Хотя новые лазерные и высокочастотные микроволновые технологии разрабатывались для операторов связи, они все чаще находят применение в частных сетях.

C точки зрения законов физики установка двухточечных каналов радиосвязи должна осуществляться крайне просто: достаточно расположить два приемопередатчика так, чтобы они были направлены друг на друга и находились на линии прямой видимости. Однако законы реального мира говорят о другом. Во избежание взаимных помех для развертывания широкополосной беспроводной системы обычно требуется дорогостоящая лицензия, добыть которую сто?ит немалого труда, что практически исключает возможность применения таких систем в частных сетях.

Одной из альтернатив является использование световых волн. Для установки пары импульсных источников света или лазерных пушек лицензия не нужна, и к тому же у одного луча света пропускная способность больше, чем у всего спектра радиочастот. Провайдерам магистральных линий дальней связи известно об этом уже давно, чем и был вызван их переход с медного кабеля (служившего фактически лишь проводником для радиоволн) на оптическое волокно. Беспроводная оптическая сеть по своему потенциалу такая же быстродействующая, как волоконно-оптическая, такая же удобная, как радиосистема, а установить ее легче, чем любое из этих двух решений.

В корпоративных сетях беспроводная оптика получает еще одно важное преимущество. «Она позволяет избавиться от регулярной платы за пользование выделенными линиями», — объясняет Брайан Гурин, консультант из компании Cognitek Management Systems. Среди его клиентов — компания Mail-Well, специализирующаяся в области услуг печати и выпуске почтовых конвертов; когда она перенесла свою штаб-квартиру в другое здание, через дорогу от старого, Гурин вместе со своими коллегами по службам ИТ соединил два офиса с помощью системы WaveBridge компании Plaintree, не обращаясь к провайдерам.

«Они собирались организовать еще один канал T1, — рассказывает Гурин. — И даже рассматривали вариант с прокладкой кабеля через улицу». Развернутая вместо этого система WaveBridge создала условия для передачи трафика Gigabit Ethernet между двумя зданиями и задействования новым офисом существующей линии T1. По оценкам Гурина, в результате ежемесячная экономия для компании составила примерно 10 тыс. долларов.

О том же говорят и другие пользователи. «Мы избавлены от необходимости управлять дополнительным каналом передачи данных или обращаться к провайдеру Internet в случае неполадок, и это крайне удобно», — уверяет Дэррил Аус, старший специалист по сетям в управлении по делам пенсий и социальных пособий министерства труда США. Он связал два сайта в Вашингтоне с помощью устройств Canobeam компании Canon уровня OC-12 (622 Мбит/с), что также позволило сэкономить тысячи долларов. «Вместо того чтобы арендовать линию небольшой протяженности — по ширине городской улицы — сроком на несколько лет, мы предпочли единовременные траты и приобрели систему Canobeam, которая служит нам верой и правдой до сих пор».

В то время как провайдеры сетевых услуг все чаще берут на себя функции отдела ИТ, беспроводная технология — шаг в противоположном направлении: она обеспечивает частным сетям выход в глобальную среду. Оптическая беспроводная связь предлагает то же самое, но при этом действует быстрее, менее подвержена интерференции и лучше защищена от прослушивания.

Любопытно, что столь высокий уровень скорости, надежности и безопасности вовсе не предназначался для корпоративных сетей. Беспроводные технологии изначально разрабатывались главным образом для рынка операторов связи и преподносились как способ доступа провайдеров широкополосного сервиса в такие районы, куда оптическое волокно не могло быть проложено по экономическим причинам. Сегодня подобные возможности по-прежнему актуальны, однако при нынешнем состоянии телекоммуникационной отрасли производителям оптических беспроводных систем придется искать клиентов где-то в других местах.

Это означает, что сетевые администраторы могут воспользоваться новаторскими решениями операторского класса, и, возможно, даже по более низким ценам. Одни производители отказываются от лазеров в пользу недорогих и безопасных светодиодов; другие интегрируют лазеры в традиционные волоконно-оптические или микроволновые сети, в том числе радиосистемы вида «точка-точка» для нелицензированных диапазонов частот, которые способны передавать почти столько же данных, сколько и лазерные лучи, но успешнее преодолевают преграды в виде тумана и облаков. Методы достижения высокого уровня надежности дальней связи на уровне «пяти девяток» (99,999%) на этом не исчерпываются, для этого заимствуются технологии из самых разных областей, включая хранение данных, биометрию и астрономию.

ДА БУДЕТ СВЕТ!

Идея использования света для передачи информации отнюдь не нова. Александр Грэхем Белл запатентовал мобильный телефон для передачи информации с помощью оптических световых лучей еще в 80-х гг. XIX в., задолго до изобретения лазера, оптического волокна и даже радио. Первые сетевые системы на базе лазеров появились столетие спустя, но они так и не прижились. Для лазерных лучей требовалась прямая видимость, и это требование было настолько жестким, что малейшее колебание здания под напором ветра или из-за проехавшего мимо грузовика могло сбить луч с курса.

Справиться с проблемами удалось в 1990-х гг. за счет использования сложных систем автотрекинга для контроля взаимной ориентации приемопередатчиков либо путем увеличения угла распространения луча до 1-20 с целью аккомодации к смещению объекта. Чтобы отличить новые лазерные (иногда — светодиодные) системы от их предшественников, технологии присвоили новое название Free Space Optics (FSO, буквально — «оптика в свободном пространстве»). Это мало кого ввело в заблуждение, однако лазеры вошли в обиход, благодаря проигрывателям компакт-дисков и волоконно-оптическим сетям.

Если прежние лазерные системы предназначались для сетей предприятий, то беспроводная оптика первоначально рекламировалась как технология абонентских линий, — иными словами, как метод связи, позволяющий организовать высокоскоростную передачу данных без приобретения лицензий на частотный спектр и без перекапывания улиц для прокладки кабелей (см. статью Э. Дорнана «Второе пришествие беспроводной оптики» в апрельском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2001 г.). Диапазон современных скоростей беспроводной оптики простирается от T3 (45 Мбит/с) до OC-48 (2,5 Гбит/с), а в лабораториях можно найти и более быстродействующие системы. Аналитики предсказывали скачок в развитии технологии, предполагая, что число компаний, нуждающихся в действительно широкополосных соединениях, будет постоянно расти. С учетом времени, которое нужно потратить на построение волоконно-оптической, кабельной, DSL- или радиосистемы (обладающей к тому же не столь высоким потолком скорости), казалось, что успешные перспективы беспроводной оптики очевидны.

Бум широкополосной связи так и не наступил; тем не менее производителям систем беспроводной оптики удалось избежать испытаний, через которые прошли поставщики других видов телекоммуникационного оборудования. Действительно, сектор продолжает расти. По оценкам агентства The Strategis Group, занимающегося аналитическими исследованиями, в 2001 г. общий объем инвестиций в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в области беспроводной оптики превысил 1 млрд долларов — на 60% больше, чем в 2000 г. Технология находит и другие области применения как в сетях предприятий, так и на периферии сотовых сетей третьего поколения (3G), где она связывает базовые станции на мачтах, устанавливаемых на вершинах возвышенностей и крышах небоскребов.

«Сотовая инфраструктура спасла нашу отрасль», — утверждает д-р Фай Мок, основатель компании Holoplex, производящей оборудование для беспроводной оптики. Операторы сотовых сетей 3G вынуждены вкладывать средства в новые, более скоростные сети, — в противном случае они лишаются лицензии, — поэтому для производителей это выгодные, хотя и требовательные клиенты.

Поскольку лазерные лучи должны транслировать весь трафик сотовой связи в магистральную сеть и обратно, необходимо, чтобы лазеры могли функционировать при любых погодных условиях. Сотовые телефоны должны работать, невзирая на ветер или туман. Техническое обслуживание таких систем сопряжено с трудностями, поэтому лазерный приемопередатчик на каждой мачте должен уметь позаботиться о себе сам, автоматически компенсируя возмущения, вызываемые колебаниями почвы.

Для решения этих задач был учрежден союз FSO Alliance, объединивший свыше 30 компаний. Большинство из них заявляют о том, что разработали уникальные системы с высокими показателями пропускной способности, радиуса действия, периода функционирования или по всем трем параметрам сразу.

Однако покупатели не спешат с выбором. Технология все еще остается недостаточно зрелой, и производители признают, что у беспроводной оптики есть слабые места (возможно, сказываются былые ассоциации с научной фантастикой). Давайте пренебрежем правилами техники безопасности и взглянем на лазеры поближе.

ТОНКАЯ КРАСНАЯ ЛИНИЯ

«Мы часто говорим одно, а подразумеваем другое, — констатирует Майкл Сабо, вице-президент по маркетингу компании Air Fiber, одного из ведущих производителей систем FSO. — Эта технология требует четких определений».

Проблема в том, что трафик беспроводной оптики, несмотря на название, на самом деле проходит не по свободному пространству. Некоторые даже не считают такую систему оптической, поскольку она основана на инфракрасных, а не видимых лучах света. Однако, если так рассуждать, ни одну сеть нельзя признать действительно оптической. В оптическом волокне также применяются инфракрасные лучи, потому что частоты этого диапазона (меньшие, чем частота видимого света) больше пригодны для прохождения через стекло. Инфракрасный диапазон выбран в беспроводной оптике для того, чтобы можно было использовать существующие компоненты, разработанные для оптического волокна, а зрелище лазерных лучей, направленных от здания к зданию, не пугало людей.

Лазерные лучи могут проходить расстояния в миллионы километров: так, NASA регулярно посылает лазерные импульсы на Луну и получает обратно сигналы, отраженные от зеркала, установленного астронавтами «Аполлона», но на Земле это вряд ли возможно. Луч, по которому передаются данные между двумя зданиями, должен пройти через воздушное пространство, при этом даже при идеальных условиях часть мощности сигнала теряется. Интенсивность луча еще более ослабевает под воздействием дождя, тепла и особенно тумана.

Как и в случае любой беспроводной технологии, приходится идти на компромисс, отдавая предпочтение либо радиусу действия, либо производительности. Причем это не отражается на скорости передачи данных. Канал в 10 Гбит/с будет работать почти так же хорошо, как и канал в 10 Мбит/с, а некоторые производители предлагают скорости до 10 Тбит/с. Таких показателей, как правило, добиваются за счет усиления светового сигнала, поступающего с волоконно-оптической линии, а не путем генерации новых сигналов, использования мультиплексирования DWDM и других хитростей из обыденной практики отрасли оптических сетей.

Однако необходимость компромисса сказывается на времени простоя. «Вы не сможете пробиться сквозь достаточно густой туман, — признается Сабо. — Там, где требуется расстояние, о надежности говорить не приходится».

Возвращаясь к теме некорректности определений, о которой говорилось выше, мы рассмотрим такую характеристику системы, как энергетический запас линии, он же — энергетический бюджет. Его величина выражается в децибелах (дБ) и показывает, какая потеря мощности сигнала допускается на линии, прежде чем она станет неработоспособной. Например, типичная система FSO обладает энергетическим бюджетом около 20 дБ. При идеальных атмосферных условиях воздушное пространство снижает мощность излучения примерно на 1 дБ/км, поэтому радиус действия системы имеет абсолютный максимум в 20 км.

Поскольку состояние атмосферы редко бывает идеальным, 20-километровая линия далеко не всегда будет работать нормально. Для различных типов погодных условий требуется тот или иной резерв дополнительной мощности (см. Таблицу). Густой туман может вызвать потери 400 дБ/км, так что оборудование системы с энергетическим бюджетом в 20 дБ станет непригодным к работе уже на расстоянии 50 м — меньшем, чем в беспроводной локальной сети.

Но даже если ни дождя, ни тумана нет, мощность сигнала может снизиться под влиянием других атмосферных факторов. Наиболее существенный из них — мерцание сигнала вследствие колебаний температуры и плотности воздуха. Зоны с различной плотностью играют роль линз, рассеивая луч света в стороны от предполагаемой траектории. Сильнее всего мерцание проявляется в жаркую солнечную погоду, когда марево горячего воздуха становится видимым невооруженным глазом, но на самом деле это явление постоянное — оно того же рода, что и мерцание звезд в ночном небе.

Энергетический запас линии — не единственный показатель, влияющий на надежность. Работоспособность любого оборудования с высоким энергетическим бюджетом зависит от точной фокусировки лазеров, которым для нейтрализации последствий колебаний зданий требуются сложные системы трекинга. В системах беспроводной оптики, где вместо лазеров применяют светодиоды, устанавливается более широкий угол распространения луча. Основные поставщики подобного оборудования — Plaintree и IR LAN. Эта технология уменьшает энергетический запас линии, но зато и снижает вероятность блокировки луча пролетающей птицей или листьями деревьев. В лазерных системах таких проблем можно избежать только одним способом: использовать несколько дублирующих лучей, как поступают компании fSona и Holoplex.

Увеличение мощности лазерного передатчика позволяет повысить энергетический запас линии, однако такой подход в определенный момент становится непрактичным. Число децибел изменяется по логарифмической шкале, и каждое приращение энергетического бюджета на 10 дБ требует десятикратного повышения мощности и соответствующего увеличения затрат, размеров и энергопотребления. Кроме того, мощность, необходимая для преодоления значительных расстояний в плотном тумане, небезопасна для любого, кому случится оказаться на пути луча.

СКВОЗЬ ТУМАН И МГЛУ

Некоторые производители вместо того, чтобы усиливать мощность, придумывают искусные методы ослабления эффекта мерцания, а также влияния прочих помех — окон и т. п. Компания Aoptix предлагает технологию, называемую активной оптикой; она разрабатывалась для нужд астрономии и, как утверждается, обеспечивает повышение эффективного уровня энергетического запаса линии до менее чем 40 дБ.

Астрономы долгие века пытались справиться с проблемой мерцания, которая для них была своего рода проблемой последней мили космического масштаба. Волоконно-оптические кабели могут переносить данные на тысячи миль, через моря и океаны, но во многих случаях не в силах преодолеть несколько последних метров до дома или офиса; точно так же образы далеких галактик доходят до нас, покрывая расстояния в миллиарды световых лет, лишь для того, чтобы в итоге подвергнуться преломлению в земной атмосфере.

Используемые в активной оптике крошечные гибкие зеркала корректируют мерцание в режиме реального времени и сводят его вклад в потери сигнала практически к нулю. Одна из обсерваторий, работающих с этой техникой, уже обнаружила неизвестную планету; до сих пор такое удавалось делать только с помощью космического телескопа «Хаббл».

Holoplex объявила о достижении аналогичных показателей энергетического запаса линии с помощью лазеров, разработанных для изготовления голограмм. Эту же технологию, под названием Enhanced FSO, компания реализовала в сканерах отпечатков пальцев и микросхемах голографической памяти.

Бороться с туманом еще тяжелее. Пока это удалось только компании Attochron, но ее специалистам еще предстоит подтвердить свои заявления реальными поставками. Компания образована недавно на базе некоммерческого научно-исследовательского института электроэнергии (Electric Power Research Institute, EPRI), чья технологии контроля погоды, как утверждается, позволяет победить ненастье.

Среди прочих проектов институт EPRI занимался разработкой методов форсирования удара молнии с целью разрядки грозовых туч, прежде чем они достигнут населенных районов. Сотрудники Attochron заявляют, что открыли такой метод, взяв за основу лазерный луч, который ионизирует воздух и расчищает путь сквозь туман и облака. Вместо молнии по этому пути можно пустить второй лазерный луч, что обеспечит надежную передачу данных на расстояния до 10 км. В компании считают, что систему можно применять и для передачи электроэнергии, о чем специалисты беспроводных технологий мечтали еще со времен Теслы.

Но даже если эти заявления соответствуют действительности, пройдет еще несколько лет, прежде чем технология Attochron воплотится в реальном продукте, а туман до той поры будет оставаться точкой преткновения. Проблем нет, если линия просто пересекает улицу. «Мы пережили несколько очень сильных ураганов и густых туманов, — рассказывает Д. Аус из министерства труда, — но с тех пор, как мы установили Canobeam, связь ни разу не прерывалась». Если же лазерные лучи должны проходить более длинную дистанцию, то вы рискуете получить менее надежную линию, когда связываемые пункты находятся в регионе, подверженном частым туманам.

К сожалению, туманы с трудом поддаются количественным измерениям, и не всегда возможно точно определить, насколько интенсивны такие природные явления в тех регионах, где расположены ваши офисы. «Это в значительной степени зависит от микроклимата», — объясняет М. Сабо из Air Fiber. Система, обеспечивающая в Лас-Вегасе охват в несколько миль, в Сан-Франциско может действовать лишь в радиусе нескольких метров. «Надежных данных о туманах немного, за исключением тех, что относятся к районам аэропортов», — продолжает он. Точного способа определения плотности тумана без установки лазерной линии не существует.

РАДИО ПОД ДОЖДЕМ

Преодолеть густой туман можно, но не с помощью лазеров. Радиоволны имеют меньшую частоту, чем свет, и поэтому легко проникают сквозь туман. Они даже могут проходить сквозь некоторые твердые объекты и поворачивать за угол, на что световые лучи обычно не способны.

Традиционно уязвимое место радиосистем — ограниченность спектра. Им доступна только определенная часть диапазона, но ее во избежание взаимных помех необходимо очень тщательно распределять. В связи с этим радиоволновые технологии весьма дорогостоящи, и скорость передачи данных в ней ограничена даже при наличии лицензии.

В этом отношении изменений не предвидится, однако новые технологии расширяют доступную для связи часть спектра. В частности, в США стало возможным работать с большим фрагментом неиспользуемой полосы частот, так называемым диапазоном T-лучей (T — от «терагерц»), в котором радиоволны постепенно переходят в инфракрасную область. Использующие эти частоты системы могут объединить в себе преимущества беспроводной оптики и радиосистемы, обеспечивая высокие скорости передачи данных даже в условиях тумана.

Впрочем, Т-лучи — это все-таки технология будущего, тогда как уже сейчас появились другие высокочастотные микроволновые технологии, которые конкурируют непосредственно с беспроводной оптикой. В 2001 г. Федеральная комиссия связи по США (FCC) выделила блок нелицензируемого спектра в высокочастотном W-диапазоне (59—64 ГГц). По стандартам радиосвязи это огромный диапазон: его ширина (5 ГГц) в несколько раз превышает общую величину ширины полосы, доступной всем технологиям широковещательной передачи, сотовой связи и беспроводных локальных сетей, вместе взятым.

Эти возможности еще не сопоставимы с оптическим спектром, где один сигнал может использовать полосу частот 100 ГГц, однако применение эффективных механизмов модуляции позволяет несколько сократить разрыв. Harmonix уже выпускает систему «точка-точка» W-диапазона с максимальной скоростью передачи данных 1,25 Гбит/с, а специалисты из FCC и ряда компаний, в том числе Endwave, рассматривают возможности освоения более высоких частот, на которых скорости доходят до 100 Гбит/с.

К сожалению, и у W-диапазона есть свои недостатки. Волны с частотой порядка 60 ГГц проходят через туман, но дождь может стать для них преградой (см. Таблицу). Эти радиоволны не столь чувствительны к дождю, как лазеры к туману, но они даже при идеальных условиях отдают больше энергии воздушной среде, поэтому в итоге все вновь сводится к компромиссу между надежностью и расстоянием.

Последствия такого компромисса зависят от количества атмосферных осадков в том районе, где прокладывается линия, — в отличие от тумана, их можно измерять.

Метеорологи накопили подробную статистику количества осадков по большинству регионов мира, а FCC даже разделила Северную Америку по этим показателям на несколько областей, каждая из которых характеризуется определенными уровнями надежности и радиуса действия радиосвязи на частоте 60 ГГц (см. Диаграмму). Например, в шт. Виргиния с ее умеренным климатом 640-метровый канал W-диапазона имеет коэффициент готовности около 99,999% (пять минут простоя за год), однако в дождливой Флориде его показатель составит лишь 99,99% (восемь часов в год).

Доступность FSO и диапазона 60 ГГц
Источник: AirFiber и FCC

Кто кого поддерживает? Комбинированные системы FSO/60 ГГц способны обеспечить больший радиус действия, чем те же системы по отдельности. Чтобы узнать подробнее о дождевых регионах в классификации FCC, вы можете загрузить полную версию информационного бюллетеня FCC «Office of Engineering and Technology Bulletin #70» со страницы http://www.fcc.gov/oet/info/documents/bulletins/.
ДВОЙНОЙ УДАР

Если в ваших краях никогда не идет дождь, используйте диапазон W. Если не бывает туманов — беспроводную оптику. В остальных случаях единственный способ обеспечить большой радиус действия и высокую надежность — воспользоваться комбинацией этих технологий.

Некоторые производители средств FSO и оборудования W-диапазона, признавая ограниченность их возможностей, разрабатывают комбинированные продукты с автоматическим переключением из одного режима на другой при соответствующем изменении погоды.

Теоретически, если каждая технология сама по себе может оставаться работоспособной 99% времени, при использовании обеих надежность должна повыситься до 99,99%. На практике итоговая производительность окажется еще лучше, так как на Земле немного мест, где проливные дожди сопровождаются густыми туманами: влаги, которая может удерживаться в атмосфере, хватает только на один из этих видов осадков, и туман смывается дождем. Для предохранения от физических препятствий применяют два резервных луча.

Комбинация систем W-диапазона и беспроводной оптики дороже, чем «чистая» система любой из этих технологий, поэтому средний клиент скорее всего купит одинарную систему, если он готов пожертвовать преимуществом в надежности. Однако аналитики не сомневаются в скором снижении цен и считают, что поддержка беспроводной оптики и радио W-диапазона дает надежду на использование всей обширной волоконно-оптической инфраструктуры, установленной в эпоху телекоммуникационного бума.

По мнению экспертов из RHK Research, только 5% компаний США пользуется волоконно-оптическим соединением, хотя 75% организаций расположено в пределах одной мили от волоконно-оптической магистрали. Даже если у вас нет собственной линии W-диапазона или беспроводной оптики, эти технологии могут оказаться в сети широкополосного доступа.

Энди Дорнан — зам. гл. редактора Network Magazine. С ним можно связаться по электронной почте по адресу: adornan@cmp.com.


Ресурсы Internet

Несколько интересных информационных документов о технологии беспроводной оптики размещены на сайте http://www.freespaceoptics.org. Сайт поддерживает компания-производитель LightPointe, поэтому публикуемые материалы нельзя считать полностью объективными, однако здесь можно найти ответ практически на все вопросы, выдвигаемые оппонентами технологии.

На сайте http://www.fsoalliance.com альянса Free Space Optics Alliance еще не слишком много информации, ему лишь несколько месяцев от роду. Но союз претендует на то, чтобы представлять единый фронт отрасли, и включает свыше 30 производителей.

Компания Arcom, выпускающая компоненты для беспроводных систем, разместила интересный материал о преимуществах и недостатках радиосвязи на частоте 60 ГГц по адресу: http://www.arcom-inc.com/Tradeoffs.pdf.

Если вас интересуют технические детали, то ознакомиться с патентами компаний, специализирующимися в области беспроводной оптики, можно на странице http://patft.uspto.gov/netahtml/srchnum.htm. Оптический усилитель компании LightPointe описан в патенте №6239888, лазерная система высокоскоростной передачи данных Attochron — в патенте №6175437.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями