Разработка устройств и систем передачи информации на основе оптоэлектронных атмосферных каналов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Дмитриев, Максим Викторович

• Дмитриев, Максим Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриев, Максим Викторович

Введение.

Глава 1. Анализ эффективности применения оптоэлектронных каналов в информационных системах и сетях, обоснование применения оптоэлектронных атмосферных каналов в интегрированных системах передачи, хранения и обработки информации.

1.1. Анализ систем оптоэлектронных атмосферных каналов.

1.2. Особенности организации вычислительных сетей и ИСХ.

1.3 Тип связей системы обмена.

1.4 Управление передачей информации в канале.

1.5 Технико-экономическое обоснование необходимости применения OAK в ИСХ.

Глава 2. Разработка схемотехнических и системотехнических решений для оптоэлектронных устройств передачи данных.

2.1. Разработка схем и решений для преодоления факторов влияющих на работу оптического атмосферного канала передачи информации.

2.2 Топология сетей на основе OAK.

2.3 Разработка принципиальных электрических схем OAK.

2.3.1 Приемник оптического атмосферного канапа.

2.3.2 Передатчик оптического атмосферного канала.

2.3.3 Силовой коммутатор излучающего ИК-диода.

Глава 3. Принципы программно-аппаратной реализации оптоэлектронных систем.

3.1 Расчет различных вариантов построения оптической системы для безаберрационной оптики и идеальной оптической среды.

3.2 Описание алгоритма расчета.

3.3. Методы и принципы построения оптического атмосферного канала и его подсистем.

3.4 Анализ и выбор системы кодирования.

3.4.1.Анализ структуры кодирования.

3.4.2. Кадр и его элементы.

3.4.3. Протокол передачи информации.

3.5 Разработка конструктивной схемы и рабочих чертежей оптико-механических узлов OAK.

3.6 Инсталляция OAK на объекте.

3.7 Разработка способов борьбы с паразитной засветкой в атмосферном оптическом канале связи.

3.7.1. Оценка мощности наводимого излучения при установка источника на оптической оси за одним из ППМ.

3.7.2. Оценка возможность введения излучения со стороны.

Глава 4. Эксплуатация оптоэлектронных приборов и устройств.

4.1. Система параметров оптоэлектронных приборов.

4.1.1. Система параметров излучающих диодов.

4.1.2. Система параметров фотоприемников для оптоэлектронных приборов и систем.

4.1.3. Система параметров оптоэлектронных атмосферных каналов.

4.2. Методы измерения параметров оптоэлектронных приборов.

4.2.1. Методы измерения параметров излучающих диодов для оптоэлектронных атмосферных каналов.

4.2.2. Методы измерения параметров фотодиодов для оптоэлектронных атмосферных каналов.

4.2.3. Методы измерения параметров цифровых оптоэлектронных атмосферных каналов

4.3 Экспериментальная оценка устойчивости оптоэлектронных атмосферных каналов (OAK) при различных эксплуатационных воздействиях.

4.3.1 Методология проведения испытаний.

4.3.2 Описание контрольно-измерительных установок.

4.3.3 Испытания OAK.

4.4 Разработка методологии испытаний аппаратуры JIAJIC.

4.4.1 Пример тактико-технических характеристик аппаратуры JIAJIC.

4.4.3 Реализация методики испытаний канала в составе ЛВС.

4.4.4. Анализ выбора трассы испытаний и определение выбора позиций для установки JIAJIC.

4.4.5 Оценка параметров кабеля снижения аппаратуры JIAJIC «МОСТ».

4.4.6 Оценка интерфейсного модуля аппаратуры JIAJIC «МОСТ».

4.4.7. Полученные результаты испытаний аппаратуры.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка устройств и систем передачи информации на основе оптоэлектронных атмосферных каналов»

За последние годы в мире достигнут небывалый прогресс в области компьютерных технологий, возросло их повсеместное внедрение во все сферы жизни и деятельности современного общества. На базе компьютерных телекоммуникационных сетей осуществляются дистанционное обучение, широкополосный доступ в Интернет, IP-телефония и т.д. Характер и богатое разнообразие информации, огромные объемы, являются причиной и движущей силой роста производительности телекоммуникационных систем, и компьютерных сетей различного функционального назначения: электронная почта, передача голосовых сообщений, службы новостей, работа с базами данных и т. д.

Основное назначение современных информационных телекоммуникационных и вычислительных систем и сетей - это сбор, преобразование, передача, обработка, хранение и отображение информации. Каждая из перечисленных функциональных составляющих определяется уровнем развития элементной базы и технологического совершенства того или иного оборудования входящего в систему: будь то датчик, преобразователь кода, канал связи, процессор и т.д.

Непрерывный рост уровня интеграции элементной базы аппаратуры, информационных систем, разработка высокоскоростных микропроцессоров (до 1 млрд оп/сек) такими ведущими фирмами как Intel, IBM, Motorola, DEC и других, позволил создать высокоскоростной канал Gigabit Ethernet со скоростью передачи исчисляемой гигабитами информации в секунду.

В настоящее время на многих коммерческих линиях используется скорость передачи в сотни Мбит/с, но уже в ближайшее время ожидается переход на более высокие скорости от 1 Гбит/с и выше.

Сказанное позволяет сделать вывод, что именно элементная база обеспечивает прогресс и формирует облик аппаратуры современных информационных систем и компьютерных сетей.

Смена поколений высокопроизводительных вычислительных машин (ВВМ) происходило в среднем через 4-5 лет, сейчас же этот период сократился до 1-3 года, в данный момент ведется интенсивная разработка элементной базы ВВМ шестого и седьмого поколения на интегральных схемах с высокой степенью интеграции. А также ведутся непрерывные работы над созданием интегральных схем на основе нано технологий, устройств с возможностью использования в своей работе свойств света и на основе различных других физических принципов.

Так, например акустоэлектронные процессоры имеют эквивалентное быстродействие на 2-3 порядка выше обычных микроэлектронных. Такой процессор, изготовленный фирмой Motorola (США) производит 1024 точечных комплексных преобразований Фурье за 5 мс. В США, Японии и ряде европейских стран ведутся разработки оптоэлектронных устройств обработки информации: анализаторов спектра, оптоэлектронных процессоров и т.д. На базе этих устройств уже созданы универсальные оптические вычислительные системы (по своим возможностям намного превосходящие существующие электронные ВВМ с быстродействием 1012 .1014 бит/с). Так как основной фактор, сдерживающий увеличение скорости передачи информации по медным проводам и кабелям - это «скин-эффект», когда при увеличении скорости битов (частоты сигнала) электрический ток в проводнике перераспределяется так, что большая его часть протекает по наружной поверхности, что приводит к повышению собственного электрического сопротивления проводника и затуханию полезного информационного сигнала. За рубежом в сетях относящихся к классу SOHO (small office - home office), т.е. сетях офисного и домашнего применения, широко используется витая пара (ВП) типа 10 BaseT двух типов UTP (Unshielded Twisted Pair неэкранированная ВП) и STP (Shielded Twisted Pair - неэкранированная ВП). ВП описывается совокупностью характеристик - категорий. Типовая длина ВП - 100 м, категория 5 имеет диапазон частот пропускания сигналов 100 Мгц, т.е. обеспечивает скорость передачи до 100 Мбит/с. Раньше использовался еще коаксиальный кабель, но в данный момент он практически не применяется. Еще большую пропускную способность имеет оптический кабель поскольку нечувствителен к электромагнитным помехам, но накладывает дополнительные ограничения на свою гибкость и качество протяжки, а также немаловажную роль играет цена, как за сам кабель, так и за устройства сопряжения (поэтому в сегменте SOHO практически не применяется).

Получается что использование витых пар проводов и коаксиальных кабелей, уже на сегодняшний день накладывает ограничение на быстродействие и максимальную протяжённость информационной сети, а использование оптоволоконного кабеля ограничение по цене.

Использование в качестве коммуникационной среды передачи радио-эфира (РЭ) как решает многие проблемы так и создает другие ограничения которые заключаются в следующем:

• практически полная занятость всех частот существующими радиостанциями, спутниковой, релейной и другими видами радиосвязи как местного, так и глобального назначения;

• чрезвычайно высокая коммерческая стоимость эфирного времени и связанные с ним ограничения выхода в эфир;

• непростая инсталляция антенных систем, большое энергопотребление (особенно при передаче на большие расстояния) - передающих станций и как следствие высокая себестоимость изготовления и эксплуатации;

• низкая помехозащищенность от внешних атмосферных явлений и электромагнитных излучений, от электросиловых объектов, создающих электромагнитный фон в эфире;

• отсутствие скрытности в работе, возможность обнаружения и несанкционированного доступа к информации;

• необходимость защиты от радиоизлучения обслуживающего персонала станции.

Конечно нужно отметить, что не все эти ограничения так критичны для полноценного использования и большинство из этих ограничений активно нейтрализуются и решаются в настоящее время.

В силу проведенного выше анализа сред передачи данных и причин, сдерживающих повышения их быстродействия, становится актуальной задача внедрения в существующие телекоммуникационные системы и компьютерные сети каналов работающих на принципах оптической связи, то есть открытых оптоэлектронных атмосферных каналов (OAK) для сегмента SOHO и оптоволоконных каналов связи, для компаний и организаций, которым необходим высокоскоростной широкополосный доступ. Носителем информации и в том, и в другом канале является световой луч (или поток фотонов), длина волны излучения которого лежит в инфракрасном диапазоне от 0,8 до 2,2 мкм.

Достоинствами построенных на основе ВОЛС и OAK оптоэлектронных информационных сетей являются:

• высокая скорость передачи информации (свыше единиц и десятков Гбит/с);

• отсутствие ограничений на оптический диапазон длин волн (частот), свобода оптического эфира;

• малые габариты оптоэлектронных передающих и приемных систем, их малое энергопотребление;

• высокая помехозащищенность от электромагнитных излучений как внешних, так и внутренних в самой аппаратуре;

• скрытность передачи информации сложность обнаружения и несанкционированного доступа;

• пожаро- и взрывобезопасность в процессе эксплуатации;

• экологическая безопасность.

Из-за отсутствия ограничений на оптический диапазон длин волн и нейтральность последних по отношению друг к другу поясняется уникальная возможность спектрального уплотнения информационных сигналов, передаваемых по оптическому каналу связи и, соответственно скорости передачи до сотен Гбит/с.

Кроме перечисленных достоинств коммуникационные системы и сети, будучи построены на основе OAK, не требует материальных затрат, связанных с прокладкой кабельной сети, что весьма важно для густонаселенных городов с множеством подземных и наземных коммуникаций.

Внедрение оптоэлектронных технологий в существующие корпоративные вычислительные сети позволит решить следующие задачи:

• обеспечение беспроводного доступа к информационным ресурсам;

• организация беспроводной связи между рабочими станциями локальной сети и реализация доступа к ее информационным ресурсам;

• объединение удаленных ЛВС и рабочих станций в единую оптическую сеть, реализация по оптическим каналам удаленного стационарного доступа пользователей ЛВС к сети- Internet и информационным ресурсам со скоростью десяти Гбит/с.;

• обеспечение гибкости топологии сети (при пользовании OAK), когда имеется возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении пользователей без значительных потерь времени;

• использование как резервного канала связи.

Таким образом, внедрение оптоэлектронных технологий в компьютерные сети, использование в коммуникационных системах оптоволоконных каналов и оптоэлектронных атмосферных каналов позволит создать в ближайшее время новое поколение сетей с повышенной надёжностью и быстродействием. Что показывают и статистические данные полученные из США (страна, которая ведет наиболее интенсивные исследования и разработки в этой области). В соответствии с прогнозом, объем продаж продукции оптоэлектроники возрастает с 75 млрд. долл. в 1993 г до 463 млрд. долл. в 2013 г. причем как видно из графика, объем растет экспоненциально и есть все основания полагать, что это продолжится, либо произойдет большой скачек в сторону еще большего увеличения, это может произойти при разработке оптоэлектронных микропроцессоров и микросхем. При этом будет гарантированно значительно возрастать доля функционально законченных изделий оптоэлектроники, существенно будет расти уровень интеграции оборудования, в котором используется оптоэлектроника, например, лазерные принтеры, переносные компьютеры, носители информации и т. д. В прогнозе также представлена динамика объема продаж изделий оптоэлектроники за прогнозируемый период по отраслям промышленности. млрд, доля

500

400

300

200

100

1993

1998

2003

2008

2013

OAK твердотельные носители оптическая память дисплеи волоконно оптические системы связи годы

Рис.1.1 Прогноз динамики развития рынка оптоэлектронных устройств

Именно поэтому рассмотрение задач по реализации OAK и решению целого ряда проблем связанных с этим и посвящена настоящая работа.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Дмитриев, Максим Викторович

Заключение

Проведенная работа и полученные результаты показали перспективы и возможности развития данного типа устройств. На их основе могут создаваться, как резервные каналы в сетях телекоммуникаций, так и выделенные линии для подключения к узлам связи.

Выявленные в ходе разработки и эксперимента решения, на данный момент устраняют многие недостатки данного типа связи, но несомненно остается еще целый ряд вопросов и проблем, которые нужно будет решить в ближайшем будущем. На которые скорее всего будут получены ответы в связи с развитием технологий в целом, а также с возрастанием накопленного опыта разработки и эксплуатации данного типа устройств.

Подводя итог, уже сейчас можно говорить о внедрении и использовании OAK для построения высокоскоростных каналов связи в условиях городской застройки: как приемлемую альтернативу кабельной волоконно-оптической технологии, где особый выигрыш будет в цене; как аналог использования Radio Ethernet особенно в тех случаях, когда длина канала должна превышать 100м. и нет возможности получения разрешения на использование необходимых радио-частот. Краткое сравнение представлено в таблице.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дмитриев, Максим Викторович, 2005 год

1. Основы расчета параметров оптоэлектронных каналов связи вычислительных сетей: В 3 т. Методические указания по курсу "Распределенные вычислительные системы" / B.C. Жданов, В.П. Дмитриев, В.М. Вишневский и др. / М.: МГИЭМ, 1997.

2. Гребнев А.К., Гридин В.Н., Дмитриев В.П. Оптоэлектронные элементы и устройства. М.: Радио и связь, 1998.

3. Кулик Т. К., Прохоров Д.В. Методика сравнительной оценки работоспособности лазерных линий связи. Технология и средства связи, 2000, №6, с. 8-10.

4. Клоков А.В. Беспроводная оптическая связь Мифы и реальность. Технология и средства связи, 2000. № 6. с. 12-13.

5. Клоков А.В. Беспроводные ИК-технологии, истинное качество "последней мили". Технология и средства связи, 1999, № 5, с. 40-44.

6. Медвед Д.Б. Влияние погодных условий на беспроводную оптическую связь. Вестник связи, 2001, № 4, с. 154-157.

7. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. Учебное пособие для вузов. Изд-во "Советское радио", 1971 г., 336 стр.

8. Красюк Б.А, Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световодные датчики. Вопросы технологии. М.: Радио и связь, 1985.-192 е., ил.

9. Р.А. Казарян, А.В. Оганесян и др. Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу. Под. ред. Р.А. Казаряна. Радио и связь, 1985 г-208 е., ил.

10. Гауер Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.-М.: Радио и связь, 1989 -504 е.: ил.

11. Зуев В.Е. Распространение видимы и инфракрасных волн в атмосфере.-М.: Советское радио, 1970.

12. Ландсберг Г.С. Оптика. Изд. пятое перераб. и доп. М.: Наука, 1976.

13. Зуев В.Е. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере в условиях помех.-М.: Советское радио, 1977.

14. Зуев В.Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей.-М.: Советское радио, 1966.

15. Шереметьев А.Г., Толпарев Р.Г. Лазерная связь.-М.: Связь, 1974. 17. Оптическая связь: Пер, с япон.-М.: Радио и связь, 1984.-384 е., ил.

16. У. Вольф, Б. Герман, Э. Ла Рокка, Г. Сьютс, Р. Тернер, Р. Хуфнагель Справочник по инфракрасной технике./Ред. У. Вольфа, Г. Цисис. В 4-х тт. Т. 1. Физика ИК-излучения: Пер. с англ.-М.: Мир, 1995.-606 е., ил.

17. Балашов В.П., Гребнев А.К., Дмитриев В.П. Характеристики и методы расчета оптоэлектронных приборов // Итоги науки и техники. Сер. Электроника. М.: ВИНИТИ. - 1989. - Т. 24. - С. 60-80.

18. Вишневский В.М., Дмитриев В.П., Жданов B.C. Основы передачи информации в вычислительных системах и сетях. Учебное пособие.

19. Московский государственный институт электроники и математики. -М-.: МИЭМ, 1998:

20. Волоконно-оптическая связь: Приборы, схемы и системы. Пер. с англ. / Под ред. М. Дж. Хауэса и Д.В. Моргана. М.: Радио и связь, 1982.

21. Каналы передачи данных / Под ред. Шварумана. М.: Связь, 1970.

22. Коган JI.H. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1983.

23. Криксунов JI.3. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978.

24. Норенков И.П., Трудоношин В.Н. Телекоммуникационные технологии и сети. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000.

25. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М.: Сов. Радио, 1977.

26. Оптические системы передачи / Б.В. Скворцов, В.И. Иванов, В.В. Крумалев и др. / Под ред. В.И. Иванова. М.: Радио и связь, 1994.

27. Основы волоконно-оптической связи: Пер. с англ. / Под ред. Е.М. Дианова. М.: Сов. радио, 1980.

28. Расчет фотоэлектрических цепей / С.Ф. Корндорф, А.Ф. Дубиновский, Н.С. Муромова и др. / Под ред. С.Ф. Кондорфа. М.: Энергия, 1967.

29. Халсалл Ф. Передача данных сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем: Пер с англ. / Под. ред. Т.М. Тер-Микаэляна. М.: Радио и связь, 1995.

30. Якушенков Ю.Г. Основы теории расчета оптико-электронных приборов. -М.: Сов. Радио, 1971.

31. Дмитриев М.В. Оптоэлектронные атмосферные каналы передачи данных в вычислительных сетях. Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Сборник научных трудов кафедры ВСиС МГИЭМ, Москва, 2001. С.48-57.

32. В.П.Дмитриев, В.С.Жданов, М.В. Дмитриев, И.В.Коршунов Анализ подсистем OAK и выбор системы кодирования OAK. Информационные, сетевые и телекоммуникационные технологии. Сборник научных трудов кафедры ВСиС МГИЭМ, Москва, 2005, С.7-21

33. В.П. Дмитриев, В.Н. Гридин, М.В. Дмитриев "Оптоэлектронные приборы, системы и сети" М.: Радио и связь, 20051. Монтаж аппаратуры OAK

34. Фрагмент результатов испытаний канала в составе ЛВС

35. Испытание канала проводилось с помощью специализированного программного обеспечения Iperf. Сводные данные в зависимости от погоды приведены в протоколах испытаний, таб. Ниже приведен фрагмент журнала испытаний.