Материал: Приемопередатчик атмосферной оптической линии связи

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 k -волновое 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 5м 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 1км 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 Информационно- технологического центра Новосибирска.

Рисунок 3.7 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 видимости -расстояние, 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:

. 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/

. 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.

. 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.

. 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:(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.использует следующие протоколы для выполнения различных функций: