В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций

4,5 километра FSO-соединения с операторской надежностью

Практические результаты

Сергей Кузнецов, директор центра ИТ ООО "Мостком"
Борис Огнев, директор по сбыту ООО "Мостком"
Сергей Поляков, директор ООО "Мостком"

Введение

В настоящее время широкое распространение как средство доставки трафика на "последней миле", а также в качестве резервной, аварийной, временной и оперативной связи получили беспроводные атмосферные оптические линии связи (АОЛС, АОЛП, FSO). Наряду с основными преимуществами АОЛС (высокая скорость и скрытность передачи информации, быстрота развертывания, отсутствие лицензирования оптического диапазона, высокая помехозащищенность и т.д.) широко известен и их главный недостаток – зависимость доступности канала связи от погодных условий. Например, в условиях средней полосы России доступность беспроводного соединения по критерию 99,7% для FSO-оборудования "Artolink" M1 FE-2A (Fast Ethernet) обеспечивается на расстояниях только до 1,3 км.

Вместе с тем постоянно возникает потребность в использовании АОЛС и на большие расстояния. Однако в таких условиях доступность канала снижается. Для поддержания высокой надежности соединения предлагалось применение резервного радиоканала на основе систем широкополосного доступа Wi-Fi, которое, к сожалению, не дало положительных результатов [1, 3]. Только использование специально откалиброванного технического решения на базе оборудования "Рапира" позволило получить приемлемые на практике результаты. В на стоящей статье приведены предварительные итоги шести месяцев испытаний в реальных условиях гибридного радиооптического оборудования "Artolink" модели М1 FE-2А-R (производитель – Государственный Рязанский приборный завод), поставки которого начались в начале 2008 г.

Схема и методика измерений

Опытная линия связи была развернута на пролете длиной 4,5 км. На пути следования луча расположены заливные луга с двумя водоемами (в межсезонье там наблюдаются частые туманы, а летом – восходящие тепловые потоки) и участок окружной дороги. В состав оборудования М1 FE-2А-R входили два серийных приемопередающих модуля (ППМ) с интерфейсом 100Base-TX и поддержкой технологии "двойного канала" и откалиброванное для работы в качестве резервного канала оборудование preWiMAX, выполненное на основе продукции НПО "Рапира". Один ППМ был закреплен на стационарной опоре на крыше 6-этажного промышленного здания, а второй установлен по временной схеме на треноге на балконе 4-го этажа жилого дома. Питание осуществлялось по штатной схеме от устройства внешнего интерфейса (УВИ) с использованием кабеля длиной 50 м.
Схема включения измеряемого и тестового оборудования приведена на рис. 1.

РИС. 1. Схема проведения измерений гибридного канала связи

Образующие оптический канал связи, ППМ через свои первые порты были подключены к коммутаторам Fast Ethernet, через вторые – к радиомодулям "Рапира", формирующим резервный канал на частоте 5,8 ГГц. С обеих сторон канала к коммутаторам подключались тестеры Ethernet ETest [4, 5] и два компьютера. Один из компьютеров (на схеме расположен слева) управлял процессом тестирования и мониторингом канала, а к другому была подсоединена Web-камера для наблюдения за трассой и хранения изображений.

В процессе непрерывной работы оборудования снимались следующие данные:
•    параметры состояния обоих ППМ FSO-оборудования (вид рабочего в данный момент канала, температура внутри ППМ, параметры системы целеуказания и наведения);
•    изображения трассы, полученные от Web-камеры;
•    значения потерь пакетов, классификация секундных интервалов, значение эквивалентной битовой ошибки BER, получаемых от тестеров канала Ethernet [5].

Из полученных данных формировалась база первичных значений параметров. Периодичность записи в базу составляла 3 минуты, а общее время записи – шесть месяцев (с мая по октябрь 2008 г.). В течение этого времени с помощью двух тестеров Ethernet ETest проводилась генерация тестового трафика и анализ его прохождения по каналу связи. Тестовый трафик представлял собой трехминутные сеансы непрерывного следования пакетов Ethernet длиной 1518 байт и минимальным межпакетным интервалом согласно стандарту IEEE 802.3u.

Результаты

В качестве примера первичных данных на рис. 2 приведена зависимость эквивалентного BER, построенного с трехминутным шагом, в канале от времени за октябрь 2008 г.

РИС. 2. Уровень BER и динамика переключений на резервный канал (за октябрь 2008)

На рисунке синим цветом обозначены значения эквивалентного BER, измеренного ETest по методике, приведенной в [5]. Вертикальные красные линии отмечают моменты перехода на резервный канал и обратно, то есть время работы на резервном канале.
Результаты расчета усредненных характеристик каналов за весь период наблюдения приведены в таблице.

ТАБЛИЦА. Усредненные характеристики канала

Из таблицы видно, что реальные результаты по доступности только оптического канала связи оказались лучше расчетных значений: 98,67% вместо ожидаемых 95,5%. Возможно, это связано с тем, что в период наблюдений не попали зимние месяцы. Использование резервного канала на основе откалиброван-ных решений позволяет существенно поднять доступность канала – практически до 99,99%. Это стало достижимым благодаря минимальному времени переключения – не более 2 с. Критерием переключения на резерв являлось значение ошибки более 104, возврат на оптический канал – 10 с безошибочной работы оптического канала. В табл. 1 также приведены расчетные значения доступности в допущении того, что оборудование резервного канала находится в "холодном" резерве (без подачи питания). В этом случае время переключения возрастает до 40 с, а доступность канала в результате составляет только 99,7%.

Следует отметить, что полученные значения доступности гибридного канала связи прямо зависят от качества оптического канала, поскольку интегральная доступность гибридного канала по существу определяется потерями времени на переключение. Использование в качестве основного оптического канала FSO-оборудования "Artolink" позволило получить такие высокие показатели на столь длинном пролете, причем без принятия специальных мер по закреплению оборудования, а только за счет реализованных технических решений, таких как:
•    система автоматического наведения, которая в процессе эксплуатации беспроводного канала связи автоматически наводит ППМ друг на друга с максимальной точностью (0,08 мрад) независимо от подвижности опоры, на которой закреплено FSO-оборудование;
•    использование трех синфазных передатчиков с узкой диаграммой направленности излучения (0,55 мрад), что необходимо для работы на дистанциях более 1 км для борьбы с турбулентностью атмосферы;
•    встроенная защита от солнечной засветки, мощная оптическая селекция оптических помех в канале приема, а также малый угол поля зрения оптического приемника (3 мрад);
•    применение технологии последовательного кодирования с многократным дублированием символов на основе HQN-турбокодов, специально адаптированной под передачу данных через атмосферу преимущественно в период ухудшения видимости из-за погодных явлений (туман, снег). Кроме того, в приемопередающем тракте оборудования реализована фирменная технология асинхронной передачи данных, исключающая паразитное воздействие фазового шума, свойственное системам с классической PLL;
•    встроенный механизм контроля ошибок в оптическом канале с реализованным в firmware алгоритмом переключения между каналами. Все эти меры позволили минимизировать количество переключений и время работы на резервном канале и в результате получить достойные показатели доступности канала.

В ходе проведения измерений был выявлен ряд интересных динамических эффектов прозрачности оптического канала. Например, на рис. 3 показана ситуация, когда наблюдалось временное "просветление" оптического канала связи в условиях сильного тумана 08.10.2008 г. График иллюстрирует переход линии с резервного канала на оптический и обратно по мере ухудшения видимости. Соответствующим значениям ошибок сопоставлен вид трассы с камеры видеонаблюдения.

РИС. 3. Динамика ошибок в тумане

Из приведенного графика динамики ошибок видно, что характерное время существенного роста уровня ошибок (с 109 до 106) составляет около 10 минут. В данной ситуации (как показало тестирование, довольно типичной) снижение частоты в оптическом канале и переход на меньшую скорость передачи (к примеру, на 10 Мбит/с) практически бесполезны. Это дает выигрыш работы FSO-оборудования не более чем на 10 минут, после чего связь все равно прерывается. При этом реакции коммутационного оборудования, транспортных протоколов и прикладного программного обеспечения на снижение скорости не брались в расчет.

В заключение приведем анализ распределения переключений на резервный канал по времени суток. Результаты обработки полученных за 6 месяцев данных приведены на рис. 4.

РИС. 4. Распределение переключений на резервный канал по времени суток

Из рис. 4 видно, что основная масса прерываний оптического канала приходится на время суток с 2 часов ночи до 8 утра, что важно учитывать при планировании канала связи и его резервирования. Необходимость и способы резервирования канала связи определяются его применением. Так, например, для использования в корпоративных сетях перерывы связи в нерабочее время могут быть вообще незаметны.

Заключение

Статистические результаты работы гибридного радиооптического беспроводного канала связи на трассе протяженностью 4,5 км убедительно подтверждают гипотезу [1] о высокой надежности такого решения. Использование только FSO-оборудования не позволяет на столь длинных пролетах получить приемлемую надежность канала ни при каких условиях. Введение в состав FSO-оборудования относительно доступного радиоканала дает возможность поднять надежность соединения практически до уровня операторской. При этом в течение более 96% времени обеспечивается канал с пропускной способностью, равной волоконно-оптическим соединениям, и только несколько процентов времени канал работает на характерных для радиотехнологий скоростях, т.е. порядка 10 Мбит/с.

Наиболее критичным моментом использования резервного канала с пониженной скоростью передачи является ситуация, когда объем передаваемого трафика в момент переключения превосходит возможности передачи в этом канале. Очевидно, что разные приложения будут по-разному реагировать на резкое уменьшение пропускной способности соединения. Этот вопрос, безусловно, требует дополнительного изучения. Однако полученные результаты показывают, что время работы резервного канала практически сосредоточено в часы наименьшей нагрузки (в ночные и утренние), что позволяет применять такие каналы и в ответственных приложениях, поскольку переход на пониженную скорость передачи практически не ощутим.

Литература

1.    В. Вишневский, С. Кузнецов, Д. Лаконцев, С. Поляков. Гибридное оборудование на базе радио– и лазерной технологий // Первая миля. 2007. № 1.
2.    www. moctkom.ru
3.    Поляков С.Ю., Кузнецов С.Н. Беспроводная связь - вопросы выбора // Технологии и средства связи. 2007. №3, часть 2. Спецвыпуск "Системы абонентского доступа".
4.    Есенин А. С., Кузнецов С. Н., Огнев И.В., Паршин А.А., Поляков С.Ю. Комплексный анализ качества каналов Ethernet // Технологии и средства связи. 2006. № 2.
5.    Кузнецов С.Н., Поляков С.Ю. Методика тестирования каналов связи Ethernet // Технологии и средства связи. 2005. №4.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #6, 2008
Посещений: 9405

Статьи по теме

Автор