Rostoucí nároky na objem přenášených dat vrhají nové světlo na komunikační systémy, které stály v minulosti na pokraji zájmu. K nim bezesporu patří atmosférické bezdrátové laserové spoje, atraktivní svou nabídkou bezlicenčního provozu a vysokými přenosovými kapacitami.

Bezdrátové přenosové technologie nabízejí možnosti rychlejšího i levnějšího rozšíření komunikačních sítí do míst a objektů, kde klasické metalické kabeláže či optická vlákna nemohou být efektivně využity.

Na začátku byly Bellovy laboratoře
Zájem o laserové bezdrátové spoje je spojen s jejich schopností poskytnout velmi široké přenosové pásmo, o několik řádů převyšující možnosti rádiových systémů. Optický přenos byl poprvé patentován již v roce 1880 Alexandrem Grahamem Bellem, který předvedl schopnost přenést mluvenou řeč na dálku pomocí paprsku světla.

O sto let později dostal výzkum laserové komunikace volným prostorem významný impuls se zahájením Reaganovy Strategické obrané iniciativy (SDI), která stavěla na vysokokapacitních laserových přenosech mezi hlídkujícími družicemi a pozemními řídícími stanovišti s vysokou spolehlivostí a bezpečností přenášených informací. Významným vývojovým střediskem se stala firma Astro-Terra, dnes Optical Access s výrobky známými pod označením - TereScope.

Dnešní podoba laserového přenosu
Dnes laserové přenosové systémy vyspěly do podoby dvojsměrných teleskopů s rychlými optickými transcievery, které pracují až s přenosy do 2,5 Gb/s a využívají i vlnový multiplex (WDM), technologii rozvinutou ve vláknových přenosech. Nasadit bezdrátový laserový spoj vyžaduje po provozovateli pouze vhodně umístit optickou jednotku v interiéru či exteriéru objektu s přímou viditelností na podobnou optickou jednotku na druhém konci komunikační linky a přepnout síťové vypínače do polohy "on". Téměř vše ostatní je schopna technika udělat za vás.

Přenosové technologie v telekomunikačních páteřích se v současnosti vyvinuly z STM-4 (622 Mb/s) do STM-48 (10 Gb/s) a započalo nasazování mnohokanálových DWDM. To vyvolalo v transportních sítích strmý pokles ceny za přenesený bit. Podobně, technologie LAN ve vnitřních sítích se dostala od 10 Mb/s k rychlostem 1 Gb/s a je před nasazením 10-ti Gigabitového Ethernetu, což je opět provázeno dramatickým snížením ceny za bit.

Přes tyto pokroky technologie je část komunikačních sítí spojující vnitřní LAN s telekomunikační páteří (přístupová infrastruktura, často také označována jako "last mile") výrazně vzadu z pohledu přenosové kapacity a je postupně vnímána jako úzké hrdlo komunikačního řetězce. Proto operátoři datových a telekomunikačních sítí využívají a zavádí různé systémy přístupových technologií s cílem vypořádat se co nejúčinněji s tímto hrdlem. Vedle technologií s pevně instalovanými kabely je několik typů bezdrátových technologií:

LMDS
Širokopásmová mikrovlnná technologie point-to multipoint je srovnatelná, někdy i levnější než měděné vodiče. Při pokrytí hustě osídlených oblastí však žádá pečlivý výběr kmitočtů, neboť hrozí interference s jinými zdroji vlnění. Obtíže mohou rovněž nastat při nepřízni počasí, například v hustém dešti. Tento systém je používán pro přístup od 1,5 do 10 Mb/s v přímé viditelnosti.

MMDS
Tato radiová technologie dovoluje přenosovou rychlost až 10 Mb/s a to i za hranici přímé viditelnosti - 30-50 km. Licenční poplatky jsou opět nezanedbatelnou položkou v kalkulaci nákladů.
Bezdrátový laserový spoj - umožňuje dosahovat šíře pásma podobné jako ve vláknech až jednotky GBps s mnohem jednodušší instalací, bez licenčních poplatků a bez interference.

Technologie laserových linek
Technologie laserových linek z počátku 90. let nenabízela dostatečnou spolehlivost datového přenosu, aby byla vhodná pro datové a telekomunikační operátory. Tyto linky a jejich design musel řešit řadu technických i provozních otázek.

První z nich byl útlum rozšířením paprsku laseru. Paprsek světla je laserem vysílán do prostoru přes optiku teleobjektivu jako kužel rozbíhající se do prostoru s vrcholovým úhlem několik miliradiánů. I když se tím snižuje intenzita záření ve svazku, je to nezbytné pro překonání směrové nestability svazku vyvolané turbulencí atmosféry a nechtěnými pohyby vysílače. Dalším faktorem je omezený vysílací výkon, který je dán požadavkem bezpečnosti optického paprsku při náhodném dopadu do oka, tzv. "eye-safe" limitem. Typicky je výkon omezen na max 10 mW na jeden vysílací prvek. Nejvýznamnější omezení však způsobuje útlum absorpcí a rozptylem v atmosféře, který závisí na atmosférických podmínkách, zejména přítomnosti vodních částic.

U radiových mikrovlnných přenosů je pro útlum přenosu rozhodující celkový obsah vody v atmosféře, a tedy limitujícím faktorem je hustý déšť. Naproti tomu úbytek optického výkonu průchodem v atmosféře je významnější za mlhy. Pro optický přenosový řetězec tak představuje útlum v atmosféře hlavní omezení použitelnosti. Omezuje jak maximální dosah, tak časovou využitelnost spoje.

Současnost laserového vysílání
Laserové vysílače jsou dnes ve světě konstruovány jako přímo modulované zdroje paprsku s jedním až čtyřmi vysílacími prvky pro zvýšení maximálního "eye-safe" výkonu a spolehlivosti. Vysílací výkon se pohybuje od několika mW do 40 mW. Vysílaný paprsek je optikou formován do kužele s rozbíhavostí 2-6 mrad, ojediněle jsou použity "beam tracing" systémy s kompenzací směru vysílání. Přijímací část spoje je obvykle tvořena objektivem s velkou aperturou, nejčastěji mezi 4" a 10". Rostoucí apertura přijímače zvyšuje plochu, kterou ve svazku přijímač promítne na detekční prvek (PIN nebo APD dioda) a tím významně zvýší přijímaný výkon. Laserová linka tak získá schopnost překlenout celkový útlum od několika dB do 40-50 dB. Tento dynamický rozsah předurčuje linky v klasické aplikaci bod-bod pro práci s dosahy 1-5 km s projektovaným maximálním útlumem atmosféry 30 dB/km.

Funkčnost a spolehlivost linek s dostatečnou výkonovou rezervou neohrozí déšť libovolné intenzity ani těžké sněžení. Jejich jediným nepřítelem, pomineme-li fatální velké výchylky vysílačů větrem a zkruty budov a podpěrných konstrukcí, je mlha. V našich zeměpisných šířkách tak laserový spoj instalovaný na vzdálenost odpovídající projektovanému 30 dB/km útlumu atmosféry na kilometr má časovou využitelnost 99 %. Tato hodnota je srovnatelná s časovou využitelností mikrovlnných spojů, kde hlavním problémem přenosu je déšť, atmosférické výboje a interference (u plošného pokrytí LMDS, MMDS). Je však příliš malá na to, aby byla přijatelná pro operátory sítí k využití pro řešení "last mile". Zde se očekává využitelnost 99,99% nebo dokonce pětidevítková.

Tři řešení pro čtyři devítky
Jsou v zásadě tři možnosti jak dosáhnout tohoto požadavku:

Krátké linky
První z těchto možností je využít pouze menší část z projektované překlenutelné vzdálenosti linky pro 30 dB/km útlumu atmosféry. Linky s projektovaným dosahem 1000 m při 30 dB/km zpravidla dosáhnou čtyřdevítkové využitelnosti pro vzdálenost 300 - 400 m.

Radiová záloha
Vychází z poznatku, že vliv atmosféry pro mikrovlnný či milimetrový spoj je komplementární k optickému. Těžký déšť, který odstaví radiový spoj, nevadí optice. Hustá mlha naopak nemá fatální vliv na mikrovlny. A tak je optický spoj doplněn radiovou linkou, která je aktivována až v případě přílišného poklesu přijímaného optického výkonu.

Optické lince s kapacitou 100 až 1000 Mb/s tak poskytuje zálohu 10 až 40 Mb/s, a to po dobu cca 1 % provozního času linky při podmínkách s hustou mlhou, kdy platí, že pomalejší datový přístup je lepší než žádný. Příkladem tohoto řešení je systém Optical Access - TereScope TS 1000, využívající pro zálohu optické 1 Gb/s linky mikrovlnný spoj 3,5 MHz s kapacitou zálohy 10 Mb/s a pracující s čtyřdevítkovou časovou využitelností na vzdálenost 1 km.

Mesh struktura
Struktura point-to-point i point-to-multipoint, představuje hrozbu toho, že lokální porucha vyřadí z provozu celý komunikační uzel či komunikační cestu k zákazníkovi. Tyto "klasické" topologie je možno při budování přístupové sítě nahradit síťovou strukturou označovanou jako "mesh".

Relativně levné a snadno instalovatelné optické spoje jsou použity k vytvoření násobného vzájemně redundantního propojení jednotlivých přístupových bodů s výstupem páteřní transportní sítě (point of presence). Koncové přístupové komunikační zařízení - access router pak pouze vhodným směrovacím algoritmem (OSPF, RIP, . . . ) zajišťuje výběr optimální trasy dat z point of presence do přístupového bodu. Mesh (volně lze přeložit jako oko sítě) tak eliminuje vliv lokální poruchy komunikačního HW na celistvost sítě, ale podstatně redukuje i působení dalších jevů jako je ztráta nasměrování pohybem kotvících objektů a atmosférický útlum. Redundance v přenosových trasách tak může vlivy, které nepůsobí plošně, ale náhodně v čase i místě, potlačit až k získání časové využitelnosti přístupu k datům 99,999 %, tedy k hodnotě o níž sní všichni datoví a telekomunikační operátoři. Obvykle navíc v místní zástavbě lze mesh topologii vybudovat s poměrně krátkými příčkami 200 - 500 m, takže i časová využitelnost jednotlivých linek spoje může dosahovat čtyř devítek.

Umístění laserových jednotek na střechy objektů dále eliminuje vlivy mlhy a aerosolů, jejichž hustota zpravidla klesá s rostoucí výškou nad terénem. Poslední výhodou mesh struktury je snadno dosažitelná vysoká přenosová kapacita sítě, rychlost a snadnost její instalace a nepřítomnost jakýchkoliv rušení či interference.

Laserové linky se tak stávají více než přijatelnou alternativou radiových multipoint systémů pro budování datového přístupu v městech a příměstských průmyslových zónách.

doc.ing. František Urban, CSc.
PROFIcomms, s.r.o.