Wie Informationen über einen Laserstrahl übertragen werden. Nachrichten- und Analyseportal „Electronics Time“. Variationen zum Thema Weltraum-Laserkommunikation

Derzeit eröffnet die Lasertechnologie neue Möglichkeiten zur Verbesserung von Kommunikations-, Ortungs- und Funksteuerungssystemen. Diese Fähigkeiten sind mit dem enormen Gewinn optischer Sendeantennen verbunden, der ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis am Empfänger über ein breites Frequenzband mit Sendern mit geringer Leistung ermöglicht und die Möglichkeit bietet, beim Senden und Empfangen sehr breite Frequenzbänder zu nutzen optische Signale.

Laser-Informationsübertragungssysteme haben gegenüber Funksystemen folgende Vorteile.

Die Fähigkeit, Informationen mit sehr hoher Geschwindigkeit bei relativ geringer Sendeleistung und kleinen Gesamtabmessungen der Antenne zu übertragen. Heutzutage können Laserkommunikationsleitungen eine Informationsübertragung mit Geschwindigkeiten von bis zu 102 Gbit/s oder mehr ermöglichen. Durch Zeitmultiplexierung von Kanälen ist es in einer Mehrkanal-Kommunikationsleitung möglich, eine resultierende Pulswiederholungsrate von mehr als 100 GHz zu erzielen, was die gesamte Bandbreite des heute verwendeten Hochfrequenzspektrums übertrifft.

Geheimhaltung der Informationsübertragung und Schutz vor organisierten Störungen (aufgrund der sehr schmalen Strahlungsmuster der Sende- und Empfangsantennen, die sich auf Einheiten von Bogensekunden belaufen).

Allerdings gibt es auch Nachteile, vor allem die Abhängigkeit des Betriebs von den Wetterbedingungen und die Notwendigkeit der Verwendung von Lichtleitern (Quarz, Glasfasern).

Echte Perspektiven für Laserkommunikationssysteme eröffnen sich aufgrund des Fehlens einer Atmosphäre in Satelliten-zu-Satelliten-Weltraumkommunikationssystemen. In solchen Systemen werden breitbandige und schmalbandige Informationen von Raumfahrzeugen in niedrigen Umlaufbahnen über Laserkommunikationsleitungen an stationäre Satelliten und von diesen an Bodenstationen übertragen. Wichtig sein werden Erde-Erde-Satellitenkommunikationssysteme über einen Satellitenrepeater mit Laserkommunikationsleitungen.

Berechnungen zeigen, dass in einem solchen Kommunikationskanal eine Informationsübertragungsgeschwindigkeit von mehr als 1 Mbit/s aus der Marsregion realisiert werden kann. Zum Vergleich können wir sagen, dass bei bestehenden Telemetrie-Funkverbindungen zur Kommunikation mit Raumfahrzeugen in der Marsregion die Informationsübertragungsgeschwindigkeit 10 Bit/s nicht überschreitet.

Bevor wir uns mit der Auswahl eines Systems für die Weltraumkommunikation befassen, wollen wir die Vor- und Nachteile der verwendeten Systeme bewerten:

mit direkter Erkennung (Abb. 8, a);

mit einem Heterodyn-Empfänger (Abb. 8, b).

Reis. 8

Beachten Sie, dass die Störfestigkeit beider Systeme ungefähr gleich ist und dass das erste System bei gleicher Frequenz und gleichem Entwicklungsstand der Lasertechnologie klare Vorteile hat, die wie folgt sind:

Hat ein einfacheres Empfangsgerät;

Unempfindlich gegenüber Doppler-Frequenzverschiebungen, wodurch die Suche nach einem Signal anhand der Frequenz im Empfänger entfällt (wie es beim zweiten System der Fall ist);

Unempfindlich gegenüber Signalwellenfrontverzerrungen (die in turbulenten Atmosphären auftreten), daher sind einfache Bodenantennen mit großer Apertur möglich. In einem Heterodyn-Empfänger begrenzen atmosphärische Turbulenzen die Größe der Empfangsantenne und müssen diese (Antennenfläche) vergrößern Antennenarray, bestehend aus mehreren Antennen mit einer Vorrichtung zur Kombination von Ausgangssignalen;

Es verfügt über eine Empfangsantenne, die keine hohe optische Qualität erfordert, was den Einsatz leichterer und kostengünstigerer Bordantennen ermöglicht;

Ermöglicht Ihnen, mehr umzusetzen wirksame Methoden gegenseitige Ausrichtung von Sende- und Empfangsantennen (im Vergleich zur einstufigen Rasterabtastung im zweiten System).

Der einzige Vorteil von Systemen mit Heterodyn-Empfänger ist eine effektivere Hintergrundunterdrückung im Empfänger (im Vergleich zum ersten).

Lassen Sie uns analysieren Frequenzeignung von Lasern für Weltraumkommunikation.

Aufgrund der großen Kommunikationsreichweite sind Sender mit einer mittleren Leistung von Bruchteilen bis mehreren Watt erforderlich. Solche Laser mit akzeptabler Effizienz sind in drei Hauptbereichen erhältlich:

10 µm - CO 2 -Gaslaser s = 10,6 µm, im Singlemode-Modus bei P = 1 W = 10 %, t Slave = 10.000 Stunden Dauerbetrieb (geeignet für Bordgeräte und aufgrund der hohen Frequenzstabilität). ist durchaus in einem System mit einem Überlagerungsempfänger möglich);

1 µm – Festkörperlaser auf Yttrium-Aluminium-Granat (YAG), aktiviert durch Niodym (J-Al/Nd) = 1,06 µm, = 1,5 2 %, P max = n0,1 W (ein solcher Laser kann erfolgreich stationär betrieben werden Satelliten, da das Pumpen durch LED-Anordnungen oder Solarpumpgeräte erfolgt. Im letzteren Fall der Kollektor Solarenergie Durch einen optischen Filter fokussiert es die Pumpenergie auf den Laserstab und sorgt so für dessen Anregung. Kalium-Rubidium-Pumplampen bieten eine Betriebszeit von bis zu 5.000 Stunden bei = 10 %. Ergebnis = 10 LEDs haben eine längere Lebensdauer, aber ihre Leistung ist gering und daher nur für Sender mit geringer Leistung bis 0,1 W geeignet);

0,5 µm – ein vielversprechender Nd:YAG-Laser, der im Frequenzverdopplungsmodus = 0,53 µm (hellgrüne Farbe) arbeitet und einen Konverterwirkungsgrad nahe eins aufweist, ist hier vielversprechend.

Gepulste Metalldampf-Gaslaser sind vielversprechend für Laserkommunikationsleitungen mit niedriger Geschwindigkeit. Im gepulsten Modus hat ein Kupferdampflaser = 0,5106 und 0,5782 μm und = = 5 % (im Güteschaltmodus) bei einer durchschnittlichen Leistung von einem Watt.

Die Fähigkeiten der Empfangsgeräte in diesen drei Bereichen sind wie folgt:

10,6 Mikrometer – es gibt Fotodetektoren mit hoher Quanteneffizienz (40–50 %), wenn sie auf 77.100 K abgekühlt werden, aber seitdem Fotodetektoren verfügen über keine interne Verstärkung und sind nicht für Direktdetektionssysteme geeignet;

1,06 µm – für Systeme mit Direktdetektion können PMTs oder Avalanche-Photodioden verwendet werden. Allerdings beträgt die Quanteneffizienz des Photomultipliers bei dieser Wellenlänge nur 0,008, sodass dieser Bereich dem ersten deutlich unterlegen ist;

0,53 µm erweist sich im Direkterkennungsmodus als akzeptablerer Bereich, weil Seine Leistung ist aufgrund der Effizienzsteigerung von Photomultipliern deutlich höher.

Es gibt also zwei Weltraumkommunikationssysteme:

Mit direkter Signaldetektion bei einer Wellenlänge von 0,53 µm;

Mit einem Heterodyn-Empfänger im IR-Bereich bei 10,6 Mikrometer.

Darüber hinaus hat das System mit = 10,6 μm:

Mehr niedriges Niveau Quantenrauschen (da die spektrale Dichte des Quantenrauschens proportional zum Wert von hf ist, ist sie bei = 10,6 µm 20-mal kleiner als bei = 0,53 µm);

Die Effizienz des Lasersenders ist für den Bereich = 10,6 µm höher als für = 0,53 µm.

Die ersten beiden Eigenschaften des Systems ermöglichen die Verwendung breiterer Sendermuster im Vergleich zum System mit sichtbarer Reichweite, was das Leitsystem vereinfacht.

Die Nachteile sind die gleichen wie bei der Heterodyn-Methode.

Ein System mit sichtbarem Bereich = 0,53 µm, das einen höheren Quantenrauschpegel und eine geringere Sendereffizienz aufweist, kann deutlich reduzierte Sendeantennenmuster aufweisen. Wenn also die Aperturen der Sendeantennen gleich sind (bei = 0,53 und 10,6 µm), dann hat die Sendeantenne bei = 0,53 µm einen 400-mal größeren Gewinn als bei = 10,6 µm, was die genannten Nachteile mit etwas Spielraum ausgleicht über. Schmalere Strahlen der Sendeantennen erschweren das System der gegenseitigen Führung von Sende- und Empfangsantennen, der Einsatz effektiver mehrstufiger Suchmethoden kann jedoch die Zeit bis zum Kommunikationsaufbau erheblich verkürzen. Darüber hinaus ist bei einem Überlagerungsempfänger bei der Suche nach einem Signal nur eine einfache Rasterabtastung möglich, und die Suchzeit erhöht sich erheblich, da gleichzeitig nach einem Signal nach Frequenz gesucht werden muss.

Ein wichtiger Vorteil einer Antenne für den sichtbaren Bereich ist die Möglichkeit, sie zu bauen Satellitensystem Mehrfachzugriffskommunikation. In diesem Fall werden mehrere (je nach Anzahl der Kommunikationsleitungen) einfache Direkterkennungsempfänger an Bord des RRS-Satelliten platziert. Für Systeme im 10,6 µm-Bereich ist dies aufgrund der Komplexität von Heterodyn-Receivern mit sperrigen Photomischer-Kühlvorrichtungen praktisch unmöglich.

Somit haben Systeme mit direkter Detektion (= 0,53 µm) auf dem aktuellen technischen Stand erhebliche Vorteile:

für die Fernkommunikation im Weltraum „SC-Earth“ durch die Atmosphäre;

für Satelliten-Mehrfachzugangssystem.

Wenn bei einem Satellitenkommunikationssystem der Empfangs- (oder Sende-) Strahl eines Satellitenrepeaters gemäß dem Programm von einem Teilnehmer zum anderen „geworfen“ wird, weist ein Kommunikationssystem mit hohem Durchsatz bei = 0,53 und 10,6 μm vergleichbare Eigenschaften bei der Informationsübertragung auf Übertragungsraten von bis zu mehreren hundert Megabit pro Sekunde. Höhere Informationsübertragungsraten (mehr als 10 Gbit/s) sind in einem System mit = 10,6 μm schwer zu realisieren, während sie im sichtbaren Bereich einfach durch Zeitmultiplexierung der Kanäle erreicht werden können.

Ein Beispiel für die Implementierung eines Kommunikationssystems für drei synchrone Satelliten (Abb. 9):

Senderwellenlänge = 0,53 µm (direkte Detektion);

Die Modulation erfolgt durch einen elektrooptischen Modulator und das Modulationssignal ist ein Mikrowellen-Hilfsträger mit einer Zentralfrequenz m = 3 GHz und einem Seitenband von min = 2,5 · 10 9 bis max = 3,5 · 10 9 Hz (d. h. = 10 9 Hz) ;

Reis. 9

Der elektrooptische Modulator (Kristall) arbeitet im Transversalmodus mit einem elektrooptischen Koeffizienten r 4·10 -11 bei einer Mikrowellen-Dielektrizitätskonstante = 55 0 . Maximale Modulationstiefe - Г m = /3;

Kollimations- und Empfangslinsen messen 10 cm;

das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang des dem PMT nachgeschalteten Verstärkers beträgt 10

Bestimmen wir die Gesamtleistung der Quelle Gleichstrom, mit dem der Satellit ausgestattet sein muss, um die Anforderungen der Designspezifikation zu erfüllen (wir bestimmen zunächst die Höhe der optischen Leistung der gesendeten Strahlung und dann die für den Betrieb erforderliche Modulationsleistung).

Lösung: Ein synchroner Satellit hat eine Umlaufdauer von 24 Stunden. Die Entfernung von der Erde zum Satelliten wird aus der Gleichheit der Zentrifugal- und Gravitationskräfte bestimmt

mV 2 /R ES = mg(R Erde) 2 /(R ES) 2,

wobei V die Geschwindigkeit des Satelliten ist; m seine Masse; g – Gravitationsbeschleunigung an der Erdoberfläche; R ES – Entfernung vom Erdmittelpunkt zum Satelliten; R Erde – Radius der Erde.

Mit der synchronen Orbitalrotationsfrequenz (24 Stunden) können Sie bestimmen

V/R ES = 2/(246060), dann R ES = 42.222 km.

Der Abstand zwischen den Satelliten beträgt R = 73 · 12 km bei einem Abstand von 120 O. Wenn ein optisches Signal mit der Leistung P T im Raumwinkel T gesendet wird und die Empfangsapertur den Raumwinkel R liefert, dann ist die Empfangsleistung

P R = P T (R / T).

Der durchgelassene optische Strahl (Abb. 35) wird mit einem Strahldivergenzwinkel gebeugt, der durch den Ausdruck mit dem minimalen Strahlradius 0 zusammenhängt

Haufen = / 0 .

Der entsprechende Raumwinkel ist T = (Strahl)2.

Wenn wir 0 gleich dem Radius dt der Sendelinse annehmen, dann

Der Raumwinkel des Empfängers beträgt

R = d 2 R / R 2 ,

R ist der Abstand zwischen Sender und Empfänger.

Aus (42), (44), (45) haben wir

P T = P R R 22 / 22 T 2 R .

Schreiben wir das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang eines Photomultipliers auf, der im Quantenlimitierungsmodus arbeitet (d. h. wenn die Hauptrauschquelle das Schrotrauschen des Signals selbst ist):

s/w = 2 (P R e/h) 2 G 2 /G 2 ei d = P R /h,

Dabei ist P R die optische Leistung, G die Stromverstärkung und i d der Dunkelstrom. Bei = 0,53 µm, = 0,2 - Leistungsumwandlungseffizienz, = 10 9 Hz s/w = 10 3 erhalten wir Р R 2·10 -6. In diesem Fall beträgt die erforderliche Leistung gemäß (46) bei R = 7,5·10 4 m Р t 3 W.

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Heute sind Computer und darauf basierende Netzwerke aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Die Menschheit steht an der Schwelle einer neuen Welt, in der ein einziger Informationsraum geschaffen wird. In dieser Welt wird die Kommunikation nicht länger durch physische Grenzen, Zeit oder Entfernung behindert.

Heutzutage gibt es auf der ganzen Welt eine Vielzahl von Netzwerken, die Leistung erbringen verschiedene Funktionen und viele verschiedene Probleme lösen. Früher oder später kommt immer der Zeitpunkt, an dem die Netzwerkkapazität erschöpft ist und neue Kommunikationsleitungen verlegt werden müssen. Innerhalb eines Gebäudes ist dies relativ einfach möglich, bei der Verbindung zweier benachbarter Gebäude treten jedoch Schwierigkeiten auf. Für die Durchführung von Arbeiten sowie für die Durchführung einer Reihe komplexer Arbeiten sind Sondergenehmigungen, Genehmigungen und Lizenzen erforderlich Technische Anforderungen und Befriedigung der erheblichen finanziellen Anforderungen von Organisationen, die Land oder Abwasser verwalten. In der Regel wird sofort klar, dass der kürzeste Weg zwischen zwei Gebäuden keine gerade Linie ist. Und es ist keineswegs notwendig, dass die Länge dieses Weges mit der Entfernung zwischen diesen Gebäuden vergleichbar ist.

Natürlich kennt jeder eine drahtlose Lösung, die auf verschiedenen Funkgeräten basiert (Funkmodems, Kleinkanal-Richtfunkleitungen, Mikrowellen-Digitalsender). Aber die Zahl der Schwierigkeiten nimmt nicht ab. Die Funkwellen sind übersättigt und die Erlaubnis zur Nutzung von Funkgeräten zu erhalten ist sehr schwierig, manchmal sogar unmöglich. Und der Durchsatz dieser Ausrüstung hängt maßgeblich von ihren Kosten ab.

Wir bieten Ihnen an, die neue wirtschaftliche Form zu nutzen Kabellose Kommunikation, das erst vor kurzem entstanden ist, ist die Laserkommunikation. Die größte Entwicklung erlebte diese Technologie in den USA, wo sie entwickelt wurde. Laserkommunikation bietet eine kostengünstige Lösung für das Problem einer zuverlässigen Hüber kurze Entfernungen (1,2 km), das bei der Verbindung von Telekommunikationssystemen aus verschiedenen Gebäuden auftreten kann. Seine Verwendung wird eine Integration ermöglichen lokale Netzwerke mit globalen Netzen, die Integration voneinander entfernter lokaler Netze sowie die Berücksichtigung der Anforderungen der digitalen Telefonie. Die Laserkommunikation unterstützt alle dafür notwendigen Schnittstellen – von RS-232 bis ATM.

Wie erfolgt die Laserkommunikation?

Die Laserkommunikation ermöglicht im Gegensatz zur GSM-Kommunikation Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit Informationsübertragungsraten von bis zu 155 Mbit/s. In Computer- und Telefonnetzen sorgt die Laserkommunikation für den Informationsaustausch im Vollduplex-Modus. Für Anwendungen, die keine hohen Übertragungsraten erfordern (z. B. Video- und Steuersignale in Prozess- und Videoüberwachungsanlagen), steht eine spezielle, kostengünstige Halbduplex-Lösung zur Verfügung. Wenn es notwendig ist, nicht nur Computer-, sondern auch Telefonnetze zu kombinieren, können Modelle von Lasergeräten mit integriertem Multiplexer verwendet werden, um gleichzeitig LAN-Verkehr und digitale Gruppentelefonieströme zu übertragen (E1/ICM30).

Lasergeräte können jeden Netzwerkstrom, der ihnen über Glasfaser- oder Kupferkabel zugeführt wird, in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung übertragen. Der Sender wandelt elektrische Signale in modulierte Laserstrahlung im Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 820 nm und einer Leistung von bis zu 40 mW um. Laserkommunikation nutzt die Atmosphäre als Ausbreitungsmedium. Der Laserstrahl trifft dann auf einen Empfänger, der im Wellenlängenbereich der Strahlung die maximale Empfindlichkeit aufweist. Der Empfänger wandelt Laserstrahlung in Signale der verwendeten elektrischen oder optischen Schnittstelle um. So erfolgt die Kommunikation mittels Lasersystemen.

Familien, Modelle und ihre Eigenschaften

In diesem Abschnitt möchten wir Ihnen die drei Familien der beliebtesten Lasersysteme in den USA vorstellen – LOO, OmniBeam 2000 und OmniBeam 4000 (Tabelle 1). Die LOO-Familie ist einfach und ermöglicht die Datenübertragung und Sprachnachricht bis zu 1000 m. Die OmniBeam 2000-Familie verfügt über ähnliche Fähigkeiten, arbeitet jedoch über eine größere Reichweite (bis zu 1200 m) und kann Videobilder sowie eine Kombination aus Daten und Sprache übertragen. Die OmniBeam 4000-Familie bietet eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung: von 34 bis 52 Mbit/s über Entfernungen bis zu 1200 m und von 100 bis 155 Mbit/s bis zu 1000 m. Es gibt aber auch andere Familien von Lasersystemen auf dem Markt Sie decken entweder kürzere Entfernungen ab oder unterstützen weniger Protokolle.

Tabelle 1.

Jede Familie umfasst eine Reihe von Modellen, die unterschiedliche Kommunikationsprotokolle unterstützen (Tabelle 2). Die LOO-Familie umfasst kostengünstige Modelle, die Übertragungsentfernungen von bis zu 200 m ermöglichen (der Buchstabe „S“ am Ende des Namens).

Tabelle 2.

Ein unbestrittener Vorteil von Laserkommunikationsgeräten ist ihre Kompatibilität mit den meisten Telekommunikationsgeräten für verschiedene Zwecke (Hubs, Router, Repeater, Bridges, Multiplexer und PBXs).

Installation von Lasersystemen

Ein wichtiger Schritt bei der Erstellung eines Systems ist seine Installation. Das eigentliche Einschalten nimmt im Vergleich zur Installation und Konfiguration von Lasergeräten, die von gut ausgebildeten und ausgestatteten Fachkräften durchgeführt wird, mehrere Stunden in Anspruch. Gleichzeitig hängt die Qualität des Betriebs des Systems selbst von der Qualität dieser Vorgänge ab. Bevor wir typische Inklusionsoptionen vorstellen, möchten wir daher auf diese Aspekte eingehen.

Bei der Platzierung im Freien können Transceiver auf Dach- oder Wandflächen installiert werden. Der Laser ist auf einem speziellen starren Träger, meist aus Metall, montiert, der an der Gebäudewand befestigt wird. Die Halterung bietet außerdem die Möglichkeit, den Neigungswinkel und den Azimut des Strahls anzupassen.

In diesem Fall erfolgt der Anschluss zur einfacheren Installation und Wartung des Systems über Verteilerkästen (RK). Bei den Verbindungskabeln handelt es sich in der Regel um Glasfaserkabel für Datenübertragungskreise und Kupferkabel für Strom- und Steuerkreise. Verfügt das Gerät nicht über eine optische Datenschnittstelle, besteht die Möglichkeit, ein Modell mit elektrischer Schnittstelle oder ein externes optisches Modem zu verwenden.

Das Netzteil (PSU) des Transceivers wird immer im Innenbereich installiert und kann an einer Wand oder in einem Rack montiert werden, das für LAN-Geräte oder strukturierte Verkabelungssysteme verwendet wird. In der Nähe kann auch ein Zustandsmonitor installiert werden, der zur Fernüberwachung der Funktion von Transceivern der OB2000- und OB4000-Familien dient. Seine Verwendung ermöglicht es, den Laserkanal zu diagnostizieren, die Signalstärke anzuzeigen und das Signal auch zu schleifen, um es zu überprüfen.

Bei der internen Installation von Laser-Transceivern ist zu beachten, dass die Leistung der Laserstrahlung beim Durchdringen von Glas abnimmt (mindestens 4 % pro Glas). Ein weiteres Problem sind Wassertropfen, die bei Regen an der Außenseite des Glases herunterlaufen. Sie wirken als Linsen und können zu Strahlstreuung führen. Um diesen Effekt zu reduzieren, wird empfohlen, die Geräte nahe der Glasoberkante zu installieren.

Um eine qualitativ hochwertige Kommunikation zu gewährleisten, müssen einige Grundvoraussetzungen berücksichtigt werden.

Die wichtigste davon, ohne die eine Kommunikation unmöglich ist, besteht darin, dass sich Gebäude in Sichtweite befinden müssen und sich keine undurchsichtigen Hindernisse im Weg der Strahlausbreitung befinden dürfen. Da der Laserstrahl im Empfängerbereich zudem einen Durchmesser von 2 m hat, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, dass sich die Transceiver in einer Höhe von mindestens 5 m über Fußgängern und Verkehr befinden. Der Transport ist auch eine Quelle von Gasen und Staub, die die Zuverlässigkeit und Qualität der Übertragung beeinträchtigen. Der Strahl darf nicht in unmittelbarer Nähe von Stromleitungen projiziert werden oder diese kreuzen. Zu berücksichtigen sind das mögliche Wachstum der Bäume, die Bewegung ihrer Kronen bei Windböen sowie der Einfluss von Niederschlägen und mögliche Störungen durch fliegende Vögel.

Die richtige Wahl des Transceivers garantiert einen stabilen Betrieb des Kanals unter allen klimatischen Bedingungen in Russland. Beispielsweise verringert ein größerer Strahldurchmesser die Wahrscheinlichkeit niederschlagsbedingter Ausfälle.

Lasergeräte sind keine Quelle elektromagnetischer Strahlung (EMR). Wenn der Laser jedoch in der Nähe von Geräten mit EMR platziert wird, nimmt die Elektronik diese Strahlung auf, was zu einer Signaländerung sowohl im Empfänger als auch im Sender führen kann. Dadurch wird die Qualität der Kommunikation beeinträchtigt. Es wird daher nicht empfohlen, Lasergeräte in der Nähe von EMR-Quellen wie leistungsstarken Radiosendern, Antennen usw. aufzustellen.

Bei der Installation eines Lasers ist es ratsam, in Ost-West-Richtung ausgerichtete Laser-Transceiver zu vermeiden, da die Sonnenstrahlen an mehreren Tagen im Jahr die Laserstrahlung für mehrere Minuten blockieren können und eine Übertragung selbst mit speziellen optischen Filtern in der Laserstrahlung unmöglich wird Empfänger. Wenn Sie wissen, wie sich die Sonne in einem bestimmten Bereich über den Himmel bewegt, können Sie dieses Problem leicht lösen.

Vibrationen können dazu führen, dass sich der Laser-Transceiver verschiebt. Um dies zu vermeiden, wird davon abgeraten, Lasersysteme in der Nähe von Motoren, Kompressoren usw. zu installieren.

Abbildung 1. Platzierung und Anschluss von Laser-Transceivern.

Mehrere typische Inklusionsmethoden

Die Laserkommunikation wird dazu beitragen, das Problem der Kurzstreckenkommunikation bei Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu lösen. Schauen wir uns als Beispiele einige typische Optionen oder Methoden der Einbeziehung an. Sie haben also eine Zentrale (CO) und eine Zweigstelle (F), die jeweils über ein Computernetzwerk verfügen.

Abbildung 2 zeigt eine Variante der Organisation eines Kommunikationskanals für den Fall, dass F und DSO kombiniert werden müssen, wobei Ethernet als Netzwerkprotokoll und Koaxialkabel (dick oder dünn) als physikalisches Medium verwendet werden. Im CO gibt es einen LAN-Server und in F gibt es Computer, die mit diesem Server verbunden werden müssen. Mit Lasersystemen wie den Modellen LOO-28/LOO-28S oder OB2000E können Sie dieses Problem einfach lösen. Die Bridge wird in der Mitte und der Repeater in F installiert. Wenn die Bridge oder der Repeater über eine optische Schnittstelle verfügt, ist kein optisches Minimodem erforderlich. Laser-Transceiver sind über Dual-Glasfaser verbunden. Mit dem Modell LOO-28S können Sie in einer Entfernung von bis zu 213 m und mit dem Modell LOO-28 bis zu 1000 m mit einem „sicheren“ Empfangswinkel von 3 mrad kommunizieren. Das Modell OB2000E deckt eine Distanz von bis zu 1200 m mit einem „sicheren“ Empfangswinkel von 5 mrad ab. Alle diese Modelle arbeiten im Vollduplex-Modus und bieten eine Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Mbit/s.

Abbildung 2. Anschließen eines Remote-Ethernet-LAN-Segments mithilfe eines Koaxialkabels.

Eine ähnliche Möglichkeit zum Kombinieren zweier Ethernet-Netzwerke mit verdrilltes Paar(10BaseT) ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass anstelle einer Brücke und eines Repeaters Konzentratoren (Hubs) verwendet werden, die über die erforderliche Anzahl von 10BaseT-Anschlüssen und eine AUI- oder FOIRL-Schnittstelle zum Anschluss von Laser-Transceivern verfügen. In diesem Fall ist die Installation eines Laser-Transceivers LOO-38 oder LOO-38S erforderlich, der die erforderliche Übertragungsgeschwindigkeit im Vollduplex-Modus bereitstellt. Das Modell LOO-38 unterstützt Kommunikationsentfernungen bis zu 1000 m und das Modell LOO-38S kann bis zu 213 m kommunizieren.

Abbildung 3. Anschließen eines Remote-Ethernet-LAN-Segments basierend auf Twisted Pair.

Abbildung 4 zeigt eine Variante der kombinierten Datenübertragung zwischen zwei LANs (Ethernet) und einen Gruppen-Digitalstrom E1 (PCM30) zwischen zwei PBX-Anlagen (im CO und F). Zur Lösung dieses Problems eignet sich das Modell OB2846, das Daten- und Sprachübertragung mit einer Geschwindigkeit von 12 (10+2) Mbit/s über eine Distanz von bis zu 1200 m ermöglicht. Die LAN-Verbindung zum Transceiver erfolgt über Dual-Glasfaser über einen Standard-SMA-Anschluss und der Telefonverkehr wird über ein 75-Ohm-Koaxialkabel über einen BNC-Anschluss übertragen. Es ist zu beachten, dass kein Multiplexen von Daten- und Sprachströmen erforderlich ist zusätzliche Ausrüstung und wird von Transceivern ohne Reduzierung durchgeführt Bandbreite jeder von ihnen einzeln.

Abbildung 4. Integration von Computer- und Telefonnetzwerken.

Eine Option für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung zwischen zwei LANs (LAN „A“ in der Zentrale und LAN „B“ in der F) unter Verwendung von ATM-Switches und Laser-Transceivern ist in Abbildung 5 dargestellt. Das Modell OB4000 löst das Hochgeschwindigkeitsproblem -Beschleunigen Sie die Kommunikation über kurze Distanzen optimal. Sie haben die Möglichkeit, E3-, OC1-, SONET1- und ATM52-Streams mit den erforderlichen Geschwindigkeiten über eine Entfernung von bis zu 1200 m und 100 Base-VG oder VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX oder Fast Ethernet (802.3) zu übertragen. , FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 und ATM155 mit den erforderlichen Geschwindigkeiten – über eine Distanz von bis zu 1000 m. Die übertragenen Daten werden über eine standardmäßige Dual-Glasfaser, die über einen SMA-Stecker angeschlossen ist, an den Laser-Transceiver geliefert.

Abbildung 5. Konsolidierung von Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationsnetzen.

Die aufgeführten Beispiele erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit Möglichkeiten Verwendung von Lasergeräten.

Was ist profitabler?

Versuchen wir, den Ort der Laserkommunikation unter anderen kabelgebundenen und anderen zu bestimmen drahtlose Lösungen, wobei kurz ihre Vor- und Nachteile bewertet werden (Tabelle 3).

Tisch 3.

Alexander Lobinsky

In der letzten Ausgabe von SR haben wir mit einer neuen Methode der Nachrichtenpräsentation „mit Diskussionen und Kommentaren“ experimentiert und es scheint, dass unseren Lesern die Initiative gefallen hat. Diesmal steht erneut das auf dem bekannten Nachrichtenportal ZDNet veröffentlichte Material zu Laserkommunikationssystemen auf dem Prüfstand. Und ein Spezialist des belarussischen Unternehmens Belana teilt mit Ihnen seine Gedanken zu diesem Thema.

Veröffentlichung auf ZDNet:

Laser lösen das Bandbreitenproblem

Carrier und Gerätehersteller testen seit Monaten Hochgeschwindigkeits-Datentechnologie für Unternehmen, sogenannte „Laser im offenen Raum“ oder „optische drahtlose Kommunikation“, die bis vor Kurzem Gegenstand theoretischer Debatten, Forschung und Pilotprojekte blieb.
Terabeam und FSONA Communications planen, in naher Zukunft die ersten kommerziellen Produkte und Dienste auf Basis dieser Technologie einzuführen. „Es ist bereits klar, dass es für den breiten Einsatz bereit ist“, sagt Jeff Kagan, unabhängiger Analyst der Telekommunikationsbranche. „Es ist an der Zeit, es dem Markt anzubieten und zu sehen, wie es ausgeht. Es ist klar, dass es nicht ohne Probleme gehen wird. Aber wenn es funktioniert, können wir mit einem großen Erfolg rechnen.“

Laser im unsichtbaren optischen Bereich sind für das menschliche Auge ungefährlich und ermöglichen einen Hochgeschwindigkeitszugang zum Internet und zu Unternehmensnetzwerken durch einen Strahl, der durch ein Bürofenster fällt.
Die Technologie bietet eine schnellere Leistung als bestehende drahtlose Netzwerke und ist kostengünstiger als Glasfaserkommunikation, bei der Kabel über Straßen hinweg verlegt werden müssen. Laser haben das Potenzial, ein wichtiges Problem der Telekommunikationsbranche zu lösen.

Während es bereits große landesweite Netze gibt, steht der Aufbau und die Modernisierung innerstädtischer Netze erst am Anfang. Daher müssen Unternehmen oft Monate warten, bis sie einen Internetzugang oder die Kommunikation mit einer Außenstelle erhalten. Der Erfolg der Lasertechnologie ist jedoch keineswegs garantiert. Erstens wird der Laserstrahl durch dichten Nebel beeinträchtigt, der die Ausbreitung beeinträchtigen und die Kommunikationszuverlässigkeit verringern kann. Darüber hinaus sagen Analysten, dass die Laserkommunikation im Vergleich zu Festnetzfunk und direkten Glasfaserverbindungen mit Herausforderungen wie Marktskepsis und eingeschränkten Einsatzmöglichkeiten konfrontiert sein wird.

gefährlicher Konkurrent

Dennoch glauben Führungskräfte von Unternehmen, die mit Lasertechnologie arbeiten, dass diese bereit ist, mit alternativen Mitteln der Datenübertragung zu konkurrieren. „Wir haben das Gefühl, dass es an der Zeit ist, an die Börse zu gehen“, sagt Dan Hesse, CEO von Terabeam, der einen hochbezahlten Job bei AT&T Wireless aufgegeben hat, um das Laserunternehmen zu leiten. Terabeam bietet in Seattle Datengeschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s und bereitet den Start einer großen Marketingkampagne im kommenden Monat vor. Terabeam betreut zwei lokale Kunden – die digitale Werbeagentur Avenue A und Simpson Investment – ​​und ein dritter wird in den kommenden Tagen hinzukommen. Bis Ende des Jahres ist geplant, mit dem Verkauf von Dienstleistungen in fünf weiteren US-Städten zu beginnen. „Andere Technologien erfordern langwierige Genehmigungen und Verkabelungen.

Wir können ein optisches Signal direkt durch das Fenster senden, das normalerweise über dicke Kabel übertragen wird. „Wir sehen unsere Technologie als Erweiterung der Glasfaser“, sagt Hesse.
Die Strategie des Unternehmens unterscheidet sich darin, dass es sowohl als Dienstleister als auch als Hersteller von Lasergeräten agieren will. AT&T verfolgte in den Anfangsjahren dieselbe Strategie, als das Unternehmen sowohl als Netzbetreiber als auch als Hersteller von Telefonausrüstung tätig war. Tera-beam hat eine Vereinbarung zur gemeinsamen Entwicklung von Hardware mit Lucent Technologies unterzeichnet. Lucent besitzt einen 30-prozentigen Anteil an Terabeam Labs, einem Hardware-Joint-Venture, dessen Führungskräfte davon träumen, in ein paar Jahren ein eigenes Unternehmen auszugliedern. FSONA plant, nächste Woche die ersten Laserprodukte für Telekommunikationsbetreiber vorzustellen.
Im April beginnt das Unternehmen mit dem Verkauf seines SONAbeam 155-2-Lasersystems, das Daten mit 155 Mbit/s über Entfernungen von bis zu 2 km übertragen kann. Der Preis für Sende- und Empfangsgeräte beträgt 20.000 US-Dollar. „Wir werden das erste optische, kabellose Kommunikationsprodukt für den Massenmarkt auf den Markt bringen“, sagt FSONA-Chefingenieur Stephen Mecherle. „Es sollte ein Prüfstein für diese Technologie werden.“
FSONA hat kürzlich seine Produktionskapazität durch die Eröffnung eines neuen Gebäudes in Vancouver mit einer Fläche von rund 27.000 Quadratmetern verdreifacht. M.
Das Unternehmen plante eine weitere Expansion und führte Vorverhandlungen mit potenziellen Partnern im Ausland. In diesem Jahr ist die Einführung einer günstigeren Version des 155-Mbit/s-Lasersystems für kürzere Distanzen sowie eines Systems mit einem Durchsatz von 622 Mbit/s geplant.

Viele Analysten loben die Vorzüge der Technologie, sind sich aber ihrer Zuverlässigkeit nicht sicher. FSONA schätzt die Verfügbarkeitsrate auf 99 %, was für die Standards der Telekommunikationsbranche nicht gut genug ist. Das Unternehmen beabsichtigt jedoch, zusätzliche Backup-Systeme anzubieten, um die Zuverlässigkeit auf 99,9 % zu erhöhen.
Die Führungskräfte von Terabeam glauben, dass ihr Netzwerk eine Betriebszeit von 99,9 % der Zeit gewährleisten kann, was einer Ausfallzeit von etwa einem Tag pro Jahr entspricht.
Die Leistungsfähigkeit der Lasertechnologie und ihre Zuverlässigkeit reichten aus, um Lucent zu interessieren. Avenue A war bisher auch mit dem Service von Terabeam zufrieden, insbesondere mit der Schnelligkeit, mit der das Unternehmen ihn erhalten hat, verglichen mit den Wartezeiten für die Verbindung zu Telefondiensten und anderen Netzwerkdiensten wie WorldCom und Sprint. „Man muss ewig auf Sender warten“, sagt der Direktor von Informationstechnologie Avenue A Jamie Marra. - „Wenn Sie von der 90-Tage-Frist hören, werden Sie diese Dienstleister nicht mehr kontaktieren wollen.“ Stattdessen bog Avenue A in Terabeam ab. „Von unserer Frage „Was können Sie anbieten?“ bis zur Installation der Ausrüstung vergingen nur drei Wochen“, sagt Marra. - „Wir erhielten den Service schnell und zu einem Preis, der mit den Preisen von Telefongesellschaften vergleichbar ist.“
Terabeam und FSONA sind nicht die Einzigen, die den Telekommunikationsmarkt erobern. Zu den weiteren Anbietern von Laserkommunikationsdiensten gehören AirFiber, das Vereinbarungen mit Nortel Networks unterzeichnet hat, Optical Access (die Lösungen dieses Unternehmens wurden ausführlich in der vorherigen Ausgabe von CP besprochen – Anmerkung des Herausgebers) und LightPointe Communications.

Alle diese Unternehmen könnten eine ernsthafte Bedrohung für Anbieter von Festnetzfunk- und Gigabit-Ethernet-Diensten darstellen. Durch die Möglichkeit, einen Laserstrahl direkt durch ein Fenster zu richten, können Dienstleister den Kauf teurer Hochfrequenzlizenzen und Verhandlungen mit Grundstückseigentümern über Dachzugangsrechte vermeiden. „Dieses Maß an Wettbewerbsfreiheit könnte Teligent, Winstar und andere Anbieter von Festnetzradiodiensten durchaus nervös machen“, sagt Pat Brogan, stellvertretender Direktor des Forschungsunternehmens The Precursor Group.
Diese Meinung wird auch von anderen Analysten geteilt. Sie sagen, dass die Lasernetzwerktechnologie populär werden könnte, wenn sich diese frühen Anwendungen als zuverlässig und für Kunden attraktiv erweisen. „Wenn diese Technologie wie versprochen funktioniert, könnte sie ein Erfolg werden“, sagt Kagan. - "Bei hohe Geschwindigkeiten Datenübertragung, kurze Installationszeiten, kein Aufwand für Berechtigungen, das ist durchaus möglich.“
Corey Grice, ZDNet

Diskussion des Artikels: Meinung eines Velana-Spezialisten

„Die Idee, Informationen mithilfe eines Laserstrahls zu übertragen, ist keineswegs neu. Ende der 80er Jahre, noch als Schüler, sah ich am BSUIR (damals MRTI) eine experimentelle Installation, bei der ein Laserstrahl zur Sprachübertragung verwendet wurde . Versuche zu verwenden ähnliche Systeme(der sogenannte „atmosphärische Laser“) zur Datenübertragung bleibt bestehen, solange es Datenübertragungsnetze gibt. Die Ergebnisse zahlreicher Experimente, die teilweise sogar zur Veröffentlichung kommerzieller Produkte führten, erwiesen sich als sehr widersprüchlich. Die Meinungen von Experten und Anwendern sind geteilt.
Einige argumentieren, dass die „atmosphärische“ Technologie sehr vielversprechend ist, aber verbessert werden muss, andere sagen, dass sie Zeit- und Geldverschwendung ist. Hier ist ein typisches Beispiel für eine skeptische Haltung: „Ja... Sehr cool. Der Kanal ist gefallen.
Mögliche Gründe- Der Wind treibt die Blätter, es herrscht Smog im Hof ​​(ein KRAZ ging unter dem Fenster vorbei), Regen, Schnee, die Putzfrau hat das Fenster schon lange nicht mehr geputzt, ein vor dem Fenster fliegender Selbstmörder kreuzte den Balken :), ein Plakat wurde auf der Straße aufgehängt, Vögel fliegen. Hervorragende, zuverlässige Verbindung, dem gibt es nichts hinzuzufügen. Bitte verlegen Sie das Kabel für mich.

Außerdem ist „unsichtbare optische Laser für das menschliche Auge ungefährlich“ Unsinn. Die Tatsache, dass die Augenzapfen nicht auf Strahlung unterhalb einer bestimmten Frequenz reagieren, bedeutet nicht, dass das Gewebe des Auges keine Strahlung absorbiert.
Im Gegenteil, unsichtbare Strahlung ist gefährlich, denn es vergeht einige Zeit, bis ein Mensch das Gefühl hat, dass etwas nicht stimmt. Sie können leicht Ihre Augen verlieren. Was die Einstellungen betrifft, so reicht bei einer Entfernung von 100 Metern (10.000 cm) eine Winkelstörung von 10/10.000 = 0,001 rad aus, um den Strahl um 10 cm abzulenken. Ich kann mir nicht ganz vorstellen, wie man eine solche Stabilität gewährleisten kann.“
Grundsätzlich ist die dargelegte Meinung nicht ohne Logik, ebenso wie die optimistische, die im diskutierten Artikel vertreten wird.
Versuchen wir es jedoch herauszufinden. Die Tatsache, dass drahtlose optische Systeme noch keine Massenakzeptanz gefunden haben (das Fehlen der Notwendigkeit, teure Glasfaserleitungen zu verlegen, macht sie wirtschaftlich sehr attraktiv), hat mehrere Gründe. Versuchen wir, sie zu analysieren.

1. Die betrachtete Technologie ist nur bei der Datenübertragung über große Entfernungen wirksam. Bei kurzen Entfernungen (mehrere zehn Meter) wird die ungerichtete Infrarottechnologie sehr effektiv eingesetzt. Das Lasersystem ist ihm sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der Flexibilität um eine Größenordnung unterlegen. Bei großen Entfernungen stößt die Lasertechnik auf Schwierigkeiten mit dem Datenübertragungsmedium – der Atmosphäre, die leider insbesondere in städtischen Umgebungen nicht immer transparent ist. Die Lösung dieses Problems besteht darin, die Laserleistung zu erhöhen.
Diese Lösung führte vor einigen Jahren zur Entwicklung von Geräten, die viel Energie verbrauchten, viel Geld kosteten und wie Turbolaserkanonen aus Star Wars aussahen. Heute ist dieses Problem weitgehend gelöst, da neue Arten kompakter, leistungsstarker und kostengünstiger Laseremitter erfunden wurden.

2. Der Strahl kann durch alle möglichen sich bewegenden Objekte unterbrochen werden, wie z. B. Vögel, tieffliegende Flugzeuge, Blätter, Tropfen usw. Zu Beginn der Netzwerktechnologien führte bereits eine kurzzeitige Unterbrechung des Strahls zu einer Unterbrechung des Datenübertragungskanals, was dazu beitrug, dass der Laserkommunikation das Prädikat „extrem instabil“ verliehen wurde. Im Morgengrauen, aber nicht heute.
Seitdem wurden eine ganze Reihe von Link-Layer-Protokollen entwickelt, die für die drahtlose Kommunikation konzipiert sind und in der Lage sind, den Kanal nach einer kurzzeitigen Unterbrechung automatisch wiederherzustellen. Und die Kontinuität des Datenflusses wird durch Protokolle stärker gewährleistet hohes Level(zum Beispiel TCP/IP).
Damit kann der Mythos von der Instabilität der Laserkommunikation heute widerlegt werden.

3. Das Laserkommunikationssystem ist schwierig einzurichten. Tatsächlich können bei einem Strahldurchmesser von mehreren Millimetern (oder auch Bruchteilen eines Millimeters) Vibrationen des Lichtflecks mit einer Amplitude von mehreren Zentimetern den gesamten Ausrichtungsvorgang auf den Empfänger erheblich erschweren. Dies ist heute eines der gravierendsten technischen Probleme der atmosphärischen Laserkommunikation. Zwar tauchen in jüngster Zeit Berichte über die Entwicklung hochempfindlicher optischer Sensoren auf, die in engen Spektralbereichen arbeiten und es ermöglichen, relativ kostengünstige Panels mit einer Fläche von mehreren zehn Quadratzentimetern herzustellen, die gegenüber Tageslichtbeleuchtung unempfindlich sind und daher Dies ermöglicht einen stabilen Strahlempfang.

Ich bezweifle, dass die atmosphärische Laserkommunikationstechnologie bald billig genug sein wird, um zu Hause eingesetzt zu werden (und nicht jeder lebt in Hochhäusern, in denen eine Sichtverbindung gewährleistet werden kann).
Diese Technologie kann jedoch zu einem würdigen Konkurrenten für die Festfunkkommunikation werden Unternehmensnetzwerke Datenübertragung. Bei annähernd gleichen Kosten für die Ausrüstung erfordert die Lasertechnologie keine schmerzhaften (und sehr teuren) Verfahren zur Isolierung von Hochfrequenzkanälen, zur Durchführung von Arbeiten zur Installation schwerer und sperriger Geräte in großer Höhe und ist, wie bereits erwähnt, weniger kostenintensiv schädlich für die Gesundheit anderer.

„Drohnen sind zu einem sehr beliebten Thema geworden. Sie versuchen, sie für viele Dinge zu nutzen – sie liefern Pizza und erkunden das Schlachtfeld … Gleichzeitig ist jeder gezwungen, das Haupthindernis zu überwinden – die Flugzeit ist zu kurz. Multikopter bleiben 10–20 Minuten in der Luft, mit modernsten Batterien sind es 25–30. Das reicht oft nicht aus“, sagt Vitaly Kapranov, Ingenieur von RSC Energia.

Tatsächlich müssen viele Geräte stundenlang in der Luft bleiben, um Gaspipelines oder den Zustand von Eisenbahnen zu überwachen, Katastrophengebiete aus der Luft zu fotografieren, Gebiete zu schützen und Funksignale weiterzuleiten. Für solche Aufgaben können „flugzeugartige“ Drohnen mit Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, diese sind jedoch nicht sehr wendig und können nicht an einem Punkt schweben. In vielen Fällen sind elektrische Quadrocopter komfortabler und ihre Nutzer unternehmen verschiedene Maßnahmen, um ihre Lebensdauer zu verlängern: Sie führen zusätzliche Akkus oder sogar Ersatzdrohnen mit, um diese schnell auszutauschen, während das gebrauchte Gerät aufgeladen bleibt.

Ingenieur bei RSC Energia // Ausbildung: MEPhI // Ziele: Durchführung eines Experiments mit Energieübertragung auf eine Drohne, Verteidigung einer Dissertation.

Einige Drohnenmodelle arbeiten „angebunden“ und beziehen Strom vom Boden. Allerdings sind die Drähte schwer, sie werden vom Wind mit der Drohne selbst weggeweht und die Höhengrenze für solche Geräte überschreitet selten 200 m; eine Höhe von 1 km ist nicht mehr erreichbar. Es wird versucht, Drohnen über Glasfaser anzutreiben, indem Infrarot-Laserimpulse ausgesendet werden. Es ist zehnmal leichter als ein Metalldraht – aber leider ist es nicht für die Übertragung großer Kräfte ausgelegt und überhitzt leicht, was die Sache erheblich verkompliziert.

Der Energie-„Fessel“ von Drohnen ist unvermeidlich – er kann jedoch völlig schwerelos und nahezu endlos werden und die Geräte direkt mit einem reinen Laserstrahl versorgen. Ein solches Projekt wird von Vitaly Kapranov, Ivan Matsak und einer Gruppe junger Ingenieure des Innovative Projects Committee (KIPM) von RSC Energia entwickelt. „Unsere Technologie kann dafür sorgen, dass Drohnen rund um die Uhr funktionieren, ohne dass sie aufgeladen werden müssen“, sagt Ivan.

In der Pause

Bis vor kurzem machte die Energieübertragung mittels Laser wenig Sinn: Ihr Wirkungsgrad betrug nur 10–20 %. Unter Berücksichtigung der Verluste bei der Übertragung und Umwandlung der Lichtenergie in Strom erreichte der Empfänger bestenfalls einige Prozent der ursprünglichen Leistung. Erst in den 2000er Jahren begann sich die Situation zu ändern: Es erschienen Infrarotlaser mit einem Wirkungsgrad von bis zu 40-50 % und hocheffiziente Photovoltaikmodule auf Basis von Galliumarsenid, die bis zu 40 %, teilweise sogar bis zu 70 % umwandeln konnten Strahlungsenergie in Strom um.

„Das Einzige, was gravierend störte, war die Schmiede: Als sie in Betrieb ging, lief der Strahl aufgrund der starken Rauchentwicklung nicht mehr durch.“

Dies hat zu einem großen Trend zur Entwicklung autonomer Drohnen geführt, die in der Lage sind, ihren Energiebedarf vollständig aus den an Bord befindlichen Solarpaneelen zu decken. Allerdings emittiert die Sonne große Auswahl Wellen, und die Panels müssen „universal“ gemacht werden, damit sie Photonen unterschiedlicher Energie einfangen können. Mit einem Laserstrahl können Sie viel effizienter arbeiten: Er hat eine genau definierte Frequenz und ermöglicht es Ihnen, das Fotozellenmaterial im Voraus so auszuwählen, dass Photonen genau dieser Wellenlänge die maximale Anzahl an Elektronen daraus herausschlagen. Dies erhöht die Effizienz des Energiesystems und reduziert dessen Größe und Gewicht.

Das Projekt, an dem Kapranov, Matsak und ihre Kollegen arbeiten, nutzt Infrarotlaser mit zwei Wellenlängen – 808 und 1064 nm – zur Energieübertragung. Der 808-nm-Strahl zielt auf Galliumarsenid-Solarzellen mit einem Energieumwandlungswirkungsgrad von bis zu 40 %. Diese Wellenlänge ist jedoch nur auf kurze Entfernungen gut: Bereits in einer Entfernung von einem Kilometer wächst der Strahl zu einem meterlangen, verschwommenen Fleck. „Bei 1064 nm verlieren wir 10 % Effizienz, aber bei einem Kilometer erzeugt der Strahl einen Fleck von nur 3 cm“, erklärt Kapranov.

Eine Ladestation mit Leitsystem kann die Drohne kontinuierlich mit Strom versorgen, wenn sie nicht außer Sichtweite fliegt oder wenn das Gerät eine bestimmte Route abfährt und an einem bestimmten Punkt seiner Flugbahn wieder aufgeladen wird. Bei Bedarf können Sie so das UAV tagelang in der Luft halten und erhalten in vielen Fällen eine günstige Alternative zu einem Raumschiff.

Von Dach zu Dach

Russische Ingenieure sind nicht die ersten, die an Laserstromleitungen arbeiten. In den Jahren 2011-2012 demonstrierte das Unternehmen Laser Motive eine solche Entwicklung mit einer Drohne mit einer herkömmlichen Solarbatterie, bei der die Effizienz der Energieumwandlung sehr gering war. „Sie zeigten große Erfolge und gewannen den NASA Space Elevator-Wettbewerb“, bemerkt Vitaly Kapranov. „Das ist für uns ein Signal: Wir dürfen keine Zeit verlieren.“

Bisher haben Ingenieure des Energia Innovation Projects Committee bereits ein Laserstrahlführungssystem entwickelt, das die Drohne feinfühlig am Ziel hält. Es überwacht das Gerät und konzentriert sich dabei auf die Reflexion des Signals eines schwachen „Navigations“-Lasers von einem Eckreflektor am Körper mit einer Genauigkeit von 0,1°. Für die weitere Orientierung sorgt ein Miniaturspiegel im optischen System der „Laserkanone“. Es ermöglicht Ihnen, die Richtung des Strahls mit einer Genauigkeit von Tausendstel Grad zu ändern, sich auf den Energiefluss von den Fotodetektorzellen zu konzentrieren und das maximale Niveau der empfangenen Energie zu erreichen. Diese Ausrüstung wurde bereits in bodengestützten Experimenten getestet – auf den Dächern zweier Energia-Arbeitsgebäude in Korolev bei Moskau, die 1,5 km voneinander entfernt waren. „Wir konnten sowohl bei Regen als auch bei Nebel Energie übertragen. Nur die Schmiede störte ernsthaft: Als sie ihre Arbeit aufnahm, hörte der Strahl aufgrund der starken Rauchentwicklung auf, weiterzufahren. Und in der restlichen Zeit hat alles funktioniert, wir haben unseren Kollegen angeboten, ihre Telefone aufzuladen“, sagt Kapranov.

Monochromatische Strahlung (809 nm), Empfänger mit konzentrierender Optik, Parallelschaltung von Fotozellen.

„Die Haupthindernisse für die Strahlausbreitung in der Atmosphäre liegen an der Oberfläche: Staub, Rauch, Luftvibrationen von beheizten Dächern“, erklärt der Entwickler. „Außerdem sind die Turbulenzzellen selbst meist quer und nicht entlang der Oberfläche ausgerichtet. Wenn wir also vertikal strahlen würden, gäbe es viel weniger Störungen.“ Ingenieure gehen davon aus, dass sie bereits im nächsten Jahr, 2017, das erste Experiment mit einer echten Drohne durchführen und in weiteren zwei bis drei Jahren auf den Markt kommen und einfach Laserenergieübertragungsstationen mit oder ohne Drohnen vermieten können. Doch ihre Pläne gehen noch höher.

Vor der Umlaufbahn

Im Weltraum wird die Laserenergieübertragung sogar noch effizienter sein als in der Luft: Es gibt fast nichts, was Strahlung absorbieren und streuen könnte. Heutzutage beziehen viele Raumschiffe ihre Energie aus Sonnenkollektoren, aber ihre riesigen „Flügel“ im Weltraum verursachen viele Probleme. „Die Größe der Panels ist proportional zum Strombedarf“, sagt Ivan Matsak. - Sie brauchen viel Energie – Sie brauchen große Batterien. Die Masse des Raumfahrzeugs wächst, die Treibstoffmasse nimmt zu und die Nutzlast nimmt ab.“

Durch den photoelektrischen Effekt wird Licht in Fotozellen in Elektrizität umgewandelt: Hochenergetische Photonen „schlagen“ Elektronen aus dem Material heraus und erzeugen so einen Strom. Verschiedene Halbleiter unterscheiden sich in ihrer Lichtumwandlungseffizienz und unterschiedlichen Empfindlichkeit gegenüber Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge. Allgemein, Sonnenkollektoren Sie werden aus Silizium hergestellt, es ist kostengünstig, wandelt aber meist nicht mehr als 10 % der Energie des einfallenden Lichts in Strom um. Galliumarsenid (GaAs) ist teurer, aber auch wirksamer. Im Infrarotbereich, bei einer Wellenlänge von etwa 808 nm, erreicht seine Leistung 60 %.

Darüber hinaus gibt es bei einigen Satelliten einfach keine Möglichkeit, Sonnenkollektoren anzubringen. Die Abmessungen moderner Mikrosatelliten werden in Dutzenden von Zentimetern gemessen und können bestenfalls einige Quadratdezimeter aufnehmen Solarplatten. Konstrukteure müssen um jedes verbrauchte Watt kämpfen, und es kommt nicht in Frage, solche Geräte energieintensiv zu belasten (z. B. einen elektrischen Antriebsmotor zur Aufrechterhaltung der Umlaufbahn). Mikrosatelliten leben typischerweise mehrere Monate, erfüllen ihre Mission und verglühen in der Atmosphäre. Sie könnten jedoch direkt von der ISS aus mit einem Laser aufgeladen werden, was ihre Lebensdauer verlängert.

Und diese Idee wird in den kommenden Jahren getestet. Das von Ivan Matsak und seinen Kollegen entwickelte Weltraumexperiment Pelican wird eine neue Möglichkeit testen, Energie vom russischen Segment der ISS auf das Frachtschiff Progress zu übertragen. In einer Entfernung von 1 km hat der Punkt des Laserstrahls einen Durchmesser von 30–40 cm und fällt auf einen Fotodetektor derselben Größe. Um Energie von der Erde zu übertragen, ist ein zusätzliches Fokussierungssystem erforderlich – diese Rolle kann laut Wissenschaftlern ein gewöhnliches Teleskop mit einem Spiegel von etwa 2 m Durchmesser übernehmen.

Wissenschaftler prüften die Möglichkeit, ein solches System zur Stromversorgung eines typischen großen Satelliten zu nutzen. „Nehmen wir ein Gerät wie Resurs-P“, erklärt Vitaly Kapranov. — Seine Solarpaneele mit einer Fläche von 5 x 5 m können durch einen Receiver mit den Maßen 1 x 1 m ersetzt werden und erhellen den Satelliten zusätzlich um das Eineinhalbfache. Das heißt, wir könnten den Energiebedarf der Rakete, die sie abfeuert, reduzieren oder mehr Geräte bereitstellen.“

Aber Ingenieure sind bereit, noch weiter zu gehen und ein ganzes Kraftwerk ins All zu schicken – einen Satelliten mit einem leistungsstarken Kraftwerk auf Basis eines Kernreaktors und eines Laserenergiesenders. Ein solches Gerät wird in der Lage sein, viele Satelliten gleichzeitig anzutreiben – zum Beispiel eine Flotte interorbitaler Schlepper, die die schwersten Telekommunikationssatelliten in hohe Umlaufbahnen befördern. Theoretisch könnten solche Kraftwerke Forschungsrover auf anderen Planeten mit Energie versorgen. „Wir arbeiten auch an solchen Projekten“, versicherten uns die RKK-Ingenieure.

Variationen zum Thema Weltraum-Laserkommunikation

• Kosmonautik *

Eines der aktuellen Themen in der kommerziellen Raumfahrt, und nicht nur das, ist das Thema Laserkommunikation. Der Nutzen ist bekannt, Tests wurden durchgeführt und waren erfolgreich bis sehr erfolgreich. Falls jemand die Vor- und Nachteile nicht kennt, werde ich sie kurz skizzieren.

Die Laserkommunikation ermöglicht im Vergleich zur Funkkommunikation die Übertragung von Daten über deutlich größere Entfernungen; auch die Übertragungsgeschwindigkeit ist aufgrund der hohen Energiekonzentration und einer um Größenordnungen deutlich höheren Trägerfrequenz höher. Auch Energieeffizienz, geringes Gewicht und Kompaktheit sind um ein Vielfaches oder Größenordnungen besser. Abgesehen von den Kosten: Im Prinzip kann ein gewöhnlicher chinesischer Laserpointer mit einer Leistung von etwa 1 W oder mehr durchaus für die Laserkommunikation im Weltraum geeignet sein, was ich im Folgenden beweisen möchte.

Von den Minuspunkten können wir zunächst die Notwendigkeit einer wesentlich genaueren Führung der Empfangs- und Sendemodule im Vergleich zur Funkkommunikation erwähnen. Nun, es gibt bekannte atmosphärische Probleme mit Bewölkung und Staub. Tatsächlich lassen sich all diese Probleme leicht lösen, wenn man sie direkt angeht.

Schauen wir uns zunächst an, wie das Empfangsmodul funktioniert. Es handelt sich um ein spezialisiertes (nicht immer) Teleskop, das Laserstrahlung einfängt und in elektrische Signale umwandelt, die dann mit bekannten Methoden verstärkt und in elektrische Signale umgewandelt werden nützliche Informationen. Die Kommunikation muss natürlich, wie überall sonst auch, digital und dementsprechend vollduplex erfolgen. Aber sollte es ein Laser in beide Richtungen sein? Absolut nicht notwendig! Warum das so ist, wird uns klar werden; wir müssen uns nur überlegen, wie sich Empfangs- und Sendegeräte für die Laserkommunikation unterscheiden und wie die Anforderungen an die Gewichts- und Größenparameter von Kommunikationsgeräten auf Orbitalraumfahrzeugen (oder Weltraumraumfahrzeugen) und anderen sind bodengestützte Komplexe.

Wie bereits erwähnt, ist der Empfangskomplex ein Teleskop. Mit Linsen und (oder) Reflektoren, einem System zu deren Befestigung und Ausrichtung des Teleskops. Und das bedeutet eine schwere und sperrige Bauweise – was für ein Raumschiff völlig inakzeptabel ist. Denn für ein Raumschiff muss jedes Gerät möglichst leicht und kompakt sein. Was durchaus typisch für einen LI-Sender ist – moderne PP-Laser in der Größe und dem Gewicht eines Füllfederhalters hat wohl jeder schon einmal gesehen. Nun ja, es stimmt, dass die Stromversorgung für einen echten Laser, der kein Spielzeug ist, mehr wiegt, aber für digitale Funkkommunikationssysteme wird sie aufgrund der viel geringeren Energieeffizienz noch mehr wiegen.

Was folgt daraus? Das bedeutet, dass es überhaupt nicht notwendig ist, Daten mit einem Laser in beide Richtungen zu übertragen, es reicht aus, sie nur vom Satelliten auf einem optischen Kanal und wie bisher über einen Funkkanal zum Satelliten (SC) zu übertragen. Das bedeutet natürlich, dass man für den Empfang weiterhin eine gerichtete Parabolantenne verwenden muss, was dem Gewicht des Raumfahrzeugs nicht zugute kommt. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Empfangsantenne wie auch der Empfänger selbst immer noch ein Vielfaches weniger wiegt als die Sendeantenne. Weil wir die Leistung eines bodengestützten Senders um Größenordnungen steigern können als die eines Raumfahrzeugs, was bedeutet, dass wir keine große Antenne benötigen. In manchen Fällen wird eine Richtantenne überhaupt nicht benötigt.

Das. Wir haben das Gewicht des Raumfahrzeugs fast um ein Vielfaches reduziert, ebenso wie den Energieverbrauch. Dies ist ein direkter Weg zur Möglichkeit der universellen Nutzung von Mikrosatelliten für Kommunikation, Weltraumforschung und andere Zwecke, was eine starke Reduzierung der Weltraumkosten bedeutet. Aber das ist nicht alles.

Betrachten wir zunächst eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, einen Laserstrahl von einem Satelliten auf einen bodengestützten Empfänger zu richten. Auf den ersten Blick ist das Problem schwerwiegend und in manchen Fällen völlig unlösbar (wenn sich der Satellit nicht an einer geostationären Station befindet). Die Frage ist jedoch: Ist es notwendig, den Strahl auf den Empfänger zu richten?

Es gibt ein bekanntes Problem – die Divergenz und Abschwächung des Laserstrahls beim Durchgang durch die Atmosphäre. Das Problem verschärft sich besonders, wenn der Strahl Schichten unterschiedlicher Dichte durchdringt. Beim Durchgang durch die Grenzfläche zwischen Medien entsteht ein Lichtstrahl, inkl. und der Laserstrahl erfährt besonders starke Brechungen, Streuungen und Schwächungen. In diesem Fall können wir eine Art Lichtfleck beobachten, der gerade beim Passieren einer solchen Grenzfläche zwischen den Medien entsteht. In der Erdatmosphäre gibt es mehrere solcher Grenzen – in einer Höhe von etwa 2 km (aktive wetteraktive Atmosphärenschicht), in einer Höhe von etwa 10 km und in einer Höhe von etwa 80-100 km, also bereits an der Grenze zum Weltraum . Die Höhen der Schichten sind für mittlere Breiten im Sommer angegeben. Für andere Breitengrade und andere Jahreszeiten können die Höhen und die Anzahl der Schnittstellen zwischen den Medien stark von den beschriebenen abweichen.

Das. Beim Eintritt in die Erdatmosphäre verliert ein Laserstrahl, der zuvor Millionen von Kilometern ohne Verluste (außer vielleicht einer leichten Defokussierung) in aller Ruhe zurückgelegt hat, innerhalb weniger Dutzend Kilometer den Löwenanteil seiner Leistung. Allerdings können wir diese scheinbar schlechte Tatsache durchaus zu unserem Vorteil nutzen. Denn diese Tatsache ermöglicht es uns, auf eine ernsthafte Ausrichtung des Strahls auf den Empfänger zu verzichten. Denn als solchen Empfänger bzw. primären Empfänger können wir die Erdatmosphäre selbst bzw. genau diese Grenzen zwischen Schichten und Umgebungen nutzen. Wir können das Teleskop einfach auf den resultierenden Lichtfleck richten und daraus Informationen ablesen. Dies führt natürlich zu einer erheblichen Erhöhung der Interferenzen und einer Verringerung der Datenübertragungsgeschwindigkeit. Und tagsüber wird es aus offensichtlichen Gründen völlig unmöglich sein – die Sonne! Aber wie sehr können wir die Kosten eines Satelliten senken, indem wir das Leitsystem einsparen! Dies gilt insbesondere für Satelliten in instationären Umlaufbahnen sowie für Raumfahrzeuge zur Weltraumforschung. Wenn man außerdem bedenkt, dass Laser selbst mit einem so minderwertigen und nicht schmalen Frequenzband wie chinesische Laser durchaus realistisch aus Interferenzen herausgefiltert werden können, indem Lichtfilter oder Schmalfrequenz-Fotodetektoren verwendet werden.

Nicht weniger relevant könnte der Einsatz von Laserkommunikation nicht für den Weltraum, sondern für den Boden sein Fernkommunikation auf ähnliche Weise wie die troposphärische Kommunikation. Damit ist die Übertragung von Daten per Laser gemeint, die auch atmosphärische Streuung an den Grenzflächen atmosphärischer Schichten von einem Punkt der Erdoberfläche zum anderen nutzt. Die Reichweite einer solchen Kommunikation kann Hunderte und Tausende von Kilometern betragen, bei Verwendung des Relaisprinzips sogar noch mehr.

Schlagworte: Laserkommunikation, Weltraum