Разработка и исследование оптоэлектронных атмосферных каналов для автоматизированных информационных систем и сетей

Постановка задач.

Современный уровень управления организациями все больше требует интегрирования множества соединенных между собой компьютерных систем и периферии, размещенных в различных производственных и офисных помещениях. В ряде случаев возникает необходимость оперативного изменения конфигурации системы терминалов в пределах помещения и повышения уровня безопасности передачи служебной и конфиденциальной информации, что и вызывает потребность в разработке бескабельных систем связи. В связи с этим, особый интерес представляет применение оптоэлектронного атмосферного канала (OAK) малого и среднего радиуса действия, которые повышают скорость передачи информации до 10 Гбит/с и увеличивают производительность коммуникационной системы.

Принцип работы OAK основан на инфракрасном излучении (ИК-излучение). Дистанционная передача сигналов с помощью ИК-излучения имеет преимущества как перед кабельной связью (отсутствие проводов, отсутствие возможных электрических наводок), так и перед высокочастотной радиопередачей (опасность электромагнитных помех, влияние передаваемых радиосигналов на другие системы).

Оптимальным расстоянием для нормальной работы оптоэлектронного атмосферного канала считается следующее расстояние:

— между крупными зданиями около -1600м,.

— между рабочими станциями в закрытых помещениях — до 10 м.

Общая схема работы автоматизированной информационной системы (АИС) с использованием OAK малого и среднего радиуса действия представлена на рис. 1. Открытый канал малого радиуса действия соединяет в локальную сеть все компьютеры, расположенные в одном помещении. Локальная сеть является сегментом АИС, расположенной в нескольких зданиях. Эти здания соединены OAK среднего радиуса действия до 1600 м. На схеме показаны соединения рабочих станций, серверов и сетевых принтеров на расстояние до 10 м, осуществленных с помощью OAK.

Рис. 1. OAK малой и средней дальности в АИС.

Целью работы является разработка единой модели OAK для АИС, объединяющей работу системы в открытых пространствах и закрытых помещениях, когда особое значение приобретает вопрос оптимизации оптической схемы устройства, повышения мобильности перемещения рабочих станций и масштабируемости сегментов системы, что позволяет обеспечить:

— оптимальный бюджет системы;

— безопасность передаваемой информации;

— необходимую связь канала.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— изучить и проанализировать имеющийся материал по разработке OAK, опубликованный в российских и зарубежных научных исследованиях;

— исследовать технические характеристики OAK российских разработок и зарубежных аналогов;

— разработать модели OAK для АИС;

— разработать требования к эксплуатации коммуникационных систем с применением OAK для средних и коротких каналов передачи информации;

— выбрать и обосновать тип кодирования сигнала при использовании ОАКвАИС;

— разработать принципы аппаратной реализации OAK;

— разработать различные виды конфигурации использования OAK при передаче информации в помещениях и на открытых участках.

Методологической и теоретической основой исследования послужило использование методов системного анализа, ключевые положения трудов отечественных и зарубежных ученых по разработке и использованию OAK, а также данные, полученные автором путем теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней на основании анализа и практических наработок коммуникационных систем с использованием OAK предложено сегментировать OAK для средних (1600м) и коротких (10м) расстояний при использовании различных интерфейсов компьютерных систем в одну общую конфигурацию, направленную на создание сетевой инфраструктуры информационных систем. Это позволит значительно сократить сроки инсталляции на объекте и сэкономить финансовые средства, направленные на монтажные работы при создании АИС, обеспечит требуемую надежность в заданных условиях эксплуатации. Использование OAK малой и средней дальности позволит создавать АИС не только в городских условиях, но и в условиях горной местности, а также в полевых условиях и при разработке нефтегазовых месторождений.

На защиту выносятся:

— результаты оценки эффективного применения OAK в помещениях и на открытых участках;

— математическая (физическая) модель функционирования OAK;

— алгоритмы и методы расчета параметров OAK;

— способы кодирования сигнала для OAK, обеспечивающие устойчивую работу канала;

— способы инсталляции OAK на объекте;

— принципы аппаратной реализации OAK;

— конфигурационные решения OAK, применяемые при создании АИС.

Практическая значимость исследования состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

— осуществить беспроводный доступ к ресурсам АИС по OAK;

— использовать коммуникационную систему OAK в АИС в труднодоступных географических условиях;

— объединить удаленные локальные вычислительные сети в единую оптоэлектронную сеть;

— обеспечить гибкость топологии сети;

— повысить уровень безопасности каналов;

Эксплуатация разработанного OAK не требует отдельной процедуры лицензирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные в диссертации результаты были использованы при создании экспериментальной сети на базе OAK в помещении ОАО «РОСТЕКС». Расстояние между рабочими станциями составляло не более 10 м, что позволило использовать OAK для коротких расстояний при подключении через порт USB.

Обоснование применения OAK.

При создании автоматизированных информационных систем уровня предприятия необходимо обеспечить следующие ее параметры:

— масштабируемость;

— поддержка удаленных пользователей;

— взаимодействие различных платформ.

Для обмена данными между компьютерами применяются разнообразные коммуникационные средства. В качестве коммуникационных каналов передачи информации для АИС уровня предприятия можно использовать оптоэлектронный атмосферный канал.

Управление предприятием требует информационной системы, которая связывает все области его деятельности в единый механизм, поэтому необходим территориальный охват всех производственных помещений в единую информационную сеть.

Для монтажа АИС средних или крупных предприятий требуются финансовые затраты на прокладку кабельных информационных каналов, а при использовании OAK монтажные работы по укладке информационного кабеля будут исключены из проектной документации, что принесет экономию финансовых средств и времени запуска сети.

По дальности передачи OAK разделяются на два виды:

— OAK малого радиуса действия, которые устанавливаются в помещениях здания;

— OAK среднего радиуса действия, применяемые для соединения сетей, расположенных в разных зданиях.

Атмосферные каналы для передачи информации могут применяться в различных отраслях производственной деятельности. Исходя из условий применения OAK, должны применяться соответствующие технические требования к их эксплуатации. К основным условиям эксплуатации OAK относятся:

— длина канала передачи- -объем передаваемой информации- -скорость передачи- -вероятность ошибки;

— доступность.

Длина канала передачи. Главным условием передачи информации на коротких и средних радиусах действия остается зона видимости передатчика и приемника.

Эксплуатация OAK на коротких расстояниях применяется при нахождении компьютеров на складах, помещениях офисов, учебных кабинетах и на производственных площадях. Здесь расстояния между приемником и передатчиком информации по OAK могут достигать от 10 до 20 метров прямой видимости. Передача данных на таком расстоянии позволяет использовать передатчики оптической системы небольшой мощности.

Использование OAK среднего радиуса действия в информационных системах необходимо при создании канала передачи данных между корпусами административных или производственных зданий, в полевых условиях работы между газовыми или нефтяными оборудованиями. Расстояние в этих случаях между передающими оптическими системами составляет 1000 или 2000 метров. Мощность передаваемых устройств на порядок выше мощности устройств, применяемых на коротких расстояниях.

Эксплуатация OAK на средних расстояниях требует фокусировки от оптической системы передаваемого светового сигнала, чтобы повысить мощность светового пятна на приемнике. Для систем OAK, работающих на коротких расстояниях, световой сигнал можно фокусировать или использовать рассеянный сигнал, что упрощает разработку и эксплуатацию канала передачи данных.

Объем передаваемой информации. Классификация АИС определяет характер выполняемых ими работ. Для информационных систем управления производственными процессами необходимы каналы передачи информации с небольшими объемами передачи. Задача этих систем — собирать информацию от датчиков, установленных на производственном оборудовании. Процесс сбора данных происходит в реальном режиме времени. Датчики замеряют параметры процессов и через определенный временной интервал передают по OAK полученную информацию на центральный компьютер для дальнейшей обработки.

В информационных системах, работающих в сфере обслуживания, объем передачи информации очень большой. Для таких АИС необходимо создавать OAK с большими объемами передачи данных, достигающих скорости передачи до 10 Гб/с. Объем передачи зависит от метода модуляции сигнала. Скорость передачи. В зависимости от объема передаваемой информации определяют скорость передачи OAK. Скорость передачи зависит не только от модуляции сигнала, но и от используемого интерфейса, в частности — USB, Ethernet, RS 232.

Уровень управления на производстве зависит от множества соединенных между собой компьютерных систем и периферии, размещенных в пределах ограниченного пространства (в помещении). В ряде случаев возникает необходимость оперативного изменения конфигурации системы терминалов между корпусами зданий и повышения уровня безопасности передачи служебной и конфиденциальной информации, что может обеспечить разработка бескабельных систем связи. В связи с этим особый интерес представляет системы OAK малого и среднего радиуса действия, поскольку в этом случае удается перейти от перенасыщенного диапазона радиочастот к оптическому диапазону спектра.

Общая схема работы АИС с использованием OAK представлена на рис. 2. Этот канал позволяет соединить несколько производственных зданий, находящихся на расстоянии не более 1600 м друг от друга, в которых расположены сегменты локальной сети организации. Для перестройки конфигурации потребуется только установка нового оптоэлектронного канала связи.

Олтоалачронный атмосферный.

Производственный корпус.

Оптоэлектронный канал передачи информации в атмосферной среде.

— Конструкторское бюро.

Производственный корпус Ф.

Административное здание.

Рис. 2. OAK до 1600 м.

Эта ЛВС (локальная вычислительная сеть) является частью автоматизированной ИС, которая расположена в нескольких зданиях. Схемы рассматривают соединения рабочих станций, серверов и сетевых принтеров с помощью OAK на малом расстоянии и среднем расстоянии.

Канал OAK предназначен для:

— быстрой установки канала передачи информации;

— сокращения бюджетных расходов.

1.В .П. Дмитриев, Н. А. Кузнецов, В. М. Вишневсьсий «Беспроводниковые оптоэлектронные сети передачи информации.» ЮЫЕТ 2001, Международный симпозиум по проблемам модульных систем и сетей, Москва, 2001 г.

2. В .П. Дмитриев, А. К. Гребнев, «Атмосферные оптические каналы связи» Электроника и техника СВЧ и КВЧ, том 5, вып.3, 1997 г.

3. И. Д. Анисимова, И. М. Викулин, Ф. А. Заитов, Ш. Д. Курмашев «Полупроводниковые фотоприемники: ультрофиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра.» Под ред. В Л. Стафеева — Москва: Радио и связь, 1984 г.

4. В. П. Дмитриев, В. А. Горохов, В. С. Рыбаков «Применение оптоэлектронные приборы в радиоэлектронной аппаратуре» Москва: ВИНИТИ, итоги науки и техники, 1989 г.

5. А. А. Акаев, С. А. Маеров «Оптические методы обработки информации» -Москва: Высшая школа, 1988 г.б.Э. Б. Ершова, С. А. Ершов «Цифровые системы распределения информации» Москва: Радио и связь, 1983 г.

6. М. О. Владимирова, Т. А. Ирова, Ю. Р. Носов, Т. И. Симдянов «Волсторны для сверхвысоковольтной развязки» Электронная промышленность, 1984 г.-№ 9.

7. Волоконнооптическая связь. Тем. выпуск // ТИИЭР, 1980 г., т.68, № 10.

8. В. П. Дмитриев, ВЛХВолчков, Ю. Р. Носов «Многоканальное интегральное оптоэлектронное устройство» А.С. № 122 543, Приоритет изобретения от 31 июля 1984 г.

9. В. Ш Дмитриев, А. К. Гребнев, «Перспективы применения оптоэлеьсгрон-ных приборов и устройств для передачи и обработки информации» Электроника и техника СВЧ и КВЧ, том 5, вып.3, 1997 г.

10. В. И. Бусурин, А. С. Семенов, Н. П. Удалов «Оптические и волоконнооп-тические датчики» Обзор // Квантовая электроника, 1985 — 12 № 5.

11. В. П. Дмитриев, АЛСХребнев, В. ПБалашов «Характеристики и методы расчета оптоэлектронных приборов» Москва: ВИНИТИ, итоги науки и техники, 1989 г.13 .В .П.Дмитриев «Оптоэлектронные приборы, системы и сети.» Москва. Наука. 2007 г.

12. ЯЕрмаков «Прикладная оптоэлектроника.» М: Техносфера. 2004 г.

13. Д. Н. Пихтин «Оптическая и квантовая электроника.» Москва. «Высшая школа» 2001 г.

14. Э. Розеншер «Оптоэлектроника.» Москва. Техносфера. 2006 г.

15. В. П. Дмитриев, А. К. Гребнев, В. Н. Гридин «Оптоэлектронные приборы и устройства.» Москва. Радио и связь. 1998 г.

16. В .П. Дмитриев, Н. А. Кузнецов, В. М. Вишневский «Беспроводные оптоэлектронные системы передачи информации.» Москва. 2002 г.

17. Девид Бейли, Эдвин Райт «Волоконная оптика.» Москва. 2008 г.20." Разработка и исследование оптоэлектронных атмосферных каналов передачи и вычислительных сетей на их основе.", Тема № 100 050, МИЭМ, 2008 г.

18. В. П. Дмитриев, А.!СГребнев, В. П. Волчков «Перспективы применения оптоэлектронных систем передачи, приема и отображения информации» Зарубежная радиоэлектроника, 1989 г.

19. В .П. Дмитриев, В. А. Горохов, В .П. Волчков «Оценка эффективности применения оптоэлектронных каналов в системах связи» // Электронная промышленность, 1984 г.- № 9.

20. И. Ю. Веркялис, В. В. Гаршенин, Ю. Ф. Купцов, Л. П. Мажейкие «Отражательные оптроны» // Приборы и системы управления, 1986 г.- № 2.

21. Р. И. Андреева, В. П. Игнатов «Лазерная техника и оптоэлектроника» // Специальная электроника, 1987 г.- сер. 11.

22. ВДХДмитриев, А. К. Гребнев «Математические модели оптоэлектронных устройств» // Электроника и техника СВЧ и КВЧ, том 5, вып. З, 1997 г.

23. И. П. Степаненко «Основы оптоэлектроники» М: Советское радио, 1980 г.