NOVÉ METODY OPTICKÝCH KOMUNIKACÍ VE VOLNÉM PROSTORU

Transkript

1 NOVÉ METODY OPTICKÝCH KOMUNIKACÍ VE VOLNÉM PROSTORU Otakar Wilfert Elektronická prezentace VUT v Brně Brno, 2006

2 Osnova Úvod - poznámky z historie optických komunikací - definice atmosférického optického spoje (AOS) 1 Hlavní metody používané u současných AOS 2 Diagram úrovní optického výkonu (stacionární model spoje) 3 Statistický model spoje Závěr vybrané výsledky vlastního vývoje

3 Z historie optických komunikací Bellův photophone zařízení pro přenos zvukového signálu pomocí světla patentované 3. června 1880) Alexander Graham Bell ( ) vynálezce telefonu Většímu rozvoji se těšila radiová komunikace, kterou jako první demonstroval Marconi (v r.1895)

4 Z historie optických komunikací Bell považoval svůj photophon za největší vynález, který kdy udělal; větší než telefon. Princip Bellova photophonu bavlna optický přenos zvukového signálu Rozvoj optických komunikací ve volném prostoru umožnily až úspěchy v oborech polovodičové optoelektroniky, vláknové optiky a laserové techniky

5 Z historie optických komunikací 1966 Kao spolu s Hockhamem ukázali možnost zhotovení optických vláken s útlumem menším než 20dB/km Charles K. Kao (narozen 1927) Kao a Fleming v roce 2004 (Princeton University) Jednalo se o úroveň útlumu přijatelnou pro rozvoj světlovodných spojů Dnes: 0,1dB/km (ve spektrálním oknu 1550nm)

6 Bellovy laboratoře dnes : Vědci a inženýři z Bellových laboratoří demonstrovali (New Jersey) optický spoj pracujícího ve volném prostoru: vzdálenost 4,4 km, rychlost 10 Gb/s, vlnová délka nosné 1550 nm Konstrukce spoje zahrnuje prvky vláknové optiky (optický vláknový zesilovač, vlnově dělený multiplex, vláknové děliče optického výkonu apod.)

7 První publikace o praktických aplikacích optické komunikace ve volném prostoru se objevují počátkem devadesátých let 20. století (110 letech po vynálezu photophonu ). Vývoj spoje pro optickou komunikaci volným prostorem byl na ÚREL FEKT VUT v Brně zahájen v roce 1992 Ve spolupráci s Vojenskou akademií a Masarykovou universitou byly v letech vykonány první experimentální práce

8 Příklad aplikace spoje Překlenutí silnice Úvoz mezi Dětskou nemocnicí a Fakultní porodnicí na Obilním trhu v Brně (1996) Pro brněnskou počítačovou síť byl v roce 1996 vyvinut digitální plně duplexní spoj s označením DAOS-4 pracující spřenosovou rychlostí 10 Mbit/s při vzájemné vzdálenosti hlavic 200 m

9 Definice atmosférického optického spoje Skladba hlavice spoje

10 Definice atmosférického optického spoje síťový prvek AOS AOS síťový prvek Hlavice atmosférického optického spoje (AOS) jsou zpravidla protokolově transparentní AOS nahrazuje vedení

11 Definice atmosférického optického spoje Definice: Atmosférický optický spoj (AOS) je spoj, který pro přenos informace používá optickou nosnou vlnu šířící se v atmosféře. Optický výkon je soustředěn do jednoho nebo více optických svazků. Optický svazek může obsahovat několik optických kanálů. (Aplikace AOS je vhodná v situacích, v nichž použití optického kabelu je nemožné a požadovaná přenosová rychlost je pro mikrovlnný spoj příliš vysoká.)

12 Definice atmosférického optického spoje exosféra termosféra; (ionosférické vrstvy E a F) mezosféra; (ionosférická vrstva D) stratosféra (AOS) troposféra země 800 km 80 km 55 km 10 km 0 km AOS mohou pracovat jako: analogové nebo digitální, všesměrové nebo směrové, v kosmickém prostoru nebo v atmosféře, ve volném prostoru nebo v uzavřené místnosti.

13 AOS jsou zajímavé z několika důvodů: Použití AOS není v současné době vázáno na licenční řízení. Tato skutečnost vychází z rozsahu vlnových délek (850 nm 1550 nm), ve kterém spoje pracují. AOS mohou být - díky velmi úzkému svazku (řádově miliradiány) - jen velmi obtížně rušeny nebo odposlouchávány. AOS spoje nemají žádné postranní vyzařování a případný narušitel musí prakticky vstoupit do svazku, což lze monitorovat. Potenciál AOS spojů odpovídá - z hlediska šířky pásma přenosu - možnostem vláknové optiky; AOS jsou tedy přirozeným článkem moderních kabelových optických sítí.

14 Nevýhodou AOS je - závislost dostupnosti spoje na stavu počasí - nebezpečí přerušování svazku (ptáky apod.) - potřeba přímé viditelnosti mezi hlavicemi Pro zvýšení spolehlivosti OBS se začíná uplatňovat řada nových metod: 1. Čistě fotonická technologie hlavic 2. Použití více svazků 3. Použití více optických nosných (WDM) 4. Tvarování svazku 5. Automatické směrování 6. Mikrovlnná záloha 7. Adaptivní optika 8. Polygonální uspořádání sítě

15 Hlavní metody současných AOS 1 Čistě fotonická technologie hlavic přijímací čočka optická vlákna vysílač

16 Hlavní metody současných AOS 2 Použití více svazků, popřípadě více přijímačů jeden z vysílaných svazků jedna z přijímacích cest vysílače přijímače

17 Hlavní metody současných AOS 3 Použití více optických nosných vln Znázornění principu dělení optického signálu (vlnově, výkonově) λ1 λ2 : : WDM λ1, λ2, dělení výkonu λ1, λ2, λ1, λ2, λ1, λ2, λ1, λ2, Vlnové dělení zvyšuje kapacitu přenosu Dělení výkonu umožňuje tvarování svazku

18 Hlavní metody současných AOS Znázornění principu zpracování WDM optického signálu v přijímači λ1, λ2, λ1, λ2, λ1, λ2, λ1, λ2, sloučení výkonu λ1, λ2, WDM : : λ1 λ2 (několik optických nosných ve 4 svazcích)

19 Hlavní metody současných AOS 4 Tvarování svazku Fluktuace optického výkonu jsou mnohem menší v případě tupého profilu svazku než u ostrého Gaussovského profilu Význam tvarování svazku

20 Hlavní metody současných AOS 5 a 6 Použití systému automatického sledování protější hlavice a mikrovlnné zálohy Příklad hlavice se systémy: - automatické sledování - mikrovlnná záloha úhel max. úhlová odchylka systému divergence svazku f 1 f 2 frekvence

21 Hlavní metody současných AOS 7 Použití adaptivní optiky bez použití adaptivní optiky s použitím adaptivní optiky

22 Hlavní metody současných AOS 8 Uspořádání spojů do polygonální (mesh) topologie

23 Hlavní metody současných AOS Zkoumají se možnosti řešení první míle (pomocí převozných AOS) Φ s Hlavice OBS Polohovací plošina vzpěry

24 Hlavní metody současných AOS V kosmickém prostoru mají AOS (FSO) dobrou perspektivu ARTEMIS (GEO) pásmo Ka (23/26 GHz) optické pásmo (800 nm) pásmo S (2 GHz) SPOT-4 (LEO) pozemní stanice V současné době probíhá vývoj těchto technologií v rámci projektu SILEX (podporovaný European Space Agency, ESA)

25 Hlavní metody současných AOS Novou oblastí AOS jsou spoje pracující s technikou distribuce kvantových stavů (QKD) (optická kryptografie) dosah 30 km Prvbí prezentace AOS pracujícího technikou QKD byla uveřejněna již 12. července 2002 v New Journal of Physics. Autoři publikace jsou z Los Alamos National Laboratory.

26 Hlavní metody současných AOS Optická část vysílače (Alice) Elektronická a optická část přijímače (Bob)

27 Hlavní metody současných AOS Schéma vysílače a přijímače AOS pro QKD

28 QKD proces Alice posílá Bobovi posloupnost náhodných bitů (0;1), náhodně kódovaných jako lineárně polarizované fotony buď v přímé + nebo diagonální x bázi. V určitých časových intervalech Bob přijímá fotony ve svých náhodných polarizačních bázích. Bob informuje Alici, ve kterých časových intervalech detekoval fotony; Alice ověří volbu svých bází a sdělí ji Bobovi. Bob sdělí zpět Alici, ve kterých časových intervalech použili stejnou bázi. Začíná se formovat klíč (pro dešifrování zpráv), ale dosud není ověřeno, zda byl přenos někým monitorovaný (Evou). Pro odhalení Evy vybere Bob náhodně některé bity a pošle je Alici. Pokud se vybrané bity shodují, je možno zbylé bity použít pro jejich tajný finální klíč. (Pokud ke shodě nedošlo, klíč se nepoužije.) Časové intervaly báze x + x x x x + + bity báze x x + x + x + + bity shoda bází OK OK OK OK OK OK

29 Optický svazek Helmholtzova vlnová rovnice Řešení H. r. (Gaussův svazek) Komplexní parametr svazku (,, ) (,, ) Exyz+ kexyz = jk w j kz ( ) ( z) 0 qz ϕ Exyz E w z 0 ( ) 2 2 (,, ) = e e 1 = 1 j 2 qz ( ) Rz ( ) 2 kw ( z) x + y π Použití matic zákon ABCD q 2 Aq = Cq B + D R/z w/w θ z/z 0 z/z 0

30 Optický svazek Optická intenzita Ert (, ) Hrt (, ) = Ir ( ) = I( x, yz, ) čas středování vzhledem k rychlým optickým změnám v čase x + y 2 w 2 0 w ( z) I( x, y, z) I0 e = wz ( ) Optický výkon P(,) z t = I(, x y,,) z t dxdy S pomalé změny v čase (modulace) (rozložení optické intenzity v Gaussovu svazku) I/I I/I z/z x/w 0 e z/z 0

31 Optický výkon - výkonová bilance AOS Používané symboly a základní uspořádání spoje γ tot zdroj TX TXA útlum α tot RXA RX fotodioda P m,txa L 12 P m,rxa P(t) data (OOK modulace) P m,txa 1/2 P imp,txa P P sat,rxa dynamické pásmo Δ t Výkonové úrovně jsou střední vzhledem k modulaci P 0,RXA NEP TXA výstupní apertura vysílače RXA vstupní apertura přijímače P m,txa - střední výkon vyzářený TXA; P m,rxa - střední výkon přijatý RXA; α tot - celkový útlum; L 12 - vzdálenost mezi TXA and RXA; γ tot - celkový zisk

32 Výkonový úrovňový diagram vysílač svazek atmosféra přijímač P [dbm] 10 P m,txa Výkonový úrovňový diagram α 12 γ tot α ~ atm α atm 0 optický výkon δ P sat,rxa ~ P m, RXA saturace čistá atm náhodný útlum Δ Výkonová bilanční rovnice M P m,rxa P 0,RXA reálná situace citlivost P m,txa α 12 + γ tot α atm α atm = P m,rxa ~

33 Problematika útlumu šířením Útlum šířením α 12 Charakter funkce vysílací a přijímací čočky z hlediska přenosu výkonu je rozdílný. S LD TXA D TXA ϕ t RXA D RXA z L 0 L 12 (z =0) (z = z TXA = L 0 ) (z = z RXA = L 0 + L 12 ) Střed vyzařované kulové vlny je v bodu S! Pomocí L 0 lze vyjádřit útlum šířením α 12 = 20 log L 0 L + 0 L 12 Je řešen problém vyjádření kulové vlny L 0 I( z) D ϕ TXA t 1 z 2 Vzniká problém volby D TXA (Gaussova čočka?)

34 Problematika útlumu šířením Závislost útlumu šířením α 12 na L 12 při různých hodnotách φ t 70 α 12 [db] φ t =9mrad φ t =3mrad φ t =1mrad L 12 [m]

35 Výkonová rezerva spoje Grafické znázornění rezervy spoje M (L 12 ) M ( L12 ) = P mpd, ( L12) P0, PD Využití rezervy: zvýšení dosahu, zvýšení odolnosti vůči rozmarům počasí

36 Atmosférické jevy Propustnost čisté atmosféry měřeno na úrovni mořské hladiny L 12 = 1km; Δλ = 1,5nm používané oblasti

37 Atmosférické jevy Náhodný útlum atmosféry α atm 1. Absorpce, rozptyl and refrakce Na molekulách plynů a aerosolech aerosols (mlha, sníh, déšť) (pomalé změny) Přítomnost aerosolů: Přehled číselných hodnot V M a α 1,part při různých stavech atmosféry V M [km] α 1,part [db.km -1 ] stav atmosféry < 0,05 > 340 silná mlha (λ = 785 nm) 0,2 až 0,5 85 až 34 střední mlha 1,0 až 2,0 14 až 7,0 slabá mlha nebo silný déšť 2,0 až 4,0 7,0 až 3,0 opar 10 až 23 1,0 až 0,5 čistá

38 Atmosférické jevy 2. Odchylky svazku (denní změny) (teplotní nebo mechanické deformace consol) 3. Krátkodobá přerušení svazku (krátké impulsy) (přelety ptáků) 1e4 1e3 1e2 errors 10 (7. poschodí, filmováno ze vzdálenosti 750m) :00 06:00 12:00 18:00 00:00 29/09/2000

39 Atmosférické jevy 4. Fluktuace optické intenzity (charakter šumu) (vlivem turbulence atmosféry) f [Hz] 5. Záření pozadí čas dne

40 Testovací spoj Přenosová rychlost: 155 Mb/s Dosah: 750m Jeden svazek Monitorování: - BER - výkonových úrovní - meteorologických dat Zahájení provozu: 1998 FSI Testovací spoj ATMO 155 FEKT

41 Měření na testovacím spoji 155Mb/s meteorologická stanice PC PC ATM A/D Ehernet ATM A/D Ehernet síť VUT Technická 8 Purkyňova 118 Sledované veličiny: bitová chybovost úroveň přijímaného signálu sledování trasy pomocí videokamery relativní ozáření Sluncem a meteorologická data

42 Měření na testovacím spoji chybovost (BER) a) % bezchybných sekund (EFS) b) přijímaný výkon (P r ) c)

43 Měření na testovacím spoji Únik: Přijímaný výkon je mimo dynamického rozsahu přijímače P m,rxa [db] P 0,RXA /11/99 05/12/99 date Úniky jsou diskrétní události s různými dobami trvání

44 Zpracování výsledků měření Změřený histogram rozložení útlumu (rozložení hustoty pravděpodobnosti pdf α ) pravdepodobnost [%] α atm [db/km] 10 2 Distribuční funkce překročení určité hodnoty koeficientu útlumu (pravděpodobnost, že útlum překročí danou hodnotu) % casu prekroceni α atm [db/km]

45 Zpracování výsledků měření Reakce služby sítě závisí na době trvání úniků 100 Probability [%] τ [s] PDF doby trvání úniků Statistický model AOS spočívá ve znalostech: - rozložení hustoty pravděpodobnosti pdf α náhodného útlumu α - rozložení hustoty pravděpodobnosti pdf τ dob trvání úniků τ

46 Zpracování výsledků měření pdf α pdf τ krátkodobé úniky dlouhodobé úniky α (1 s) -δ M pdf α náhodného útlumu pdf τ dob trvání úniků τ Pravděpodobnost nedostupnosti spoje P un vyjádřená pomocí pdf α citlivost přijímače P un M = 1 pdf ( α) dα δ α úroveň saturace Pravděpodobnost nedostupnosti spoje P ab vyjádřená pomocí pdf α a pdf τ P ab = P un τ τ b a 0 τ pdf ( τ ) dτ τ τ pdf ( τ ) dτ τ

47 Statistický model spoje model daného spoje: rezerva versus vzdálenost hlavic dostupnost spoje model vybrané lokality: procento času překročení versus koeficient útlumu Nedostupnost [%] λ = 850 nm 0,1 0, Koeficient útlumu [db/km]

48 Statistický model spoje L12 = 300m Graf normované rezervy M 1 daného spoje L 12 [m] M1 [db/km] 100 Postup při stanovení dostupnosti spoje 10 99,95% Nedostupnost [%] 1 λ = 850 nm 0,1 Distribuční funkce překročení koeficientu útlumu atmosféry pro vybranou lokalitu 0, Koeficient útlumu [db/km]

49 Závěr vybrané výsledky vlastního vývoje Vývoj spoje pro počítačovou síť Lavinová fotodioda

50 Závěr vybrané výsledky vlastního vývoje Výzkum možnosti komunikace v rámci vlakové soupravy RX TX RX přepinač lokální zařízení TX RX TX α y [deg] P [dbm] α x [deg] α x [deg]

51 Závěr vybrané výsledky vlastního vývoje Optický přijímač vyvinutý na ÚREL a pro příjem signálu z družice V optické části je použita Fresnelova čočka o průměru 0,5 m

52 Závěr vybrané výsledky vlastního vývoje