Приемопередатчик атмосферной оптической линии связи

Аннотация В данном дипломном проекте разрабатывается приемопередатчик атмосферной оптической линии связи. Устройство обеспечивает связь на скорости до 1 Гбит/с. Связь с компьютером осуществляется с использованием стандарта IEEE 802.3ab. Данное устройство в основном применяется в корпоративных сетях и операторами связи.

The summary

In this capstone project designed transceiver atmospheric optical communication line. The device provides connectivity at speeds up to 1 Gbit / s. Communication with the computer using a standard IEEE 802.3ab. This device is mainly used in corporate networks and operators.

Введение

Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применявшуюся в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи. Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване. В целом, испытания были успешными, но на тот момент специалисты посчитали, что плохие погодные условия делают лазерную связь ненадёжной, и она была признана неперспективной. Использование сигналов с непрерывной (аналоговой) модуляцией, применявшейся в те годы, приводило к ненормированному затуханию оптического сигнала из-за влияния атмосферы.

Современное широкое распространение атмсофреной лазерной связи во многих странах мира началось в 1998 году, когда были созданы недорогие полупроводниковые лазеры мощностью в 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигнала позволило избежать ненормированного затухания сигнала и выполнять повторную передачу пакета информации при обнаружении ошибки. В это же время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема «последней мили» (подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю). Прокладка новых кабельных сетей требует крупных капиталовложений, а в ряде случаев, особенно в условиях плотной городской застройки, очень трудна или даже невозможна. Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.

Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий — железных дорог, рек, гор и т. д. Беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам, в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов, повышенным энергопотреблением. Кроме того, для радиосвязи необходимо длительное согласование и регистрация с назначением частот органами Госсвязьнадзора РФ, арендная плата за канал, обязательная сертификация радиооборудования Государственной комиссией по радиочастотам. Применение лазерных средств снимает этот сложный вопрос. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование, во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.

Основные свойства лазерных систем:

1. Практически абсолютная защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов

2. Высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с)

3. Отсутствие ярко выраженных демаскирующих признаков (в основном, побочных электромагнитных излучений) и возможность дополнительной маскировки, позволяющей скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена.

4. Кроме того, многие специалисты отмечают биологическую безопасность этих систем, так как средняя плотность мощности излучения в лазерных системах различного назначения примерно в миллион раз меньше облученности, создаваемой Солнцем, а также простоту принципов их построения и функционирования, относительно малую стоимость по сравнению с традиционными средствами передачи информации аналогичного назначения.

Таким образом, связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и наиболее просто и эффективно решает проблему «последней мили». Системы атмосферной лазерной связи могут использоваться не только на «последней миле» каналов связи, но также и в качестве вставок в волоконно-оптические линии на отдельных труднопроходимых участках; для связи в горных условиях, в аэропортах, между отдельными зданиями одной организации (органы управления, торговые центры, промышленные предприятия, университетские городки, больничные комплексы, стройплощадки и т. д.); при создании разнесенных в пространстве локальных компьютерных сетей; при организации связи между центрами коммутации и базовыми станциями сотовых сетей; для оперативной прокладки линии при ограниченном времени на монтаж. Поэтому в последнее время возрастает интерес к этому виду связи. 1]

1. Технико-экономическое обоснование темы С конца прошлого столетия наблюдается заметный прогресс элементной базы устройств оптического диапазона. Как следствие, в нем стали быстро развиваться и некоторые технические приложения. В первую очередь это относится к атмосферным оптическим линиям связи (АОЛС).

Такие неоспоримые преимущества АОЛС, как большая информационная емкость, малые габариты и вес аппаратуры, отсутствие взаимных помех и необходимости получать разрешение на использование частот, возможность организации связи на территории, где недоступна или не оправдана радиои оптоволоконная связь, относительно низкая стоимость, быстрота развертывания связи, простота обслуживания, привели к тому, привели к тому, что атмосферные линии связи заняли определенное место среди других систем передачи информации.

Области применения АОЛС — распределенные кампусные и корпоративные сети (LAN), городские мультисервисные высокоскоростные сети (MAN), телефонные сети общего пользования. 2]

Целью данного дипломного проекта является разработка приемопередающего модуля (ППМ) АОЛС, обеспечивающего передачу информации со скоростью 1 Гбит/c при доступности связи не менее 99%. Данные модули обычно используются в корпоративных сетях или операторами связи и имеют относительно небольшую стоимость.

С точки зрения экономической части, разрабатываемый ППМ является узкоспециализированным, но указанные выше достоинства данного вида связи позволяет ему успешно конкурировать с другими видами телекоммуникаций и быть более выгодным вложением средств.

2. Составление технических условий и их обоснование В данном дипломном проекте требуется разработать приемопередающее устройство атмосферной оптической линии связи.

Требуется выбрать длину волны излучения, чтобы она имела минимальное затухание в атмосфере и была доступная элементная база. Дальность связи обеспечивается исходя из мощности передатчика, а скорость передачи обеспечивается быстродействием используемых элементов. Требования по мощности засветки предполагают использование оптических фильтров на приемной стороне.

Протокол приемапередачи данных GbE 1000 Base-T требует согласующего устройства, выполняющее кодированиедекодирование сигнала.

Устройство питается от сети 220 В 50Гц, поэтому необходимо использовать ACDC преобразователь напряжения.

Приемопередающий модуль располагается на улице и подвержен влиянию погодных условий, поэтому требуется обеспечить защиту внутреннего содержимого устройства от пыли, влаги, но при этом требуемую для нормальной работы устройств температуру.

3. Теоретическая часть

3.1 Передача сигналов ИК диапазона через атмосферу Закон Бугера-Ламберта-Бера:

Это закон, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде. Закон выражается следующей формулой Гдесоотношение между интенсивностью пучка на расстоянии х, к изначальной интенсивности входящего пучка, — коэффициент ослабления.

Коэффициент ослабления — коэффициент, характеризует свойства вещества. зависит от длины волны? поглощаемого света. Эта зависимость называется спектром поглощения вещества.

Коэффициент ослабления является суммой четырех отдельных параметров: молекулярного и аэрозольного коэффициентов рассеяния ?, и молекулярного и аэрозольного коэффициента поглощения ?, каждый из которых является функцией от длины волны.

Таким образом Эта формула показывает, что общий коэффициент ослабления является результатом суперпозиции различных поглощающих и рассеивающих процессов[22]

— коэффициент молекулярного поглощения (N2, O2, H2О и т. д)

— коэффициен поглощения в аэрозолях (пыль дымка и т. д)

— коэффициент рэлеевского рассеяния, в результате взаимодействия света с частицами меньше, чем длина волны

— коэффициент Ми рассеяния, в результате взаимодействия света с частицами того же порядка величины, что и длина волны [7]

Рассеяние:

Явление рассеяния связано с корпускулярной природой света. Рассеяние света может существенно повлиять на производительность FSO системы. Рассеяние света не связано с потерей энергии за счет процесса поглощения света. Скорее, это можно описать как перенаправление или перераспределение света, которое может привести к значительному сокращению получаемой интенсивности света на приемной стороне.

Существует несколько «режимов» рассеяния в зависимости от характеристик размера частиц ®, которые свет встречает на своем пути. Данные режимы описываются следующим выражением, где — длина волны, а r — радиус частицы. Для — рассеяние в релеевском режиме (Рэлеевское рассеяние); - рассеяние в Ми режиме (рассеяние Ми), и для — рассеяние может быть обрабатываться с использованием геометрической оптики[4]

Рэлеевское (молекулярное) рассеяние:

Рэлеевское рассеяние обусловлено флуктуациями плотности атмосферы, а также рассеянием на малых частицах, для которых параметр. Это явление характеризуется упругим взаимодействием. Угловое распределение рассеянного излучения в этом случае близко к изотропному. 4] Классическая формула Рэлея для сечения рассеяния выглядит следующим образом Где fсила осциллятора, — длина волны, соответствующая собственной частоте осциллятора, -длина волны рассеиваемого света, e — заряд электрона, c — скорость света, m — масса осциллирующего объекта, -диэлектрическая проницаемость вакуума. Таким образом, сечение рассеяния обратно пропорционально четвертой степени длины волны рассеиваемого света[4]. Зависимость сечения рассеяния от длины волны представлена на рисунке 1

Рисунок 3.1 Зависимость рэлеевского сечения рассеяния от длины волны Ми (аэрозольное) рассеяние:

Аэрозольное рассеяние ведется в приближении теории Ми и называется рассеяниям Ми, т. е рассеяния на частицах сферической формы, удовлетворяющих условию. Рассение Ми происходит для частиц, соизмеримых с длиной волны. В ближней инфракрасной зоне туман, дымка и загрязнение окружающей среды (аэрозоли) являются основными источниками рассеяния Ми. При сравнении теории с экспериментом возникают проблемы. Т. к поглощение доминирует в спектре, данные должны быть собраны в диапазонах длин волн, находящихся в окнах прозрачности, с предположением, что происходит только рассеяние. Кроме того, так же должно быть известно распределение частиц. Для аэрозолей это распределение зависит от места, времени, относительной влажности, скорости ветра и т. д. Упрощенная эмпирическая формула, использующая в FSO для расчета коэффициента ослабления из-за рассеяния Ми[3]

В этой формуле, V — видимость, -длина передающей волны. Данная формула не дает требуемой точности, которую можно получить с использованием моделирования и метеорологических данных, но может быть использована для первоначальной оценки потерь.

Поглощение:

Атомы и молекулы характеризуются показателем преломления. Мнимая часть показателя преломления k, связана с коэффицентом поглощения? следующим соотношением Где, — сечение поглощения, — концентрация поглощающих частиц Другими словами, коэффициент поглощения является функцией силы поглощения данного вида частиц, а так же зависит от плотности этих частиц.

Окна прозрачности:

Энергетическое ослабление оптических волн за счет поглощения атмосферными газами играет чрезвычайно важную роль в диапазоне волн 0,3−15 мкм, поскольку здесь сосредоточены наиболее сильные колебательно-вращательные полюсы как основного поглощающего газа — водяного пара, так и всех других газов.

Наиболее характерная особенность этого явления связана с его исключительно высокой спектральной селективностью. Достаточно сказать, что в центрах наиболее сильных линий основных колебательно-вращательных полос поглощения водяного пара излучение полностью поглощается в слоях атмосферы толщиной порядка несколько сантиметров. В то же время в окнах прозрачности солнечное излучение поглощается вертикальным столбом атмосферы при средний условиях не более чем на один-два десятка процентов.

Спектры поглощения атмосферных газов состоят из огромного количества линий, полуширины которых имеют порядок величины, т. е в пределах столько узких участков спектра коэффициенты поглощения изменяются в 2 раза.

Общие линии поглощения в спектрах атмосферных газов вместе с их индивидуальной зависимостью от макрофизических параметров среды (общего, парциальных давлений и температуры), в свою очередь изменяющихся в широких пределах от широты, долготы, высоты и времени, делают задачу количественного определения энергетических потерь оптической волны за счет поглощения газами атмосферы исключительно сложной. 5]

В оптическом и ИК диапазонах наиболее распространенными поглощающими частицами является вода, углекислый газ и озон. Типичный спектр поглощения показан на рисунке 5.2 [8]

Поглощение определяет насколько сигнал будет ослаблен. Его можно разделить на два основных класса: молекулярные и аэрозольные поглощения.

На рисунке 5.3 показан спектр пропускания для ясного неба, со стандартной городской концентрацией аэрозолей, обеспечивающей видимость 5 км Данный график был сгенерирован с помощью Air Force’s MODTRAN программы .В расчет были включены так же поглощения в водяном паре, углекислом газе и т. д. Большое количество линий поглощения атмосферных газов и аэрозолей дает сложный спектр, со случайными окнами для FSO систем (к примеру, популярные 850 и 1550нм) [3]

Рисунок 3.2 Пропускание излучения в атмосфере.

Рисунок 3.3 Зависимость передачи от длины волны в городских условиях Аэрозоли встречаются в природе в виде метеоритной пыли, морской соли, частиц пыли, вулканического мусора и т. д. Могут быть созданы в результате техногенных химических преобразований и как промышленные отходы. На риснуке 4 представлена зависимость передачи от длины волны для городских аэрозолей[1]:

Рисунок 3.4 Зависимость передачи от длины волны для городского аэрозоля Турбулентность:

Световая волна, распространяющаяся в земной атмосфере, кроме энергетических потерь, испытывает флуктуации амплитуды и фазы, обязанные своим происхождением случайному пространственно-временному распределению показателя преломления воздуха. Последнее обусловлено турбулентными движениями в атмосфере, влекущими за собой случайное изменение температуры и связанного с ней показателя преломления[9]

Лазерные лучи испытывают три эффектра при турбулентности. Во-первых, луч может быть отклонен в случайную сторону из-за изменения преломления в элементах атмосферы. Это явление известно как дрейф луча.

Преломление через воздух работает так же, как и в любых других преломляющих средах (стеклянные линзы). Свет будет сфокусирован или расфокусирован случайным образом, в соответствии с изменениями показателя преломления на пути распространения. Во-вторых фазовый фронт пучка может варьироваться, создавая флуктуации интенсивности или мерцания (тепловая рефракция). В-третьих, луч может распространяться иначе, чем предсказывает теория дифракции. FSO системы не рекомендуется устанавливать рядом с горячими поверхностями. [3]

Интенсивность турбулентности представляется структурным параметром показателя преломления Сn2

Дрейф (блуждание) луча:

Для пучка, при наличии крупных элементов турбулентности по сравнению с диаметром пучка, геометрическая оптика может быть использована для описания радиальных отклонений (дисперсии), , как функцию от длины волны и расстояния L:

Из этого соотношения следует, что для больших длин волн, дрейф луча будет меньше, чем для коротких, хотя и зависимость от длины слабая. Несмотря на сохранение узкого пучка, на пути могут возникнуть проблемы, поэтому необходимо использовать систему слежения. [3]

Рисунок 3.5 Отклонение луча под влиянием элементов турбулентности больше, чем диаметр пучка[7]

Мерцания Из трех эффектов турбулентности, FSO наиболее страдают от мерцаний. Случайная интерференция волнового фронта может вызвать пики и провали; в результаты насыщение приемника или потеря сигнала. FSO системы, работающие у поверхности Земли испытывают максимально возможный эффект от мерцаний. Эффект мерцания для небольших колебаний следует логнормальному распределению, характеризуемого дисперсией, которая для плоской волны определяется следующим выражением:

где kволновое число. Это выражение означает, что более длинные волны испытывают большую дисперсию, при прочих равных условиях. Для FSO систем с узким, слегка расходящимися пучком, выражений для плоской волны является более целесообразным, чем для сферического пучка. Даже если волновой фронт изогнут, когда он достигает детектора, передающий пучок настолько больше детектора, что фронт волны эффективно будет плоским.

Выражения для дисперсии для больших колебаний:

предполагая, что короткие волны будут иметь меньшую дисперсию. Луч должен быть более, чем на 5 м выше улиц или других потенциальных источников тяжелых мерцаний.

Расходимость луча:

Размер пучка может быть охарактеризован эффективным радиусом, at, расстояние от центра луча (z=0), до того места, где интенсивность луча снизилась в 1/e раз. Эффективный радиус выражается следующей формулой:

Зависимость расходимости пучка от длины волны слабая. Большинство FSO систем имеют расходимость пучка около 1 м на 1 км расстояния[3]

Рисунок 3.6. Отклонение луча под влиянием элементов турбулентности меньших, чем диаметр пучка[7]

Влияние погоды:

В облаках и туманах наиболее вероятное значение радиуса частиц составляет 5−6 мкм, а в дымках на 1−2 порядка меньше. Поэтому ослабление микронного излучения в дымках ниже. Теоретически и экспериментально показано, что ослабление сигнала при дожде и снегопаде меньше, нежели при тумане (табл. 5.1).

Таблица 3.1 Ослабление излучения в диапазоне 0,85 мкм в зависимости от погодных условий На рисунке 3.7 приведены кривые ослабления лазерного сигнала по данным Информационнотехнологического центра Новосибирска.

Рисунок 5.7 Зависимость ослабления света от расстояния при различных метеофакторах: 1 — снег средней плотности (МДВ = 1 км), 2 — сильный дождь (40 мм/час), 3 — снег небольшой плотности (МДВ = 1,5 км), 5 — дымка (МДВ = 2 км), 6 — граничный уровень, 60 дБ На табл. 3.1 и рис. 3.7 видно, что главными ограничителями дальности АОЛС являются густой снег и густой туман, для которых ослабление сигнала максимально. 10]

Видимость:

Вследствие сложной структуры аэрозолей в реальной атмосфере расчет потерь излучения с приемлемой точностью чрезвычайно затруднен и на практике обычно используют интегральную характеристику пропускания атмосферы — видимость (Visibility) или метеорологическую дальность видимости (МДВ, Sm). 12]

Метеорологическая дальность видимостирасстояние, при котором под воздействием атмосферной дымки теряется видимость абсолютно чёрной поверхности, имеющей на этом расстоянии угловые размеры не менее 0,3 градуса и проектирующейся на фоне неба (дымки) у горизонта. МДВ. является условной характеристикой оптического состояния атмосферы. МДВ измеряется инструментально или визуально по заранее выбранным ориентирам.

Низкая видимость снижает эффективность и доступность системы FSO. Поэтому для проектирования таких систем требуются данные долгосрочных метеорологических наблюдений. Ухудшение видимости может произойти в течение определенного периода времени (например, утром) или в определенных районах (например, прибрежный туман). Т. о требуется индивидуальный подход к проектированию каждой системы.

Одним из решений снизить негативное влияние низкой видимости является сократить расстояние между FSO терминалами для поддержания определенного статистического показателя доступности. Это дает некоторый запас на снижение качества связи, вследствие резких изменений погодных условий. Другое решение заключается в использовании различных методов разнесенного приема Расстояние между FSO терминалами Расстояние влияет на производительность FSO систем в трех направлениях. Во-первых: в АОЛС излучение из передающих антенн выходит с некоторой угловой расходимостью, поэтому в плоскости приемных антенн, удаленных на длину линии связи, пятно излучения имеет размер, как правило, значительно превышающий размер приемной антенны. Часть энергии, которая не попадает на приемную антенну и теряется, называется геометрической потерей. Наличие таких потерь приводит к уменьшению мощности сигнала на приемнике (на 15−40 дБ) и увеличению зависимости работоспособности линии от погодных условий. 11] Во-вторых: полные потери при передаче пучка растут с увеличением расстояния. В-третьих: эффект мерцания накапливается с увеличением расстояния, что требует увеличения мощности передатчика для поддержания заданного значения BER[3]

Помехоустойчивое кодирование:

Из-за влияния тумана возникает слишком большое затухание сигнала в атмосфере. Это приводит к возрастанию вероятности ошибки на бит. В данном случае целесообразно снижать скорость передачи информации и использовать помехоустойчивое кодирование.

Повышение помехоустойчивости АОЛС в турбулентном атмосферном канале (АК) обеспечивается различными вариантами кодирования в оптическом тракте с использованием кодов Рида-Соломона. 11]

Коды Рида-Соломона (Reed-Solomon code, R-S code) — это недвоичные циклические коды, символы которых представляют собой m-битовые последовательности, где т—положительное целое число, большее 2. Код (n, K) определен на m-битовых символах при всех п и k, для которых где k — число информационных битов, подлежащих кодированию, а n — число кодовых символов в кодируемом блоке. Для большинства сверточных кодов Рида-Соломона (n, k)

где t — количество ошибочных битов в символе, которые может исправить код, а и — число контрольных символов. Расширенный код Рида-Соломона можно получить при, но не более того.

Код Рида-Соломона обладает наибольшим минимальным расстоянием, возможным для линейного кода с одинаковой длиной входных и выходных блоков кодера. Для недвоичных кодов расстояние между двумя кодовыми словами определяется (по аналогии с расстоянием Хэмминга) как число символов, которыми отличаются последовательности. Для кодов Рида-Соломона минимальное расстояние определяется следующим образом .

Код, который исправляет все искаженные символы, содержащие ошибку в t или меньшем числе бит, где t приведено в уравнении, можно выразить следующим образом.

Здесь [x] означает наибольшее целое, не превышающее х. Из уравнения видно, что коды Рида-Соломона, исправляющие t символьных ошибок, требуют не более 2t контрольных символов. Из уравнения следует, что декодер имеет п-k «используемых» избыточных символов, количество которых вдвое превышает количество исправляемых ошибок. Для каждой ошибки один избыточный символ используется для обнаружения ошибки и один — для определения правильного значения. Способность кода к коррекции стираний выражается следующим образом.

Возможность одновременной коррекции ошибок и стираний можно выразить как требование.

Здесь — число символьных ошибочных комбинаций, которые можно исправить, а — количество комбинаций символьных стираний, которые могут быть исправлены.

Любой линейный код дает возможность исправить n-k комбинаций символьных стираний, если все n-k стертых символов приходятся на контрольные символы. Однако коды Рида-Соломона имеют замечательное свойство, выражающееся в том, что они могут исправить любой набор п-k символов стираний в блоке. Можно сконструировать коды с любой избыточностью. [24]

3.2 Защита информации в АОЛС Состоит из 2-х ступеней: сложность перехвата сигнала и криптографическая защита.

Рисунок 3.8 Плотный луч FSO систем гарантирует, что энергия сосредоточена на приемное устройство Сложность перехвата сигнала:

1. Направленная передача Направленный характер передачи является основным преимуществом таких систем. На рисунке 5.8 представлен путь FSO луча (красный) по сравнению с радиоизлучением (синий)[23] .Основная трудность перехвата информации, в данном случае, заключается в том, что необходимо находится в непосредственной близости от пути распространения луча/

2. Отсутствие боковых лепестков У FSO систем практически отсутствует проблема утечки информации из-за излучения по боковым лепесткам, в отличие от радиочастотных систем. Вся энергия пучка передается в очень узком угле расхождения.

3. Непрерывная связь При попытке перехвате информации с помощью детектора на пути пучка, связь будет автоматически прервана. Таким образом, для перехвата пытаются использовать часть луча в месте за зданием на котором установлен приемник.

Для предотвращения этого используются 2 способа:

— установить приемник на стене, которая в 2 раза шире радиуса FSO луча, обеспечивая поглощение сигнала.

— если приемник установлен на крыше, то разместить «щит» за приемником (рисунок 3.9)

Рисунок 3.9. Луч экранирован, для защиты от перехвата за приемником

4. Неверное направление пучка Если сильное отклонение луча происходит неестественно, вследствие чего луч не будет получен на приемной стороне, то сетевое оборудование автоматически останавливает передачу до восстановления связи.

5. Рассеяние сигнала.

При распространении сигнала через атмосферу, на на него воздейсвуют ряд факторов, описанных выше. Злоумышленник может попытаться украсть информацию, используя случайные эффекты рассеяния Тем не менее, это практически невозможно.

Данные эффекты носят случайный характер и изменяются очень быстро, не давая таким образом прогнозировать конкретные места для утечки сигнала.

Экспериментальные доказательства этого явления содержится в статье «Характеристика оптического беспроводного канала «. Согласно экспериментальным данным, оказалось, что максимальное отклонение, которое может произойти ± 70 мрад. Это отклонение минимально и не превышает безопасный диапазон, рекомендуемый для луча. 23]

Криптографическая защита информации:

IPSec (сокращение от IP Security) — набор протоколов для обеспечения защиты данных, передаваемых по межсетевому протоколу IP, позволяет осуществлять подтверждение подлинности и/или шифрование IP-пакетов. IPsec также включает в себя протоколы для защищённого обмена ключами в сети Интернет. В основном, применяется для организации vpn-соединений.

Протоколы IPsec, в отличие от других хорошо известных протоколов SSL и TLS, работают на сетевом уровне (уровень 3 модели OSI). Это делает IPsec более гибким, так что он может использоваться для защиты любых протоколов, базирующихся на TCP и UDP. IPsec может использоваться для обеспечения безопасности между двумя IP-узлами, между двумя шлюзами безопасности или между IP-узлом и шлюзом безопасности. Протокол является «надстройкой» над IP-протоколом, и обрабатывает сформированные IP-пакеты описанным ниже способом. IPsec может обеспечивать целостность и/или конфиденциальность данных передаваемых по сети.

IPsec использует следующие протоколы для выполнения различных функций:

· Authentication Header (АН) обеспечивает целостность виртуального соединения (передаваемых данных), аутентификацию источника информации и дополнительную функцию по предотвращению повторной передачи пакетов

· Encapsulating Security Payload (ESP) может обеспечить конфиденциальность (шифрование) передаваемой информации, ограничение потока конфиденциального трафика. Кроме этого, он может обеспечить целостность виртуального соединения (передаваемых данных), аутентификацию источника информации и дополнительную функцию по предотвращению повторной передачи пакетов (Всякий раз, когда применяется ESP, в обязательном порядке должен использоваться тот или иной набор данных услуг по обеспечению безопасности)

· Security Association (SA) обеспечивают связку алгоритмов и данных, которые предоставляют параметры, необходимые для работы AH и/или ESP. Internet security association and key management protocol (ISAKMP) обеспечивает основу для аутентификации и обмена ключами, проверки подлинности ключей.

Концепция «Защищенного виртуального соединения» (SA, «Security Association») является фундаментальной в архитектуре IPsec. SA представляет собой симплексное соединение, которое формируется для транспортирования по нему соответствующего трафика. При реализации услуг безопасности формируется SA на основе использования протоколов AH или ESP (либо обоих одновременно). SA определен в соответствии с концепцией межтерминального соединения (point-to-point) и может функционировать в двух режимах: транспортный режим (РТР) и режим тунелирования (РТУ). Транспортный режим реализуется при SA между двумя IP-узлами. В режиме туннелирования SA формирует IP-туннель.

Все SA хранятся в базе данных SADB (Security Associations Database) IPsec-модуля. Каждое SA имеет уникальный маркер, состоящий из трех элементов:

· индекса параметра безопасности (SPI)

· IP-адреса назначения

· идентификатора протокола безопасности (ESP или AH)

IPsec-модуль, имея эти три параметра, может отыскать в SADB запись об конкретном SA.

Так как защищенные виртуальные соединения (SA) симплексные соединения, то для организации дуплексного канала, как минимум, нужны два SA. Помимо этого, каждый протокол (ESP/AH) должен иметь свою собственную SA для каждого направления, то есть, связка AH+ESP требует наличия четырех SA. Все эти данные располагаются в SADB.

В SADB содержатся:

· AH: алгоритм аутентификации.

· AH: секретный ключ для аутентификации

· ESP: алгоритм шифрования.

· ESP: секретный ключ шифрования.

· ESP: использование аутентификации (да/нет).

· Параметры для обмена ключами

· Ограничения маршрутизации

· IP политика фильтрации Помимо базы данных SADB, реализации IPsec поддерживают базу данных SPD (Security Policy DatabaseБаза данных политик безопасности). Запись в SPD состоит из набора значений полей IP-заголовка и полей заголовка протокола верхнего уровня. Эти поля называются селекторами. Селекторы используются для фильтрации исходящих пакетов, с целью поставить каждый пакет в соответствие с определенным SA. Когда формируется пакет, сравниваются значения соответствующих полей в пакете (селекторные поля) с теми, которые содержатся SPD. Находятся соответствующие SA. Затем определяется SA (в случае, если оно имеется) для пакета и сопряженный с ней индекс параметров безопасности (SPI). После чего выполняются операции IPsec (операции протокола AH или ESP)

Протокол IPsec используется, в основном, для организации VPN-туннелей. В этом случае протоколы ESP и AH работают в режиме туннелирования. Кроме того, настраивая политики безопасности определенным образом, протокол можно использовать для создания межсетевого экрана. Смысл межсетевого экрана заключается в том, что он контролирует и фильтрует проходящие через него пакеты в соответствии с заданными правилами. Устанавливается набор правил, и экран просматривает все проходящие через него пакеты. Если передаваемые пакеты попадают под действие этих правил, межсетевой экран обрабатывает их соответствующим образом. Например, он может отклонять определенные пакеты, тем самым прекращая небезопасные соединения. Настроив политику безопасности соответствующим образом, можно, например, запретить интернет-трафик. Для этого достаточно запретить отсылку пакетов, в которые вкладываются сообщения протоколов HTTP и HTTPS. IPsec можно применять и для защиты серверов — для этого отбрасываются все пакеты, кроме пакетов, необходимых для корректного выполнения функций сервера. Например, для Web-сервера можно блокировать весь трафик, за исключением соединений через 80-й порт протокола TCP, или через порт TCP 443 в случаях, когда применяется HTTPS.

В качестве алгоритма шифрования обычно используется АES. Advanced Encryption Standard (AES), также известный как Rijndael— симметричный алгоритм блочного шифрования (размер блока 128 бит, ключ 128/192/256 бит) [31]

сигнал диапазон лазерный модуль

4. Составление и оптимизация параметров структурной схемы

4.1 Выбор и обоснование длины волны Существует несколько «окон прозрачности» (имеющих поглощение менее 0.2 дБ/км) в диапазоне 700−10 000 нм. Эти участки волн включают определенные длины волн на которых работает подавляющее большинство FSOсистем: 780−850 нм и 1520−1600 нм.

780−850 нм. Эти длины волн подходят для работы FSOсистем и целый ряд производителей предлагает мощные лазеры, работающие в этом диапазоне длин волн. На длине волны 780 нм работают лазеры, использующиеся в CDприводах, однако при проектировании систем необходимо учитывать срок службы данных лазеров (к примеру, работа лазеров на мощности, значительно меньшей максимально допустимой позволяет существенно увеличить срок их службы). В районе 850 нм широко распространены высокоскоростные приемные и передающие компоненты, обычно используемые в сетях и передающем оборудовании. В этом диапазоне могут быть использованы высокочувствительные кремниевые лавинные фотодиоды (APD) и лазеры с вертикальной излучающей поверхностью (VCSEL). Возможным недостатком является возможность перехвата излучения с помощью приборов ночного видения, однако демодуляция сигнала с помощью этой техники невозможна.

1520−1600 нм. Эти длины волн хорошо подходят для FSOприменений и к настоящему времени доступны высококачественные компоненты для приема и передачи излучения. Сочетание малого затухания и высокого качества электронных компонентов для данного диапазона позволяет создавать FSOсистемы с волновым мультиплексированием (WDM). Однако, указанные компоненты стоят дороже, приемники обладают меньшей чувствительностью малыми размерами приемной площадки по сравнению с кремниевыми ЛФД-приемниками, работающими на 850 нм. Как уже было сказано, этот диапазон длин волн применяется в волоконно-оптических системах при работе на большие расстояния и много компаний работает над снижением стоимости и увеличением скорости компонент в области 1200−1600 нм. Кроме того, на этих длинах волн работают эрбиевые усилители (EDFA), что очень важно для создания мощных (>500 мВт) и высокоскоростных (> 2.5 Гбит/с) систем. В диапазоне 1520−1600 нм по сравнению с диапазоном 780−850 нм, может быть передано в 50−65 раз больше мощности для того же класса лазерной безопасности, ввиду меньшего поглощения человеческим глазом излучения для этих длин волн.

10 000 нм (10 мкм). Этот диапазон длин волн относительно нов для коммерческих FSOсистем и планируется к применению вследствие меньшего поглощения данного излучения дымными средами. Сейчас широко обсуждается эффективность данного явления поскольку оно очень сильно зависит от вида дыма и его протяженности. На рынке присутствуют компоненты для построения систем на 10 мкм, но они обычно не используются в телекоммуникационном оборудовании. Кроме того излучение 10 мкм не проходит через стекло и поэтому невозможна установка данного оборудования внутри помещений. С другой стороны, слабое пропускание стеклом означает невозможность его концентрации оптическими приборами (например биноклями), что позволяет работать с большими мощностями без ограничений по безопасности. Далее, следует рассмотреть скорость работы FSOсистем с точки зрения атмосферного распространения излучения разных длин волн в условиях сильного задымления. До недавнего времени считалось, что чем больше длина волны, тем больше возможная дистанция связи. Однако, недавние исследования показали, что свыше 780−1600 нм поглощение за счет сильного задымления практически постоянно и, фактически, нет никаких преимуществ вплоть до миллиметрового диапазона. В то же время, огромное количество исследований показывает, что излучение 10 мкм распространяется лучше в условиях тумана и сильного дыма. Однако данные условия обычно не составляют проблем для качественно спроектированных передатчиков FSOсистем на дистанциях, типичных для их коммерческого применения. Следовательно, реальное улучшение сильно зависит от типа дыма и его протяженности. Стандартные модели атмосферного рассеяния, использующие теорию Ми или различные расчетные средства, такие как MODTRAN не показывают улучшения работы на 10 мкм. Даже когда центр распределения радиусов частиц дыма меньше 5 мкм, вклад верхней части распределения (когда рассеяние пропорционально квадрату радиуса частиц) не показывает какого либо преимущества на данной длине волны. 15]

Анализируя условия технического задания, где требуется спроектировать АОЛС со скоростью передачи 1гбитс на дистанцию 500 м при доступности 99% в проектируемом модуле будет использоваться длина волны 850нм. Данный выбор основан на том, что в данном диапазоне развита элементная база, которая имеет более низкую стоимость, чем для диапазона 1550нм и более высокую надежность. Так же достоинством данной длины волны является то, что в этом диапазоне работает высокочувствительные кремниевые лавинные фотодиоды и лазеры с вертикальной излучающей поверхностью (VCSEL). Достоинствами VCSEL являются:

1. Технологичность производства излучателя;

2. Снижение цены по сравнению с другими лазерными диодами;

3. Узконаправленный и интенсивный спектр оптического излучения.

Длина волны 10мкм не рассматривается ввиду того, что данные системы, на данный момент, преимущественно экспериментальны, обладают большой стоимостью и не дают значимого улучшения качества связи в условиях плохой видимости, по сравнению с другими диапазонами волн.

4.2 Составление структурной схемы устройства В общем случает приемопередающий модуль состоит из передающей части, приемной части, интерфейсного блока, блока индикации и управления, блока питания, блока подогреваохлаждения.

4.2.1 Передающая часть устройства В задачи передающей части входит модуляция лазерного излучения данными, поступающими с интерфейсного блока и формирование оптической системой излучения с малой расходимостью.

Данная часть устройства состоит из оптической системы, лазерного диода и драйвера лазерного диода.

Выбор способа модуляции:

В современных оптических системах используется весьма простой тип модуляции, а именно амплитудная модуляция с переключением (ООК)[28]. Данный тип модуляции может быть реализован двумя способами: прямая модуляция или внешняя модуляция.

При прямой модуляции управление включением и выключением светового источника может осуществляться путем изменения, проходящего через него тока. Прямая модуляция обычно используется при скоростях передачи до 2.5Гбитс.

Относительная простота и низкая стоимость прямой модуляции обусловили ее широкое применение в оптических системах передачи аналоговых и цифровых сигналов с модуляцией интенсивности (мощности) излучения.

Недостатками прямой модуляции является ограниченное быстродействие и возможность использования только одного параметра световой волны для модуляции. [28]

При внешней модуляции обычно используются внешние модуляторы, работающие на основе различные эффектов.(К примеру, электрооптический эффект, суть которого заключается в изменение показателя преломления некоторых материалов под воздействием приложенного к ним электрического поля). Передатчики с внешней модуляцией используются в системах дальней связи, в которых требования к качеству оптического сигнала максимальны и в высокоскоростных (более 2.5 Гбитс системах) Рисунок 4.1 Принцип внешней модуляции В проектируемом устройстве будет использована прямая модуляция, т. к данный способ модуляции довольно просто реализуется в драйвере диода и не требуется точная передача формы импульсов. Данное решение является экономически выгодным, а так же уменьшает габариты устройства.

Источник излучения:

Источником света в АОЛС обычно является лазер или светодиод.

Далее представлено сравнение светодиода и лазерного диода[21]

Таблица 4.1 Сравнение светодиода и лазерного диода

Т.к проектируется высокоскоростная система, то в приемопередающем модуле будет использоваться лазерный диод OP-8540.2. Преимущества лазерного диода указаны в таблице, основными из которых являются: высокая скорость передачи, высокая направленность излучения и мощность. Недостатком является сильная зависимость от температуры, которая будет компенсироваться системой подогрева и охлаждения.

OP-8540.2 — серия лазерных диодов с вертикальным резонатором (VCSEL) и мощность непрерывного излучения до 40 мВт в спектральном диапазоне 850нм, изготовленных на основе высокоэффективных квантоворазмерных гетероструктур. Данные диоды выпускаются в стандартных ТО-46 корпусах со встроенным фотодиодом обратной связи. Обладают высокой стабильностью мощности излучения в широком диапазоне рабочих температур. Обеспечивают скорость передачи данных до 1.25 Гбитс[19]

Рисунок 4.2 Основные характеристики лазерного диода OP-8540.2

Драйвер для лазера:

Основной задачей драйвера лазера (лазерного формирователя) является подача тока смещения и модулирующего тока для прямого модулирования лазерного диода. В проектируемом модуле будет использоваться микросхема MAX 3766. Область применения данной микросхемы: 622 Мбитс АTM передатчики, 1.25Гбитс LAN и Ethernet передатчики Достоинствами данной микросхемы является то, что она содержит в себе модулятор лазера, автоматическое регулирование мощности (APC), работает на скорости от 155 Мбитс до 1.25 Гбитс, есть средства обеспечения лазерной безопасности и компенсация старения лазера. Так же её достоинством является небольшая стоимость и наличие целой линейки микросхем у фирмы MAXIM применяемой в оптоэлектронике.

На рисунке 4.3 Представлена функциональная схема устройства.

Рисунок 4.3 Функциональная схема Оптическая система:

Оптическая система передатчика состоит из коллиматора и защитного экрана. В задачи первого входит формирование пучка требуемой расходимости. Считается, что делать слишком узкий луч на приемной стороне нецелесообразно[10], т. к хотя и уменьшаются геометрические потери сигнала за счет расходимости, но из-за движения зданий может периодически пропадать сигнал из-за того, что луч не попадает в приемную апертуру. Применение системы автотрекинга приводит к сильному удорожанию системы. Поэтому в данном случае будет применяться коллиматор, формирующий излучение с расходимостью 2мрад, что обеспечивает на приемной стороне луч с диаметром около 1 метра. В задачи защитного стекла входит пропускание сигнала с минимальным потерями и защита коллиматора от внешних условий. В качестве коллиматора выберем LENS-36, фокусное расстояние котрого равно 3.6мм, длина волна 850±50нм и обеспечивающего угол расходимости 2 мрад. В качестве защитного стекла используется стекло с дешевым однослойным просветлением на излучающую длину волны. Достоинством однослойного просветления является его дешевизна.

4.2.2 Приемная часть устройства В задачи приемной части входит прием сигнала оптической системой, ограничение фоновых шумов, преобразование оптического сигнала в электрический, последующее усиление, ограничение и принятие решения о переданном бите, восстановление формы импульса и импульсов синхронизации.

Существует 2 вида функциональных схем оптических приемников: аналоговые и цифровые[18].

Аналоговые ФП принимают аналоговый оптический сигнал и на выходе формируют аналоговый электрический сигнал. К аналоговым ФП предъявляются требования высокой линейности преобразования и усиления сигнала при минимуме вносимых шумов.

Рисунок 4.4 Функциональные элементы аналогового (а) и цифрового (б) приемников При цифровой передаче не требуется очень точная ретрансляция форм импульсов, поскольку ФП содержит узел принятия решения или дискриминатор, имеющий установленные пороги для сигналов 0 и 1, он же устраняет шумы и восстанавливает необходимую амплитуду сигнала. Правильное выделение нужного сигнала может происходить при большом уровне шумов.

Т.к среда распространения сигнала — атмосфера, где происходит сильное искажение формы импульса будет использоваться цифровую схему приема.

Методы фотоприема[18]:

Прямой:

В классической схеме построения ВОСС непосредственного приема оптических сигналов (с модуляцией по интенсивности) детектируемый ФД ток после усиления малошумящим усилителем и фильтрации, для уменьшения влияния шумов поступает на схему принятия решений — порогового устройства (ПУ) Принятие решений реализуется устройством восстановления синхроимпульсов (УВСН).Основным показателем качества ФП является отношение с/ш Рисунок 4.5 Прямой прием оптических сигналов Гетеродинный:

Когерентный прием, в котором применяется гетеродинное оптическое преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемый по промежуточной частоте. При оптическом гетеродинировании на входе фотоэлемента смешиваются сигнал мощностью Рс и излучение гетеродина мощностью Рг. Смешение осуществляется с помощью оптического устройства, к которому предъявляются жесткие требования, обеспечивающие точное совмещение волновых фронтов.

Рисунок 4.6 Гетеродинный прием оптических сигналов В проекте будет использован прямой метод приема, т. к обеспечение точного совмещения волновых фронтов в канале из-за влияния атмосферного канала — затруднительно. К тому же такой гетеродинный прием приводит к сильному удорожанию и увеличению габаритов системы.

Приемный элемент:

Кремний наиболее распространенный материал для приемников в видимой и ближней ИК-области спектра. Технология работы с кремнием наиболее широко известна и данный материал может детектировать очень малые интенсивности излучения. Обладая широкой полосой восприимчивости к свету, кремний имеет зависимость чувствительности от длины волны максимум которой находится около 850 нм. Это делает кремниевые приемники идеальными в сочетании с коротковолновыми VCSELизлучателями, работающим на 850 нм. Кремниевые приемники могут работать на высоких частотах. Широко доступны менее скоростные (1 Гбит/с) кремниевые PINдиоды и ЛФД. Также широко распространены кремниевые PINдиоды со встроенным трансимпедансным усилителем. В таких детекторах чувствительность является функцией полосы модуляции сигнала и обратно пропорциональна ей. Типичная чувствительность кремниевого PINдиода составляет -34 Дбм на 155 Мбит/с. Кремниевые ЛФД значительно чувствительнее благодаря внутреннему лавинообразному процессу Значения чувствительности для высокочастотных применений составляют -55 Дбм на нескольких Мбит/с, -52 Дбм на 155 Мбит/с и -46 Дбм на 622 Мбит/с. Кремниевые приемники могут быть большого размера (т.е. 0.2 мм x 0.2 мм) и могут работать на высоких частотах. Это свойство делает потери минимальными если свет фокусируется на детекторе с помощью линз большого диаметра или параболического отражателя. Недостатком лавинного фотодиода является высокое подводимое напряжение [15][17]

Высокие потери энергии в атмосферном канале, а так же высокая скорость передачи требуют применения высокочувствительных кремниевых лавинных фотодиодов.

В качестве приемного элемента выберем AD500−1.3G-TO5, который содержит помимо приемного элемента встроенный трансимпедасный усилитель. Достоинством данной сборки является низкий уровень вносимых шумов, высокая скорость работы с данными и чувствительность.

Параметры фотодиода приведены на рисунке 4.6, трансимпеданого усилителя на рисунке 4.7

Рисунок 4.7 Параметры фотодиода Рисунок 4.8 Параметры трансимпедансного усилителя Асимметричное напряжение, полученное в TIA, усиливается и преобразовывается в дифференциальный сигнал, необходимый для работы последующих каскадов.

Ограничивающий усилитель:

Максимально достижимая крутизна усилителя TIA зависит от рабочей частоты. Чтобы гарантировать устойчивость и требуемую полосу пропускания коэффициент усиления может быть оптимизирован только в пределах узкого диапазона. При маломощном оптическом сигнале это ограничение может сделать выходной сигнал усилителя недостаточным для дальнейшей обработки. Чтобы усиливать небольшие напряжения в диапазоне 1- 2 мВ, после усилителя TIA ставят еще один усилитель, который в большинстве случаев является усилителем-ограничителем (LA). В этот усилитель также включен индикатор малого сигнала, который предупреждает, когда поступающий сигнал падает ниже определенного пользователем порога, устанавливаемого извне. Чтобы при сигнале близком к порогу флаг индикатора не менял свое значение, компаратор выполняется с гистерезисом.

В качестве ограничивающего усилителя выберем MAX3748H. Это многоскоростной ограничивающий усилитель, используемый в оптических ресиверах Gigabit Ethernet. Усилитель работает в широком диапазоне входных напряжений и обеспечивает постоянный уровень выходных напряжений логики с переключением по току (CML) и контролем скоростных ступеней.

Дополнительной особенностью MAX3748H является конфигурируемая функция обнаружения потери сигнала (LOS), функция отключения усилителя (DISABLE) и возможность смены полярности выходного сигнала (OUTPOL). Отключение выхода можно использовать для подавления шума. 29]

Синхронизация и восстановление данных:

Ключевой компонент, который следует за усилителем-ограничителем в приемном устройстве — это схема восстановления синхронизации и данных (CDR). CDR выполняет тактирование, принимает решение об уровне амплитуды поступающего сигнала и выдаёт время и амплитуду восстановленного потока данных. Качество сигнала на выходе усилителя ограничителя обычно низкое, главным образом из-за не идеальных компонентов в оптической системе передачи. Поскольку схема CDR для достижения нормальной, свободной от ошибок работы, должна принять некоторое количество колебаний входных данных, все устройства приемника должны исполнять рекомендации ITU — T по допуску на неустойчивую синхронизацию.