СПОСОБ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к области оптико-электронных систем и может быть использовано в лазерных (оптических) системах связи с динамической структурой, в том числе при использовании оптических каналов связи в сетях с подвижными абонентскими станциями.

Известен способ беспроводной связи через атмосферную оптическую линию и система беспроводной связи [1]. В данном способе беспроводной связи через атмосферную оптическую линию, включающем передачу информационного сигнала от передающего устройства к приемному устройству по радио- или оптическому каналу, сначала осуществляют передачу информационного сигнала от передающего устройства к принимающему устройству связи по лазерному оптическому каналу, а при достижении принимаемым информационным сигналом нижнего порога интенсивности включают, по меньшей мере, один передатчик широкополосного радиоканала, по которому продолжают передачу информационного сигнала на соответствующий приемник широкополосного радиоканала, не выключая передающее и приемное устройства лазерного канала. При этом для достижения принятым информационным сигналом величины порога интенсивности, который определяется заданной скоростью передачи информации, включают дополнительные передатчики и приемники широкополосного радиоканала.

Недостатком данного способа является сложность организации многоканальных оптических сетей ввиду использования дополнительного радиоканала для организации передачи информации для каждого сетевого соединения. Кроме того, использование сетей с оптическими каналами с рассеянием в условиях отсутствия прямой видимости (например УФ диапазона) не позволят применить данный способ, так как дополнительная радиосвязь даже для одного канала в сложных условиях для большинства случаев технически недостижима.

Также известен способ организации доступа к сети передачи пакетов данных, основанный на непосредственной перестройки пучка излучения лазерного передающего устройства в направлении соответствующего приемного устройства. Недостатком способа является сложность юстировки и, соответственно, возможность потери части передаваемой информации абонентами (приемными устройствами), обусловленной рассогласованием ориентации приемной и передающей оптических антенн (особенно в подвижной линии связи) [2].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ многоканальной передачи оптических сигналов с использованием дублирования основного оптического канала дополнительными оптическими каналами [3]. В данном способе устанавливают лазерные приемные устройства на удалении с расположением в стороне относительно рассматриваемой оси распространения пучка излучения передающего лазерного средства. При этом приемные устройства осуществляют прием рассеянного атмосферой излучения передающего лазерного устройства. Для этого приемные антенны лазерных приемных устройств ориентируют в направлении оси пучка передающего лазерного устройства, а передаваемую лазерным передающим устройством информацию выделяют каждым из лазерных приемных устройств по изменению величины амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотоприемника. Устойчивость передачи информации нескольким абонентам осуществляется за счет дублирования основного оптического канала дополнительными каналами менее критичными к ориентации диаграмм направленности оптических антенн. При этом в способе многоканальной передачи оптических сигналов, основанном на нацеливании потока излучения лазерного передающего устройства в направлении одного из N лазерных приемных устройств, дополнительно устанавливают N-1 лазерные приемные устройства на удалении с расположением в стороне относительно рассматриваемой оси распространения пучка излучения передающего лазерного средства. При этом ширина диаграммы направленности приемного устройства намного шире длительности передаваемого импульса и диаметра сечения лазерного пучка, что позволяет им осуществлять прием рассеянного атмосферой излучения передающего лазерного устройства. Приемные антенны N-1 лазерных приемных устройств ориентируют в направлении оси пучка передающего лазерного устройства, а передаваемую лазерным передающим устройством информацию выделяют каждым из N-1 лазерным приемным устройством по изменению величины амплитуды переднего и заднего фронтов выходного импульса фотоприемника.

Недостатком данного способа является невозможность устойчивой передачи информации в случае мобильных систем связи, когда приемное устройство перемещается в сторону относительно направления распространения оптического излучения передающего устройства. Кроме того, возможна потеря связи ввиду потери (отсутствия) прямого оптического канала между передатчиком и приемником. Это характерно для подвижных сетей с динамической структурой. Использование оптического диапазона УФ-С в системах связи по каналам с рассеянием предполагает передачу информации только по каналам с рассеянной атмосферой составляющей излучения передающего устройства, что делает невозможным применение данного способа. Кроме того, при движении объекта в подвижных сетях связи с одним излучающим светодиодом с узким углом рассеяния, прием становится практически невозможным.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности и дальности связи в режиме отсутствия прямой видимости между абонентами сети при перемещениях и поворотах мобильных узлов связи.

Технический результат достигается за счет того, что на мобильных и стационарных абонентских пунктах сети происходит формирование круговой диаграммы направленности приемо-передающего модуля многоканальной мобильной системы беспроводной оптической связи. Наличие нескольких оптических каналов передачи и приема при круговом расположении оптических передатчиков и приемников позволяет обеспечить надежную связь в режиме отсутствия прямой видимости между абонентами сети при перемещениях и поворотах мобильных узлов связи, а также увеличить ее дальность и чувствительность приемных каналов за счет сужения углов излучения оптических передатчиков и углов зрения оптических приемников (фиг. 1).

На фиг. 1 показана вертикальная хОу и горизонтальная xOz проекции канала в режиме отсутствия прямой видимости при круговом расположении оптических передатчиков и приемников. На рисунке обозначено: Т_х - передающий модуль, R_x - приемный модуль, r - расстояние между передающим и приемным модулями, θ_T,R, ϕ_T,R, ψ_T,R - угол места, ширина ДН и азимут, индекс Т относится к передатчику, индекс R - к приемнику, θ_s - угол рассеяния, V - общий объем диаграмм направленности передатчика и приемника, r_1,2 - расстояние от передатчика и приемника до центра области V, r_T,R - расстояние от препятствия до передатчика и приемника. Отдельные оптические передатчики передающего модуля S_n и отдельные оптические приемники приемного модуля R_n расположены в горизонтальной проекции канала, расположены по кругу и показаны точками (не в масштабе, расстояния между любыми отдельными S_n и любыми отдельными R_n<<r). Для обеспечения надежной связи между абонентами сети при перемещениях и поворотах мобильных узлов связи необходимое число передатчиков и приемников определяется из условий полного покрытия

Наименьшим затуханием характеризуются каналы между передатчиками, расположенными с минимальным азимутальным отклонением друг от друга (S₁ и R₁ на фиг. 1). Для улучшения энергетических характеристик и пропускной способности устройства многоканальной оптической связи целесообразно применение алгоритмов пространственного кодирования (MIMO, multiple input, multiple output). При выполнении условий (1) корреляция сигналов между соседними передатчиками и между соседними приемниками оказывается слабой, что необходимо для эффективного применения алгоритмов MIMO.

Вариант устройства, реализующего данный способ, представляет собой конструкцию приемо-передающего модуля, близкую к полусферической, которая в поперечном сечении представляет собой многоярусную усеченную пирамиду. Данное устройство формирования диаграммы направленности отличается использованием нескольких нижних ярусов конструкции, располагающихся под малыми и большими углами возвышения к горизонтали и имеющими по несколько граней в основании для размещения в них оптических передатчиков, обеспечивающих круговую диаграмму направленности для распространения передаваемых световых лучей; а также использованием нескольких верхних ярусов конструкции, которые также располагаются под малыми и большими углами возвышения к горизонтали и имеют по несколько граней в основании для размещения в них оптических приемников, обеспечивающих круговую диаграмму направленности для всенаправленного приема передаваемых световых лучей.

Фото конструкции одного из вариантов приемо-передающего модуля для многоканальных мобильных систем беспроводной ультрафиолетовой связи, реализующего заявляемый способ, приведено на фиг. 2.

Два нижних яруса конструкции (1 и 3) имеют по М граней в основании, расположенных под разными углами к горизонтали и содержащих ячейки (2 и 4) для размещения в них по М оптических передатчиков, обеспечивающих круговую диаграмму направленности для распространения передаваемых световых лучей. Первый ряд оптических передатчиков с малым углом возвышения используется для создания канала связи с минимальными потерями распространения излучения в режиме наличия прямой видимости между передатчиком и приемником, второй ряд с большим углом возвышения необходим для создания канала связи с большими потерями в режиме отсутствия прямой видимости из-за сложных условий рельефа местности (наличие препятствий).

Два верхних яруса конструкции (5 и 7) имеют по N граней в основании, также расположенных под разными углами к горизонтали и содержащих ячейки (6 и 8) для размещения в них по N оптических приемников, обеспечивающих надежный всенаправленный прием передаваемых световых лучей, как при наличии, так и отсутствии прямой видимости между передатчиком и приемником.

Таким образом, у заявляемого способа появляются свойства, заключающиеся в возможности организации дополнительных каналов передачи информации, позволяющих осуществлять непрерывную передачу информации при динамическом изменении пространственной конфигурации сети при произвольном передвижении абонентских пунктов в мобильных сетях связи. Кроме того, расширяются технические возможности системы оптической связи, использующей прием рассеянного аэрозольным образованием оптического излучения, в область УФ-С диапазона. Тем самым предлагаемый авторами способ устраняет недостатки прототипа, особенно проявляющиеся при организации подвижной линии оптической связи, в том числе и в УФ-С диапазоне.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка: 2006124235/28, 06.07.2006, Вишневский В.М., и др. Способ беспроводной связи через атмосферную оптическую линию и система беспроводной связи. Опубл. 10.12.2007. Бюл. №34.

2. Аджалов В.И. Патент №21977783, Россия, Н04В 10/00, заявлен 15.03.2001, опубликован 27.03.2003. - М.: РОСПАТЕНТ, 2003.

3. Заявка: 2010119726/08, 17.05.2010. Козирацкий Ю.Л. и др. Способ многоканальной передачи оптических сигналов. Опубл. 20.08.2012. Бюл. №23.

Изобретение относится к технике оптической связи и может использоваться в составе многоканальных мобильных систем беспроводной передачи информации посредством ультрафиолетового излучения, как при наличии, так и отсутствии прямой видимости между передатчиком и приемником. Техническим результатом изобретения является увеличение надежности и дальности связи в режиме отсутствия прямой видимости между абонентами сети при перемещениях и поворотах мобильных узлов связи. Технический результат достигается за счет того, что способ многоканальной передачи оптических сигналов заключается в формировании круговой диаграммы направленности приемо-передающего модуля многоканальной мобильной системы беспроводной оптической связи за счет использования кругового расположения оптических передатчиков и приемников. Устройство многоканальной передачи оптических сигналов, реализующее данный способ, представляет собой конструкцию приемо-передающего модуля, близкую к полусферической, которая в поперечном сечении представляет собой многоярусную усеченную пирамиду. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ многоканальной передачи оптических сигналов, заключающийся в нацеливании потока излучения оптического передающего устройства в направлении одного из N_R оптических приемных устройств, отличающийся тем, что устанавливают N_T оптических передающих устройств и N_R оптических приемных устройств в соответствии с круговым расположением, причем число устройств выбирают в соответствии с выражением

N_T,R=360°/ϕ_T,R,

где ϕ_T,R - ширина диаграммы направленности оптического передающего и оптического приемного устройства, а углы места оптического передающего и оптического приемного устройства выбирают из условий огибания препятствий рельефа для обеспечения связи в режиме отсутствия прямой видимости.

2. Устройство многоканальной передачи оптических сигналов по способу п. 1, представляющее собой конструкцию приемо-передающего модуля, близкую к полусферической, которая в поперечном сечении представляет собой многоярусную усеченную пирамиду, и отличающееся:

использованием нескольких нижних ярусов конструкции, располагающихся под малыми и большими углами возвышения к горизонтали и имеющих по несколько граней в основании для размещения в них оптических передатчиков, обеспечивающих круговую диаграмму направленности для распространения передаваемых световых лучей;

- использованием нескольких верхних ярусов конструкции, также располагающихся под малыми и большими углами возвышения к горизонтали и имеющих по несколько граней в основании для размещения в них оптических приемников, обеспечивающих круговую диаграмму направленности для всенаправленного приема передаваемых световых лучей.