ВВЕДЕНИЕ Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и Мобильные роботы имеют широкое применение в разных отраслях промышленности и хозяйства. Они не заменимы: при ликвидации аварий на атомных электростанциях, при поиске и обнаружении обьектов, при диагностике неисправностей в коммуникациях и их устранении. Широкое применение мобильных роботов наблюдается в исследовании морского дна на больших глубинах. В авиации используются беспилотные роботы для наблюдения за территорией, ведения разведывательной деятельности и мониторинга экологии. За последнее время робототехника в разделе мобильных роботов развивается бурными темпами. Рынок продаж мобильных роботов в 2000 г. составлял 655 млн. долларов и достигнет 17 миллиардов долларов в 2005 г. В условиях переменных параметров, решение задачи устойчивого доведения управляющей информации по каналам связи требует разработки надежных и адаптивных технологий, способных эффективно справляться с изменчивостью окружающей среды. В последнее время технология атмосферных оптических линий связи или беспроводные оптические каналы связи (ОКС) стали предметом широкого внимания и активного развития. Эта инновационная область связи предлагает перспективные решения для передачи данных с высокой пропускной способностью. Указанная технология приобретает особую значимость в контексте организации каналов управления для роботов и беспилотных аппаратов. Эти высокотехнологичные системы требуют эффективных и надежных методов передачи данных для обеспечения мгновенного и точного взаимодействия между операторами и автономными устройствами. ОКС предоставляет перспективные решения, обеспечивая высокие скорости передачи данных и минимизируя задержки, что критически важно для управления роботами, искусственным интеллектом и беспилотными технологиями в реальном времени. Данное направление развития не только улучшает эффективность беспроводной связи, но также открывает новые горизонты для развития автономных систем в различных областях, включая промышленность, медицину и военные технологии. В этом контексте следует рассмотреть ключевые инновации и вызовы, стоящие перед внедрением ОКС с учетом перспективных возможностей для будущего развития. Технология оптической передачи данных базируется на передаче сообщений путем модуляции излучения в инфракрасной части спектра через атмосферу, с последующим обнаружением сигнала фотоприемным устройством (УФП). Процесс модуляции позволяет кодировать данные в излучении, а оптическое фотоприемное устройство восстанавливает их приемлемым образом. Такой подход гарантирует высокую пропускную способность и минимизацию воздействия внешних факторов. Оптический канал передачи информации предоставляют ряд ключевых преимуществ, среди которых выделяются: 1. Высокая пропускная способность. Современные решения ОКС предоставляют удивительные возможности, обеспечивая передачу цифровых потоков со скоростью до 10 Гбит/с при невероятно низком уровне битовых ошибок, достигающем 10^-9. Достижение подобных высоких стандартов производительности в настоящее время остается недостижимым для других беспроводных технологий. 2. Высокая степень защищенности от несанкционированного доступа и обеспечивает полную скрытность. Отсутствие заметных внешних признаков, прежде всего, в форме электромагнитного излучения, гарантирует не только конфиденциальность передаваемой информации, но и строгую секретность самого процесса информационного обмена. 3. Высокий уровень устойчивости к помехам и защищенности от них характеризует оборудование ОКС. Это оборудование не только не подвержено воздействию радиопомех, но и не генерирует их самостоятельно. 4. Высокая скорость и легкость развертывания оптического канала предоставляют эффективное решение для оперативного внедрения. 5. Малые задержки. Сигналы в оптических системах связи распространяются с практически минимальными задержками, что важно для приложений, требующих быстрого отклика. Помимо основных преимуществ беспроводных оптических систем, существуют и их очевидные недостатки: - Зависимость доступности канала связи от погодных условий, что может привести к временным нарушениям связи в случае плохих погодных условий. - Необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приемником, что ограничивает возможность использования в местах с препятствиями или плохой видимостью. - ограниченная дальность связи Неблагоприятные погодные условия, такие как дождь, снег, туман, а также атмосферные частицы, такие как песчаная пыль, городской смог и различные виды аэрозолей, могут существенно ограничить видимость и, следовательно, снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. В случае сильного тумана, затухание сигнала в оптическом канале может достигать критических значений от 50 до 100 дБ/км. Для обеспечения высокой надежности канала связи в условиях, где требуется оперативное принятие решений, необходимо прибегать к использованию гибридных решений. Гибридные каналы связи на основе оптических и радио технологий основывается на использовании резервного радиоканала (радиоканал миллиметрового диапазона радиоволн - Е-диапазопа 81-86 ГГц, 71-76 ГГц) совместно с оптическим каналом. Для таких радиоканалов наибольшую проблему представляют дождь, град и мокрый снег, значительно уменьшая мощность сигнала в радиоканале. Особенно важно отметить, что туман не оказывает значительного влияния на функционирование миллиметрового радиоканала, т.к. повышенная влажность вызывает затухание менее чем 5 дБ/км. Основное достоинство такого решения в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях. Современный уровень технологического развития позволяет создавать надежные и безопасные каналы связи на протяжении впечатляющего диапазона расстояний — от 100 метров до 10 километров. Актуальность исследования Технология атмосферных оптических линий связи или оптический канал связи (ОКС) получила широкое распространение в последнее время. Указанная технология основывается на передаче данных модулированным излучением в инфракрасной (или видимой) части спектра через атмосферу и их последующим детектированием оптическим фотоприемным устройством. При этом в качестве излучателя обычно используются инфракрасные лазеры класса 1 или 1М (к лазерам 1 -го класса относят полностью безопасные лазеры, выходное коллимированное излучение которых не представляет опасности при облучении глаз и кожи); для низкоскоростных коммуникаций на небольшие расстояния могут использоваться светодиоды. В качестве приемника используются лавинные или кремниевые фотодиоды. К основным преимуществам атмосферных оптических линий связи относятся: - высокая пропускная способность и качество цифровой связи. Современные FSO-решения могут обеспечить скорость передачи цифровьгх потоков до 10 Гбит/с при показателе битовых ошибок 10"'^ , что в настоящее время невозможно достичь при использовании любых других беспроводных технологай; - отсутствует необходимость получения разрешения на использование частопюго диапазона. FSO-системы используют инфракрасный диапазон электромагнитного спектра далеко за границей 400 ГГц (определенной как верхняя граница для радиочастотного регулирования на территории РФ), поэтому никаких лицензий и специальных разрешений не требуется; - высокая защищенность канала от несанкционированного доступа и скрытность. Перехватить сигнал можно, только установив сканерыприемники непосредственно в узкий луч от передатчиков. Реальная сложность выполнения этого требования делает перехват практически невозможным. Отсутствие ярко выраженных внешних признаков (в основном, это электромагнипюе излучение) позволяет скрьггь не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена; - высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности. FSOоборудование невосприимчиво к радиопомеха.м и само их не создает; - возможность установить лазер]1уто атмосферную линию там, где затруднительно проложить проводную линию связи. Например, в плотной городской застройке, через железную дорогу или автомагистраль, через природные преграды (реки, озера, горную местность и т.д.); - скорость и простота развертыва\u1097 щя FSO-сети. Благодаря своим преимуществам АОЛС-технология позволяет решать проблемы «последней мили», развивать городские сети передачи данных и голоса, осуществлять подключение домашних сетей или офисов к сети Интернет, а также организовывать резервные каналы связи или расширять существующие каналы при высокой степени защищенности. Наряду с основпьши преимуществами беспроводных оптических систем известны и их главные недостатки: - зависимость доступности канала связи от погодных условий; необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приемником; - ограниченная дальность связи. Неблагоприятные погодные условия, такие как дождь, снег, туман (а также песчаная пьшь, городской смог и различные виды аэрозолей), могут значительно ухудшить видимость и таким образом снизить эффективный диапазон работы лазерных атмосферных линий связи. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50100 дБ/км. Поэтому, чтобы достичь операторских (или близких к ним) значений надежности FSO канала связи, необходимо прибегать к использованию гибридных решений. Гибридное радио-оптическое оборудование основывается на использовании резервного В других работах, например, Nadeem F. и др., исследуется выбор оптимального алгоритма переключения между основным и резервным каналом. В части работ, например, Sana И., Егкап S., и др., исследуется какой режим работы гибридной системы будет наиболее эффективным в той или иной ситуации. Основной вклад в исследование этих систем внесли следующие отечественные и зарубежные авторы: Вишневский В. М., Семе1юва О. В., Leigeb В., Awan M. S. Однако в большинстве статей авторы не приводят комплексного исследования всех характеристик, зачастую ограничиваясь лишь оценкой стационарных характеристик надежности гибридного канала. В связи с возросшим интересом к гибридным системам в последние годы появилось немал работ исследующих их характеристики. Основное достоинство такого решения в том, что это высокоскоростные беспроводные системы операторского класса, надежно функционирующие в любых погодных условиях. радиоканала (беспроводный канала, функционирующий под управлением протокола IEEE 802.11 и/или радиоканал миллиметрового диапазона радиоволн - Е-диапазопа 81-86 ГГц, 71-76 ГГц) совместно с оптическим каналом. Заметим, что большинство работ, исследующих модели гибридного канала, связаны главным образом с имитационным моделированием: Akbulut Д., Gokhan H., Ari Р., Derenick J., Thome С., Spletzer J., Letzepis N., Ngyen K. D. и др., Leitgeb E. и др. Среди работ, посвященных построению математических моделей и их анализу, необходимо отметить работу Nadeem F., Leitgeb E., и др., однако и здесь авторы ограничиваются лишь нахождением вероятности нарушения связи в оптическом канале. В рамках данного диссертационного исследования впервые было проведено комплексное математическое исследование гибридиой системы связи, включающей атмосферную оптическую линию связи и резервный радиоканал, функционирующий под управление протокола IEEE 802.1 In (холодный резерв), или резервный канал миллиметрового диапазона радиоволн (горячий резерв); разработаны математические модели для анализа эффективности работы комбинированных приемопередатчиков, позволяющие оценивать основные характеристики надежности и производителыюсти, включая среднюю пропускную способность устройства, вероятность недоступности канала из-за ухудшения погодных условий, среднюю длину очередей пакетов и т.д.