CC BY
21
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.83.5.003
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В СОЛИТОННЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ
Научная статья
Горчаков Г.В. *
ORCID: 0000-0003-1063-8836, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), Самара, Россия
* Корреспондирующий автор (geragor1[at]yandex.ru)
Аннотация
В статье рассматривается вопрос, связанный с обеспечением высоконадежной передачи информации на большие расстояния. Определены главные ограничения роста пропускной способности волоконно-оптических линий связи, вызванные нелинейными эффектами волокна, усиление которых происходит в результате роста мощности сигнала. В результате этого происходит снижение спектральной эффективности при росте мощности сигнала, а также снижение дальности передачи информации. Рассмотрены возможности оптических солитонов в организации линий связи. Использование солитонов как импульсов, переносящих информацию, обеспечивает повышение спектральной эффективности. Отмечены главные недостатки передачи данных при помощи солитонов.
Ключевые слова: солитон, солитонные линии связи, информационная безопасность, нелинейные эффекты, волоконно-оптические линии связи, SDH, оптическое волокно, спектральная эффективность, дисперсия.
PROVIDING INFORMATION SECURITY IN SOLITON COMMUNICATION LINES
Research article
Gorchakov G.V. *
ORCID: 0000-0003-1063-8836, Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics (PSUT), Samara, Russia
* Corresponding author (geragor1[at]yandex.ru)
Abstract
The article deals with the issue of ensuring highly reliable transmission of information over long distances. The author determined the main limitations of the increase in the capacity of fiber-optic communication lines; they are caused by the nonlinear effects of the fiber, which are amplified as a result of an increase in the signal power. As a result, there is a decrease in spectral efficiency with an increase in signal power, as well as a decrease in the information transmission distance. The author considered the possibilities of optical solitons in the organization of communication lines. The use of solitons as impulses carrying information provides an increase in spectral efficiency. The main disadvantages of data transmission using solitons are also noted.
Keywords: soliton, soliton communication lines, information security, nonlinear effects, fiber-optic communication lines, SDH, optical fiber, spectral efficiency, dispersion.
Системы оптоволоконных каналов связи составляют основу глобальных телекоммуникационных сетей и в настоящее время осуществляют передачу более 90% мирового информационного трафика. Преимуществами оптического волокна (ОВ) являются: низкий коэффициент затухания, сверхширокая полоса пропускания, высокая защищенность от внешних электромагнитных воздействий, хорошие габаритные показатели.
В условиях постоянного роста объемов передаваемой информации, очень остро стоит вопрос увеличения пропускной способности существующих линий связи [1]. Основным ограничением роста пропускной способности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) являются нелинейные эффекты волокна, которые усиливаются в результате роста мощности сигнала [7, С. 890]. Это приводит к снижению спектральной эффективности (параметр отношения скорости передачи данных к ширине спектрального канала) при росте мощности сигнала, а также к снижению дальности передачи информации [2, С. 2].
Поэтому проблема обеспечения высоконадежной передачи информации на большие расстояния является достаточно актуальной. Ограничения, которые накладываются нелинейной средой передачи (оптическое волокно) представляются многим ученым практически неразрешимыми. Очевидной является необходимость разработки новых методов и подходов к кодированию, передаче и обработке информации в каналах волоконной связи, с учетом нелинейных свойств ОВ. В качестве одного из методов повышения спектральной эффективности выступает использование солитонов как импульсов, переносящих информацию.
Оптический солитон - уединенный лазерный импульс определенной длительности, обладающий несущей частотой видимого диапазона и способный распространяться в нелинейной диспергирующей среде без изменения своей структуры на большие расстояния. Солитоны имеют свойство упругого взаимодействия друг с другом. Если происходит столкновение, солитоны восстанавливают свою первоначальную форму. Взаимодействие солитонов друг с другом приводит к деформации, после которой происходит восстановление исходных параметров [4].
Поэтому ученые возлагают большие надежды на солитоны, прогнозируя их широкое применение в системах оптической связи. Укорочение длительности солитона может приводить к увеличению пропускной способности соответствующих информационных систем.
Потребность в расширении пропускной способности сетей передачи данных (СПД) способствовала интенсивному развитию СПД, использующих как существующие (ATM, SONET/SDH), так и новые (AON, WDM/DWDM, солитонные) технологии и оптоволоконную среду для передачи данных [5, С. 20].
Развитие оптоэлектронной технологии привело к появлению новых возможностей для экономически эффективного внедрения волоконно-оптических линий передачи с оптической солитонной передачей, которые могут поддерживать форму импульса передачи по волокну. Поэтому 25 лет назад в Великобритании была создана первая промышленная одиночная подсистема SDH-WDM (STM-64-WDM-4) (рис. 1) [5, С. 21].
Chicago Terminal Site
STM-64
STM-64
1533 hm
1549нм
1541 нм
1 1557 нм
DCF
El wood Ocoya Lincoln •
SF M SF M LU СО M. 1
■ 44 км 87 км я 92 км Я ;
DCF DCF DCF :
St, Louis Terminal Site
1533 ь
1549 нм
STM-64
С
г
1541 нм STM-64
1 557 нм
Рис. 1 - Схема промышленной солитонной 4-канальной линии лини связи SDH в Англии (компании Pirelli и MCI)
Как видно из предложенной схемы, стандартная сеть SDH, работающая на стандартных OB (от STM-16 до STM-256), оснащена солитонным генератором, мощным лазерным источником, который генерирует солитоны первого порядка. Был установлен блок компенсации дисперсии DCF, чтобы обеспечить отрицательную «среднюю» дисперсию по длине секции регенератора. В то же время длина пролета может быть увеличена до 900-1000 км без использования оптического усилителя.
Еще в 1996 году японские ученые использовали систему солитонной связи лабораторий в качестве примера демонстрации способности передавать данные со скоростью 160 Гбит / с на расстояние 225 километров, и их надежность соответствовала BER = 10-10 [5, С. 21].
Одним из вариантов достижения высокоскоростной передачи цифровых потоков данных по оптоволоконным линиям является следующий метод. Совокупный эффект дисперсии и нелинейные эффекты аномальной (отрицательной) дисперсии [10, C. 3] стимулируют лазерные солитоны в ОМ [10, С. 3].
Оптические солитоны представляют собой особую форму волны, которая распространяется через волокно на относительно большое расстояние без искажения его формы. В этом случае пиковая мощность исходного импульса должна превышать определенный порог. Оптический солитон модулирует сигнал потока цифровых данных, на приемном конце линии связи (волоконно-оптический тракт) оптический солитон преобразуется в исходный поток цифровых данных [10, С. 4].
Использование солитонных линий позволяет увеличить длину регенеративной части (как минимум, вдвое) и передавать информацию даже без регенератора на очень большие расстояния.
В линии связи в качестве информационного импульса используется солитонный импульс. В случае увеличения скорости передачи информации расстояние между этими импульсами и солитонами становится настолько малым, что их взаимодействие становится неизбежным [6, С. 92].
Такое взаимодействие может иногда приводить к коллапсу солитона, что нежелательно, поскольку такие ошибки могут возникать при передаче информации. Если нет специальных мер, использование импульса шириной 2-3 пс позволит подсистеме передавать со скоростью примерно 40 Гбит / с при минимальном взаимодействии. С помощью специальных мер (например, в ортогональных плоскостях поляризованных солитонов) скорость передачи может быть увеличена до 160 Гбит / с.
Недостатками методов передачи данных с использованием солитонов являются:
• Слабая надежность передачи из-за возможного коллапса солитонов.
• Высокие требования к волоконно-оптическим трактам: затухание на рабочей длине волны оптического излучения, хроматическая и поляризационно-модовая дисперсия;
• Лимитированную скорость передаваемых данных (до 160 Гбит/с);
• Возможность несанкционированного доступа к информации в виду отсутствия каких-либо средств защиты.
Необходимость увеличения полосы пропускания привела к необходимости реконструкции существующих
волоконно-оптических линий с использованием солитонов, контролирующих дисперсию [7].
В соответствии со способом восстановления и увеличения пропускной способности волоконно-оптической линии связи, в линии связи обеспечивается режим распространения солитонов с управлением дисперсией.
В линии связи (1) включают с заданным интервалом оптические усилители (2), осуществляют управление хроматической дисперсии (с периодом изменения дисперсии ВОЛС меньше длины солитона). Затем с некоторым интервалом вдоль линии связи укладывают оптический кабель (6) заданной длины с компенсирующими ОВ (7). При этом дисперсия ОВ кабеля должна иметь знак строго противоположный дисперсии ОВ линии связи.
Кабель расположен кольцами около муфт (3). В муфты вводятся концы строительных длин оптического кабеля линии связи (4), а также оба конца длины оптического кабеля с компенсирующими волокнами (5). Включение компенсирующих ОВ (7) в муфтах осуществляется последовательно ОВ линии связи. Затем регулируется усиление оптических усилителей (2). Выбираются расстояния между муфтами (3). Муфты включают оптические кабели с компенсирующими оптическими волокнами, длины оптических кабелей с компенсирующими ОВ и параметры компенсирующего ОВ так, что условия распространения солитонов полностью удовлетворяются. На рисунке представлена структурная схема устройства (рис 2).
Рис. 2 - Схема устройства, реализующего способ реконструкции и увеличения пропускной способности ВОЛП
Это позволяет обеспечить увеличение ёмкости ВОЛС. Компенсирующие волокна, хроматическая дисперсия которых имеет знак противоположный хроматической дисперсии ОВ линии связи периодически включаются вдоль ВОЛС в локальных точках [2, С. 2].
Солитоны, которые являются структурно-устойчивыми образованиями устойчивы не только к малым, но и конечным возмущениям (например, к таким, которые солитон испытывает при рассеянии на других солитонах). Это свойство солитонов делает их очень крайне востребованными в оптических волокнах. Поскольку сохранение формы солитонов обеспечивается балансом нелинейных и дисперсионных эффектов, их использование способствует улучшению работы ВОЛС.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Осипов О.В. Метод оптимального параметрического синтеза широкополосных согласующих переходов / Осипов О.В., Панин Д.Н., Никушин А.В. // Письма в ЖТФ, 2013. — Т.39. — Вып. 12. — С. 50-56.
2. Бурдин В.А. Способ реконструкции и увеличения пропускной способности волоконно-оптической линии передачи / Бурдин В.А., Волков К.А. Патент РФ № 2435183. ГОУВПО ПГУТИ. С. 1-7.
3. Журавлев В.М. Нелинейные волны в многокомпонентных системах с дисперсией и диффузией. Точно решаемые модели / Журавлев В.М. Ульяновск. УлГУ, 2001. 200с.
4. Сазонов С.В. Об оптических солитонах различных длительностей / Сазонов С.В. // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. 2008. №2. КиберЛенинка. [Электронный ресурс]: URL: URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 16.04.2019).
5. Слепов Н.Н. Современные оптоволоконные технологии / Слепов Н.Н. // ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, №1, 2002, С.20-
23.
6. Слепов Н.Н. Солитонные сети / Слепов Н.Н. // «Сети», № 03, 1999. С. 90-100
7. Рахимов Н.Р. Современные методы разработки информационной безопасности ВОЛС. ФГБОУ ВПО НГТУ / Рахимов Н.Р., Трушин В.А., Бакшун Д.И. // Новосибирск. Автоматика и программная инженерия. 2015, №4(14). С.85-89.
8. Юшко О.В. Когерентные солитонные линии связи / Юшко О.В., Редюк А.А., Федорук М.П. // Журнал теоретической и экспериментальной физики, том 146, № 5, 2014. с. 899-908.
9. Юшко О.В. Преимущества солитонной когерентной передачи данных на большие расстояния / Юшко О.В., Редюк А.А., Федорук М.П. // Труды Всероссийской конференции по волоконной оптике, Пермь. - 2015. С. 36.
20
10. Яковлев М.Я. Способ передачи цифровых потоков данных по волоконно-оптической линии связи / Яковлев М.Я., Цуканов В.Н. // Патент РФ №2454805. ЗАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш-ВОС». С.1-15.
Список литературы на английском языке / References in English
1. . Osipov O.V. Metod optimal'nogo parametricheskogo sinteza shirokopolosnykh soglasuyushchikh perekhodov [Method of Optimal Parametric Synthesis of Wide-band Matching Transitions] / Osipov O.V., Panin D.N., Nikushin A.V. // Pis'ma v ZHTF [Letters in ZhTF], 2013. - V.39. - Vol. 12. - p. 50-56. [in Russian]
2. Burdin V.A. Sposob rekonstruktsii i uvelicheniya propusknoy sposobnosti volokonno-opticheskoy linii peredachi [Method of Reconstruction and Increasing Capacity of Fiber-optic Transmission Line] / Burdin V.A., Volkov K.A. // Patent of the Russian Federation No. 2435183. HVS PSUTI. P. 1-7. [in Russian]
3. Zhuravlev V.M. Nelineynyye volny v mnogokomponentnykh sistemakh s dispersiyey i diffuziyey. Tochno reshayemyye modeli [Nonlinear Waves in Multicomponent Systems with Dispersion and Diffusion. Exactly Solvable Models]/ Zhuravlev V.M. Ulyanovsk. USU, 2001. 200 p. [in Russian]
4. Sazonov S.V. Ob opticheskikh solitonakh razlichnykh dlitel'nostey [On Optical Solitons of Various Durations] / Sazonov S.V. // Uchen. zap. Kazan. un-ta. Ser. Fiz.-matem. nauki. [Scien. Notes of Kazan univ. Phys.-Math. Sciences Ser.] 2008. No.2. CyberLeninka. [Electronic resource] - URL: https://cyberleninka.ru (accessed: 16.04.2019). [in Russian]
5. Slepov N.N. Sovremennyye optovolokonnyye tekhnologii [Modern Fiber Optic Technology] / Slepov N.N. // ELECTRONICS: NTB, No. 1, 2002, P.20-23. [in Russian]
6. Slepov N.N. Solitonnyye seti [Soliton Networks] / Slepov N.N. // "Networks", No. 03, 1999. p. 90-100 [in Russian]
7. Rakhimov N.R. Sovremennyye metody razrabotki informatsionnoy bezopasnosti [Modern Methods of Developing Information Security Fiber Optic Links] / Rakhimov N.R., Trushin V.A., Bakshun D.I. and others // VOLS. FGBOU VPO NGTU, Novosibirsk. Avtomatika i programmnaya inzheneriya [FSBEI HPE NSTU, Novosibirsk. Automation and software engineering]. 2015, No. 4 (14). P.85-89. [in Russian]
8. Yushko O.V. Kogerentnyye solitonnyye linii svyazi [Coherent Soliton Communication Lines] / Yushko O.V., Redyuk A.A., Fedoruk M.P. // Zhurnal teoreticheskoy i eksperimental'noy fiziki [Journal of Theoretical and Experimental Physics], Vol. 146, No. 5, 2014. - P. 899-908. [in Russian]
9. Yushko O.V. Preimushchestva solitonnoy kogerentnoy peredachi dannykh na bol'shiye rasstoyaniya [Advantages of Soliton Coherent Data Transmission Over Long Distances] / Yushko O.V., Redyuk A.A., Fedoruk M.P. and others // Trudy Vserossiyskoy konferentsii po volokonnoy optike, [Proceedings of the All-Russian Conference on Fiber Optics, Perm]. - 2015. - P. 36. [in Russian]
10. Yakovlev M.Ya. Sposob peredachi tsifrovykh potokov dannykh po volokonno-opticheskoy linii svyazi [Method of Transmitting Digital Data Streams over a Fiber-optic Communication Line] / Yakovlev M.Ya., Tsukanov V.N. // Patent of the Russian Federation No. 2454805. CJSC Central Technological Research Institute Technomash - VOS. - P.1-15. [in Russian]
