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.
