Semestrální práce z předmětu mobilní komunikace na téma:
Bezdrátové optické sítě
Kafka Petr Pondělí 10.00 - 11.30 2006
Úvod Optika do domu není levnou záležitostí pro řešení první míle (poslední míle). Určitou alternativou by mohla být bezdrátová optika FSO (Free Space Optics). Kořeny této technologie sahají až do 60 let minulého století, ale většího uplatnění se jí dostává až dnes. Tyto spoje (sítě) nabízí vysoké rychlosti na krátké vzdálenosti, rychlou instalaci a nízké náklady. Ve skutečnosti při srovnání s optickými vlákny, kde působí odpor skla má optika ve vzduchu vyšší rychlost, která se přibližuje rychlosti světla.
Technologie Bezdrátová optika používá optické pulsně modulované signály pro bezdrátový přenos. Dnes systémy FSO podporují přenosové rychlosti 100 Mbit/s až po 2,5 Mbit/s. (zkouší se 10 Mbit /s). Pro přenos vzduchem se používá světlo o vlnové délce: dlouhé vlny 1550 nm (194 THz) a krátké vlny 800 nm (375 Thz). Tyto signály jsou neviditelné, protože patří do oblasti infračerveného spektra. Požadavkem FSO na spolehlivou funkci je přímá viditelnost mezi transceivery. Transceiver obsahuje vysílače (LASER nebo LED) a přijímače, které pracují v infračervené oblasti na fyzické vrstvě v plném duplexu. V současné době jsou ve vysílačích zastoupeny převážně LASERy, ale objevují se LED, které mají s ohledem na vlivy působící na zařízení dokonce spolehlivost 99,995 %. Vysílač, přijímač muže být umístěn na střese nebo za oknem. Překážky jako např. dům, strom, kopec mohou narušit nebo spíš častěji přerušit signál. Druhým problémem, který se může vyskytnout v cestě paprsku je náhodná překážka např. pták, pak je komunikace přerušena. Dojde-li ke ztrátě nebo poškození v paketové síti dojde k opakování chybného nebo nedoručeného paketu.
Bezpečnost provozu a přenos dat Bezpečnost laserového přenosu pro člověka výrobce garantuje certifikátem na konformitu s normou IEC 60825-1. Některé výrobky dokáží automaticky snížit výkon LASERu pokud je někdo v dráze paprsku APR (Automatik Power Reducion). LASERy pro 1550 nm umožňují používat větší výkony při stále bezpečném provozu pro lidské oko, proto dosahují větších vzdáleností. Na obr. 1 je vidět jak na různé vlnové délky reaguje lidské oko. Paprsky s vlnovou délkou 800 nm jsou sice pro lidské oko neviditelné, proniknou až na sítnici. Paprsky 1550 nm jsou absorbovány čočkou rohovkou.
Obr. 1 1
Budeme-li srovnávat FSO např. s Wi-Fi je přenos v optické bezdrátové síti velice bezpečný, protože rádiové (mikrovlnné) přenosy lze snadno zachytit a odposlouchávat. U bezdrátových optických přenosů toto nelze nebo velmi těžko. Optický signál který je přenášen vzduchem je velmi těžké zachytit, protože potenciální narušitel by musel mít přístup přímo k paprsku (ten se nachází vysoko nad zemí). Optický paprsek je velmi úzký a neviditelný. Z toho vyplívá, že potenciální narušitel má jen minimální pole působnosti. Například na vzdálenost 300 m je průměr paprsku u cíle 1,3 m, přitom okolo jsou rozptýlené jen fotony, které nemohou posloužit narušiteli. Pro dosažení vetší bezpečnosti lze provézt zabezpečení protokoly vyšších vrstev.
Spolehlivost a dostupnost Spolehlivost přenosu je v nepřímém poměru ze vzdáleností u FSO. Platí čím kratší vzdálenost tím větší spolehlivost. Běžně několik stovek metrů, ale při stabilním počasí až 4 km. Jak uvádí někteří výrobci. Velkou nevýhodou bezdrátové optiky je právě závislost na atmosférických vlivech (nepříznivé povětrnostní podmínky). Největším nepřítelem FSO je hustá mlha, ta snižuje vzdálenost kam může paprsek ,,dolétnout“. Je to obdobný případ jako, když svítí reflektor automobilu do mlhy. Z tohoto důvodu u FSO velmi záleží na vhodném zvolení vzdálenosti v oblastech s relativně častým výskytem mlhy. Ve vzdáleností 200-500 metrů lze zajistit dostupnost služby 99,99 procenta. Na rozdíl od Wi-Fi déšt´ ani sníh optickému bezdrátovému přenosu nevadí. ISP by asi velmi těžko svým zákazníkům vysvětloval, že musí počkat až opadne mlha. Z tohoto důvodu se uplatňují hybridní systémy. Nejčastěji se používá automatická radiová záloha optického přenosu. Při tomto řešení lze dosáhnout dostupnosti 99,999 procenta. Další možností jak zajistit větší spolehlivost je zálohování v sítové topologii (kruh) nebo prostorovou diverzitou (zvýšená divergence paprsku nebo více paprsků).
Konfigurace Bezdrátových optických sítí, topologie Bezdrátová optická sít WON (Wireless Optical Network) je postavena na využití FSO. Spoj se skládá z dvou optických jednotek nastavených přesně vůči sobě v přímé viditelnosti. Optická jednotka obsahuje vysílač (LASER nebo LED) a přijímač (optický detektor). Proto jednotky pracují v plně duplexním režimu. Bezdrátové optické sítě mohou mít několik topologií: dvoubodový spoj, mnohabodový spoj, (plně) propojená sít´, kruhová topologie sítě. Dvoubodový spoj (Obr. 2) – spoj poskytuje propojení mezi dvěma terminály v plném duplexu se symetrickou kapacitou pro vysílaní a přijímání.
Obr.2
2
Mnohabodový spoj (Obr. 3) - obsahuje stanice, rozbočovač a zařízení u zákazníka. Rozbočovač je umístěn na vysoké budově a stanice jsou umístěny v okolí. Laserové paprsky se vysílají hvězdicovitě k zákazníkům do okolních budov.
Obr.3 Plně propojená sít´ (Obr.42) - nejspolehlivější, ale taky nejnákladnější. Konfigurace je založena na krátkých dvoubodových spojích.
Obr.4 Kruhová topologie sítě (Obr. 5) – menší redundance něž plně propojená sít´, vystačí s menším počtem optických spojů.
Obr.5
3
Závěr Bezdrátové optické sítě mají budoucnost, protože nabízí značnou bezpečnost, vysokou kapacitu přenosu a širokopásmový duplexní přenos k uživateli. FSO lze užít jak v LAN, MAN, pro řešení první míle nebo firemní propojení budov. Výhodou FSO je rychlá montáž, není třeba provádět žádné výkopy pro pokladku optických vláken a kabelů (žádné povolení). Před realizací je však třeba zvážit ekonomickou problematiku daného řešení, protože systém FSO je pořád poměrně nákladný systém pro privátní sféru. Z tohoto důvodu se rozběhl program RONJA viz zdroj [1].
Zdroje [1] http://ronja.twibright.com/metropolis/details.php 15.3.2006 [2] http://www.lupa.cz/clanky/bezdratove-opticke-site/ 10.3.2006 [3] http://www.stech.cz/articles.asp?ida=254&idk=230 10.3.2006
4
