ИК-канал

Содержание

Введение.

Концепция передачи данных на основе использования инфракрасных (ИК) каналов  прорабатывалась в течение многих лет и интерес к ней в  настоящее время только расширяется  в связи возрастающими потребностями в высокоскоростных беспроводных каналах связи.

Еще в конце 60-х годов в Москве проводились испытания передачи данных на базе Российского оборудования беспроводной инфракрасной связи, которое  было установлено между МГУ и  Зубовской площадью. Потом проводился ряд экспериментов в начале 70-х годов в различных регионах страны. В целом, испытания были успешными, но на тот момент у специалистов сложилось достаточно прохладное мнение об этой технологии и сводилось оно к тому, что плохие погодные условия делают использование беспроводных инфракрасных каналов неприемлемым и бесперспективным направлением.

Как мы увидим дальше, ограничение  на использование данного вида связи  обуславливается не только уровнем  развития технологии, но и возможностью прогнозирования поведения системы для корректного определения границ применимости технологии. Затем наметился перерыв в развитии интереса к применению технологии для передачи данных. Он остался в основном в области военного применения для различных систем целеуказания, дальномеров и т.д. и т.п.

Вновь к применению ИК систем для  беспроводной передачи данных вернулись  к концу 80-х годов, когда получили широкое развитее локальные вычислительные сети, и, что особенно важно, получила большое развитие технология передачи данных по оптоволоконным кабелям. Обе технологии чрезвычайно близки и различаются, в основном, адаптацией систем под среду передачи.

Коммерческие ИК cистемы передачи трафика локальных сетей или  для внутрикорпоративных систем стали появляться на рынке в начале 90-х годов. Одним из самых активных первопроходцев была канадская компания A.T.Schindler, но она была не единственной. Заметную активность проявляли фирмы Joltи SilCom системы, с обычным сетевым интерфейсами Ethernet, Token Ring, обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 метров и использовали в передающем устройстве инфракрасные полупроводниковые излучающие диоды.

Системы текоммуникационного применения получили свое развитие лишь к 1998г, когда  уровень развития лазерной технологии позволил освоить в массовом производстве лазерные полупроводниковые диоды мощностью 100мВт и более, с высоким показателем параметра наработки на отказ (MTBF), а именно более 50000 часов – тот минимальный уровень, который требуется для надежного функционирования телекоммуникационной коммерческой системы.

Значительный опыт, приобретенный  в результате большого количества инсталляций  систем передачи информации на основе оптоволоконных каналов с инфракрасными  приемопередатчиками, позволил довести  эту технологию до совершенства. При этом был обеспечен высокий уровень безопасности данных и достигнута оптимальная стоимость, так как в данном случае отпадала необходимость в использовании дорогих в прокладке арендуемых кабельных каналов связи.

Использование радиотехнологии является хотя и доминирующим, но не единственным способом замены дорогостоящих проводных коммуникаций. Все больше производителей телекоммуникационного оборудования обращают внимание на инфракрасную часть электромагнитного спектра как на вполне подходящую среду передачи информационных сигналов. Активно развивающаяся технология передачи данных с помощью инфракрасных оптических модемов получила название беспроводной оптической связи. Ныне с уверенностью можно сказать: беспроводная оптика перешагнула порог научно-исследовательских лабораторий и ищет дорогу на телекоммуникационный рынок, как в операторской, так и в корпоративной нише. Достаточно того, что несколько известных сетевых интеграторов (в частности, Diamond Communication, "Телеком-Транспорт" и MicroMax) включили оборудование лазерных модемов в спецификации своих типовых решений для построения распределенных сетей.

Беспроводные появились позже  кабельных локальных сетей, но получили широкое распространение. Различают  два типа беспроводных локальных  сетей. Широко распространены локальные радиосети. Это связано с тем, что в этих сетях стены неэкранированных помещений являются прозрачными для сигналов, что обеспечивает взаимодействие информационных систем на значительных расстояниях. Вторым типом являются локальные инфракрасные сети. Они намного дешевле радиосетей. Кроме этого, они обеспечивают высокую защиту от НеСанкционированного Доступа (НСД) и не подтверждены влиянию радиопомех. Вместе с этим, каналы инфракрасных сетей работают только в пределах прямой видимости взаимодействующих партнеров и не проходят сквозь стены.

Локальная инфракрасная сеть – беспроводная локальная сеть, в которой передача сигналов осуществляется по инфракрасным каналам.

Сфера применения ИК делится на две  четко разграниченные области: короткие линии связи с периферийными устройствами и соединения внутри ЛВС (или даже между ЛВС). В обоих случаях требуется располагать устройства на линии прямой видимости, но каждый вариант имеет свои преимущества. В целом ИK-соединения отличаются высокой степенью защищенности информации и создают мало помех.

Инфракрасный канал – канал  использующий для передачи данных инфракрасное излучение.

Инфракрасный канал работает в диапазоне высоких частот, где сигналы мало подвержены электрическим помехам. В соответствии с этим, передача данных осуществляется с небольшим числом ошибок и высокими скоростями. Вместе с этим для использования канала необходимо, чтобы Оконечное Оборудование Данных (ООД) "видело" друг друга. Более того, из-за быстрого затухания сигнала в не всегда чистой атмосфере, длина инфракрасного канала в воздухе ограничена небольшими расстояниями. Так, при использовании направленной антенны и маломощного передатчика (100мВт) связь возможна на расстоянии до 30-50 м. Однако, применение направленной антенны с более мощным передатчиком (250 мВт) увеличивает это расстояние до 10 км. Из-за пыли, дождя, снега происходит рассеивание сигнала.

Благодаря созданию инфракрасных лазеров и световодов длина инфракрасных каналов резко увеличилась. Поэтому они стали использоваться не только на земле, но и в космосе. Возникли инфракрасные сети, построенные на инфракрасных каналах. Особенно широко применяются локальные инфракрасные сети. Стандарты инфракрасных сетей разрабатывает находящаяся в Калифорнии (США) "ассоциация инфракрасных данных" IRDA, созданная ведущими производителями информационных средств.

1. Бескабельные каналы связи

Кроме кабельных, в компьютерных сетях  иногда используются также бескабельные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов (не надо делать отверстий в стенах, не надо закреплять кабель в трубах и желобах, прокладывать его под фальшполами, над подвесными потолками или в вентиляционных шaxтax, не надо искать и устранять повреждения кабеля). К тому же компьютерные сети можно в этом случае легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи может достигать десятков мегабит в секунду здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования). Однако в локальных сетях радиоканал не получил широкого распространения из-за довольно высокой стоимости передающих и приемных устройств, низкой помехозащищенности, полного отсутствия секретности передаваемой информации и низкой надежности связи. А вот для глобальных сетей радиоканал часто является единственно возможным решением, так как позволяет с помощью спутников-ретрансляторов сравнительно просто обеспечить связь со всем миром. Используют радиоканал , и для связи двух и более локальных сетей, находящихся далеко друг от друга, в единую сеть.

Существует несколько стандартных типов радиопередачи информации. Остановимся на двух из них.

• Передача в узком спектре (или одночастотная передача) рассчитана на охват площади до 46 500 м2. Радиосигнал в данном случае не проникает через металлические и железобетонные преграды, поэтому даже в пределах одного здания могут быть серьезные проблемы со связью. Связь в данном случае относительно медленная (около 4,8 Мбит/с).
• Передача в рассеянном спектре для преодоления недостатков одночастотной передачи предполагает использование некоторой полосы частот, разделенной на каналы. Все абоненты сети через определенный временной интервал синхронно переходят на следующий канал. Для повышения секретности используется специальное кодирование информации. Скорость передачи при этом невысока - не более 2 Мбит/с, расстояние между абонентами - не более 3,2 км на открытом пространстве и не более 120 м внутри здания.

Кроме указанных типов, существуют и другие радиоканалы, например сотовые  сети, строящиеся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети (они используют равномерно распределенные по площади ретрансляторы), а также микроволновые сети, применяющие узконаправленную передачу между наземными объектами или между спутником и наземной станцией.

Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом - нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях. Правда, в данном случае требуется довольно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.

Предельные скорости передачи информации по инфракрасному каналу не превышают 5-10 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, также не достигается. Как и в случае радиоканала требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы довольно редко.

Инфракрасные каналы делятся на две группы:

• Каналы прямой видимости, в которых связь осуществляется на лучах, идущих непосредственно от передатчика к приемнику. При этом связь возможна только при отсутствии препятствий между компьютерами сети. Протяженность канала прямой видимости может достигать нескольких километров.
• Каналы на рассеянном излучении, которые работают на сигналах, отраженных от стен, потолка, пола и других препятствий. Препятствия в данном случае не страшны, но связь может осуществляться только в пределах одного помещения.

Если говорить о возможных топологиях, то наиболее естественно все беспроводные каналы связи подходят для топологии типа «шина», в которой информация передается одновременно всем абонентам. Но в принципе при организации узконаправленной передачи можно реализовать любые TOPI (кольцо, звезда, комбинированные топологии) как на радиоканале, так и на инфракрасном канале.

2. Преимущества технологии беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне

Очень коротко отметим преимущества использования ИК систем беспроводной передачи по сравнению с другими  беспроводными решениями, т.к. этому  вопросу в литературе было уделено  уже достаточно много внимания.

Использование ИК диапазона (или неиспользование  радио диапазона). Загруженность  и засоренность радиоэфира приводит к тому, что в крупных городах  получить частотную полосу становится весьма проблематичным, а вседоступность "открытых" диапазонов не может гарантировать качества канала в коммерческих и служебных системах связи, не смотря на использование технологий передачи со скачком частоты и сложным цифровым кодированием.

Высокая конфиденциальность связи. Передача осуществляется узким лучом при  полном отсутствии боковых излучений.

Отсутствие необходимости в  разрешениях на использование радиочастотного  спектра часто является определяющим фактором при выборе оборудования передачи.

И, наверное, главное преимущество - отсутствие принципиальных сложностей в ИК технологии с пределом скорости передачи. Если в радиочастотных системах для занятия разумной ширины полосы передачи приходится применять изощренное кодирование, которое к тому же снижает другие характеристики системы (к примеру, отношение сигнал/шум в приемнике), то все эти сложности не имеют никакого отношения к инфракрасным системам. Скоростные характеристики канала передачи в ИК системах в основном определяются техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов! Но технология, как известно, развивается весьма бурными темпами. Уже сейчас, когда самой старой коммерческой беспроводной ИК системе вряд ли будет 12 лет, скорости достигли отметки 2.5 Гбит/с, а при мультиплексировании по длине волны, до 10 Гбит/с.

1. Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение - электромагнитное излучение, расположенное в электромагнитном спектре перед красным концом видимых лучей.

Инфракрасное излучение  занимает полосу частот электромагнитного спектра от 50-100 ГГц до 400 ТГц. В соответствии с этим оптические характеристики рассматриваемого излучения значительно отличаются от тех же характеристик видимых лучей. Так, слой воды толщиной несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения. И, наоборот, пластинки германия и кремния для него прозрачны. Инфракрасное излучение легко проходит от солнца до земли. Однако в атмосфере оно быстро ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Особенно сильно излучение поглощается парами воды (снег, дождь), частицами пыли и дыма. Вместе с этим, при передаче инфракрасного излучения через специальные световоды, указанные помехи отсутствуют. Важно, что рассматриваемое излучение защищено от многих электромагнитных помех.

Полоса частот – часть спектра синусоидальных колебаний электромагнитных излучений, лежащая в определенных пределах.

Электромагнитный спектр определяет полосы частот, используемые для передачи звука, радиоизлучения, инфракрасного излучения, света. Внутри этих, основных, диапазонов выделяются полосы, используемые в применяемых технологиях передачи данных.

Полосы делятся (рис.132) на две группы: узкие и широкие. Узкой называют полосу, ширина которой не превышает  речевую полосу. Последняя принята  равной 3000 Гц (от 300 до 3330). Такую полосу используют узкополосные каналы. Широкой именуют полосу, частота которой превышает (и часто, во много раз) звуковую. Как правило, широкая полоса включает в себя множество узких полос. Канал, пропускающий широкую полосу называют широкополосным каналом.