результаты расчётов для атмосферного канала 25
4.2 Результаты расчётов для подводного канала 33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 38
ПРИЛОЖЕНИЕ A 41
Интерес к развитию теоретических и экспериментальных исследований атмосферных и водных оптических каналов связи в настоящее время обусловлен тем, что существуют условия, при которых только оптическая связь может обеспечить устойчивую многоадресную связь, которую невозможно реализовать в радиодиапазоне длин волн широко используемого для передачи данных в атмосферном канале связи или в акустическом диапазоне длин волн широко используемым для передачи данных в водном канале связи. Такими условиями могут быть, например, необходимость обеспечения режимов радио или акустического молчаний, требования к скорости передачи данных.
Этим объясняется возрастающая в последнее десятилетие публикационная активность в этих направлениях исследований [1-17].
Существует два направления исследования оптической связи в атмосфере, это оптическая связь в прямой видимости источника приёмником и вне прямой видимости (на рассеянном излучении). Подводная оптическая связь классифицируется по трём направлениям исследования: это оптическая связь в прямой видимости источника приёмником, вне прямой видимости на рассеянном излучении и вне прямой видимости на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении. Несмотря на сверхвысокоскоростную передачу информации в прямой видимости на короткие расстояния, передача данных осуществляется только одному абоненту, турбулентность приводит к «беганию» лазерного пучка по апертуре приемника, наличие посторонних объектов на линии связи приводит к прерываниям. Оптическую связь вне прямой видимости на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении можно осуществлять лишь на ограниченной глубине погружения приёмо-передающей системы. Помимо этого при высоком волнении границы раздела атмосфера-море передача данных становится нестабильной . Этих недостатков лишена оптическая связь на рассеянном излучении.
Принцип функционирования оптической связи через атмосферный и водный каналы в целом схожи и состоят в следующем. На первом этапе определенным образом вводится информация в излучающий оптический источник, то есть осуществляется модуляция оптического сигнала (частотная, частотно-импульсная, импульсно-временная). В дальнейшем сигнал поступает в атмосферный или водный канал связи и после его прохождения, преобразованный атмосферной или водной средой регистрируется приемной системой. Принятый сигнал поступает на устройство демодуляции, где из него извлекается информация. Г оворя о бистатической связи, можно подчеркнуть, что она осуществляется в непрямой видимости источника излучения и полезным сигналом является рассеянное излучение . Основным преимуществом этого типа связи является, возможность многоадресной связи и изменение схемы связи.
Работы, посвященные исследованию систем связи на рассеянном излучении (non-line-of-sight или NLOS) в атмосферном или подводном канале связи, в настоящее время представлены как в отечественной, так и зарубежной литературе. Это, например, такие работы как [1-7,15-17]. Из этих и других работ следует, что NLOS системы достаточно активно развиваются в двух направлениях. Первое из них - многоадресная передача информации на короткие дистанции [4,5,7,15,16]. Второе - оптико-электронные системы многоадресной передачи информации на большие дистанции [1-3,6,17]. Исследования систем атмосферной связи на рассеянном излучении ведутся для видимого и ближнего УФ-диапазона с большим базовым расстоянием (до 70 км), для дальнего УФ-диапазона в полосах поглощения Хиггинса и Хартли озона с небольшим базовым расстоянием (до 200 м) и большими углами расходимости и поля зрения.
Целью работы состоит в том, чтобы разработать согласованную с экспериментом модель канала связи и синтезировать по геометрическим параметрам оптимальную схему связи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: отыскание оптимальных схем связи, для которых вероятность ошибок минимальна; оценка максимального количества импульсов, которые можно передавать в единицу времени, для заданных оптико-геометрических условий и параметров передающей и приемной аппаратуры; накопление более детальной информации о вероятности ошибок в каналах связи и о факторах, влияющих на нее.
Положение, выносимое на защиту
Модель канала оптической связи на рассеянном излучении в атмосферной и водной средах на основе алгоритма модифицированной двойной локальной оценки, который обеспечивает уверенный приём и передачу сигнала на базовых расстояниях от источника до приёмник 0,5 - 200 км в атмосферной среде и 10 - 100 м в водной среде, при угле расходимости пучка источника 0.0034° и угле поля-зрения приёмника 2°.
Апробация результатов исследований
Результаты работы обсуждались и докладывались на седьмой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск 2017); 55-й международной научно-студенческой
конференции (МНСК-2017) (Новосибирск 2017); 14-ой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ) (Томск 2017), а также опубликованы в 4 статьях в журналах из перечня ВАК, Web of Science и Scopus.
1 АТМОСФЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ
РАДИООПТИЧЕСКИЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
В главе приводится аналитический обзор исследований по беспроводной атмосферной оптической связи и гибридной радио-оптической связи в атмосфере. Как правило, в рассмотренных работах оптическая связь осуществляется в УФ и видимом диапазоне длин волн, с использованием лазерного или светодиодного источника излучения и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) или лавинного фотодиода. Рассмотрены как результаты теоретических исследований, так и экспериментальные результаты.
Этим объясняется возрастающая в последнее десятилетие публикационная активность в этих направлениях исследований [1-17].
Существует два направления исследования оптической связи в атмосфере, это оптическая связь в прямой видимости источника приёмником и вне прямой видимости (на рассеянном излучении). Подводная оптическая связь классифицируется по трём направлениям исследования: это оптическая связь в прямой видимости источника приёмником, вне прямой видимости на рассеянном излучении и вне прямой видимости на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении. Несмотря на сверхвысокоскоростную передачу информации в прямой видимости на короткие расстояния, передача данных осуществляется только одному абоненту, турбулентность приводит к «беганию» лазерного пучка по апертуре приемника, наличие посторонних объектов на линии связи приводит к прерываниям. Оптическую связь вне прямой видимости на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении можно осуществлять лишь на ограниченной глубине погружения приёмо-передающей системы. Помимо этого при высоком волнении границы раздела атмосфера-море передача данных становится нестабильной . Этих недостатков лишена оптическая связь на рассеянном излучении.
Принцип функционирования оптической связи через атмосферный и водный каналы в целом схожи и состоят в следующем. На первом этапе определенным образом вводится информация в излучающий оптический источник, то есть осуществляется модуляция оптического сигнала (частотная, частотно-импульсная, импульсно-временная). В дальнейшем сигнал поступает в атмосферный или водный канал связи и после его прохождения, преобразованный атмосферной или водной средой регистрируется приемной системой. Принятый сигнал поступает на устройство демодуляции, где из него извлекается информация. Г оворя о бистатической связи, можно подчеркнуть, что она осуществляется в непрямой видимости источника излучения и полезным сигналом является рассеянное излучение . Основным преимуществом этого типа связи является, возможность многоадресной связи и изменение схемы связи.
Работы, посвященные исследованию систем связи на рассеянном излучении (non-line-of-sight или NLOS) в атмосферном или подводном канале связи, в настоящее время представлены как в отечественной, так и зарубежной литературе. Это, например, такие работы как [1-7,15-17]. Из этих и других работ следует, что NLOS системы достаточно активно развиваются в двух направлениях. Первое из них - многоадресная передача информации на короткие дистанции [4,5,7,15,16]. Второе - оптико-электронные системы многоадресной передачи информации на большие дистанции [1-3,6,17]. Исследования систем атмосферной связи на рассеянном излучении ведутся для видимого и ближнего УФ-диапазона с большим базовым расстоянием (до 70 км), для дальнего УФ-диапазона в полосах поглощения Хиггинса и Хартли озона с небольшим базовым расстоянием (до 200 м) и большими углами расходимости и поля зрения.
Целью работы состоит в том, чтобы разработать согласованную с экспериментом модель канала связи и синтезировать по геометрическим параметрам оптимальную схему связи.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: отыскание оптимальных схем связи, для которых вероятность ошибок минимальна; оценка максимального количества импульсов, которые можно передавать в единицу времени, для заданных оптико-геометрических условий и параметров передающей и приемной аппаратуры; накопление более детальной информации о вероятности ошибок в каналах связи и о факторах, влияющих на нее.
Положение, выносимое на защиту
Модель канала оптической связи на рассеянном излучении в атмосферной и водной средах на основе алгоритма модифицированной двойной локальной оценки, который обеспечивает уверенный приём и передачу сигнала на базовых расстояниях от источника до приёмник 0,5 - 200 км в атмосферной среде и 10 - 100 м в водной среде, при угле расходимости пучка источника 0.0034° и угле поля-зрения приёмника 2°.
Апробация результатов исследований
Результаты работы обсуждались и докладывались на седьмой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск 2017); 55-й международной научно-студенческой
конференции (МНСК-2017) (Новосибирск 2017); 14-ой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов (СНИИ) (Томск 2017), а также опубликованы в 4 статьях в журналах из перечня ВАК, Web of Science и Scopus.
1 АТМОСФЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ
РАДИООПТИЧЕСКИЕ БЕСПРОВОДНЫЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
В главе приводится аналитический обзор исследований по беспроводной атмосферной оптической связи и гибридной радио-оптической связи в атмосфере. Как правило, в рассмотренных работах оптическая связь осуществляется в УФ и видимом диапазоне длин волн, с использованием лазерного или светодиодного источника излучения и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) или лавинного фотодиода. Рассмотрены как результаты теоретических исследований, так и экспериментальные результаты.
Разработана модель каналов подводной и атмосферной оптической связи на рассеянном излучении на основе алгоритма метода Монте-Карло с модифицированной двойной локальной оценкой в каждый возможный временной интервал [3]. Предложенная модель позволяет оценивать предельное базовое расстояние и максимальную частоту следования импульсов для заданных характеристик приемо-передающей аппаратуры. В рамках данной работы расчёты выполнялись для следующих оптико-геометрических условий в атмосферном канале связи: Х=0.3, 0.5, 0.9 мкм; 3^=10 и 50 км; 0^=85°; 0o=0°, 45°, 85°; Vo=0.0034°; Vd=2°; Г,- (0-200 км; а=0°,10°,30°,60°,90°. В подводном канале связи для оптико-геометрических условий: 0о=0°, 30° 45°, 85°; 0d=, 30° 45°, 85°; vo=0.0034°; А=10-100 м; Vd=2°; ,, ,,
zw 30 ми глубины погружения источника и приемника 25 м.
Показано, что на коротких базовых расстояниях до 3км в атмосферной среде наиболее эффективна для передачи данных схема бистатической оптической связи с источником на длине волны: л 0.3 мкм. На больших базовых расстояниях эффективнее для передачи данных применять схему связи с источником на длине волны Х=0.5 мкм, кроме случаев с высокой мутностью среды и малыми углами а, где передача данных эффективнее на длине волны источника л 0.9 мкм.
Установлено, что передача данных для частной модели системы связи возможна на максимальном базовом расстоянии Y,,max~40 км в условиях мутной среды при л 0.5 мкм и на максимальном базовом расстоянии Y,,max^200 км в условиях прозрачной среды при Х=0.5 мкм. Отмечено, что предельные частоты передачи импульсов для бистатической системы связи в зависимости от состояния атмосферного канала и геометрических параметров схемы варьируются в пределах от 4*103 до 2*107 Гц. Также для произвольных а была построена аппроксимационная формула для n(0o,DN,a), позволяющая оценить качество связи в зависимости от оптико-геометрических условий и приёмо-передающей аппаратуры.
Выполнен анализ расчетов для подводного канала бистатической оптической связи. Результаты расчётов показывают, что оптическая связь на длине волны л 0.5 мкм, базовых расстояниях от 10 до 100 м, глубине видимости zw 30 ми широком наборе геометрических параметров схемы возможна, когда предельная чувствительность приемника отличается от мощности источника на п=50-150 дБ в зависимости от оптико-геометрических условий. Установлено, что предельные частоты передачи импульсов для рассмотренных оптико-геометрических условий канала подводной оптической связи лежат в пределах 2.5*106-2*107 Гц.
Несмотря на то, что в этой работе были проведены исследования как атмосферной, так и подводной бистатической оптической связи в дальнейшем нуждается в исследованиях бистатическая оптическая связь на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении.
По результатам работы опубликована 4 статьи, 2 из которых в журналах, индексированных в Scopus [23,29], одна из них опубликована в журналах из перечня ВАК [23]. Другие 2 статьи опубликованы в сборниках [27, 28].
zw 30 ми глубины погружения источника и приемника 25 м.
Показано, что на коротких базовых расстояниях до 3км в атмосферной среде наиболее эффективна для передачи данных схема бистатической оптической связи с источником на длине волны: л 0.3 мкм. На больших базовых расстояниях эффективнее для передачи данных применять схему связи с источником на длине волны Х=0.5 мкм, кроме случаев с высокой мутностью среды и малыми углами а, где передача данных эффективнее на длине волны источника л 0.9 мкм.
Установлено, что передача данных для частной модели системы связи возможна на максимальном базовом расстоянии Y,,max~40 км в условиях мутной среды при л 0.5 мкм и на максимальном базовом расстоянии Y,,max^200 км в условиях прозрачной среды при Х=0.5 мкм. Отмечено, что предельные частоты передачи импульсов для бистатической системы связи в зависимости от состояния атмосферного канала и геометрических параметров схемы варьируются в пределах от 4*103 до 2*107 Гц. Также для произвольных а была построена аппроксимационная формула для n(0o,DN,a), позволяющая оценить качество связи в зависимости от оптико-геометрических условий и приёмо-передающей аппаратуры.
Выполнен анализ расчетов для подводного канала бистатической оптической связи. Результаты расчётов показывают, что оптическая связь на длине волны л 0.5 мкм, базовых расстояниях от 10 до 100 м, глубине видимости zw 30 ми широком наборе геометрических параметров схемы возможна, когда предельная чувствительность приемника отличается от мощности источника на п=50-150 дБ в зависимости от оптико-геометрических условий. Установлено, что предельные частоты передачи импульсов для рассмотренных оптико-геометрических условий канала подводной оптической связи лежат в пределах 2.5*106-2*107 Гц.
Несмотря на то, что в этой работе были проведены исследования как атмосферной, так и подводной бистатической оптической связи в дальнейшем нуждается в исследованиях бистатическая оптическая связь на отражённом от границы раздела атмосфера-вода излучении.
По результатам работы опубликована 4 статьи, 2 из которых в журналах, индексированных в Scopus [23,29], одна из них опубликована в журналах из перечня ВАК [23]. Другие 2 статьи опубликованы в сборниках [27, 28].
