Реферат: Проектирование инфракрасного канала
Содержание
Введение. 3
1 Бескабельные каналы связи. 8
2 Преимущества технологии беспроводной передачи в инфракрасном диапазоне 11
3 Простое описание технологии (физика процессов) 15
4 Технология (компоненты) 22
5 Зависимость качества передачи от погоды.. 30
6 Инфракрасные системы связи. 37
7 Беспроводная оптическая связь. Мифы и реальность. 62
8 Расчет инфракрасного канала. 76
9 Обзор рынка ИК систем. 100
10 Нормы и требования. 106
11 Заключение. 108
12 Список использованных источников. 110
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 Ц 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 Ц 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 Ц 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 лшина, 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.
2.1 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 Ц 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.
При создании беспроводных сетей возникает проблема распределения в эфире
полос электромагнитного спектра. Поэтому каждое государство разделяет спектр
на полосы, выделяемые для определенных целей. Для использования полосы
необходимо брать лицензию. Исключение составляет так называемая Промышленная,
научная, медицинская полоса ISM. В Европе для указанной цели служит диапазон
не лицензируемых частот 2,4-2,5 ГГц, а в США - диапазоны (ГГц): 5725-5850;
2400-2485; 0,902-0,928. Кроме этого в США не лицензируется персональный
коммуникационный сервис, работающий в полосе 1830-1990 МГц. Указанные полосы
выделяются межгосударственными и правительственными организациями. Так, в США
предоставление услуг электронной связи регламентирует Федеральная комиссия
связи FCC.
3 Простое описание технологии (физика процессов)
Беспроводные оптические линии связи используют спектральный диапазон
лазерного инфракрасного излучения (как правило, от 400 до 1400 нм). Этот
участок спектра соответствует так называемому "окну прозрачности" атмосферы,
благодаря чему поглощение излучаемого сигнала атмосферными газами
пренебрежимо мало.
Функциональная схема системы лазерной связи очень проста:
блок обработки принимает сигналы от различных стандартных устройств
(телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети) и преобразует их
в приемлемую для передачи лазерным модемом форму;
преобразованный сигнал передается электронно-оптическим блоком в
виде инфракрасного излучения;
на приемной стороне собранный оптической системой свет падает на
фотоприемник, где преобразуется обратно в электрические сигналы;
усиленный и обработанный электрический сигнал поступает на блок
обработки сигналов, где восстанавливается в первоначальном виде.
Передача и прием осуществляются каждым из парных модемов одновременно и
независимо друг от друга. Лазерные модемы устанавливаются таким образом, чтобы
оптические оси приемопередатчиков совпадали. Основную сложность представляет
собой юстировка направления оптических осей приемопередатчиков. Угол
расходимости луча передатчика составляет у разных моделей от нескольких угловых
минут до 0,5o, и точность юстировки должна соответствовать этим
значениям.
После установки приемопередающих блоков необходимо подключить их к кабельным
сетям в обоих зданиях. Существует множество моделей устройств с самыми
разнообразными интерфейсами, однако, в отличие от поставщиков оборудования
для радиосвязи, производители систем беспроводной оптики придерживаются
следующей общей идеологии подключения: линия лазерной связи представляет
собой эмуляцию отрезка кабеля (две витые пары или две жилы оптического
кабеля). Таким образом, для всех устройств, используемых в кабельной сети
связываемых зданий, эта линия не видна; она не накладывает каких-либо
ограничений на оборудование, не требует дополнительных протоколов связи или
изменений/дополнений к таким протоколам. Передача сигналов по беспроводному
оптическому соединению осуществляется так же, как по оптическому волокну.
Различаются лишь среды, в которых распространяется луч.
Связанные при помощи беспроводной оптики локальные сети функционируют так,
как если бы их соединили выделенным кабелем. Некоторые модели лазерных
модемов имеют совмещенные интерфейсы к сети Ethernet и потокам Е1. В
результате одна атмосферная линия связи может соединить LAN и телефонные сети
зданий без использования мультиплексора.
Важнейшее свойство беспроводной оптической связи - высокая степень
защищенности канала от несанкционированного доступа. Это является следствием
самой природы лазерной передачи сигнала, а не обеспечивается какими-либо
специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно -
в силу острой направленности луча и применения уникального для каждой модели
метода кодирования информации импульсами излучения. Тем не менее, для
обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер,
основанных на разнообразных принципах - обращения волнового фронта, анализа
изменения принимаемого сигнала и др., что еще больше повышает защищенность
канала связи.
Сигналы входного интерфейса системы используются для модуляции сигнала в
открытом оптическом канале. Сама технология передачи основывается на передаче
данных модулированным излучением в инфракрасной части спектра через
атмосферу. Передатчиком служит Ц полупроводниковый излучающий диод. В
качестве приемника используется высокочувствительный фотодиод. Излучение
воздействует на фотодиод, вследствие чего регенерируется исходный
модулированный сигнал. Далее, сигнал демодулируется и преобразуется в сигналы
выходного интерфейса. С обеих сторон используется система линз, на передающей
стороне - для получения коллимированного луча, а на приемной стороне, для
фокусирования принятого излучения на фотодиод. Для дуплексной передачи
организуется точно такой же обратный канал.
Все выгдядит достаточно просто, но это только на первый взгляд.
Самым непредсказуемым элементом в системе является среда передачи.
Непрогнозируемость атмосферы с ее погодными явлениями нам всем близка и
понятна. Это и есть главное отличие от оптоволоконных систем, где параметры
кабеля хорошо известны. Вкратце рассмотрим особенности передачи ИК сигнала
через атмосферу.
Длина волны в большинстве реализованных систем варьируется в пределах 720 Ц
950 нм. Это близкий к видимому инфракрасный спектр. Но почему именно он? Дело
в том, что существующие технологические наработки, включающие и разработку
технологии производства полупроводниковых лазеров, были сделаны из расчета
компромисса между принципиально доступными длинами волн излучателей и
приемлемыми диапазонами пропускания оптоволокна. Поэтому, выбор в длинах волн
ограничен возможностями излучателей и приемников (фотодиодов). Кроме
диапазона 720-950 нм, существуют компоненты для диапазонов около 1300 нм и
1500 нм. Как говорится, не разгуляешься.
Вот тут то и понадобились знания о среде передачи, чтобы сделать правильный
выбор.
Существует много публикаций о влиянии тумана, дождя, снега и прочих атмосферных
и погодных явлений на ИК системы. Однако, кроме достаточно простых, учитывающих
ограниченный набор факторов, влияющих на атмосферный канал передачи, подходов к
моделированию канала в этих публикациях найдено немного. Основная часть
подходов базируется на определении метереологической видимости (МВ -
расстояние, на котором ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ГЛАЗ различает черный объект с
угловыми размерами более 20 мрад при дневном освещении), и определяет
ослабление сигнала в зависимости от этой самой метеорологической видимости.
Сама же МВ определена для различных погодных условий и состояний атмосферы
достаточно точно. В определении фактор "человеческий глаз" выделен не случайно.
При этом мы сразу попадаем в заблуждение, считая то, что мы видим, "видит" и ИК
система.
А это не совсем так, или даже совсем не так. За примерами ходить далеко не
надо. Представьте - Швейцарские Альпы, почти 3 км над уровнем моря, чистейший
воздух. Красота! Но даже в этих условиях атмосфера совершенно непрозрачна для
длин волн в районе 2600 нм!
Затухание ИК сигнала включает в себя аэрозольное затухание т.е. на мельчайших
капельках влаги, находящейся в воздухе, и резонансное поглощение на молекулах
различных газов, входящих в состав атмосферы (О2, О3, СО,
СН4, N2O, CO2, H2O и др.). На
резонансное поглощение особенно сильное влияние оказывают параметры спектра
излучения, такие как , ширина, структура и количество мод излучения и т.д.
Расчеты резонансного поглощения производятся "линия к линии" (line by line) с
учетом огромной базы данных по спектральным характеристикам атмосферы.
Знание всех этих нюансов дает возможность не только выбрать правильный
диапазон для передачи, но также правильно спроектировать систему, а в
эксплуатации - правильно предсказать параметры канала и поведение систем при
различных погодных условиях.
Затухание сигнала при различных погодных явлениях также достаточно точно
моделируется. Например, туманы и дожди легко формализуются расширенной
моделью аэрозольного поглощения. На самом деле, такая преграда, как дождь не
представляет серьезной угрозы для ИК соединения. Даже уровни осадков до 75
мм/час (почти тропический ливень), практически плохо преодолеваемые
радиорелейными системами в диапазонах 18-54 ГГц, не нарушают работу
современных ИК беспроводных каналов на рабочих дистанциях.
Чтобы получить высококачественный канал передачи данных, нужно не только
иметь хорошую ИК систему, необходимо еще ее правильно применять
(устанавливать). Есть простейшие требования к месту установки систем - к
жесткости опоры, например, учет роста деревьев и т.д. Все они очень просты,
как и требование правил дорожного движения о запрещении проезда на красный
свет (что может быть проще?), но их нарушение приводит к плачевным
результатам и разочарованиям. Но есть и более тонкие вопросы установки
систем. Суть дела проста - например, Вам необходимо связать два здания. Одно
из них, скажем небоскреб, этажей этак 70, а другое - обычное невысокое, но
стоит на холме. Самое удобное место - крыша. Прямая видимость обеспечена,
чего же еще? Но вот набежали тучи и закрыли Ваши ИК блоки. Нет, это не "конец
связи", если Ваша система была рассчитана с учетом влияния затухания от
нижней кромки облаков, типичной для данного региона.
У лазерного луча хороший потенциал, но для получения хороших характеристик
применять ИК системы нужно после рекомендаций со специалистами.
Грамотно спроектированная и установленная система может обеспечить высокое
качество канала связи с уровнем доступности 99,1- 99,9%. Что характерно,
битовые ошибки в ИК канале практически отсутствуют. Однако, получить значения
выше 99,97% в реальных условиях крайне сложно. И причина тому - птицы!
Лазерный луч может преодолеть практически все погодные явления, но физические
преграды - нет. Дело, конечно, в мощности и фокусировке луча... Но в целях
безопасной эксплуатации плотность светового потока искусственно
ограничивается. Это приводит к тому, что птицы при пересечении луча,
кратковременно прерывают канал передачи. Цифры реально достижимых уровней
доступности канала приведены из накопленного опыта эксплуатации систем в
средней полосе России. Впрочем, есть реальный выход из положения - применение
многолучевых систем. Это дороже, но оправдывает затраты дополнительных
средств. За каждую дополнительную девятку после запятой в параметре
доступности канала приходится платить. Но это справедливо не только для ИК
систем, но и для всех остальных систем тоже.
4 Технология (компоненты)
Как и большинство технологий беспроводной передачи данных, беспроводная оптика
требует условий прямой видимости. Правда, в отличие от радиочастотных методов,
допускающих соединения в топологии точка Ц многоточка, атмосферные оптические
линии, как правило, двухточечные. Данные передаются направленным пучком
модулированного света. В качестве источника такого света обычно используются
светодиоды (и тогда для формирования луча приходится применять оптические
системы) или лазеры (в этом случае приходится, наоборот, бороться с точечностью
источника, но об этом немного позднее). Механизмы поглощения света в прозрачной
атмосфере во многом аналогичны происходящим в оптоволокне. В результате, в
атмосфере свет распространяется в тех же окнах прозрачности Ц 850, 1310 и 1550
нм, что позволяет использовать весьма распространенную элементную базу,
применяемую в оптоволоконной оптике (производимую во все нарастающем количестве)
и заимствовать заметную часть наработок и технологий, на разработку которых
иначе потребовались бы немалые средства: микролинзы, оптические усилители,
спектральные маски, голографическая оптика и методы спектрального уплотнения
каналов.
Общая элементная база и принципы обработки сигнала определяют общий диапазон
скоростей Ц от нескольких мегабит до терабит в секунду (верхний предел
обусловлен, скорее, платежеспособным спросом). По существу, атмосферные
оптические линии комплиментарны оптоволоконным: этот тезис только подтверждают
пассивные атмосферные оптические линии, не содержащие никаких активных
элементов. На вход такой линии поступает оптический сигнал из
специализированного световода (рассчитанного, видимо, на чуть большие мощности
сигнала). Принятый сигнал усиливается оптической системой и по специальному
многомодовому оптоволокну с малой дисперсией поступает на вход конвертера.
Отсутствие активных элементов позволяет не заботиться о подаче электропитания
(проблемы с выпадением росы, видимо, решаются с помощью специальных покрытий) и
минимизировать стоимость выносного блока (по существу, содержащего только
оптическую часть, большая часть ноу-хау сосредоточена в модуле
специализированного конвертера). И, соответственно, минимизировать ущерб от
вандализма и обеспечить повышенную защиту данных. В качестве наглядного
примера: пассивные беспроводные оптические системы4 T
ereScope 1 (рис.3), представляющие собой набор линз в относительно красивой
коробке, обеспечивают беспроводную передачу данных, подаваемых со
специализированных интерфейсов, со скоростью 100 Мбит/с на расстояния до
200Ц500 метров (в зависимости от типа активного оборудования). В минимальной
комплектации такими интерфейсами могут быть медиаконвертеры MC-102/P
(10/100BaseT). Другой вариант комплекта TereScope 1 включает два
приемопередающих устройства TereScope 1, два отрезка специального оптического
кабеля длиной 25 или 50 м и два коммутатора OptiSwitch-200 с интерфейсами PAL и
четырьмя портами Ethernet 10/100 Мбит/с. Специализированные модули расширения
EM2004-2PAL для коммутаторов OptiSwitch выпускаются в вариантах для расстояний
работы до 200 м (модель EM2004-2PAL/A) и до 500 м (EM2004-2PAL/C).
Реализованная в них поддержка (QoS) обеспечивает разделение полосы пропускания
сети на потоки с гарантированной доставкой пакетов и определенной скоростью (от
1 Кбит/с до 1 Гбит/с).
В более общем случае атмосферные беспроводные оптические (инфракрасные) системы,
разумеется, содержат активное оборудование.
Нелицензируемость, а по сути Ц неограниченность используемого оптического
частотного спектра позволяет не прибегать к сложным схемам модуляции Ц
большинство ИК систем использует простейшее кодирование по принципу
лвключено/выключено (On-Off Keying, OOK) Ц в точности такое же, что
используется в волоконно-оптических системах передачи данных. Общий метод
модуляции позволяет реализовать прозрачность ИК систем для различных
протоколов передачи данных (ATM, Ethernet, Feber Channel, и т. д.) и
использовать, по сути, общую элементную базу.
Простая калькуляция Ц два медиаконвертера общей ценой в 200Ц300 долларов и
набор оптики, пусть даже ценой около 300 долларов за комплект, позволяют
предположить, что стоимость атмосферной оптической линии может быть уже
сейчас в пределах одной тысячи долларов. Жизнь, между тем, показывает
обратное: цены начинаются с отметки 2Ц2,5 тысяч долларов, со средним
значением около 4Ц5 тысяч долларов за линию со скоростью 100 Мбит/с. Столь
впечатляющий разрыв обусловлен, увы, стоимостью входящих в решение ноу-хау и
затратами на разработку и все еще относительно низкими объемами производства.
Вместе с тем, определяющее влияние на жизненность применяемых сетевых решений
все еще имеет американский рынок, на который сейчас выходят беспроводные
решения, использующие нелицензируемые диапазоны частот 2,4 и 5 ГГц и
обеспечивающие реальные скорости передачи данных на уровне 25Ц30 Мбит/с.
Можно предположить, что результатом намечающейся конкуренции может стать
значительное снижение цен на атмосферные линии, в особенности с учетом того,
что затраты на разработку, как правило, уже неоднократно окупились.
Построение всех ИК систем передачи практически одинаково Ц интерфейсный
модуль, модулятор излучателя, оптическая система передатчика, оптическая
система приемника, демодулятор приемника и интерфейсный блок приемника. Но
все системы по технологическому признаку можно разделить на две группы. Одна
группа, которая использует полупроводниковые ИК диоды (с излучением с
поверхности), а вторая группа, которая использует для излучения
полупроводниковые ИК лазерные диоды (с излучение с торца перехода). Главное
различие систем сказывается на их главных характеристиках Ц скорости и
дальности передачи. Первая группа Ц это в основном короткоходные системы до 1
км со скоростями до 20 Мбит/с, вторая Ц обеспечивает значительно большие
дальности передачи, в зависимости от погодных условий и требований к качеству
канала, со скоростями до 622 Мбит/с (коммерческие системы) или до 10 Гбит/с
(опытные системы). Откуда же такое существенное различие?
Главное преимущество ПП диодов Ц высокое время наработки на отказ. Величина в
400,000 часов при мощности в 400 мВт здесь не редкость. Кроме того, каналы,
использующие п/п диоды менее чувствительны к резонансному поглощению в
атмосфере благодаря широкой полосе излучения (типичные значения около 50 нм).
Форма сечения луча от п/п диодов практически круглая. Но здесь все
преимущества п/п диодов заканчиваются. Т.е. начинаются недостатки.
Инерционность п/п диодов при высоких мощностях излучения не позволяет достичь
высоких скоростей передачи. Из-за широкой полосы излучения существуют
сложности (правда, чисто теоретические) в передаче высокоскоростного сигнала
Ц разные моды сигнала добираются до приемника с различной задержкой и на
больших дистанциях и очень высоких скоростях сигнал на выходе приемника
распознать уже крайне сложно. Т.е. передатчик должен передавать как можно
более узкополосный сигнал с наименьшим количеством мод. В идеале это должна
быть одна мода. Такими, или близкими к таким , характеристиками обладают
лазерные диоды. Однако при такой передаче нельзя забывать, что эта
единственная мода может попасть на полосу резонансного поглощения какого-
нибудь газа в атмосфере, и тогда все плюсы лазерных диодов обернутся явными
минусами. При правильном выборе компонентов потенциальные возможности
развития систем с применением лазерных диодов выглядят впечатляюще. Время
наработки на отказ для лазерных диодов мощностью 1000 мВт и выше уже достигло
уровней 130,000 часов.
И все же, у лазерных диодов есть один врожденный недостаток Ц сильно
выраженная эллиптичность луча. Для борьбы с этим пороком применяют различные
методы Ц от весьма корректных - оптических систем с призматическими линзами,
до грубых Ц ограничением апертуры оптической системы с неизбежной потерей
части мощности.
Однако, мир не только черно Ц белый. Есть промежуточная группа Ц системы,
использующие для передатчиков VCSEL лазерные диоды (с излучением с
поверхности в результате объемного резонанса/многоуровневого переотражения).
Эти устройства обладают преимуществами как лазерных диодов - узкая полоса
излучения (в некоторых режимах Ц всего одна мода), так и преимуществами п/п
диодов Ц высокое время наработки на отказ, круглая форма сечения луча. Но
ничего не бывает бесплатно. Жертвой является доступная мощность излучения.
Сегодня она не превышает 7 мВт на диод в многомодовом режиме, поэтому, для
увеличения выходной мощности применяют несколько излучателей, работающих
синхронно. Но здесь уже начинаются другие сложности, т.к. обеспечить
абсолютную синхронность с минимальными фазовыми сдвигами очень сложно. С
развитием технологии, переспективы VCSEL диодов обнадеживают.
Все ИК системы передачи внешне очень похожи. Однако параметры систем
различаются значительно. Все дело, конечно, в сбалансированном выборе
параметров. В отличие от многих других систем, здесь очень важна именно
сбалансированность. За примером ходить далеко не надо. Многие разработчики
стремясь повысить дальность путем уменьшения угла расхождения луча, доводят
его до таких величин, когда даже микровибрация зданий и конструкций от
проходящей рядом дороги, ветровой нагрузки может привести к расстройке
системы. На такие системы повышенное влияние оказывает эффект дрожания
атмосферы из-за восходящих тепловых потоков в жаркий период. На практике,
величина угла расхождения луча менее 2 мрад становится неприемлемой для очень
многих условий эксплуатации. Некоторые российские и зарубежные системы грешат
этим недостатком. Слишком же большое раскрытие луча приводит к неэффективному
использованию светового потока.
Если говорить о самых эффективных системах на сегодняшний момент, т.е.
обеспечивающих высокие скорости передачи на большие (для ИК систем)
расстояния, то здесь нельзя не отметить достижения фирмы PAV Data Systems
Ltd. Благодаря самой высокой энерговооруженности луча, оригинальной
технологии получения круглого сечения луча и сбалансированности параметров,
сейчас серийно выпускаются системы на 622 Мбит/с, дальность систем превышает
6 км с достаточно высоким коэффициентом готовности для условий средней полосы
России. Такие параметры получены благодаря большому опыту работы фирмы в
данной области и, наверное, самой большой установленной базе систем (более
5000). Здесь нет ничего фантастического Ц просто для передачи используется
система из 3-х лазеров, каждый со средней мощностью 100 мВт, и
высокочувствительные APD (лавинные) фотодиоды в приемнике.
Кстати, о приемниках и фотодиодах. Здесь наметилось полное единодушие у
проектировщиков систем. Все высокоскоростные системы используют лавинные
фотодиоды, а низкоскоростные обычные кремниевые p-i-n фотодиоды, у которых
чувствительность почти на порядок ниже.
Применение новейшей технологии мультиплексирования по длине волны,
реализованной в оптоволоконных системах, не имеет принципиальных ограничений
на применение ее в беспроводных ИК системах передачи. Первые шаги в этом
направлении уже сделаны. Первопроходцем оказалась компания Lucent
Technologies со своим опытным продуктом WaveStar OpticAir, обеспечивающим
скорость передачи до 10 Гбит/с на четырех длинах волн.
Причем ранее, эта компания не была заметна среди активных игроков на этом
поле. Этот факт позволяет сделать вывод, что интерес к этому сектору рынка
начинают проявлять киты индустрии, которые до последнего времени были просто
наблюдателями. Единственным подводным камнем здесь может быть все то же
резонансное поглощение в атмосфере, которое на разных длинах волн может
существенно различаться. Но, не смотря на это, открывающиеся перспективы
сулят потребителям огромные возможности.
5 Зависимость качества передачи от погоды
Зависимость качества передачи от погодных условий Ч вот та цена, которую
должны заплатить пользователи инфракрасных беспроводных систем за уход из
радиодиапазона. Уменьшение прозрачности атмосферы при изменении погодных
условий негативно влияет на доступность инфракрасного канала либо (при
заданной доступности) приводит к уменьшению дальности связи.
Влияние атмосферных явлений лимитирует максимальную протяженность канала
связи (при фиксированном уровне его доступности), а требование прямой
видимости накладывает дополнительные ограничения на высоту установки
приемопередающих устройств и их направленность.
Что касается подъема оборудования над земной поверхностью, оптимальным
оказывается диапазон высот от уровня крыш самых высоких зданий и сооружений
до нижней границы зоны облачности. Важность минимизации апертуры и
обеспечения точной направленности излучения передатчика определяется тем, что
по мере распространения лазерного луча его границы размываются, а приемники и
передатчики монтируются на опорах конечной жесткости.
Из-за того, что погодные условия влияют на надежность передачи, перед началом
эксплуатации системы в каждой конкретной местности необходимо проводить ее
тестирование. Общее правило заключается в том, что важен не столько тип
осадков, сколько время их непрерывного воздействия на канал, поэтому, скажем,
туман в большей степени влияет на состояние ИК-канала, чем дождь или
снег.
Зависимость от состояния атмосферы приводит к тому, что доступность канала
обратно пропорциональна дальности передачи. Так, при дальности 40 км
доступность в среднем за год составит всего 40Ч50%, хотя летом значение этого
показателя будет несколько выше. И наоборот, сближение приемника и
передатчика на расстояние 500 м обеспечит доступность до 99,9%. Впрочем, на
практике беспроводные каналы обычно организуются для соединения узлов,
разнесенных на несколько километров. Приведенные цифры следует воспринимать
как верхние граничные значения; реальные параметры могут оказаться несколько
ниже Ч в зависимости от особенностей конкретной территории. Скажем, с учетом
суммарной продолжительности туманов в Москве (около 24 ч в год) среднегодовая
доступность канала составит 98,6%, а в районе Шереметьево, где туманы
наблюдаются в два раза чаще, значение этого показателя будет еще ниже.
Приведенные данные о снижении уровня доступности канала при уменьшении
коэффициента прозрачности атмосферы позволяют предположить, что приемники и
передатчики не обязательно выносить на улицу: они могут быть установлены и
внутри помещений. Наличие стеклянной преграды удается учесть на стадии расчета
технических характеристик монтируемой системы, и серьезные проблемы возникают
только при наличии светофильтров или специального противосолнечного затемнения.
С точки зрения визуального восприятия приведенные значения соответствуют:
моросящему дождю (около 2 мм/ч);
легкому дождю (5 мм/ч);
дождю средней интенсивности (12,5 мм/ч);
сильному дождю (около 25 мм/ч);
ливню (более 40 мм/ч).
Интенсивность тумана при этом определяется по размеру зоны видимости:
слабый туман (1Ч2 км);
туман средней плотности (0,4Ч1 км);
плотный туман (200Ч400 м);
очень плотный туман (менее 200 м).
Для повышения эффективности оптического канала осуществляется его временное и
частотное мультиплексирование. Что касается частотного, то оно наталкивается
на определённые трудности. Главная из них Ц введение в световод (и выдача из
него) излучений многих лазеров. Простейший способ Ц передача излучений в
торец волокна. Но физически трудно разместить большое число передатчиков и
приёмников света, проще это сделать, если по краям световода снять его
защитную оболочку. Но здесь имеются и свои трудности.
В мультиплексировании ключевой операцией является выделение частотных каналов
из спектра группового сигнала, проходящего через световод. Здесь используются
два подхода. Первый из них заключается в оптической фильтрации. Его сущность
состоит в том, что на приёмном конце световода устанавливается оптический
разветвитель света. Последний делит пучок света между всеми имеющимися
приёмниками. В каждом приёмнике устанавливается пассивный оптический фильтр,
благодаря чему происходит селекция частотного канала. Второй подход основан
на электрической фильтрации. Здесь групповой световой сигнал преобразуется в
электрический. Последний проходит через электрические фильтры и делится на
частотные каналы. Первый подход проще и экономичней. Однако электрическая
фильтрация обеспечивает более высокую чувствительность приёма сигнала и
исключает потери оптических фильтров.
Для создания инфракрасных каналов прокладываются оптические кабели. Каждый из
них содержит до 100 световодов. Длина кабеля (без усилителей) постоянно
увеличивается и достигает несколько сотен километров.
Часто инфракрасные усилители создаются на основе оптического волокна с присадкой
эрбия, неодима либо празеодима. Атомы этих элементов легирующих примесей в
подключённом отрезке световода возбуждаются лазером накачки. В результате
происходит стимуляция излучения возбуждённых атомов на длине волны усиливаемого
сигнала. Усилители, легированные редкоземельными элементами,
могут поддерживать амплитуду светового сигнала в широком диапазоне волн.
Инфракрасный сигнал может быть усилен в сотни и тысячи раз.
Полупроводниковые оптические усилители основаны на электрическом возбуждении
и имеют высокое быстродействие. Для устранения отражений от торцов кристалла
лазера усилителя используются специальные покрытия с низким коэффициентом
отражения. Применяются оптические усилители не только для усиления
оптического излучения, но и для создания ретрансляторов, переключателей и
приёмников света, оптических модуляторов.
Общие принципы ясны Ц перейдем к частностям, оказывающим определяющее влияние
на качество и надежность атмосферных оптических линий. Их, по большому счету,
две:
- нестабильность линии, обусловленная микроподвижками и вибрациями несущих
конструкций;
- нестабильность линии, вызванная изменившимися погодными условиями и туманом
как фактором, оказывающим наибольшее влияние на степень затухания.
Атмосферными факторами, в наибольшей мере влияющими на стабильность FSO-
систем, являются туман и неоднородности показателя преломления Ц микролинзы,
вызванные конвекцией теплых и холодных потоков воздуха. Замирания оптического
сигнала, вызванные конвекцией, могут достигать 30 дБ.
Ослабление оптического сигнала, вызванное влиянием тумана, гораздо выше и
может, в наиболее худших случаях, достигать 300Ц350 дБ на километр.
Большинство ИК систем, с тем чтобы обеспечить приемлемую надежность передачи
данных, изначально разрабатывается с некоторым лзапасом прочности, который,
как правило, превышает 30 дБ. То есть, доступность на расстояниях в пределах
100 метров оказывается практически 100-процентной, а сцинтилляцией можно,
вообще говоря, пренебречь. Она может сказаться в сколько-нибудь заметной мере
только при динамическом управлении излучаемой мощностью, и, в принципе, ее
воздействие может быть занесено в обратный контур регулирования.
Влияние тумана, как уже говорилось, приводит к более трагичным последствиям.
Именно из-за тумана коэффициент доступности большинства ИК-систем не
поднимается выше 97Ц99 процентов. И именно разной степенью защищенности от
тумана и обусловлен весьма значительный ценовой разрыв между разными FSO-
системами. Разрыв глубиной десятки тысяч долларов. Для наглядности на рис. 2
приведены один и тот же городской пейзаж и реальная линия передачи данных с
разными уровнями затухания.
Для того чтобы чуть глубже понять специфику ИК-систем и природу столь
значительных ценовых диспропорций, можно рассмотреть пример, почерпнутый мной в
одной из лбелых бумаг.
Исходными данными для него служит вполне практическая задача: корпоративный
пользователь только что расширился с помощью еще одного офиса, расположенного
в здании по соседству, и притом Ц в условиях прямой видимости. В обоих офисах
развернуты локальные сети 100 Мбит/с Ethernet. Единственный канал между
зданиями с пропускной способностью 2 Мбит/с принадлежит стороннему оператору.
Стоимость аренды линии составляет X долларов. Пользователь рассматривает
вариант приобретения ИК-оборудования стоимостью Y долларов. Выбирать
приходится между системами A и B, одна из которых рассчитана на максимальную
дальность 1100 метров, другая Ч на 4000 метров (и, соответственно, имеют
различные бюджеты потерь и, разумеется, цены).
6 Инфракрасные системы связи
Большая часть беспроводных сетей, развертываемых в России и за рубежом,
использует радиоволны, а решения, основанные на оптических технологиях, пока
остаются на вторых ролях. Между тем развитие последних стимулируется как
достижениями в проектировании и производстве твердотельных лазеров, так и
возрастающими потребностями пользователей в защищенных высокоскоростных каналах
связи. Системы, функционирующие в инфракрасном (ИК) диапазоне, имеют
целый ряд преимуществ перед альтернативными разработками.
Во-первых, как ранее отмечалось, за счет перехода в оптическую область длин волн
такие системы не претендуют на какую-либо часть радиодиапазона, не создают
помех в РЧ-спектре и сами не чувствительны к подобным помехам. Для их
эксплуатации не нужно получать разрешений на использование дефицитного
радиочастотного ресурса. Во-вторых, как прежде отмечалось, инфракрасные каналы
связи обеспечивают высокую защищенность пересылаемой информации. Передаваемые
по ним потоки не могут быть просканированы анализаторами спектра или
контрольным оборудованием радиосетей. К тому же они, как правило, кодируются с
помощью патентованных алгоритмов. В-третьих, сами по себе беспроводные
оптические системы не накладывают никаких принципиальных ограничений на
скорость транспортировки данных. Наконец, немаловажным фактором является малое
время их развертывания.
В последние годы инфракрасные системы передачи информации вызывают все
больший интерес у операторов, Internet-провайдеров и корпоративных
заказчиков. К возможным вариантам их применения относятся формирование
физических соединений в корпоративных сетях передачи данных (Ethernet/Fast
Ethernet, ATM, FDDI) и магистральных сетях операторов наземной связи (SDH,
PDH), создание резервных каналов, построение каналов доступа для решения
проблемы лпоследней мили, обеспечение соединений с базовыми станциями и их
контроллерами в сетях мобильной связи, развертывание временных сетей на
период модернизации основной кабельной инфраструктуры или в районах стихийных
бедствий, передача данных от систем видеонаблюдения и телеметрии при
невозможности прокладки кабеля.
Прежде всего отметим, что основной принцип внедрения ИК-систем связи
состоит в замене определенного участка физической линии (которую зачастую
попросту невозможно проложить) беспроводным каналом. Этот принцип имеет два
важных следствия:
ИК-системы позволяют устанавливать только соединения
типа лточкаЧточка, причем приемник и передатчик должны находиться в зоне
прямой видимости;
ИК-системы формируют транспортную среду физического
уровня и никак не влияют на протоколы, относящиеся к канальному, сетевому и
более высоким уровням модели OSI.
Последнее обстоятельство означает, что беспроводные инфракрасные (оптические)
каналы могут служить для связи самых разных сетевых инфраструктур.
Общими свойствами всех перечисленных систем являются высокая энерговооруженность
лазерного луча (средняя мощность 300 мВт, уровень ИК-излучения 7 Вт/м
2) и значительное время наработки на отказ (для лазеров оно составляет 130
тыс. часов, т.е. без малого 15 лет). Мощность, потребляемая каждым из
устройств, равна примерно 20 Вт, поэтому даже при сбое в сети электропитания
приемопередатчик может работать от бесперебойного источника в течение
нескольких часов.
Особенностью ИК-оборудования является быстрота его развертывания:
среднее время, затрачиваемое на инсталляцию, не превышает 4 ч. Отсутствие
привязки к кабельной инфраструктуре обеспечивает возможность многократного
использования одной и той же системы путем ее демонтажа и установки на новом
месте. Еще важнее высокая ремонтопригодность данного оборудования. Оно
спроектировано так, что замена передатчика, сопровождающаяся переходом на новую
длину волны из диапазона 860Ч920 нм, не требует модернизации приемника (ибо
последний работает с длинами волн от 750 до 950 нм).
Инфракрасная связь предусматривает наличие передатчика и приемника.
При подключении к компьютеру внешнего устройства требуется специальный приемник
инфракрасных лучей (трансивер, адаптер), находящийся в прямой видимости с
устройством. Он подключается к Инфракрасному порту компьютера, который должен
быть предусмотрен на материнской плате.
Стандарт IrDA имеет несколько базовых уровней: инфракрасный канал физического
уровня (IrDA Serial Infrared Physical Layer Link, IrDA SIR), протокол доступа
по инфракрасному каналу (IrDA Infrared Link Access Protocol, IrLAP), протокол
управления инфракрасным каналом IrDA (Infrared Link Management Protocol,
IrLMP), а также необязательные транспортные протоколы IrDA (Transport
Protocols IrTP и Tiny TP).
Стек протоколов IrDA имеет три базовых слоя: физический слой IrDA SIR, IrLAP
и IrLMP. Данные могут передаваться IrLMP напрямую от приложений через
прикладной программный интерфейс API или через дополнительный транспортный
протокол стека (IrTP).
На физическом уровне базовый инфракрасный интерфейс использует характеристики
универсального асинхронного приемника/передатчика (UART) в
COM-порту. Такой порт имеется практически на всех компьютерах. UART
имеет несколько темпов передачи данных в диапазоне от 2400 бит/c до 115 Кбит/c.
Оборудование IrDA-SIR состоит из нескольких компонентов для
приема и передачи: кодировщика/декодировщика для кодировки инфракрасного
сигнала при передаче и декодировки при приеме, инфракрасного преобразователя в
составе драйвера вывода и инфракрасного излучателя для передачи, а также
приемника/детектора. Кодировщик/декодировщик имеет интерфейс с UART. При
передаче приемопередатчики IrDA передают сигнал в поток ввода/вывода
последовательного порта. Данные поступают передатчику IrDA через
последовательный интерфейс c UART. И вместо того, чтобы посылать сигнал по
медной проволоке, как это имеет место при передаче по проводам, он извергает
фотоны в воздух в направлении инфракрасного приемника.
Устройства IrDA превращают данные в свет: биты преобразуются в инфракрасный
сигнал, при этом вспышка соответствует "0", а отсутствие сигнала - "1". ЦПУ
на принимающем конце даже не подозревает о том, что данные передаются в виде
света. Оно видит, что и всегда, так как кодирование осуществляется
передатчиками IrDA на передающем конце и детектором на принимающем конце
инфракрасного канала. Вся инфракрасная передача происходит в инфракрасном
диапазоне от 850 нанометров до 880 нанометров.
Соответствующие спецификации продукта имеют минимальную эффективную дальность
передачи в 1 метр при наименьшей мощности передатчика. Использование
нескольких светодиодов позволяет осуществлять прием в более широком конусе и
увеличить расстояние между приемником и передатчиком. Так как спецификации
IrDA базируются на схеме передачи от точки к точке, то угол зрения не должен
превышать 30 градусов. С одной стороны, направленность инфракрасного пучка
делает невозможным случайную передачу данных близрасположенным устройствам. А
с другой стороны, поскольку пучок представляет из себя конус, пользователю
незачем точно направлять карманное или портативное устройство на цель, чтобы
установить соединение.
Повсеместному распространению инфракрасных излучателей в сетях способствуют
такие компании, как Extended Systems, которая производит элементы расширения
по стандарту IrDA. Внешние инфракрасные порты, которые часто называют
"dongle", могут быть добавлены к настольному компьютеру или принтеру
посредством соединения с последовательным или параллельным, соответственно,
портом устройства. Модуль для принтера JetEye ESI от Extended Systems стоит
179 долларов, а версия для ПК 135 долларов. Устройство для настольных
компьютеров AIRport компании (Мильпитас, шт. Калифорния) сравнимо с ним по
возможностям, а стоит даже меньше 100 долларов.
6.1 Инфракрасный протокол связи Ч IRDA
Летом 1993 года компания Hewlett-Packard организовала общепромышленное
совещание, чтобы обсудить будущее ИК (инфракрасный) передачи данных.
Многообразие несовместимых стандартов было печальной реальностью, причинявшей
массу неудобств всем от того, что устройства от разных производителей были
несовместимы. Телевизоры, видеомагнитофоны, другая бытовая техника с ИК
управлением сегодня встречается на "каждом углу", однако в них используются
несовместимые физические и программные интерфейсы. Целью совещания было
обсуждение путей, которыми промышленность может пойти к общему стандарту,
способному совместимость всех устройств, использующих ИК порт. На совещании
был сформирован консорциум всех ведущих компаний, названных Ассоциацией
инфракрасной передачи данных и вскоре (в июне 1994 года) была объявлена
первая одноименная версия стандарта, включающая физический и программный
протоколы Ц IrDA 1.0. Текущая версия Ц 1.1. В настоящей статье будут описаны
основные моменты действующего ныне стандарта.
Итак, протокол IrDA (Infra red Data Assotiation) позволяет соединяться с
периферийным оборудованием без кабеля при помощи ИК-излучения с длиной волны
880nm. Порт IrDA позволяет устанавливать связь на коротком расстоянии до 1
метра в режиме точка-точка. IrDA намерено не пытался создавать локальную сеть
на основе ИК-излучения, поскольку сетевые интерфейсы очень сложны и требуют
большой мощности, а в цели IrDA входили низкое потребление и экономичность.
Интерфейс IrDA использует узкий ИК-диапазон (850Ц900 nm с 880nm "пиком") с
малой мощностью потребления, что позволяет создать недорогую аппаратуру и не
требует сертификации FCC (Федеральной Комиссии по Связи).
Устройство инфракрасного интерфейса подразделяется на два основных блока:
преобразователь (модули приемника-детектора и диода с управляющей
электроникой) и кодер-декодер. Блоки обмениваются данными по электрическому
интерфейсу, в котором в том же виде транслируются через оптическое
соединение, за исключением того, что здесь они пакуются в кадры простого
формата Ц данные передаются 10bit символами, с 8bit данных, одним старт-битом
в начале и одним стоп-битом в конце данных.
Сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного СОМ-порта ПК, который
использует универсальный асинхронный приемо-передатчик UART (Universal
Asynchronous Receiver Transmitter) и работает со скоростью передачи данных
2400Ц115200 bps.
Связь в IrDA полудуплексная, т.к. передаваемый ИК-луч неизбежно засвечивает
соседний PIN-диодный усилитель приемника. Воздушный промежуток между
устройствами позволяет принять ИК-энергию только от одного источника в данный
момент.
Рассмотрим физические основы IrDA. Передающую часть. Байт, который требуется
передать, посылается в блок UART из CPU командой записи ввода-вывода. UART
добавляет старт-стоп биты и передает символ последовательно, начиная с
младшего значения бита. Стандарт IrDA требует, чтобы все последовательные
биты кодировались таким образом: логический "0" передается одиночным ИК-
импульсом длиной от 1.6m s до 3/16 периода передачи битовой ячейки, а
логическая "1" передается как отсутствие ИК-импульса. Минимальная мощность
потребления гарантируется при фиксированной длине импульса 1.6m s.
По окончании кодирования битов необходимо возбудить один или несколько ИК-
светодиодов током соответствующего уровня, чтобы выработать ИК-импульс
требуемой интенсивности. Стандарт IrDA требует, чтобы интенсивность излучения
в конусе 30
