автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование оптоэлектронных атмосферных каналов для автоматизированных информационных систем и сетей

4845456

БОГАНОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПГОЭЛЕКТРОННЫХ АТМОСФЕРНЫХ КАНАЛОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ

Специальность 05.12.13. Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва-2011

4845456

Работа выполнена в Московском государственном институте электроники и математики (Техническом университете) на кафедре «Вычислительные системы и сети»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Дмитриев Виктор Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Харченко Виктор Николаевич

кандидат технических наук

Зборовский Александр Абрамович

Ведущая организация: ЗАО Научно-производственная фирма

«Информационные и сетевые технологии»

Защита диссертации состоится « 26 » мая 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212,133.06 в Московском государственном институте электроники и математики (Техническом университете) по адресу: 109028, Москва, Большой 'Грехсвятительский пер., д.3/12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ).

Автореферат разослан « апреля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.133.06 профессор, к.т.н. г~\л/

Н.Н. Грачев

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационного исследования обусловлена разработкой беспроводной коммуникационной системы передачи информации для открытых пространств и помещений. 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 оптоэлек-тронных атмосферных каналов (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 за счет отсутствия проводов, электрических наводок, так и перед высокочастотной радиопередачей, где в качестве негатива выступает влияние электромагнитных помех, передаваемых радиосигналов на другие системы. К тому же, передача сигналов с помощью ИК-излучения не требует отдельного лицензирования.

Оптимальным расстоянием для нормальной работы оптоэлектронного атмосферного канала считаются следующие величины:

- между зданиями - около1600 м,

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

На таких расстояниях линия устойчива к воздействию большинства неблагоприятных погодных факторов, таких, как снег, дождь или туман.

Общий принцип работы автоматизированной информационной системы (АИС) с использованием OAK малого и среднего радиуса действия представлен на рис.1. Открытый канал малого радиуса действия соединяет в локальную сеть все компьютеры, расположенные в одном помещении.

Рис.1. Схема использования QAK для АИС.

Локальная сеть является сегментом автоматизированной ИС, расположенной в нескольких зданиях. Эти здания соединены OAK среднего радиуса действия до 1600 м. На схеме показаны соединения рабочих станций, серверов и сетевых принтеров, объединенных с помощью OAK на расстоянии до 10 м.

Изложенное выше послужило основополагающим фактором актуальности данного диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является разработка единой модели OAK для АИС, объединяющей работу системы в открытых пространствах и закрытых помещениях.

Дли достижения поставленной цели необходимо было 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 тин кодирования сигнала при использовании OAK в АИС;

-разработать различные виды конфигураций использования OAK при передаче информации в помещениях и на открытых участках;

-разработать принципы аппаратной реализации OAK.

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 и малых 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.

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 в OAK, обеспечивающие устойчивую работу канала;

- конфигурационные решения OAK, применяемые при создании АИС;

5

- принципы аппаратной реализации OAK;

- способы инсталляции OAK на объекте.

Практическая значимость исследования состоит в том, что полученные в работе 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 в диссертационном исследовании 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 организации ОАО «РОСТЕКС». Расстояния между рабочими станциями составляло не более Юм, что позволило использовать OAK для коротких расстояний при использовании порта USB.

Апробация результатов исследования.

Участие в научно-техническом семинаре центра информационных технологий проектирования Российской академии наук (2009г., 2010г.).

Участие в научно-техническом семинаре «Информация и сетевые технологии» (2010г.).

Представление результатов разработки на ежегодной конференции МИЭМ (2008г., 2009г., 2010г.).

Публикации.

По теме диссертации онубликовзны 5 печатных работ общим объемом = 1,3 п.л.; в перечне журналов утвержденных ВАК России - 1 статья.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, тести глав, библиографического списка. Общий объем диссертации составляет 170 страниц, включая 60 рисунков и 7 таблиц.

Краткое содержание работы.

В нерпой главе диссертации представлен анализ технико-экономической эффективности применения OAK в информационных системах и сетях рис.2. В сравнении с другими беспроводными решениями использования OAK обладает следующими преимуществами: отсутствуют помехи в диапазоне передачи для других близлежащих систем, наличие высокой помехозащищенности и конфиденциальности, низкая удельная стоимость бита передаваемой информации, совместимость по техническим характеристикам оптоэлектронных приборов, для передачи цифровой информации с микроэлектронными схемами.

Рис.2. Анализ эффективности OAK

Согласно анализу американских специалистов мировой объем продаж продукции элементной базы оптоэлектроники составит следующие величины: в 1993 году - 75 млрд. долл. К 2013 он должен достичь 463 млрд.долл. Таким образом увеличивающиеся темпы развития позволяют предусмотреть перспективность OAK.

В данном разделе рассмотрены особенности организации вычислительных сетей.

Автоматизированные системы управления, системы связи, измерительные системы представляют собой сложные вычислительные комплексы, в состав которых могут входить различные подсистемы, обеспечивающие выполнение операций по сбору, преобразованию, хранению, передаче, приему, обработке и использованию необходимой информации.

Для обеспечения взаимодействия модульных подсистем необходима физическая среда передачи. На основе физической среды создается канал, который представляет собой совокупность физических сред и канапообра-зующих средств (сетевая инфраструктура), связывающих модули одного уровня друг с другом.

Во второй главе представлена общая характеристика модели OAK, определены общие требования к моделированию канала, рассмотрены физические модели основных элементов OAK, как оптической части, так и схемотехнической. Представлены физические модели активных компонентов OAK: светоизлучающих диодов (СИД), полупроводниковых фотоприемников (ФД) и оптической среды передачи рис.3.

СИД

2Umax

-Л

Оптическая среда

■ <2---------- - 2Qpac--------------------------8---S-

а I а а

1--^---:-----

ФД

Рис.3. Схема активных компонентов OAK.

Коэффициент передачи OAK:

Koak~KI К? Кз К4' К5, (1)

где Ki - К5 - коэффициенты передачи частей системы.

Процесс двойного преобразования энергии:

Кр"Ч]1Ш1КИЗЛ ПрТ|фпОфХ , (2)

где T)njji - квантовые эффективности излучателя;

Г)фп - квантовые эффективности фотоприемника; Ки.,л»р- коэффиц. передачи света от из луч. к прием.; СфГ- внутреннее усиление фототока.

В третьей главе диссертации подробно предложен метод разработки программно-аппаратной реализации OAK и построения автоматизированных информационных систем (АИС).

Разработка оптической системы (ОС) включает в себя следующие

этапы:

первый этап - расчет различных вариантов построения ОС для безаберраци-ониой и прозрачной оптической среды.

второй этап - анализ конструкций фотоириемных устройств (ФПУ).

третий этап - учет затухания в атмосфере и оценка необходимого уровня сигнала, который обеспечивает надежность работы системы.

четвертый этап - анализ конструкций источника излучения (ИИ).

пятый этап - Получение экспериментальных данных.

В ходе работы проведен расчет построения ОС для безаберрационной оптики при идеальной оптической среде. Рассмотрен принцип формирования луча и определена мощность светового потока на площадке фотоприемника.

Оптический луч формируется при включении светоизлучающего диода, расположенного на одной оптической оси с фотоприемником.

Основным элементом СИД является излучающая площадка с линейными размерами dl и d2 рис.4. Эта площадка генерирует ИК-излучения с длиной волны Х.=0,85...0,87мкм. Для данного излучения необходимо увеличить излучаемую мощность с помощью установленной линзы Л1. Ниже представлена схема ОС для ее расчетов.

flnep

_л

Оптическая среда

Лпр

[

у

.4 ..

Fnp

L

ИД - излучающий диод, ФП — фотоприемиик, Лпер-линза передатчика, Лпр - линза приемника, 2(Эрас - угловая расходимость.

Опят - диаметр светового пятна,

Гпер - фокусное расстояние линзы передатчика,

Япр - фокусное расстояние линзы приемника,

21!тах - линейный угол излучения,

С - расстояние между приемником и передатчиком,

Опер - диаметр линзы передатчика,

Эпр — диаметр линзы приемника.

Рис.4. Схема расчета OAK.

Линза Л, установленная на передающей системе, характеризуется следующими параметрами: диаметр линзы D1, фокусное расстояние линзы F1. Задача линзы Л1 заключена в следующем: сформировать пучок излучения с расходимостью по ортогональным координатам под углом 2[П и 2^2. На стороне оптического фотоприемника установлена линза Л2, которая характеризуется параметрами: диаметр линзы D2, фокусное расстояние линзы F2. Задача линзы Л2 состоит в перехвате определенной доли дошедшего светового потока и передаче его на площадку фотоприемника. Площадка фотоприемника расположена в фокусе линзы Л2. Проведем расчет мощности светового потока, попадающего на площадку фотоприемника.

Рассмотрим, какая часть мощности излучения попадает на приемник от излучающего передатчика. Используя законы геометрической оптики, предложена формула соотношения мощности передатчика и мощности приемника для безаберрационной оптической системы:

(3)

Если прозрачность атмосферы (J=0, то упрощаем формулу:

ю

энергетическая яркость активного элемента оптической системы,

S , -S

— " "р ■ 10 10 - характеристика пассивных элементов оптической сис-

L

темы и среды передачи.

Выбор системы кодирования информации зависит от взаимодействия всех подсистем между собой и позволяет корректировать настройки OAK в зависимости от условий среды передачи. OAK построен на основе ИК- излучения, что предъявляет к его работе следующие требования:

- создать стабильность работы в широком динамическом диапазоне, как по уровню сигнала, так и по ширине импульса;

- обеспечить однозначный прием логических примитивов;

- сигнализировать о потере «логического» канала.

Представленная в диссертационной работе модель кодирования в OAK использует последовательную систему кодирования информации, где биты данных передаются двумя символами: логическая «единица» и логический «ноль». Данные передаются блоками по 8 бит. Для кодирования символов логической «единицы» и «нуля» используется абсолютная фазовая модуляция. Из блохов формируются пакеты данных, использующиеся для дальнейшей передачи. Размер пакета составляет 205 байтов.

Весь блок разделен на девять участков. Длительность блока символов составляет 18 мкс. Участок 1 используется для передачи символа синхронизации, который обеспечивает синхронизацию аппаратуры декодера для надежного приема последующих символов информации. В диапазоне участка 2 по участок 9 располагаются символы информации. Данные символы кодируют биты информации с младшего бита (0) по старший (7). Порядок передачи символами бит следующий: символ 2 передает 0 бит, символ 3 передает 1 бит и, соответственно, символ 9 передает последний, старший бит.

. 200 . 400 .200 .

1 2 3

Рис.5. Структура символа.

где

Символ разбит на три зоны рис.5. Зона 1 используется для кодирования логического «нуля», зона 3 используется для кодирования логической «еди ницы» и зона 2 используется для разделения зоны 1 от зоны 3.

Символы имеют длительность 2 мкс. Длительность зон 1 и 3 составляет 200 не, а длительность зоны 2 составляет 400 не. При передаче символа импульс может располагаться только в одной зоне - зоне 1 или 3. Скважность импульса составляет не меньше 10. Такой способ передачи логических битов позволяет определить момент потери связи. Отсутствие импульса позволяет аппаратуре декодера сигнализировать драйверу об ошибке в канале связи. Разделение логических «нуля» и «единицы» однозначно определяет, какой бит информации передает конкретный символ.

Для надежного приема импульса используется следующая методика. При получении синхронизирующего символа аппаратура декодера начинает вырабатывать последовательности, состоящие из трех импульсов. Пауза между импульсами имеет длительность 25 не. При анализе импульса декодер фиксирует состояние приемного канала в этих трех временных точках. Если в двух точках есть активный уровень сигнала, то импульс получен, если активный уровень только в одной точке, то такой импульс отбраковывается. Анализ импульса представлен на рис.6.

200 кс

4---Ь

25 не 25 не

1 2 3

Рис.6. Анализ импульса.

Для инсталляции OAK на объекте необходимо решить следующие технические вопросы:

- настроить взаимную параллельность оптических осей передатчика и приемника внутри каждого приемо-передающего модуля (ППМ);

- настроить взаимную параллельность оптических осей оптического прицела и передатчика на каждом ППМ;

- навести два ППМ друг на друга на реальной дистанции.

Оценим угол расхождения а для инфракрасного (ИК) луча в установленном ППМ. Приемо-передающая оптическая система (ОС) состоит из двух ППМ. Схема комплекта ППМ представлена на рис.7.

12

сид

линза

пинг

Р1

I

Р2

Рис.7. Схема прнемо-передающего устройства.

В диссертационной работе проведены численные расчеты предельной угловой ошибке настройки оптической оси при наводке двух приемно-передзющих модулей.

Световое пятно, расположенное на расстоянии Ь от передатчика в плоскости оптического фотоприемного устройства (ФГТУ), показано на рис.8.

Линза ФПУ диаметром Ол пр. должна располагаться в центре светового пятна.

Для систем ОАК, работающих на коротких расстояниях, световой сигнал можно фокусировать или использовать нефокусированный сигнал, что упрощает разработку и эксплуатацию канала передачи данных.

На рис.9, схема взаимодействия АИС с ее пользователями.

Рис.8. Световое пятно.

Пользователи WEB-предприятия

Партнеры

НрСДИрИЯ ГН:

АИС уровня предприятия /

VPN

WEB

сервер Приложения

уровня предприятия

Сотрудники

Данные предприятия Сервер

электронной коммедщш

Рие.9. Структура взаимодействия в АИС.

В четвертой главе диссертации представлена разработанная математическая модель OAK, рассмотрены наиболее практические расчетные формулы показателей производительности для различных видов сетей, рассмотрены примеры и особенности применения OAK в АИС.

Основной характеристикой состояния ИС является вектор (Мь М2, ..., Мы), где MN - количество кадров, обрабатываемых в узле а ИС. В стационарном режиме состояния (Мь ..., MN) разомкнутой экспоненциальной сети предложены следующее выражения:

(5)

где

д=

Яп ,9, п — однокаюпьпьш, К- 1 кп, если К > 1

w„

(6)

kn - среднее количество занятых параллельных процессоров п узле л;

— ,сашМ < К,,

ю

,есчиМп > К(1

(7)

ра,- вероятность, что узел п свободен от кадров (для однопроцессорного узла Рт=НД) и определяем выражением:

Ро» =

А""

( а \

!_ А

п v К J J

(8)

Среднее время ожидания пакета в буфере узла п вычисляем по следующему выражению:

я; ,./„ ..

А (

" КЖ

AV

к.

(9)

где Яп - интенсивность входного потока пакетов; п =), 2,..., N.

Среднее время пребывание пакета в узле п получаем из выражения:

кж..

(10)

I KJ

На основании математической .модели разрабатывается OAK для АИС.

Использование OAK среднего радиуса действия в информационных системах необходимо при создании канала передачи данных между корпусами административных или производственных зданий, в полевых и горных условиях работы, где расстояние между сегментами АИС составляет от 1000 м до 1600 м.

1S

В пятой главе диссертации рассмотрены вопросы системы OAK к эксплуатационным воздействиям.

Условия эксплуатации OAK характеризуются комплексом факторов, которые имеют различную физико-химическую природу, изменяются в достаточно широких пределах и по разному влияют на их работоспособность и надежность. Эти факторы подразделяются на электрические, климатические, механические и радиационные,

В шестой главе диссертации рассмотрена методология испытаний системы OAK. Результаты испытания OAK на устойчивость к механическим воздействиям представлены в табл.1.

Табл.1 испытания на устойчивость к механическим воздействиям

№ образца Опр. резонанш. частоты Виброустойчивость Вибророч-ность Ударная устой-чивость

f= 10...200Гц, ускорение - 5 g 2 цикла. 2 положения М0...2000Гц. ускорение - 200 g. 4 цикла, 2 положения F=10...2000Гц, ускорение 20 g,2 положения по 1.5ч Ускорение -150g;20 уд х 2 положения (30 мин)

OAK №1 Не обнаружена Сбои при f=50...100, 200...500, 800..,2000Гц Р«и = 10"*

OAK №2 Сбои при f (50-100), (200-500), (800 -2000) Гц

OAK №3 Р„ш = Ю-9 Отказ Не проверялся -

Симплексный OAK Не обнаружено Тнмл ~ 1 МКС, о„=1 в (при R„ = 50 Ом) Дребезг тиш,= 1,2 мкс, и-=1 В (при К„=50 Ом)

Основанная на проверке установочных требований и механической стойкости конструкции аппаратуры OAK к эксплуатационным воздействиям и тестировании логического канала в составе сети.

Проверка установочных требований и механической стойкости конструкции аппаратуры OAK к эксплуатационным воздействиям включает следующие этапы:

- подготовка площадки для монтажа оборудования OAK в соответствии с требованиями производителя оборудования;

- установка оборудования OAK на монтажной площадке.

В процессе монтажа оценивается сложность установки, крепежа и настройки аппаратуры OAK, а также общее время инсталляции. Оцениваются способы настройки оптических систем, точность (шаг) перемещений механизма настройки и способы фиксации параметров. Оценка всего механизма настройки оптической системы строится с учетом продолжительного теплового и механического воздействия.

Основные результаты работы.

1. Проанализирована и обоснована эффективность применения ОЛК при создании сетей для информационных систем.

2. Проведен анализ технических характеристик OAK российских разработок и зарубежных аналогов, в результате чего выявлено отсутствие комплексной системы.

3. Разработана модель OAK для АИС, позволяющая создать реально действующую коммуникационную систему.

4. Разработаны требования для систем OAK в различных вариантах эксплуатации каналов передачи данных, позволяющие использовать фокусирующие каналы в открытом пространстве и не фокусированные каналы в помещении.

5. Выбран и обоснован метод кодирования сигнала при использовании OAK, который объединяет способ последовательной передачи информации и систему кодирования с использованием относительной фазовой модуляцией, что позволяет уменьшить вероятность ошибки передачи.

6. Обоснован выбор основных конфигураций OAK для открытых атмосферных каналов и для помещений, учитывая особенности передачи канала в сети.

7. Разработана программно-аппаратная реализация, которая расширяет применение беспроводных коммуникационных систем связи.

Публикации по теме диссертационной работы.

1. Rom нов A.A. Основа программно-аппаратной реализации оптоэлектронных атмосферных каналов. Ежемесячный научно-практический журнал «Качество, инновации, образование», М:МИЗМ, 2010г.,№ 4(59), с.49-51.

2. Боганов A.A., Дмитриев В.П. Оптоэлектронные атмосферные каналы передачи данных. Сборник научных трудов кафедры ВСиС МИЭМ, М:МИЭМ, 2008г., с. 168-177.

3. Боганов A.A., Дмитриев В.П. Элементы оптоэлектронного атмосферного канала. Сборник научных трудов кафедры ВСиС МИЭМ, М:МИЭМ, 2008г., с. 182-188.

4. Богаков A.A., Дмитриев В.П. Аппаратная реализация оптической системы в оптоэлектронных атмосферных каналах. Сборник научных трудов кафедры ВСиС МИЭМ, М:МИЭМ, 2008г., с. 178-181.

5. Боганов A.A., Дмитриев B.II. Применение нелинейных отрицательных обратных связей в приемных устройствах оптоэлектронных атмосферных каналах. Сборник научных трудов кафедры ВСиС МИЭМ, М:МИЭМ, 2008г., с. 188-194.

Подписано к печати " _25_" апрепя 2011 г. Отпечатано в отделе оперативней полиграфии МИЭМ.

Москва, ул. М. Пионерская, д. 12. Заказ № 91 . Объем 1,0 п.л. Тираж 120 экз

ВВЕДЕНИЕ.

1 .АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ OAK В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ И СЕТЯХ.

1.1.Прогноз динамики роста рынка изделий оптоэлектроники и интегральной оптики за рубежом.

1.2,Особенности организации вычислительных сетей.

1.3.Технико-экономическое обоснование необходимости применения OAK.

2.МОДЕЛИРОВАНИЕ OAK.

2.1.Общая характеристика модели OAK.

2.2.0бщие требования к математическим моделям.

2.3.Физическая модель работы ИК-диода.

2.4.Физическая модель работы полупроводникового фотоприемника

2.5.Физическая модель атмосферы.

3.ПРОГРАМНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ OAK.

3.1.Программно — аппаратная модель OAK.

3.2.0АК средней дальности.

З.З.ОАК, работающие внутри помещения.

3.4.Инсталляция OAK на объекте.

3.5.Внешняя фоновая засветка.

4. OAK КАК СОСТАВНОЙ ЭЛЕМЕНТ В АИС.

4.1.Математическая модель OAK в сети.

4.2. Расчет производительности ВС.

4.3.Использование OAK в АИС предприятия.

4.4.Информационные технологии предприятия.

5.УС ГОЙЧИВОСТЬ OAK К ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.

5.1.Система параметров OAK.

5.2.Методы измерения параметров OAK.

5.3.Эксперименталыгая оценка устойчивости OAK при различных эксплуатационных воздействиях.

6.ИСПЫТАНИЯ.

6.1 Методология испытаний системы OAK.

6.2 Результаты испытаний.—.------.—.-------.

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 10м.

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 1600м. На схеме показаны соединения рабочих станций, серверов и сетевых принтеров на расстояние до 10м, 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 10м, 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 1600м 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 1600м

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, 2001г.

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

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, 1984г.

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

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

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

7. Волоконно- оптическая связь. Тем. выпуск // ТИИЭР, 1980г., т.68, №10.

8. В.П.Дмитриев, ВЛХВолчков, Ю.Р.Носов "Многоканальное интегральное оптоэлектронное устройство" А.С. №122543, Приоритет изобретения от 31 июля 1984г.

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, 1997г.

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, 1989г.13 .В .П.Дмитриев " Оптоэлектронные приборы, системы и сети."Москва. Наука. 2007г.

12. ЯЕрмаков "Прикладная оптоэлектроника." М: Техносфера. 2004г.

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

14. Э.Розеншер "Оптоэлектроника." Москва. Техносфера. 2006г.

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

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

17. Девид Бейли, Эдвин Райт "Волоконная оптика." Москва. 2008г.20."Разработка и исследование оптоэлектронных атмосферных каналов передачи и вычислительных сетей на их основе.", Тема № 100050, МИЭМ, 2008 г.

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

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

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

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

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

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