CC BY
31
УДК 539.143.539.183
Я. В. Микитюк, С. В. Молчанов
ПОСТРОЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОКАЛЬНОЙ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОЙ СЕТИ СВЯЗИ
Рассмотрена возможность применения технологии Li-Fi с использованием одного основного излучающего светодиода и нескольких переизлучающих для обеспечения абонентского доступа. Применение данного метода позволяет достигнуть пропускной способности до 10 Гбит/с.
The authors considered the possibility of using Li-Fi technology using one main emitting LED and several re-emitting LEDs to provide subscriber access. The use of this method allows achieving a throughput of up to 10 Gbit / s.
Ключевые слова: технология Li-Fi, освещенность, помехоустойчивость, абонентский доступ.
Keywords: Li-Fi technology, illumination, noise immunity, subscriber access.
Растущая популярность мобильных устройств, поддерживающих и использующих технологию Wi-Fi, негативно сказывается на их пропускной способности. Установленные повсеместно Wi-Fi роутеры, работающие в достаточно узком радиочастотном диапазоне, создают многочисленные помехи, что приводит к снижению скорости двухстороннего обмена данными.
В настоящей работе рассматривается идея создания альтернативной технологии подключения к сети Интернет посредством использования видимого света — Li-Fi, позволяющая с помощью оптических решений организовать нисходящий канал связи с высокой пропускной способностью. Так как трафик абонентов носит ассиметричный характер и восходящий канал является менее востребованным, чем нисходящий, для его организации можно использовать стандартную технологию Wi-Fi.
Принципиальным отличием Wi-Fi от Li-Fi является то, что первый в качестве канала для передачи данных использует радиочастоты, а второй — спектр видимого света (диапазон которого превышает Wi-Fi в 1000 раз) [1].
Принцип работы Li-Fi заключается в следующем. Все данные из Интернета по проводам поступают в модернизированный драйвер светодиодной источника, который преобразует (то есть модулирует) сигнал в двоичный код. Если светодиод включен, то передается «1», если выключен — «0». Переключение режимов «включено / выключено» происходит с огромной скоростью, поэтому человеческие глаза не воспринимают моргание светоизлучающего устройства. Внешне для пользователя светодиодный источник остается постоянно включенным и работающим с неизменной интенсивностью.
На приемном конце (компьютере или любом мобильном устройстве) установлен высокочувствительный фотодетектор. Он восприни-
25
© Микитюк Я. В., Молчанов С. В., 2019
Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физико-математические и технические науки. 2019. № 2. С. 25—30.
мает мельчайшие изменения интенсивности светового потока и преобразует их в электрические сигналы, которые с помощью специального модуля усиливаются и преобразуются обратно в поток данных [2].
К достоинствам технологии для беспроводной передачи данных следует отнести большую скорость передачи / приема данных, безопасность от предумышленного сканирования персональной информации, высокую энергоэффективность, универсальность и помехозащищенность [3].
К недостаткам системы подключения к Интернету через О-И относят ограниченный радиус действия и восприимчивость к прямым солнечным лучам, которые могут создавать помехи для передачи данных [4].
Для расчета и моделирования системы к рассмотрению было принято стандартное офисное помещение площадью 30,6 м2. Для этого помещения был произведен расчет освещенности в соответствии с требованиями Строительных норм и правил Российской Федерации [5], световой поток составил 21953 Лм. Данный световой поток может быть обеспечен с помощью 10 светодиодов мощностью 25 Вт.
Для построения системы связи и выбора мощности излучателя были произведены расчет энергетического бюджета и потерь, возникающих в процессе передачи излучения, а также потерь в пластиковом волноводе, по которому излучение распространяется до переизлучающих фотодиодов. Данные потери имеют малые значения ввиду небольшой протяженности участка и не являются основными.
Для расчета потерь, возникающих при распространении оптического сигнала в атмосфере, был проведен обзор литературы и выявлены факторы, оказывающие влияние на распространение сигнала внутри помещений. Основными эффектами являются многолучевость, обусловленная многократными отражениями оптических сигналов от стен и других объектов, дифракция на многочисленных острых кромках предметов, расположенных внутри комнаты, и рассеяние. Эти эффекты создают сложную интерференционную структуру, сильно изме-няюшуюся при перемещении людей и других объектов. Многообразие условий приводит к необходимости использовать некоторые эмпирические модели, основанные на многочисленных экспериментах по исследованию условий распространения оптических сигналов внутри помещений [6].
Выбранная модель оптического канала связи, описанная формулой (1), позволяет учесть планировку здания, поглощение и отражение используемых строительных материалов, а также расстояние и длину волны, на которой происходит излучение:
где Ьр — потери при распространении сигнала внутри помещения, дБ; d — расстояние между передающей и приемной антеннами, м; S — площадь рассматриваемого участка, м2; а — средний коэффициент поглощения рассматриваемого участка; Я — длина волны, м.
(1)
Построение оптической локальной помехоустойчивой сети связи
Расчет произведен для трех различных случаев: наибольший возможный средний коэффициент поглощения материалов, наименьший и для среднего значения. Результаты расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты расчета потерь и энергетического запаса канала связи
Параметры оценки потерь сигнала Расчетные значения
Средний коэффициент поглощения а 0,9 0,5 0,3
Потери Ьр, дБ 149,26 146,48 139,26
Энергетический запас, дБ 14,74 17,52 24,74
27
Для оценки границ работоспособности системы необходимо исследовать качественные характеристики принимаемого сигнала в зависимости от используемого типа кодирования и модуляции с помощью динамического моделирования. Для проведения моделирования рассматриваемой сети была выбрана среда ОрИБуэЬет, позволяющая планировать, тестировать и моделировать современные оптические сети. С учетом ранее полученных исходных данных была построена схема участка системы связи, представленная на рисунке 1.
Рада Sprit»
Рис. 1. Схема предлагаемой системы связи в среде OptiSystem
В данной схеме в качестве излучателя используется элемент Spectral Light Source, позволяющий моделировать различные источники света, в том числе и светодиоды. Заданы начальные характеристики: рабочая длина волны 650 нм, мощность 250 Вт (53,98 дБм), а также ширина полосы излучения 30 нм как минимально возможная для излучающего све-тодиода. В состав передатчика входят модулятор, генератор псевдослучайной двоичной последовательности битов, позволяющий задавать скорость работы системы (изначально установлена скорость 1 Гбит/ с на канал), и генератор кода. При построении схемы было выбрано RZ-ко-дирование, так как анализ показал, что при данном кодировании при-
28
нимаемый сигнал имеет более высокие показатели качества, чем при кодировании В качестве модулятора был выбран амплитудный
модулятор, поскольку при одинаковых условиях работы он обеспечивает лучшие показатели качества работы системы. Модуляторы Маха — Цендера и электроабсорбционный модулятор также обеспечивают достаточные для устойчивой работы системы О-фактор и коэффициент ошибок ББИ, но имеют более сложное устройство и высокую стоимость по сравнению с амплитудным модулятором.
Первый аттенюатор представляет собой потери, приходящиеся на распространение в пластиковом волноводе, равные 1,68 дБ. Канал ББО моделирует распространение в свободном пространстве, а второй аттенюатор моделирует потери при многолучевом распространении, рассчитанные по формуле (1) и равные 146,48 дБ.
На данной модели было исследовано влияние мощности излучателя на сигнал с помощью ББИ-анализатора, позволяющего произвести двухступенчатую оценку качества принимаемого сигнала. Коэффициент ошибок ББИ является основным показателем качества цифровых систем передачи. Каждый сетевой стандарт имеет определенное допустимое значение ББИ, и только в том случае, если ББИ не превышает допустимое значение, работа системы считается нормальной. Для технологии Ы-И данным допустимым значением является 10-5. Помимо частоты возникновения ошибок, данный анализатор позволяет определить О-фактор — параметр, отражающий качество сигнала цифровой системы передачи. Значения О-фактора по результатам моделирования приведены на рисунке 2.
40
Мощность излучателя, дБм
Рис. 2. Зависимость Q-фактора от мощности излучателя Значения коэффициента ошибок ББИ представлены в таблице 2.
Построение оптической локальной помехоустойчивой сети связи
Таблица 2
Зависимость коэффициента ошибок БЕЯ от пропускной способности
Величина Измеренное значение
Мощность, дБм 35 40 42 43 44 45 46 47
БЕИ 0,028 6,80Е-05 8,60Е-06 7,50Е-07 3,89Е-11 1,81Е-18 4,73Е-21 3,09Е-37
Из полученных результатов можно сделать вывод, что система работоспособна (обеспечивает коэффициент ошибок БЕИ не выше 10-5) начиная с мощности излучателя, равной 42 дБм, что соответствует 15,85 Вт. Дальнейшее увеличение мощности ведет к увеличению О-фактора и понижению коэффициента ошибок БЕИ, то есть к улучшению качества принимаемого сигнала, но вместе с тем увеличивается и стоимость данной системы. Таким образом, данная система может быть использована и в помещениях, не требующих высокого уровня освещенности, а в целях экономии электроэнергии может быть также применена система автоматической регулировки освещенности.
Предыдущие исследования проводились при фиксированной скорости 1 Гбит/с. Определим максимально возможную пропускную способность системы, при которой она продолжает работать в нормальном режиме. Для этого, пошагово увеличивая скорость передачи, проведем двухступенчатую оценку качества принимаемого сигнала. Значения О-фактора по результатам моделирования приведены на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость О-фактора от пропускной способности канала связи
Значения коэффициента ошибок БЕИ представлены в таблице 3.
Таблица 3
Зависимость коэффициента ошибок БЕЯ от пропускной способности
29
Величина Измеренное значение
Пропускная способность, Гбит/с 2 4 6 8 10 11
БЕИ 3,00Е-13 3,00Е-08 1,00Е-06 6,00Е-06 9,00Е-06 1,44Е-05
Из результатов моделирования можно сделать вывод, что предлагаемая система связи позволяет обеспечить устойчивую работу при скоростях, достигающих 10 Гбит/ с.
Таким образом, предложенная система является технически эффективной и экономически целесообразной, решая сразу две задачи: освещенность помещения, а также организация каналов связи пропускной способностью до 10 Гбит/c с BER, не превышающим 10-5. Учитывая полученные результаты, можно говорить о применении типовых светодиодных излучателей для организации беспроводной сети абонентского доступа с высокой пропускной способностью, безопасностью и помехоустойчивостью, особенно при наличии большого числа электромагнитных помех.
Список литературы
1. Rani J., Chauhan P., Tripathi R. Li-Fi (Light Fidelity) — The Future Technology in Wireless Communication / / Int. J. Appl. Eng. Res. 2012. Vol. 7, iss. 11.
2. Mutthamma M. A Survey on Transmission of Data through Illumination — Li-Fi // Int. J. Res. Comp. 2013. Vol. 2, iss. 12.
3. Gupta K., Saini A. Li-Fi — Light Fidelity Technology — A Review // Int. J. Emerg. Res. Manag. Technol. 2014. Vol. 3, iss. 10.
4. Sylvester C.S. Lo. Visible Light Communications. 2014. URL: http://d1.ourdev. cn/bbs_upload782111/files_34/ourdev_598613B6V930.pdf (дата обращения: 16.03.2019).
5. Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий : санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03. М., 2003. Доступ из справ.-правовой системы «Гарант».
6. Гавриленко В. Г., Яшнов В. А. Передача информации по беспроводным сетям в условиях пересеченной местности : учеб.-метод. матер. Н. Новгород, 2007.
7. Федорук М. П. Моделирование сверхскоростных телекоммуникационных линий связи // Матер. Всерос. конф. по волоконной оптике. Пермь, 2011.
Об авторах
Яна Владимировна Микитюк — магистрант, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Россия.
E-mail: YMikitiuk@kantiana.ru
Сергей Васильевич Молчанов — канд. физ.-мат. наук, доц., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Россия.
E-mail: SMolchanov@kantiana.ru
The authors
Iana V. Mikitiuk, Master's Student, I. Kant Baltic Federal University, Russia.
E-mail: YMikitiuk@kantiana.ru
Dr Sergey V. Molchanov, Associate Professor, I. Kant Baltic Federal University, Russia.
E-mail: SMolchanov@kantiana.ru
