eng
Выпуск #5/2020
М. Ю. Керносов, С. Н. Кузнецов, Б. И. Огнев, А. А. Паршин
Снижение уровня ошибок при передаче высокочастотных оптических сигналов в условиях турбулентной атмосферы за счет использования статистики уровня приемного сигнала
Снижение уровня ошибок при передаче высокочастотных оптических сигналов в условиях турбулентной атмосферы за счет использования статистики уровня приемного сигнала
Просмотры: 3419
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.5.424.436
Анализ распределения вероятности принимаемого сигнала в беспроводной оптической линии связи в различных условиях показывает существенную зависимость уровня ошибок в канале связи от уровня стабилизации мощности на приемнике. Существенное отличие статистики уровня принимаемого сигнала от известных распределений не позволяет использовать их для аппроксимации вероятностей больших отклонений уровня сигнала от среднего значения. Предложен алгоритм оценки оптимальности и корректировки уровня стабилизации приемной мощности на основе оценки статистики распределения. Согласно экспериментальным данным предложенный алгоритм существенно снижает уровень ошибок в атмосферном канале связи.
Анализ распределения вероятности принимаемого сигнала в беспроводной оптической линии связи в различных условиях показывает существенную зависимость уровня ошибок в канале связи от уровня стабилизации мощности на приемнике. Существенное отличие статистики уровня принимаемого сигнала от известных распределений не позволяет использовать их для аппроксимации вероятностей больших отклонений уровня сигнала от среднего значения. Предложен алгоритм оценки оптимальности и корректировки уровня стабилизации приемной мощности на основе оценки статистики распределения. Согласно экспериментальным данным предложенный алгоритм существенно снижает уровень ошибок в атмосферном канале связи.
Теги: atmospheric optical communication lines errors in a wireless communication channel free-space optics laser communication terminal power stabilization at an optical receiver wireless optical communications атмосферные оптические линии связи беспроводные оптические коммуникации ошибки в беспроводном канале связи стабилизация мощности на оптическом приемнике
Снижение уровня ошибок при передаче высокочастотных оптических сигналов в условиях турбулентной атмосферы за счет использования статистики уровня приемного сигнала
М. Ю. Керносов, С. Н. Кузнецов, Б. И. Огнев, А. А. Паршин
АО «Мостком», Рязань, Россия
Анализ распределения вероятности принимаемого сигнала в беспроводной оптической линии связи в различных условиях показывает существенную зависимость уровня ошибок в канале связи от уровня стабилизации мощности на приемнике. Существенное отличие статистики уровня принимаемого сигнала от известных распределений не позволяет использовать их для аппроксимации вероятностей больших отклонений уровня сигнала от среднего значения. Предложен алгоритм оценки оптимальности и корректировки уровня стабилизации приемной мощности на основе оценки статистики распределения. Согласно экспериментальным данным предложенный алгоритм существенно снижает уровень ошибок в атмосферном канале связи.
Ключевые слова: laser communication terminal, free-space optics, атмосферные оптические линии связи, беспроводные оптические коммуникации, стабилизация мощности на оптическом приёмнике, ошибки в беспроводном канале связи
Статья поступила:10.07.2020
Принята к публикации:24.08.2020
ВВЕДЕНИЕ
Активное развитие беспроводных оптических коммуникаций, обладающих определенными преимуществами по сравнению с другими беспроводными решениями, в частности, происходит в сторону увеличения скорости передачи данных [1, 2]. В последнее время особенно актуальными оптические беспроводные решения становятся в высокоскоростных коммуникациях низколетящих (LEO) космических аппаратов с Землей [3–5]. Рост скорости передачи данных однозначно связан со снижением динамического диапазона приемных устройств. С другой стороны, динамический диапазон приемника напрямую определяет уровень ошибок, вызванных турбулентностью атмосферы [6, 7]. В связи с этим оптимизация параметров приемо-передающего канала становится особенно важной.
В данной работе исследование возможностей оптимизации проводилось с использованием оборудования беспроводной оптической связи Artolink, предназначенного для работы на скоростях 10 Гбит / с [8].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Одним из перспективных направлений развития беспроводных оптических систем связи является построение беспроводного канала для прозрачного соединения высокоскоростных стыков пользовательского оборудования. Это позволяет легко масштабировать беспроводное оптическое решение в направлении увеличения скорости передачи [9, 10].
С другой стороны, уменьшение динамического диапазона приемника, сопутствующее увеличению скорости передачи (в основном со стороны нижней границы принимаемых мощностей – чувствительности), с учетом воздействия атмосферы требует выбора оптимального значения среднего уровня сигнала на приеме из атмосферы – точки стабилизации (ТС). Как правило, на скоростях передачи 10 Гбит / с приемник (на основе PIN диода) имеет динамический диапазон около 21 дБ (при чувствительности –18 дБм и мощности насыщения 3 дБм). С учетом возможного уровня колебаний приемного сигнала в атмосфере в диапазоне, сопоставимом с динамическим диапазоном приемника [11], выбор ТС определяет уровень цифровых ошибок в канале. Для обоснованного выбора ТС необходимо знать статистику значений принимаемой мощности (Iпр) с тем, чтобы минимизировать количество событий выхода Iпр за пределы динамического диапазона приемника.
МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА
На первом этапе была проведена модельная оценка уровня возможных ошибок для различных уровней нестабильности сигнала и значений ТС. Согласно [12] функция вероятности уровня приемного сигнала при прохождении лазерного излучения через атмосферу близка к логнормальному закону. Поэтому для модельной оценки были проведены расчеты уровня возможных ошибок для логнормального распределения.
Плотность вероятности логнормального распределения уровня принимаемой мощности относительно среднего значения описывается выражением:
, (1)
где In – принимаемая мощность излучения, нормированная на среднее значение; – среднеквадратичное отклонение принимаемой мощности излучения, отнесенное к ее среднему значению.
Величина , служащая мерой нестабильности приемного сигнала, определяется по формуле:
, (2)
где i – порядковый номер измерения в выборке; IПРi – значение принимаемой мощности в i-м измерении; Iср – среднее значение принимаемой мощности; N – количество значений в выборке.
Уровень ошибок Perr определялся как сумма вероятностей ошибок из-за снижения уровня сигнала ниже уровня чувствительности и превышения уровня насыщения приемника согласно формуле:
, (3)
где PSens – вероятность событий с Iпр ниже уровня чувствительности приемника; PSat – вероятность событий с Iпр выше уровня насыщения приемника.
PSens и PSat рассчитывались по следующим формулам:
(4)
(5)
где Imin – уровень чувствительности приемника; Imax – уровень мощности насыщения приемника. Расчеты проводились для уровней , при которых Perr принимает значения от 10–16 до 10–2. Заданный диапазон Perr достигался при значениях от 0,1 до 0,5.
С учетом того, что середина динамического диапазона приемника соответствует –6 дБм, ТС задавалась в диапазоне от –10 до –2 дБм, соответствующем уровням входного сигнала от 100 до 600 мкВт. Зависимости Perr от ТС для различных значений представлены на рис. 1.
Как видно из рис. 1, модельная зависимость ТС имеет оптимальное значение с точки зрения минимизации потерь. Оптимальное значение ТС находится в районе –5 дБм, что отличается от средней точки динамического диапазона приемника –6 дБм. Уровень Perr для оптимальных значений ТС сильно зависит от уровня нестабильности сигнала, которая в основном определяется дистанцией и погодными условиями на трассе.
СПОСОБ И УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений использовался комплект оборудования Artolink M1–10GE, состоящий из двух терминалов, каждый из которых включает в себя оптический блок (ОБ) – приемопередатчик, блок интерфейсов (БИ) и соединительный кабель.
Программное обеспечение (ПО) оборудования позволяет менять значение ТС, которое автоматически поддерживается на приемнике каждого терминала путем регулировки выходной мощности оптического усилителя (ОУ) противоположного приемопередатчика с использованием служебного канала между терминалами. Значения Iпр с частотой 100 Гц записывались на компьютер, подключенный к стыку мониторинга состояния оборудования на БИ. Оптико-электронная схема приемо-передающего тракта приведена на рис. 2.
Основными факторами, вызывающими колебания уровня сигнала на приеме, согласно [13], являются турбулентность атмосферы и апертурное ограничение пучка в плоскости приема.
Для анализа статистики Iпр были проведены следующие серии измерений:
Для того чтобы избежать влияния изменения погодных условий за время измерений, запись каждого сеанса проводилась в течение 10 минут, что позволяло фиксировать около 130 000 значений Iпр.
Следует отметить, что во время всех сеансов измерений работали подсистемы оборудования: автонаведение; подстройка направления связи на максимум принимаемого сигнала на каждом приемопередатчике; стабилизация уровня принимаемого сигнала путем подстройки мощности оптического усилителя. Таким образом, измерения проводились в условиях полнофункциональной работы оборудования, что, собственно, и было необходимо, так как целью работы являлся анализ и оптимизация рабочего варианта оборудования.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 3 представлена динамика изменения Iпр в мкВт для ТС 350 мкВт на дистанциях 620, 1 600 и 2 800 м. Как видно, глубина провалов значений Iпр относительно ТС растет с увеличением дистанции и достигает 10 дБ на 2 800 м. Кроме того, наблюдаются выбросы Iпр и в сторону увеличения ее значений.
Для определения фактической зависимости уровня ошибок в канале передачи от значения ТС на дистанции 2 800 м были проведены измерения зависимости уровня битовой ошибки (BER) в канале связи от значения ТС. Результаты измерений приведены на рис. 4. Явно, что ТС явно имеет оптимальное значение, с точки зрения минимизации потерь. Кроме того, изменение ТС всего на 50 мкВт приводит к изменению BER на порядок, что говорит об актуальности задачи оптимизации ТС.
Выбор оптимального значения ТС зависит от характера статистики распределения значений Iпр, вид которой, согласно [14], существенно влияет на уровень BER.
Для количественной оценки характера статистики распределения значений In по всем выборкам значений In, полученным в сериях измерений, были рассчитаны значения величины нормированного среднеквадратичного отклонения и коэффициенты асимметрии (Ка) распределения выборки. Расчет величины проводился по формуле (2). Для вычисления Ка была использована следующая формула:
. (6)
Результаты расчетов параметров статистики для различных условий приведены в таблице. Их результаты показывают следующее:
Ненулевые значения Ка и смена знака говорят о промежуточном характере функции плотности распределения In. Так, при малом воздействии турбулентности атмосферы и апертурного ограничения распределение ближе к нормальному, при усилении указанных воздействий – к логнормальному.
Таким образом, результаты измерений показали: качественная аппроксимация реального распределения вероятностей известными видами распределений не представляется возможной. Кроме того, следует учитывать тот факт, что в оценке ошибок канала связи основную роль играют интегралы периферийных частей функции вероятности. В связи с этим, для решения задачи оптимизации ТС потребовалась методика оценки периферийных частей распределения, которая в оборудовании должна работать в режиме реального времени.
Было предложено решение, позволяющее оценить периферийные части указанной функции, поскольку уровень ошибок полностью определяется долей событий выхода Iпр за пределы динамического диапазона приемника. Таким образом, подстройка ТС должна минимизировать количество указанных случаев. В связи с тем, что частота измерения Iпр в оборудовании составляет 100 Гц на уровне ошибок 10–9, для гарантированной регистрации выхода за границы динамического диапазона потребуется 107 с, что соответствует периоду около 2 800 часов.
Для получения разумного периода подстройки ТС достаточно определить статистику достижения Iпр на определенном удалении от границ динамического диапазона. Однако, ввиду их удаленности от границ динамического диапазона для учета формы «хвостов» функции вероятности (ФВ), необходимо учесть их форму. Для этого был предложен способ оценки периферийных частей ФВ на основе «статистического паттерна» канала – экспериментально определяемого статистического образа краев вероятностного распределения Iпр. Для расчета паттерна использовались 4 параметра. Они представляют собой доли измерений со значениями Iпр, лежащими соответственно ниже и выше определенных границ (отстоящих на определенном расстоянии от границ динамического диапазона приемника). На рис. 5 представлен пример экспериментального распределения количества измерений в зависимости от Iпр, а также границы расчета значений Iпр для определения статистического паттерна канала.
В качестве нижних границ LowOUT и LowIN были выбраны значения Pin, превышающие чувствительность приемника на 3 и 6 дБ (в 2 и в 4 раза) соответственно. В качестве верхних границ HighOUT и HighIN – Iпр, меньшие мощности насыщения приемника на 3 и 6 дБ соответственно.
Для проверки предложенного метода подстройки ТС был реализован алгоритм изменения ТС в зависимости от результата анализа статистического паттерна, полученного за 1 минуту работы оборудования.
Статистика собирается за N = 30 000 измерений приемной мощности с использованием следующих счетчиков:
По результатам сбора статистики расчитываются следующие параметры:
Алгоритм управления ТС представлен на рис. 6. После сбора статистики проводится анализ статистического паттерна, который заключается в сравнении сумм количеств событий NL и NH, определенных в соответствии с выражениями:
В случае NL > NH значение ТС увеличивается, при обратном соотношении – уменьшается. Таким образом, в ходе работы предложенного алгоритма ТС стремится к значению, при котором для существующих условий (погода, дистанция) достижение нижней и верхней границы динамического диапазона приемника равновероятно.
Коэффициент k необходим для повышения чувствительности алгоритма к наиболее критичным (более близким значениям Iпр к границе динамического диапазона приемника) событиям. Для обоснованного выбора значения k были рассчитаны зависимости коэффициента корреляции между весом статистического паттерна NL + NH и ранее полученной модельной оценкой Perr для логнормального распределения, на всем заданном выше поле значений ТС и .
Зависимость коэффициента корреляции от значения k приведена на рис. 7. Анализ рис. 7 показывает, что достаточно хорошая (0,9) корреляция веса паттерна с Perr достигается при k = 100. Это значение мы использовали в дальнейшем при проверке работоспособности алгоритма.
Для оценки работоспособности алгоритма подстройки ТС были проведены «стрессовые» измерения на дистанции 620 м с диафрагмами 20 мм, установленными на один из терминалов, чтобы обеспечить уровень нестабильности приемного сигнала достаточный для фиксации ошибок. На обоих терминалах в двух сериях измерений были заданы начальные значения ТС, близкие верхней (1 000 мкВт) и нижней (10 мкВт) границе динамического диапазона приемника. На рис. 8 представлена динамика изменения ТС на двух терминалах линии 620 м, а также уровня потерь (количество утраченных пакетов в минуту) в канале связи. Видно, что предложенный алгоритм динамической подстройки ТС полностью работоспособен и обеспечивает выход к оптимальным (с точки зрения минимизации потерь в канале связи) значениям ТС.
Довольно длительное (десятки минут) время подстройки ТС объясняется тем, что стартовое значение ТС задавалось максимально удаленным от середины динамического диапазона приемника. При реализации алгоритма использовалось стартовое значение ТС, равное середине динамического диапазона приемника, что обеспечивает значительно более быструю подстройку ТС.
После определения работоспособности алгоритма было проведено долгосрочное (в течение трех суток) тестирование его работы на дистанции 620 м. Данное тестирование показало существенное снижение ошибок по сравнению с работой канала связи с фиксированным значением ТС. Так, если за сутки ошибка в среднем составляла 5 · 10–10, то при использовании предложенного алгоритма ошибка снизилась до 9 · 10–11.
ВЫВОДЫ
Проведен статистический анализ распределения значений параметров канала беспроводной оптической связи. Он выявил существенную зависимость параметров канала от дистанции и условий работы (состояния атмосферы). Результаты анализа также показали несоответствие распределения вероятности уровня принимаемого сигнала известным распределениям.
Предложен способ динамической подстройки точки стабилизации мощности на приемнике на основе статистического паттерна канала, адекватно описывающего периферийные части функции вероятности сигнала на приемнике. Апробация алгоритма показала его эффективность, выразившуюся в существенном снижении уровня ошибок в канале связи.
Применение алгоритма позволит повысить достоверность передаваемых данных как при использовании в наземных горизонтальных каналах, так и в фотонных системах космического приборостроения для обмена информацией на линиях «Космический аппарат – Земля» [15]. По результатам работы получен патент на способ регулировки уровня сигнала на приемнике терминала оптической беспроводной связи [16].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Uysal M. Optical Wireless Communications. Springer. 2016. DOI 10.1007978-3-319-30201-0
Djordjevic I. B. Advanced Optical and Wireless Communications Systems. Springer. 2017. DOI 10.1007978-3-319-63151-6
First high capacity space-to-ground laser communications system for the new European external ISS Platform Bartolomeo. [Интернет-ресурс]. [Дата обращения: 12 февраля 2019] URL: https:www.airbus.comnewsroompress-releasesen201803first-high-capacity-space-to-ground-laser-communications-system-.html
Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS) [Интернет-ресурс]. [Дата обращения: 12 февраля 2019] URL: https:www.nasa.govmission_pagesstationresearchexperiments861.html
NASA Laser Communication Payload Undergoing Integration and Testing. [Интернет-ресурс]. URL: https:www.nasa.govfeaturegoddard2017nasa-laser-communica-tion-payload-undergoing-integration-and-testing
Andrews L. C., Phillips R. L., Hopen C. Y. Laser Beam Scintillation with Applications. SPIE Press. 2001. DOI: 10.11173.412858
Majumdar A. K. Free-space laser communication performance in the atmospheric channel. J. Opt. Fiber. Commun. Rep. 2005; 2(4): 345–396. DOI: 10.1007s10297-005-0054-0
10 Gbits ARTOLINK model [Интернет-ресурс]. [Дата обращения: 12 февраля 2019]; URL: http:artolink.compageproductsfree_space_optics_Artolink_10Gbps
Боев А. А., Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И., Паршин А. А. Беспроводной канал передачи информации со скоростью 40 гбитс. Вестник РГРТУ. 62(4). 2017; 44–48. DOI: 10.216671995-4565-2017-62-4-44-48
Kuznetsov S. N., Ognev B. I., Poljakov S. Y., Yurko S. V. Wireless communications at 10Gbs [Интернет-ресурс]. SPIE. Апрель 2014. [Дата обращения: 12 февраля 2019]; URL: http:spie.orgx108306.xml
Кузнецов С. Н., Поляков С. Ю., Oussama Alali, Bahaa Hashem. Беспроводный канал 10 Гбитс: ключевые особенности и результаты тестирования. Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании». – Рязань. 2013; 83–93.
Арсеньян Т. И., Зотов А. М., Короленко П. В., Маганова М. С., Макаров В. Г. Интегральные распределения флуктуаций лазерного излучения в условиях перемежаемости атмосферной турбулентности. Оптика атмосферы и океана. 2001; 14(8).
Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И., Поляков С. Ю., Широбакин С. Е. Анализ эффективности конструктивных решений оборудования высокоскоростной оптической беспроводной связи с учетом воздействия турбулентной атмосферы. Сборник трудов XXV Международной Конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте». – Новороссийск. 2017; 182–184.
Воронцов М. А., Дудоров В. В., Зырянова М. О. и др. Частота появления ошибочных битов в системах беспроводной оптической связи с частично когерентным передающим пучком. Оптика атмосферы и океана. 2012; 25(11): 936–940. DOI: 10.1134S1024856013030159.
Пономарев А. К., Романов А. А., Тюлин А. Е. Фотонные технологии в космическом приборостроении. Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2016; 3(2): 4–23. DOI: 10.17238issn2409-0239.2016.2.4.
Патент RU2688664. Способ регулировки уровня сигнала на приемнике терминала оптической беспроводной связи / Паршин А. А., Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И. URL: https:findpatent.rupatent2682688664.html
Информация об авторах
Керносов Максим Юрьевич, info@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Кузнецов Сергей Николаевич, ksn@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Паршин Антон Алексеевич, info@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Огнев Борис Игоревич, develop@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива. Математическая модель, алгоритм, ПО: Кузнецов С. Н., Паршин А. А. Подготовка макета: Керносов М. Ю., Огнев Б. И. Эксперименты: Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И. Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств АО «Мостком».
М. Ю. Керносов, С. Н. Кузнецов, Б. И. Огнев, А. А. Паршин
АО «Мостком», Рязань, Россия
Анализ распределения вероятности принимаемого сигнала в беспроводной оптической линии связи в различных условиях показывает существенную зависимость уровня ошибок в канале связи от уровня стабилизации мощности на приемнике. Существенное отличие статистики уровня принимаемого сигнала от известных распределений не позволяет использовать их для аппроксимации вероятностей больших отклонений уровня сигнала от среднего значения. Предложен алгоритм оценки оптимальности и корректировки уровня стабилизации приемной мощности на основе оценки статистики распределения. Согласно экспериментальным данным предложенный алгоритм существенно снижает уровень ошибок в атмосферном канале связи.
Ключевые слова: laser communication terminal, free-space optics, атмосферные оптические линии связи, беспроводные оптические коммуникации, стабилизация мощности на оптическом приёмнике, ошибки в беспроводном канале связи
Статья поступила:10.07.2020
Принята к публикации:24.08.2020
ВВЕДЕНИЕ
Активное развитие беспроводных оптических коммуникаций, обладающих определенными преимуществами по сравнению с другими беспроводными решениями, в частности, происходит в сторону увеличения скорости передачи данных [1, 2]. В последнее время особенно актуальными оптические беспроводные решения становятся в высокоскоростных коммуникациях низколетящих (LEO) космических аппаратов с Землей [3–5]. Рост скорости передачи данных однозначно связан со снижением динамического диапазона приемных устройств. С другой стороны, динамический диапазон приемника напрямую определяет уровень ошибок, вызванных турбулентностью атмосферы [6, 7]. В связи с этим оптимизация параметров приемо-передающего канала становится особенно важной.
В данной работе исследование возможностей оптимизации проводилось с использованием оборудования беспроводной оптической связи Artolink, предназначенного для работы на скоростях 10 Гбит / с [8].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Одним из перспективных направлений развития беспроводных оптических систем связи является построение беспроводного канала для прозрачного соединения высокоскоростных стыков пользовательского оборудования. Это позволяет легко масштабировать беспроводное оптическое решение в направлении увеличения скорости передачи [9, 10].
С другой стороны, уменьшение динамического диапазона приемника, сопутствующее увеличению скорости передачи (в основном со стороны нижней границы принимаемых мощностей – чувствительности), с учетом воздействия атмосферы требует выбора оптимального значения среднего уровня сигнала на приеме из атмосферы – точки стабилизации (ТС). Как правило, на скоростях передачи 10 Гбит / с приемник (на основе PIN диода) имеет динамический диапазон около 21 дБ (при чувствительности –18 дБм и мощности насыщения 3 дБм). С учетом возможного уровня колебаний приемного сигнала в атмосфере в диапазоне, сопоставимом с динамическим диапазоном приемника [11], выбор ТС определяет уровень цифровых ошибок в канале. Для обоснованного выбора ТС необходимо знать статистику значений принимаемой мощности (Iпр) с тем, чтобы минимизировать количество событий выхода Iпр за пределы динамического диапазона приемника.
МОДЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА
На первом этапе была проведена модельная оценка уровня возможных ошибок для различных уровней нестабильности сигнала и значений ТС. Согласно [12] функция вероятности уровня приемного сигнала при прохождении лазерного излучения через атмосферу близка к логнормальному закону. Поэтому для модельной оценки были проведены расчеты уровня возможных ошибок для логнормального распределения.
Плотность вероятности логнормального распределения уровня принимаемой мощности относительно среднего значения описывается выражением:
, (1)
где In – принимаемая мощность излучения, нормированная на среднее значение; – среднеквадратичное отклонение принимаемой мощности излучения, отнесенное к ее среднему значению.
Величина , служащая мерой нестабильности приемного сигнала, определяется по формуле:
, (2)
где i – порядковый номер измерения в выборке; IПРi – значение принимаемой мощности в i-м измерении; Iср – среднее значение принимаемой мощности; N – количество значений в выборке.
Уровень ошибок Perr определялся как сумма вероятностей ошибок из-за снижения уровня сигнала ниже уровня чувствительности и превышения уровня насыщения приемника согласно формуле:
, (3)
где PSens – вероятность событий с Iпр ниже уровня чувствительности приемника; PSat – вероятность событий с Iпр выше уровня насыщения приемника.
PSens и PSat рассчитывались по следующим формулам:
(4)
(5)
где Imin – уровень чувствительности приемника; Imax – уровень мощности насыщения приемника. Расчеты проводились для уровней , при которых Perr принимает значения от 10–16 до 10–2. Заданный диапазон Perr достигался при значениях от 0,1 до 0,5.
С учетом того, что середина динамического диапазона приемника соответствует –6 дБм, ТС задавалась в диапазоне от –10 до –2 дБм, соответствующем уровням входного сигнала от 100 до 600 мкВт. Зависимости Perr от ТС для различных значений представлены на рис. 1.
Как видно из рис. 1, модельная зависимость ТС имеет оптимальное значение с точки зрения минимизации потерь. Оптимальное значение ТС находится в районе –5 дБм, что отличается от средней точки динамического диапазона приемника –6 дБм. Уровень Perr для оптимальных значений ТС сильно зависит от уровня нестабильности сигнала, которая в основном определяется дистанцией и погодными условиями на трассе.
СПОСОБ И УСЛОВИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений использовался комплект оборудования Artolink M1–10GE, состоящий из двух терминалов, каждый из которых включает в себя оптический блок (ОБ) – приемопередатчик, блок интерфейсов (БИ) и соединительный кабель.
Программное обеспечение (ПО) оборудования позволяет менять значение ТС, которое автоматически поддерживается на приемнике каждого терминала путем регулировки выходной мощности оптического усилителя (ОУ) противоположного приемопередатчика с использованием служебного канала между терминалами. Значения Iпр с частотой 100 Гц записывались на компьютер, подключенный к стыку мониторинга состояния оборудования на БИ. Оптико-электронная схема приемо-передающего тракта приведена на рис. 2.
Основными факторами, вызывающими колебания уровня сигнала на приеме, согласно [13], являются турбулентность атмосферы и апертурное ограничение пучка в плоскости приема.
Для анализа статистики Iпр были проведены следующие серии измерений:
- на дистанции 620 м в ночное и дневное время;
- на дистанции 620 м в ночное и дневное время с апертурным ограничением (диафрагмами 20 мм – из-за расходимости излучения это соответствует полностью раскрытым апертурам на расстоянии 3 000 м) на одном терминале, соответствующем дистанции около 3 000 м;
- на дистанции 1 600 м в дневное время;
- на дистанции 2 800 м в дневное время.
Для того чтобы избежать влияния изменения погодных условий за время измерений, запись каждого сеанса проводилась в течение 10 минут, что позволяло фиксировать около 130 000 значений Iпр.
Следует отметить, что во время всех сеансов измерений работали подсистемы оборудования: автонаведение; подстройка направления связи на максимум принимаемого сигнала на каждом приемопередатчике; стабилизация уровня принимаемого сигнала путем подстройки мощности оптического усилителя. Таким образом, измерения проводились в условиях полнофункциональной работы оборудования, что, собственно, и было необходимо, так как целью работы являлся анализ и оптимизация рабочего варианта оборудования.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
На рис. 3 представлена динамика изменения Iпр в мкВт для ТС 350 мкВт на дистанциях 620, 1 600 и 2 800 м. Как видно, глубина провалов значений Iпр относительно ТС растет с увеличением дистанции и достигает 10 дБ на 2 800 м. Кроме того, наблюдаются выбросы Iпр и в сторону увеличения ее значений.
Для определения фактической зависимости уровня ошибок в канале передачи от значения ТС на дистанции 2 800 м были проведены измерения зависимости уровня битовой ошибки (BER) в канале связи от значения ТС. Результаты измерений приведены на рис. 4. Явно, что ТС явно имеет оптимальное значение, с точки зрения минимизации потерь. Кроме того, изменение ТС всего на 50 мкВт приводит к изменению BER на порядок, что говорит об актуальности задачи оптимизации ТС.
Выбор оптимального значения ТС зависит от характера статистики распределения значений Iпр, вид которой, согласно [14], существенно влияет на уровень BER.
Для количественной оценки характера статистики распределения значений In по всем выборкам значений In, полученным в сериях измерений, были рассчитаны значения величины нормированного среднеквадратичного отклонения и коэффициенты асимметрии (Ка) распределения выборки. Расчет величины проводился по формуле (2). Для вычисления Ка была использована следующая формула:
. (6)
Результаты расчетов параметров статистики для различных условий приведены в таблице. Их результаты показывают следующее:
- нестабильность приемного сигнала существенно зависит от турбулентности атмосферы, увеличиваясь в утреннее время и снижаясь в ночное время;
- возрастает с увеличением дистанции, что, как было показано в [9], в основном определяется ростом апертурного ограничения приемного пучка;
- Ка во всех сериях измерений отличен от нуля и иногда меняет знак при переходе от линейной шкалы Iпр к логарифмической.
Ненулевые значения Ка и смена знака говорят о промежуточном характере функции плотности распределения In. Так, при малом воздействии турбулентности атмосферы и апертурного ограничения распределение ближе к нормальному, при усилении указанных воздействий – к логнормальному.
Таким образом, результаты измерений показали: качественная аппроксимация реального распределения вероятностей известными видами распределений не представляется возможной. Кроме того, следует учитывать тот факт, что в оценке ошибок канала связи основную роль играют интегралы периферийных частей функции вероятности. В связи с этим, для решения задачи оптимизации ТС потребовалась методика оценки периферийных частей распределения, которая в оборудовании должна работать в режиме реального времени.
Было предложено решение, позволяющее оценить периферийные части указанной функции, поскольку уровень ошибок полностью определяется долей событий выхода Iпр за пределы динамического диапазона приемника. Таким образом, подстройка ТС должна минимизировать количество указанных случаев. В связи с тем, что частота измерения Iпр в оборудовании составляет 100 Гц на уровне ошибок 10–9, для гарантированной регистрации выхода за границы динамического диапазона потребуется 107 с, что соответствует периоду около 2 800 часов.
Для получения разумного периода подстройки ТС достаточно определить статистику достижения Iпр на определенном удалении от границ динамического диапазона. Однако, ввиду их удаленности от границ динамического диапазона для учета формы «хвостов» функции вероятности (ФВ), необходимо учесть их форму. Для этого был предложен способ оценки периферийных частей ФВ на основе «статистического паттерна» канала – экспериментально определяемого статистического образа краев вероятностного распределения Iпр. Для расчета паттерна использовались 4 параметра. Они представляют собой доли измерений со значениями Iпр, лежащими соответственно ниже и выше определенных границ (отстоящих на определенном расстоянии от границ динамического диапазона приемника). На рис. 5 представлен пример экспериментального распределения количества измерений в зависимости от Iпр, а также границы расчета значений Iпр для определения статистического паттерна канала.
В качестве нижних границ LowOUT и LowIN были выбраны значения Pin, превышающие чувствительность приемника на 3 и 6 дБ (в 2 и в 4 раза) соответственно. В качестве верхних границ HighOUT и HighIN – Iпр, меньшие мощности насыщения приемника на 3 и 6 дБ соответственно.
Для проверки предложенного метода подстройки ТС был реализован алгоритм изменения ТС в зависимости от результата анализа статистического паттерна, полученного за 1 минуту работы оборудования.
Статистика собирается за N = 30 000 измерений приемной мощности с использованием следующих счетчиков:
- LowIN – счетчик измерений мощности меньше внутренней границы минимума;
- LowOUT – счетчик измерений мощности меньше внешней границы минимума;
- HighIN – счетчик измерений мощности больше внутренней границы максимума;
- HighOUT – счетчик измерений мощности больше внешней границы максимума.
По результатам сбора статистики расчитываются следующие параметры:
- NL – результат статистики минимальной мощности.
- NH – результат статистики максимальной мощности.
- PТС – значение точки стабилизации принимаемой мощности.
Алгоритм управления ТС представлен на рис. 6. После сбора статистики проводится анализ статистического паттерна, который заключается в сравнении сумм количеств событий NL и NH, определенных в соответствии с выражениями:
- NL = LowOUT · k + LowIN,
- NH = HighOUT · k + HighIN,
- где k – коэффициент увеличения периферийных сумм (отстоящих на 3 дБ от границ динамического диапазона приемника).
В случае NL > NH значение ТС увеличивается, при обратном соотношении – уменьшается. Таким образом, в ходе работы предложенного алгоритма ТС стремится к значению, при котором для существующих условий (погода, дистанция) достижение нижней и верхней границы динамического диапазона приемника равновероятно.
Коэффициент k необходим для повышения чувствительности алгоритма к наиболее критичным (более близким значениям Iпр к границе динамического диапазона приемника) событиям. Для обоснованного выбора значения k были рассчитаны зависимости коэффициента корреляции между весом статистического паттерна NL + NH и ранее полученной модельной оценкой Perr для логнормального распределения, на всем заданном выше поле значений ТС и .
Зависимость коэффициента корреляции от значения k приведена на рис. 7. Анализ рис. 7 показывает, что достаточно хорошая (0,9) корреляция веса паттерна с Perr достигается при k = 100. Это значение мы использовали в дальнейшем при проверке работоспособности алгоритма.
Для оценки работоспособности алгоритма подстройки ТС были проведены «стрессовые» измерения на дистанции 620 м с диафрагмами 20 мм, установленными на один из терминалов, чтобы обеспечить уровень нестабильности приемного сигнала достаточный для фиксации ошибок. На обоих терминалах в двух сериях измерений были заданы начальные значения ТС, близкие верхней (1 000 мкВт) и нижней (10 мкВт) границе динамического диапазона приемника. На рис. 8 представлена динамика изменения ТС на двух терминалах линии 620 м, а также уровня потерь (количество утраченных пакетов в минуту) в канале связи. Видно, что предложенный алгоритм динамической подстройки ТС полностью работоспособен и обеспечивает выход к оптимальным (с точки зрения минимизации потерь в канале связи) значениям ТС.
Довольно длительное (десятки минут) время подстройки ТС объясняется тем, что стартовое значение ТС задавалось максимально удаленным от середины динамического диапазона приемника. При реализации алгоритма использовалось стартовое значение ТС, равное середине динамического диапазона приемника, что обеспечивает значительно более быструю подстройку ТС.
После определения работоспособности алгоритма было проведено долгосрочное (в течение трех суток) тестирование его работы на дистанции 620 м. Данное тестирование показало существенное снижение ошибок по сравнению с работой канала связи с фиксированным значением ТС. Так, если за сутки ошибка в среднем составляла 5 · 10–10, то при использовании предложенного алгоритма ошибка снизилась до 9 · 10–11.
ВЫВОДЫ
Проведен статистический анализ распределения значений параметров канала беспроводной оптической связи. Он выявил существенную зависимость параметров канала от дистанции и условий работы (состояния атмосферы). Результаты анализа также показали несоответствие распределения вероятности уровня принимаемого сигнала известным распределениям.
Предложен способ динамической подстройки точки стабилизации мощности на приемнике на основе статистического паттерна канала, адекватно описывающего периферийные части функции вероятности сигнала на приемнике. Апробация алгоритма показала его эффективность, выразившуюся в существенном снижении уровня ошибок в канале связи.
Применение алгоритма позволит повысить достоверность передаваемых данных как при использовании в наземных горизонтальных каналах, так и в фотонных системах космического приборостроения для обмена информацией на линиях «Космический аппарат – Земля» [15]. По результатам работы получен патент на способ регулировки уровня сигнала на приемнике терминала оптической беспроводной связи [16].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Uysal M. Optical Wireless Communications. Springer. 2016. DOI 10.1007978-3-319-30201-0
Djordjevic I. B. Advanced Optical and Wireless Communications Systems. Springer. 2017. DOI 10.1007978-3-319-63151-6
First high capacity space-to-ground laser communications system for the new European external ISS Platform Bartolomeo. [Интернет-ресурс]. [Дата обращения: 12 февраля 2019] URL: https:www.airbus.comnewsroompress-releasesen201803first-high-capacity-space-to-ground-laser-communications-system-.html
Optical Payload for Lasercomm Science (OPALS) [Интернет-ресурс]. [Дата обращения: 12 февраля 2019] URL: https:www.nasa.govmission_pagesstationresearchexperiments861.html
NASA Laser Communication Payload Undergoing Integration and Testing. [Интернет-ресурс]. URL: https:www.nasa.govfeaturegoddard2017nasa-laser-communica-tion-payload-undergoing-integration-and-testing
Andrews L. C., Phillips R. L., Hopen C. Y. Laser Beam Scintillation with Applications. SPIE Press. 2001. DOI: 10.11173.412858
Majumdar A. K. Free-space laser communication performance in the atmospheric channel. J. Opt. Fiber. Commun. Rep. 2005; 2(4): 345–396. DOI: 10.1007s10297-005-0054-0
10 Gbits ARTOLINK model [Интернет-ресурс]. [Дата обращения: 12 февраля 2019]; URL: http:artolink.compageproductsfree_space_optics_Artolink_10Gbps
Боев А. А., Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И., Паршин А. А. Беспроводной канал передачи информации со скоростью 40 гбитс. Вестник РГРТУ. 62(4). 2017; 44–48. DOI: 10.216671995-4565-2017-62-4-44-48
Kuznetsov S. N., Ognev B. I., Poljakov S. Y., Yurko S. V. Wireless communications at 10Gbs [Интернет-ресурс]. SPIE. Апрель 2014. [Дата обращения: 12 февраля 2019]; URL: http:spie.orgx108306.xml
Кузнецов С. Н., Поляков С. Ю., Oussama Alali, Bahaa Hashem. Беспроводный канал 10 Гбитс: ключевые особенности и результаты тестирования. Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Инновации в науке, производстве и образовании». – Рязань. 2013; 83–93.
Арсеньян Т. И., Зотов А. М., Короленко П. В., Маганова М. С., Макаров В. Г. Интегральные распределения флуктуаций лазерного излучения в условиях перемежаемости атмосферной турбулентности. Оптика атмосферы и океана. 2001; 14(8).
Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И., Поляков С. Ю., Широбакин С. Е. Анализ эффективности конструктивных решений оборудования высокоскоростной оптической беспроводной связи с учетом воздействия турбулентной атмосферы. Сборник трудов XXV Международной Конференции «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии, геоэкологии и транспорте». – Новороссийск. 2017; 182–184.
Воронцов М. А., Дудоров В. В., Зырянова М. О. и др. Частота появления ошибочных битов в системах беспроводной оптической связи с частично когерентным передающим пучком. Оптика атмосферы и океана. 2012; 25(11): 936–940. DOI: 10.1134S1024856013030159.
Пономарев А. К., Романов А. А., Тюлин А. Е. Фотонные технологии в космическом приборостроении. Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2016; 3(2): 4–23. DOI: 10.17238issn2409-0239.2016.2.4.
Патент RU2688664. Способ регулировки уровня сигнала на приемнике терминала оптической беспроводной связи / Паршин А. А., Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И. URL: https:findpatent.rupatent2682688664.html
Информация об авторах
Керносов Максим Юрьевич, info@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Кузнецов Сергей Николаевич, ksn@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Паршин Антон Алексеевич, info@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Огнев Борис Игоревич, develop@moctkom.ru, АО «Мостком», Рязань, Россия
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе многолетней работы всех членов авторского коллектива. Математическая модель, алгоритм, ПО: Кузнецов С. Н., Паршин А. А. Подготовка макета: Керносов М. Ю., Огнев Б. И. Эксперименты: Керносов М. Ю., Кузнецов С. Н., Огнев Б. И. Разработка и исследования выполнена за счет собственных средств АО «Мостком».
Отзывы читателей
