В связи с быстрым развитием информационных технологий вопрос простых, дешевых, защищенных систем передачи данных отнюдь не отходит на второстепенный план, а наоборот, приобретает все большую актуальность в связи с ростом количества вычислительной техники, вовлеченной в производственный процесс, увеличением информационного рынка, внедрением систем распределенных вычислений. Системы беспроводной передачи данных имеют ряд преимуществ перед так называемыми системами с закрытым каналом, что обеспечивает их конкурентоспособность на рынке. Среди беспроводных систем для оптических систем передачи данных остается свободное место, ниша, в пределах которой эта технология не имеет, и вряд ли будет иметь конкурентов. Совместно с увеличением распространенности других беспроводных технологий, оптические каналы передачи данных оказываются все более и более востребованными.

Уже сегодня имеются десятки тысяч успешных инсталляций беспроводных оптических линий во всем мире, но их внедрение задерживается тем, что выпускаемые системы направлены на узкий сегмент рынка, и лишь единичные разработки подходят по ценовому критерию для продвижения на рынке массовых систем передачи данных, например для предоставления услуг домашней сети, для оперативной организации временного удаленного доступа к сети. Целью данной работы является исследование возможностей применения систем с открытым оптическим каналом передачи данных, разработанных на базе легкодоступных и дешевых компонентов, изучения вопроса защищенности таких систем и методов повышения защиты.

1. Анализ рынка и применяемых технологий в компьютерных системах связи

Технический базис для построения широкополосных систем оптической связи был создан в 60-е годы XX века, позволив передавать телефизионные и компьютерные сигналы [1,2].

Системы с применением атмосферных оптических линий связи (АОЛС, англоязычный термин – FSO, Free Space Optics) , успешно начавшие коммерчески использоваться с 2000 года, получают все большее распространение. Совершенствуются технологии, растет информационный рынок, расширяется его инфраструктура, и как следствие, повышается спрос на различное беспроводное оборудование. Например, сегодня компания LightPonte, один из признанных лидеров индустрии, ежегодно удваивает обороты и оценивает размеры глобального рынка FSO в 700 млн долл. в 2006 г. и 1,3 млрд – в 2007 г. По данным аналитиков этой компании системы АОЛС находят все более широкое применение в Северной Америке, Европе, России и во множестве других регионов

Согласно исследованиям других аналитиков, самое широкое применение FSO нашли в корпоративном секторе, который приносит отрасли около 65% доходов. Второй по популярности – операторский сектор, а замыкает список рынок решений удаленного доступа с долей дохода, равной одному проценту дохода всего рынка.

Для современных цифровых сетей передачи данных с увеличением количества передаваемой информации, и темпов физического роста сети все острее стоит вопрос выбора наиболее выгодных технологий, используемых для решения той или иной задачи информационного обмена (организации ЛВС, магистрального канала, точки удаленного доступа к сети, проведения мобильной или стационарной телефонной сети).

Сегодня существуют как проводные, так и беспроводные технологии передачи данных. При применении проводных систем, в качестве закрытой среды передачи данных используется медный, или оптико-волоконный кабель, в беспроводных системах открытым каналом выступают радио-эфир, или же атмосферный оптический канал.

Вариант применения дешевых и простых решений с использованием медного проводника в качестве среды передачи можно по праву назвать классическим. Однако современное оборудование для выделенной физической линии на больших расстояниях (при дальности больше двух километров) может обеспечить весьма небольшую скорость передачи данных (до 512 Кбит/с) и имеют ограничение на участок без активного повторителя в несколько десятков километров.

При длине каналов, превышающей километр, и в местах, сильно зашумленных различными помехами, наиболее часто используют волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). По сравнению с предыдущими системами, при тех же расстояниях, скорость в десятки и сотни раз больше, максимальная дальность может достигать сотен километров. Однако стоимость прокладки километра волоконно-оптического кабеля в черте города обходится примерно в 20-50 тысяч гривен.

Предельная дальность беспроводных радиоканалов – 100 километров при скорости передачи от 2 до 34 Мбит/с, ограничивается засоренностью как радиоэфира, так и трудностями, связанными с получением лицензии на использование радиоканала, к тому же само радиооборудование является источником сильных помех.

Для атмосферных оптических линий дальность существующих систем связи составляет километры. Длина линий может составлять несколько десятков километров, но устойчивая, и предсказуемая работа обеспечивается уменьшением максимальной дальности, т.е. оставляется запас по мощности передатчика и чувствительности приемника, чтобы справиться с большинством атмосферных помех: песчаных бурь, различных осадков, туманов.

Наиболее распространенными сегодня являются атмосферные оптические линии передачи данных со скоростями от 10 Мбит/с до 1–2,5 Гбит/с и дальностями от 100 м до 4 км.

Существует ряд преимуществ АОЛС перед радиооборудованием при создании соединений типа «точка-точка». Максимальная скорость в несколько гигабит в секунду, отсутствие влияния радиопомех, низкая стоимость на единицу пропускной способности при возможности оперативного развертывания системы (время инсталляции от одного часа), частота появления ошибочных битов, сопроставимая с волоконно-оптическими системами, отсутствие необходимости приобретать лицензию на используемый частотный канал.

Атмосферные оптические линии реализуют двухточечные соединения: данные передаются между двумя оптическими терминалами, в каждом из которых имеются раздельные приемник и передатчик, как правило, с разнесенными оптическими трактами – во избежание возможных помех и переотражений.

Необходимое условие для работы – прямая видимость. Данные передаются направленными встречными пучками модулированного света. Источником света служат полупроводниковые инфракрасные светодиоды или лазеры. При использовании светодиодов для формирования луча используются оптические системы, обеспечивающие круглую форму сечения луча, но из-за широкой полосы излучения существуют сложности передачи высокоскоростного сигнала. В лазерных системах этот недостаток отсутствует, но при этом увеличивается потенциальная вероятность резонансного поглощения излучения каким-либо атмосферным газом, так же в этом случае приходится, бороться с малыми размерами и параллельностью лучей источника или применять системы динамического наведения [5,6].

Механизмы поглощения света в прозрачной атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В атмосфере свет распространяется практически в тех же окнах прозрачности, что и в стекле – 850, 1310 и 1550 нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу, применяемую в оптоволоконной оптике и заимствовать большую часть уже разработанных технологий (на создание новых потребовались бы немалые средства – лазеры, фото- и светодиоды, микролинзы, оптические усилители, спектральные маски, голографическая оптика, аттенюаторы и методы спектрального уплотнения каналов).

Более того, в атмосферных оптических линиях используется та же модуляция, что и в оптоволокне, по этой причине в FSO так же можно пользоваться произвольными протоколам передачи данных. Последний факт делает жизнеспособными пассивные оптические терминалы, минимизирующие стоимость выносного блока и о обеспечивающие повышенную защиту данных, но, к сожалению, повышающие стоимость системы в целом.

В общем случае атмосферные беспроводные оптические системы уже содержат активное оборудование, сегодня оно очень дорогое.

Среди фирм, производящих FSO-линии в России, можно назвать петербургский Катарсис и Рязанский МОСТ. Российские производители предлагают решения от 1200 долларов АОЛС БОКС-10МЛ (50 – 250м, 10Мб/c). Зарубежные системы на порядок дороже. Высокая цена объясняется нацеленностью на рынок операторов связи и создание надежных высокоскоростных магистральных каналов передачи данных, в которых часто используется резервирование использованием гораздо менее скоростного, но более стойкого к погодным катаклизмам, радиоканала. Сложное внутреннее устройство, прецизионные оптика и механика, относительно малые объемы производства определяют цену.

Тем не менее иногда эта завышенная цена экономически оправданна, особенно если включить в расчет стоимость альтернативных решений – прокладку оптоволоконного кабеля, подключение, обслуживание. Затраты на аренду канала или радиочастот могут составлять, при сопоставимой скорости передачи данных, несколько тысяч долларов в месяц.

Между тем простой подсчет – два медиаконвертера общей ценой примерно 150–300 долл. и набор оптики, максимум 200 долл. за комплект, позволяет предположить, что стоимость атмосферной оптической линии без внедрения аппаратной криптозащиты уже сейчас может быть в пределах пятисот долларов. Столь впечатляющий разрыв обусловлен, затратами на разработку и продвижение продукции и все еще относительно небольшими объемами производства.

Поэтому разработка системы, изначально нацеленной на массовый рынок окупится при гораздо более низкой цене отдельных изделий.

В ряде случаев, например, при проведении разового мероприятия, требующего предоставления мобильной и высокоскоростной связи, у FSO просто может не оказаться альтернатив. Тем более, что настройка линии занимает всего несколько часов даже при минимальной подготовке.

Важен вариант применения FSO систем как временного канала, используемого во время прокладки основной линии. Таким образом немаловажен тот факт, что беспроводная оптическая линия может быть перенесена в другое место, например, при смене офиса. Преимущества беспроводных линий в данном случае очевидны [7,8].

Наряду с малым временем инсталляции принципиальным преимуществом атмосферных оптических линий является самодостаточность. Затраты на установку единовременны, лицензионные отчисления и разрешения на использование частот не требуются ни в одной стране мира.

Время службы устройств определяется в основном сроком службы лазера и может достигать 20 и более лет – среднее время наработки на отказ всего устройства имеет сопоставимые величины.

В случае необходимости можно обойтись даже без монтирования оборудования вне здания – оптический терминал можно разместить с внутренней стороны окна, чем повысить скрытность и, следовательно, защищенность канала.

Высокая защищенность (хотя все-таки не полная) от перехвата – еще одна положительная характеристика FSO. Некоторые аналитики сообщают об уровне защиты данных, превышающем реализуемые в оптоволоконных сетях. Что весьма логично, так как канал беспроводной оптическая линия связи просматривается визуально, в отличие от оптоволокна, расположенного в колодцах.

Для правильно расчета дальности работы FSO-линков в том или ином городе недостаточно опираться только на цифры дальности из спецификации производителей оборудования FSO. Необходимо изучение статистики многолетних наблюдений за погодой (дальностью видимости), и уже на основании этих данных понять, каковы предельные дистанции работы атмосферной оптики в данной географической точке. При этом в расчет принимается предельная вероятность работоспособности FSO-линии в зависимости от погоды. Чем выше требуемая вероятность, тем ниже оказывается расчетная длина гарантированной работы FSO-линии.

Кроме сильной зависимости от погодных условий, иным неблагоприятным фактором является недоверия к ОАЛС по причине низкой изученности побочных нюансов их использования, что объясняется новизной применяемой технологии. И потому необходимо использование различные методов повышения надежности АОЛС, в частности использование алгоритмов помехозащищенного кодирования передающихся данных данных, криптографической защиты и т.д.

Можно выделить две сферы применения и соответственно два рынка. Для обеспечения беспроводной связью территориально удаленных участков локальной сети предприятий (так называемых "Enterprise applications") уровень вероятности принимается за 99%. Рынок конечных клиентов - это тот сегмент, где число установленных FSO-линий наиболее высоко.

Для построения магистральных атмосферно-оптических линий уровень вероятности принимается как 99.999% (так называемые “5 девяток”). Повышенный уровень вероятности связан с тем, что магистральные FSO-линии (обычно это линии пропускной способностью 1.25 Гбит и выше) обслуживают множество клиентов, и должны сохранять работоспособность при практически любой погоде.

Экспериментальные данные, которые публично доступны на сайтах исследовательских организаций и фирм-производителей FSO-линий позволяют дать примерные оценки пределам работы линий в заваисимости от погодных условий. В общем случае, ослабление в атмосфере колеблется от 0.2 dB/km в исключительно ясную погоду до 350 dB/km при очень сильном тумане. Другие цифры, характеризующие ослабление сигенала в атмосфере для FSO-линий следующие: очень сильный туман 350 dB/km, плотный туман 310 dB/km, обычный туман 200 dB/km, снегопад 150 dB/km, ливень 45 dB/km. Таким образом, для того, чтобы FSO-линия была работоспособна в тумане, приходится чрезмерно сокращать расчетную дистанцию, вплоть до расстояний, не превышающих 100м.

Мировая практика показывает, что наиболее эффективным ("цена/качество") решением резервирования FSO-линий является установка параллельной гораздо более низкоскоростной радиолинии, работающей в диапазоне миллиметровых волн. Доказательством такого заключение является бюллетень FCC №70 "Rain Attenuation" [5,9-11]. Согласно приведенным там графикам, наибольшее затухание в дожде для частот 40-100ГГц находится в пределах 50dB/км.

Объединяя радио- и атмосферно-оптические линии, можно достичь очень высокой устойчивости такого беспроводного канала к погоде. Однако она многократно удорожает систему и не является востребованной на массовом рынке конечных клиентов, который и исследуется в данной работой.

2. Структура локальной вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи, варианты использования оптических линий

Общая структура сети с применением FSO основывается на функциях FSO-устройств. Она включает такие элементы:

а) две подсети, которые необходимо соединить в единую сеть беспроводным двунаправленным каналом передачи данных;

б) внешний интерфейс, соединяющий систему беспроводной передачи данных с соответствующе подсетью;

в) интерфейсный модуль (ИМ), согласовывающий интерфейс соединяемых сетей с внутренним интерфейсом передачи данных системы. В ИМ может находиться шифратор-дешифратор в случае применения криптографической защиты;

г) приемо-передающего модуля FSO системы.

Рисунок 2.1. Структура сети с применением FSO

Рисунок 2.2. Структура сети с использованием технологии резервирования

Общая структура сети с применением FSO приведена на рисунке 2.1.

Система с использование резервирующего канала является экономически невыгодной для применения на массовом рынке конечных клиентов, так как модуль обработки информации не только усложняется за счет появления канального мультиплексора, но и исключает возможные упрощения в модуле за счет оптимизации его структуры, например, упразднением функции преобразования внешнего сетевого интерфейса во внутренний интерфейс передачи данных, невозможного с появлением второго внешнего интерфейса (радио-интерфейса), что видно на рисунке 2.2.

Применение FSO систем несколько специфично, так как необходима прямая видимость между двумя приемо-передающими установками. И потому часто требуется «выносить» приемо-передатчики на противоположную внешнюю стену здания, или же на его крышу. Что позволяет часть оборудования в случае надобности располагать внутри в доступном или же наоборот защищенном от внешних воздействий месте, например, интерфейсный модуль (модуль обработки информации). Что в свою очередь повышает надежность функционирования, стойкость к физическому повреждению дорогостоящего оборудования, попыткам взломать шифрующий модуль и тем или иным способом получить доступ к передающейся информации.

FSO системы обладают повышенной секретностью передачи данных, так как канал передачи визуально просматривается, луч передатчика относительно легко сфокусировать исключительно на приемнике. При попытке физического перехвата возникающие сбои в передаче, позволят автоматически зафиксировать данный факт средствами видеонаблюдения с целью анализа и устранения возможности повторных попыток взлома.

Широкий канал позволяет производить помехозащищенное кодирование с большим коэффициентом избыточности.

Низкая охваченность рынка дешевых систем конечных клиентов позволяет поставить целью исследовать возможные варианты разработки и внедрения системы АОЛС, способной максимально удовлетворить потребность данного сектора рынка.

Требования к данной системе весьма широки, многие отталкиваются от низкой цены конечного изделия. Их можно приблизительно формализовать таким образом:

а) низкая стоимость порядка пятисот долларов;

б) отсутствие сложной системы позиционирования;

в) моноблочность конструкции;

г) наличие моделей без использования алгоритмов шифрования, а так же удешевленных моделей и без криптозащиты и без использования помехозащищенного кодирования;

д) аппаратная реализация обработки передающихся данных (помехозащищенного кодирования и шифрования);

е) нацеленность каждой модели аппаратуры только на одни из широко распространенных сетевых интерфейсов (например Fast Ethernet).

Предлагаемая к разработке система при условии соблюдения большинства выдвинутых требований имеет существенные преимущества, дающие возможность максимально охватить массовый рынок:

а) простота установки,

б) легкость обслуживания и использования;

в) дешевизна, и единоразовый характер затрат на инсталляцию канала;

г) прозрачность для программных средств, обеспечивающаяся аппаратной реализацией шифрования и кодирования;

д) платформенная независимость.

3. Структура системы передачи данных с открытым атмосферным каналом

Терминальное устройство может быть единым физическим устройством, так и представлять из себя отдельные модули, соединяющиеся интерфейсами передачи данных. При этом необходимость инсталляции двух и более частей одной системы усложняют и удорожают ее установку, затрудняют первичную настройку. Общая схема FSO терминального устройства, допускающую наличие резервного канала, представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Общая схема FSO терминального устройства.

Структурно терминальное устройство может быть поделено на следующие модули, часть из которых может выноситься в отдельный физический модуль, так и физически совмещаться с другими структурными модулями, например, в пределах одной микросхемы:

а) интерфейсный модуль преобразует модулированный сигнал сетевого интерфейса в цифровой сигнал внутреннего интерфейса;

б) устройство управления, доступное для конфигурирования и контроля через сетевой интерфейс, и опционально – для контроля по внешним датчикам устройства;

в) модуль обработки производит все необходимые преобразования цифровых данных как перед модулированием и посылкой их в эфир, так и после демодулирования и посылкой в сетевой интрефейс;

г) модулятор и демодулятор;

д) приемник и передатчик;

е) возможно резервное устройство связи стороннего разработчика, тогда модуль обработки должен обеспечивать совместимость с ним, и переключать поток данных на него по сигналу управляющего модуля.

Данная структура является достаточно универсальной, что позволяет ее детализировать относительно предлагаемого к разработке FSO устройства для анализа вариантов решения тех или иных задач и разрешения проблем при передаче данных.

Функционально терминальное устройство состоит из модуля подключения к внешнему сетевому интерфейсу, опционального модуля подключения к резервному сетевому интерфейсу (радио-каналу), внешнего опционального модуля контроля состояния, модуля оптического приемо-передатчика, и модуля, координирующего работу четырех вышеперечисленных модулей и осуществляющего обработку информации при обмене данными между данными модулями.

4. Анализ возникающих проблем при использовании систем с открытым атмосферным каналом передачи данных для удаленного доступа

Устройства передачи данных могут быть охарактеризованы качественно и количественно по следующим критериям:

а) надежность передачи данных;

б) сокрытие данных от несанкционированного доступа к ним;

в) стойкость к внешним воздействиям (параметрам окружающей среды, физическому воздействию, попыткам прервать или перехватить передачу);

г) предсказуемость поведения в случае невозможности обеспечить на надлежащем уровне одно из вышеперечисленных требований.

Для обеспечения высокой надежности канала и стойкости к неблагоприятным условиям окружающей среды в современных системах применяется резервный канал (например, радиоканал), но его использование существенно увеличивает цену, и часто в такой избыточной надежности нет необходимости. В данном случае при разработке простой и массовой системы, можно отказаться от такого способа повышения надежности в пользу уменьшения цены системы.

Рисунок 4.1. Пример детализированной структуры терминального устройства

Пример такой системы приведен на рисунке 4.1.

С другой стороны, для обеспечения большей надежности передачи FSO терминальное устройство может осуществлять помехоустойчивое кодирование с большим коэффициентом избыточности, что позволяет высокая предельная скорость передачи данных и, следовательно, большой запас пропускной способности. Данная функция приветствуется, хотя тоже необязательна, поскольку вполне можно полагаться на программные протоколы связи, однако это исключает аппаратное детектирование множественных ошибок связи, при этом кодер и декодер вырождаются в формирователь и усилитель импульсов.

При отсутствии жестких требований к защите отказ от использования криптозащиты данных сильно удешевит систему, при отсутствии высоких скоростей передачи возможно использование программное шифрование на уровне приложений.

Процессы криптографического преобразования и помехоустойчивого кодирования должны идти параллельно, поэтому возможна реализация соответствующих модулей в виде двух независимых устройств, или же наоборот, совмещение в одном.

FSO системы очень востребованы для оперативной организации удаленного доступа, решения задач «последней мили» в местах, где прокладка кабеля затруднительна, или дорога [3]. К этим устройствам представляются гораздо менее жесткие требования касательно надежности связи, излишняя функциональность нежелательна по причине более низкой платежеспособности заказчика такого оборудования. Сложность продвижения в данной нише рынка обязывает производить максимально конкурентоспособный товар, легкий в установке, настройке и эксплуатации, не обремененный излишними, удорожающими продукт, функциями, совместимый с самым распространенным сетевым интерфейсом.

Если на корпоративном рынке и рынке операторов связи сам покупатель может инициировать создание и финансировать разработку нужного ему оборудования беспроводной передачи данных. То на рынке решений удаленного доступа наблюдается совершенно иная картина. Продукт должен обладать доступной ценой и иметь функциональность, способную удовлетворить основную массу покупателей. При этом FSO-система имеет шансы быть внедренной только тогда, когда она будет применяться не только в тех случаях, когда другие проводные или беспроводные системы неприменимы или малоэффективны, но и существенно облегчать задачу прокладки сети в случаях, когда у заказчика остается альтернатива использования классической прокладки кабеля.

При проектировании таких систем этапы предварительной оценки и исследования должны быть весьма разноплановыми, чтобы найти все приемлемые пути решения данной задачи, и выделить среди них наиболее эффективные.

Известно, что любые дополнительные соединения с другими сегментами порождают новые проблемы, в том числе и относящиеся к безопасности системы в целом. И даже если внутри двух соединяемых подсетей, используются методы ограничения физического и компьютерного доступа к каналам информации, все усилия могут быть напрасными, если не делать этого на беспроводном участке сети, служащим «мостом» между подсетями.

В целом средства обеспечения защиты информации в зависимости от способа реализации можно разделить на группы:

а) технические стредства;

б) программные средства;

в) организационные средства.

К организационным средствам можно отнести рекомендации по расположению оптических каналов передачи данных. Технические и программные средства должны обеспечить невозможность воспользоваться данными, даже если произошел физических перехват, или подмена данных в канале. Шифрование данных представляет собой совокупность программно-аппаратных средств защиты информации и имеет особое значение на практике как единственная надежная защита информации.

Существует большое количество симметричных и ассиметричных шифрующих алгоритмов. Их выбор зависит от требуемой стойкости алгоритма и доступной аппаратной базы, ориентация на последний фактор может значительно повысить максимальную скорость шифрования.

При реализации криптографического модуля на базе микропроцессора или микроконтроллера целесообразно применение программных шифров., т.е. таких систем шифрования, которые использую операции над компьютерными словами и учитывают специфику обработки данных в процессорной системе криптомодуля.

Существуют такие разновидности шифров, как блочные, поточные и комбинированные. Аддитивные поточные шифры являются малопригодными для данной решаемой задачи, так как такая криптосистема может быть использована только при дополнении ее специальной подсистемой генерации уникальных ключей шифрования для каждого отдельного блока данных по причине недопустимости повторного использования одинаковых участков ключевого потока.

В данной системе с целью оптимизации затрат на аппаратуру, и получение более высоких скоростей шифрования целесообразно использование так называемы скоростных шифров [13].

Наиболее подходящими для применения в компьютерных системах являются блочные шифры. На процесс синтеза алгоритмов блочного шифрования существенное влияние оказывают параметры скорости работы алгоритма и сложности реализации алгоритма [14, 15]. Решение проблемы выбора алгоритма должно стать результатом долгих и кропотливых исследований как стойкости, так и сложности реализации различных криптографических систем.

5. Экспериментальная проверка предложенных технических решений

С целью экспериментальной проверки возможности создания систем, требования к которым были выдвинуты в пункте 2, было проведено моделирование и на основе удачного моделирования собран экспериментальных образец упрощенной системы оптического канала передачи данных с использованием недорогой элементной базы, за основу была взята схема, предложенная Андреем Вялковым [12].

Была реализована АОЛС со следующими характеристиками:

1. Скорость передачи: 115 кбит/c

2. Мощность излучателя: менее 1мВт

3. Диапазон: видимый красный

4. Интерфейс с ЭВМ: RS-232

5. Дальность передачи: более 130 м

6. Тип связи: симплексная

7. Фотоэлемент: фотодиод ФД-К-155

8. Излучатель: “лазерная указка” (производство: Китай, модель указки не установлена)

В данной схеме реализованы такие модули, из схемы на рисунке 4.1: модулятор, демодулятор, оптический передатчик и оптический приемник, модуль интерфейса в простейшем исполнении.

Были проведены тестовые циклы приемопередачи при нормальном состоянии атмосферы (отсутствие осадков и тумана) в разное время суток, показавшие работоспособность такой простой системы в любых метеоусловиях без сильных осадков и при отсутствии прямой засветкой солнечным излучением фотодиода.

Блок-схема построения преемника приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Блок-схема построения приемника.

Фотодиод (ФД-263) работает в гальваническом режиме и нагружается на каскад с общим эмиттером с обратной связью по напряжению. Каскад работает в усилительном режиме. На следующем каскаде сигнал дифференцируется. Дифференцирование идет на каскодной схеме. Постоянная времени дифференцирования определяется емкостью C2. Дальше продифференцированный сигнал усиливается на операционном усилителе до такого уровня, что бы помехи не могли переключить выходной триггер Шмидта. Коэффициент усиления усилителя на операционнике зависит от уровня шумов и b транзисторов, настраивается изменением сопротивлениями R12,R13 с контролем сигнала на осциллографе (шумы не должны переключать выходной триггер). На выходе триггера формируется потенциал +6 или -6 вольт относительно потенциала провода 0V и ведется непосредственно на вход порта.

В приемнике применялись транзисторы КТ315Б, операционные усилители TL082.

Моделирование рассчитанной схемы приемника производилось на модельной схеме, приведенной на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2. Схема моделирования приемника.

Результирующий зашумленный высокочастотными и низкочастотными помехами сигнал, поступающий с фотодиода - V(INPUT), приведен на рисунке 5.3. Результаты моделирования приемника приведены на рисунке 5.4.

Входной прямоугольный сигнал частотой 62,5 килогерц искажался синусоидальным шумом частотой 200 килогерц с амплитудой, равной амплитуде полезного сигнала и синусоидальным сигналом частотой 2 килогерца и амплитудой в четыре раза большей амплитуде полезного сигнала.

Тестирование пары приемо-передатчик проходило в двух конфигурациях. В первой приемопередатчик работал «в разрыве» сигнального кабеля одного из направлений передачи двунаправленного последовательного канала передачи данных между двумя персональными компьютерами (передача через COM-порты). Расстояние между линзой приемника и передатчика составляла 1 метр, луч лазера пропускали через ослабляющий излучение светофильтр. Количество ошибок приемопередачи было измерено косвенно как отношение средней скорости передачи данных без применения FSO системы к скорости с ее применением при передаче в одном направлении. Отличие результата было меньше единицы на величину не превышающую средние колебания показаний скорости передачи данных (меньше одного процента), следовательно количество ошибок премопередачи было не существенным.

Рисунок 5.3. Результирующий зашумленный высокочастотными и низкочастотными помехами сигнал, поступающий с фотодиода

Рисунок 5.4. Результаты моделирования приемника

Во второй конфигурации в качестве источника сигнала служил мультивибратор, генерирующий прямоугольный сигнал частотой 57 килогерц, приемник подсоединялся к последовательному порту персонального компьютера и в результате автоматически оценивался цифровой сигнал, принимаемый через порт компьютером, а также визуально оценивалась осцифолограмма сигнала с выхода приемника. Приемник и передатчик были закреплены на наружных стенах двух зданий, на расстоянии 130 метров. При отсутствии прямой засветки солнцем приемника, атмосферных осадков и тумана сигнал принимался уверенно, что определяется достаточной помехоустойчивостью схемы при передаче на расстояние 130 метров, и приеме указным на схеме диодом без дополнительной оптической системы и диаметре пятна лазера 10 сантиметров, мощности лазера менее 1 милливатта.

Моделирование рассчитанной схемы передатчика производилось на модельной схеме, приведенной на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5. Схема моделирования передатчика.

На транзисторе Q1 (см. рис.5.2) собран источник тока 30 mA, в качестве нагрузки которого включен светоизлучающий кристалл лазерной указки. Транзистор Q2 представляет собой ключ, управляемый сигналом TD с интерфейса RS-232. Транзисторы Q1, Q2 – КТ315Б.

3аключение

В проделанной работе в результате был опробован приемный и передающий модуль АОЛС, не содержащие дополнительной оптики, в системе использовалась лишь штатная линза в лазерном устройстве и фото-диод без фокусирующей линзы. Данный образец успешно справился со всеми этапами экспериментальной проверки, и показал способность подобных систем использоваться в сетях, где не стоит задача обеспечить высоконадежную связь, но возможно возникновение необходимости оперативно создавать точки удаленного доступа к сети на сравнительно небольших расстояния передачи данных – до нескольких сотен метров.

Отдельный не до конца раскрытый вопрос – окончательный выбор вычислительного элемента для криптографической системы, и разработки быстрого алгоритма шифрования, ориентированного на конкретную аппаратную реализацию: микроконтроллер, микропроцессор, ПЛИС и т.д.

Результаты исследований, проведенных в данной работе могут быть использованы при разработке легкого в изготовлении, простого в использовании, дешевого и защищенного устройства удаленного доступа к сети, способного найти применение в произвольной локальной сети, обеспечить удовлетворительную работу при любой специфике использования.

Перечень ссылок

1. Пратт В. Лазерные системы связи. М., 1972.

2. Оптические системы передачи информации по атмосферному каналу. М., 1985.

3. Сироклин И. Л. DECT - последняя миля + мобильность. Информост - Средства связи, 2001, № 2 (15), с. 24-27.4

4. Official FCC Bulletin 70, "Millimeter Wave Propagation" (http://www.fcc.gov/Bureaus/Engineering_Technology/Documents/bulletins/oet70/oet70a.pdf, PDF, 1.7M).

5. Кулик Т. К., Прохоров Д.В. Методика сравнительной оценки работоспособности лазерных линий связи. Технология и средства связи, 2000, № 6, с. 8-18.

6. Кулик Т. К., Прохоров Д.В., Сумерин В. В., Хюппенен А. П. Особенности применения оптических линий связи. Лазер информ, 2001, вып. 9-10 (216-217), с. 1-6.

7. Серопегин В.И. Беспроводные системы передачи данных локального, городского и регионального масштабов. Технология и средства связи, 1999, № 4, с. 72-77.

8. Гиносян Ю.А. Новые технологии беспроводного доступа. Технология и средства связи, 1999, № 4, с. 38-39.

9. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М., Соврадио, 1970, 494 с.

10. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М., Радио и связь, 1981, 288 с.

11. Розенберг Г.В., Горчаков Г.И., Георгиевский Ю. С., Любовцева Ю.С. Физика атмосферы и проблемы климата. М., Наука, 1980, 320 с.

12. http://www.an500.narod.ru/optolink/st_sxema.htm.

13. Молдовян А.А. Криптография: скоростные шифры. СПб.: БХВ-Петербург, 2002, 496 с.

14. Шеннон К.Э. Символический анализ релейных и переключательных схем // В кн.: Шеннон К.Э. Работы по теории информации и кибернетике. – М.: Иностранная литература, 1963. – С. 59-105.

15. Сэвидж Д.Э. Сложность вычислений. – М.: Факториал, 1998. – 368 с