МНОГОКАНАЛЬНАЯ ЗАЩИЩЕННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
MULTI-CHANNEL PROTECTED FIBER-OPTIC DATA TRANSMISSION SYSTEM

Изобретение относится к защищенным волоконно-оптическим системам передачи и может быть использовано в качестве дуплексной многоканальной волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) информации.
Известна волоконно-оптическая система передачи информации [1], содержащая N приемопередающих станций, соединенных между собой как минимум четырьмя параллельными ветвями последовательно соединенных магистральных световодов, (N-2)-x оптических ответвителей (N -число подключаемых абонентов), m регенераторов. Каждая приемопередающая станция состоит из оптического передающего блока и оптического приемного блока, содержащего 2nN оптических приемников (n - число видов информации), входы которых подключены к соответствующим выходам двух оптических фильтров, к входам которых подключены два оконечных отрезка соответствующих магистральных световодов. Каждый передающий оптический блок состоит из 2nN оптических передатчиков, выходы которых подключены к соответствующим входам двух оптических фильтров, к выходам которых подключены два оконечных отрезка соответствующих магистральных световодов. В оптический передающий блок и оптический приемный блок каждой приемопередающей станции введены первый и второй маршрутизаторы. Первый маршрутизатор оптического передающего блока соединен двухсторонними связями со вторым маршрутизатором оптического приемного блока одноименной приемопередающей станции. Выходы первого маршрутизатора подключены к соответствующим входам оптических передатчиков, причем входы двух оптических передатчиков с частотами одного номинала соединены между собой, а их выходы подключены к соответствующим входам двух оптических фильтров. Входы первого маршрутизатора являются входами системы. Входы второго маршрутизатора подключены к соответствующим выходам оптических приемников. Выходы двух оптических приемников с частотами одного номинала подключены к соответствующей паре входов второго маршрутизатора, выходы которого являются выходами системы. Остальные (N-2)-e приемопередающие станции через отрезки дополнительных световодов подключены к соответствующим (N-2)-m оптическим ответвителям.
К недостаткам аналога следует отнести:
- низкую надежность работы в условиях механических и климатических воздействий;
- не оценивается достоверность передаваемой информации, что снижает надежность связи.
Известна многоканальная защищенная волоконно-оптическая система передачи [2], которая содержит не менее одной волоконно-оптической линии и два идентичных приемо-передающих устройства, каждое из которых включает в себя не менее одной группы, состоящей из оптического передатчика, первый вход которого является информационным входом приемо-передающего устройства, и последовательно соединенных оптического приемника и устройства мониторинга. Каждое приемо-передающее устройство содержит оптический мультиплексор/демультиплексор, контроллер из n групп, идентичных первой группе. При этом входы контроллера соединены с выходами устройств мониторинга всех групп, а выход контроллера соединен со вторыми входами оптических передатчиков всех групп. Входы оптического мультиплексора/демультиплексора соединены с выходами оптических передатчиков всех групп, а его выходы соединены с входами оптических приемников всех групп, причем линейные вход/выход мультиплексора/демультиплексора соединены между собой волоконно-оптический линией.
К недостаткам аналога следует отнести:
- для обмена данными используются две волоконно-оптические линии передачи, каждая для своего направления;
- не оценивается достоверность передаваемой информации, что снижает надежность связи.
Известна многоканальная защищенная волоконно-оптическая система передачи со спектральным разделением сигналов, содержащая соединенные между собой волоконно-оптическими линиями передачи два комплекта приемопередающей аппаратуры [3]. Каждый из комплектов содержит оптический мультиплексор, демультиплексор и группы, каждая из которых состоит из оптического передатчика и приемника, вход и выход которых являются соответственно входом и выходом каждой группы каждого комплекта. При этом оптический вход приемника соединен с соответствующим выходом демультиплексора волоконно-оптическим шнуром, а оптический выход передатчика соединен с соответствующим входом мультиплексора оптическим шнуром. В каждый комплект приемо-передающей аппаратуры установлен контроллер защиты, рабочая длина волны которого больше длины волны любого из оптических передатчиков. Вход контроллера защиты соединен с оптическим выходом мультиплексора волоконно-оптическим шнуром, а выход соединен волоконно-оптическим шнуром с оптическим входом демультиплексора. Линейные входы и выходы контроллеров защиты соединены между собой волоконно-оптическими линиями передачи. К недостаткам прототипа следует отнести:
- для обмена данными используются две волоконно-оптические линии передачи, каждая для своего направления;
- не оценивается достоверность передаваемой информации, что снижает надежность связи;
- отсутствует канал обмена данными между двумя разнесенными в пространстве комплектами приемо-передающей аппаратуры.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности обмена данными и объема передаваемой информации в заданный промежуток времени.
Указанный технический результат достигается тем, что многоканальная защищенная волоконно-оптическая система передачи информации содержит две параллельные волоконно-оптические линии передачи, каждая из которых соединяет между собой два комплекта приемо-передающей аппаратуры, разнесенных на две стороны, каждый комплект приемо-передающей аппаратуры содержит оптический мультиплексор, оптический демультиплексор, группу из n оптических передатчиков и группу из n оптических приемников, где n≥3 каналов ВОСП, один из которых предназначается для обнаружения попыток отбора мощности, обмена информацией между устройствами защиты и переключения режимов работы системы, а остальные (n-1) канал предназначены для передачи данных, при этом оптический вход каждого оптического приемника соединен волоконно-оптическим шнуром с соответствующим выходом оптического демультиплексора, а оптический выход каждого оптического передатчика соединен волоконно-оптическим шнуром с соответствующим входом оптического мультиплексора, выход оптического мультиплексора подключен волоконно-оптическим шнуром через первый оптический фильтр к входу оптического ответвителя, вход оптического демультиплексора подключен волоконно-оптическим шнуром через второй оптический фильтр к выходу оптического ответвителя, оптический ответвитель волоконно-оптическим шнуром подключен к соответствующей волоконно-оптической линии передачи, соединяющей разнесенные комплекты приемопередающей аппаратуры, к каждому комплекту приемо-передающей аппаратуры подключено устройство защиты, которое включает кодирующее устройство, декодирующее устройство, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, контроллер защиты, рабочая длина волны которого больше длины волны любого из оптических передатчиков, при этом к соответствующим выходам контроллера защиты подключены входы каждого оптического передатчика соответствующего комплекта приемо-передающей аппаратуры, а к соответствующим входам контроллера защиты подключены выходы каждого оптического приемника соответствующего комплекта приемопередающей аппаратуры, выход приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем соединен с входами синхронизации кодирующего, декодирующего устройств и контроллера защиты, кодирующее и декодирующее устройства подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам контроллера защиты, контроллеры защиты двух устройств защиты, расположенных на одной стороне, соединены между собой двухсторонними связями, у контроллеров защиты имеются входы и выходы, являющиеся входами и выходами системы.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 представлена структурная схема многоканальной защищенной ВОСП, на фиг. 2 представлена структурная схема устройства 17 защиты, где обозначено:
1- вход системы (для входных информационных сигналов);
2 - выход системы (для выходных информационных сигналов);
3 - оптический передатчик;
4 - оптический приемник;
5 - оптический мультиплексор;
6 - оптический демультиплексор;
7 - контроллер защиты;
8 - волоконно-оптическая линия передачи;
9 - первый волоконно-оптический шнур;
10 - комплект приемо-передающей аппаратуры;
11…16 - второй… седьмой волоконно-оптические шнуры;
17 - устройство защиты;
18 - кодирующее устройство;
19 - декодирующее устройство;
20 - приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем;
21 - вход/выход контроллера 7 защиты;
22, 23 - первый, второй оптические фильтры;
24 - оптический ответвитель;
Вх.1-Вх.п и Вых.1-Вых.л- входы и выходы оптических каналов.
Многоканальная защищенная волоконно-оптическая система передачи информации содержит две параллельные волоконно-оптические линии передачи 8, каждая из которых соединяет между собой два комплекта приемопередающей аппаратуры 10, разнесенных на две стороны. Каждый комплект приемо-передающей аппаратуры содержит оптический мультиплексор 5, оптический демультиплексор 6, группу из n оптических передатчиков 3 и группу из n оптических приемников 4, где n - количество каналов ВОСП, один из которых предназначается для обнаружения попыток отбора мощности, обмена информацией между устройствами защиты и переключения режимов работы системы, а остальные (n-1) канал предназначены для передачи данных. Количество n оптических каналов может быть три и более. Оптический выход каждого оптического передатчика 3 соединен волоконно-оптическим шнуром 9 с соответствующим входом оптического мультиплексора 5, выход оптического мультиплексора 5 подключен волоконно-оптическим шнуром 12 через первый оптический фильтр 22 к входу оптического ответвителя 24. Оптический вход каждого оптического приемника 4 соединен волоконно-оптическим шнуром 11 с соответствующим выходом оптического демультиплексора 6. Вход оптического демультиплексора 6 подключен волоконно-оптическим шнуром 13 через второй оптический фильтр 23 к выходу оптического ответвителя 24. Оптический ответвитель 24 подключен волоконно-оптическим шнуром 16 к соответствующей волоконно-оптической линии передачи 8, соединяющей разнесенные комплекты 10 приемо-передающей аппаратуры. К каждому комплекту 10 приемо-передающей аппаратуры подключено устройство защиты 17, которое включает контроллер защиты 7, кодирующее устройство 18, декодирующее устройство 19, приемник сигналов глобальных навигационных спутниковых систем 20. К соответствующим выходам контроллера защиты 7 подключены входы каждого оптического передатчика 3 соответствующего комплекта приемо-передающей аппаратуры 10, а к соответствующим входам контроллера защиты 7 подключены выходы каждого оптического приемника 4 соответствующего комплекта приемо-передающей аппаратуры 10. Выход приемника сигналов глобальных навигационных спутниковых систем 20 соединен с входами синхронизации кодирующего 18, декодирующего 19 устройств и контроллера защиты 7. Кодирующее 18 и декодирующее 19 устройства подключены двухсторонними связями к соответствующим входам/выходам контроллера защиты 7. Контроллеры защиты 7 двух устройств защиты 17, расположенных на одной стороне системы ВОСП, соединены между собой двухсторонними связями 21. У контроллеров защиты 7 имеются входы и выходы, являющиеся входами и выходами системы. Предлагаемая система осуществляет следующие режимы работы:
- передачу данных в полном объеме (одновременно по двум волоконно-оптический линиям передачи);
- передачу данных только по одной волоконно-оптической линии 8, если во второй число ошибочных сообщений превышает заданное или она выведена из строя;
- полное отключение передачи информации при обнаружении подключения к волоконно-оптической линии 8 передачи,
- переключение с помощью контроллера 7 защиты наиболее приоритетных сообщений с неисправного или взломанного тракта передачи на исправный с менее ценной информацией (тракт передачи состоит из узлов: 3-17, 22- 24);
- контроль попыток взлома тракта передачи и, в связи с этим, переключение режимов работы системы с использованием первого оптического канала (Вх.1-Вых.1) с линейной амплитудной характеристикой и процедуры телеуправления-телесигнализации, осуществляемые с помощью узлов 7, 18, 19, 20, входов/выходов 21 устройства 17 защиты и первого оптического канала (Вх.1-Вых.1) разнесенных комплектов 10.
В многоканальной защищенной ВОСП из n оптических каналов в зависимости от количества ошибок на приеме защита выбирает соответствующий режим работы и сообщает об этом на противоположную сторону, при этом первый оптический канал (Вх.1-Вых.1) используется для обнаружения попыток отбора мощности, обмена информацией между устройствами защиты и переключения режимов работы системы, остальные (n-1) канал предназначены для передачи данных. Защита информации обеспечивается с помощью оптических сигналов, рабочая длина волны которых больше длины волны любого из оптических передатчиков. На каждой стороне устройства защиты 17 обмениваются между собой информацией о состоянии системы и переключении режимов ее работы.
Защищенная ВОСП работает следующим образом. Входные информационные сигналы в количестве (n-1) штук параллельно через вход системы 1 поступают в контроллер 7 защиты. В контроллере 7 защиты входные сигналы формируются в пакеты, после чего они нумеруются и к ним добавляется избыточная информация для помехоустойчивого кодирования, а затем они подаются на входы соответствующих (n-1) оптических передатчиков 3, которые формируют оптические сигналы, каждый из которых отличается друг от друга длиной волны оптического излучения. Длины волн соответствуют, например, стандартным сеткам, принятым в технологии спектрального уплотнения (WDM, DWDM, CWDM, HWDM). Количество каналов, предназначенных для передачи данных, выбирается в соответствии с заданными требованиями и может быть два и более. После этого оптические сигналы через волоконно-оптические шнуры 9 поступают на входы оптического мультиплексора 5, где складываются в один групповой сигнал, который через третий волоконно-оптический шнур 12, первый оптический фильтр 22, пятый волоконно-оптический шнур 14, оптический ответвитель 24, седьмой волоконно-оптический шнур 16 передается по волоконно-оптической линии 8 передачи в комплект приемо-передающей аппаратуры 10 на другой стороне системы. Оптические фильтры 22 и 23 настроены на разные длины волн, например, на 1,3 нм и 1,55 нм [4]. Волоконно-оптические шнуры 9, 11-16 представляют собой световоды, требуемой длины.
Групповой сигнал поступает в комплект 10 приемо-передающей аппаратуры, находящийся на другой стороне волоконно-оптической линии 8. Пройдя через последовательно соединенные седьмой волоконно-оптическим шнур 16, оптический ответвитель 24, шестой волоконно-оптический шнур 15, второй оптический фильтр 23, четвертый волоконно-оптических шнур 13 поступает в оптический демультиплексор 6. В оптическом демультиплексоре 6 осуществляется преобразование группового сигнала в канальные оптические сигналы на длинах волн, соответствующих входным длинам волн. Затем оптические сигналы через (n-1) вторых волоконно-оптических шнуров 11, (n-1) оптических приемников 4, контроллер 7 защиты поступают на выходы 2 системы. В контроллере 7 защиты оценивается достоверность принятых сообщений, при их правильности они выдаются на выходы системы 2. При наличии ошибок делается запрос на передающую сторону о повторной передаче соответствующего пакета.
В противоположном направлении входные информационные сигналы, поступившие на вход системы 1, проходят такие же последовательные преобразования в узлах 7, 3, 9, 5, 12, 22, 14, 24, 16, 8, 16, 24, 15, 23, 13, 6, 11, 4, 7. В контроллере защиты 7 также оценивается достоверность принятых сообщений, при их правильности они выдаются на выходы системы 2. При наличии ошибок делается запрос на передающую сторону о повторной передаче соответствующего пакета.
Каждый из оптических сигналов с выхода оптического демультиплексора 6 поступает на вход соответствующего оптического приемника 4, который преобразует оптический сигнал в соответствующий электрический сигнал. Электрический сигнал передается на вход контроллера 7 защиты, который обрабатывает его с целью выделения сигнала попытки отвода световой энергии из волоконно-оптической линии 8. Защита информации обеспечивается с помощью оптических сигналов, рабочая длина волны которых больше длины волны любого из оптических передатчиков, причем защита информации осуществляется с помощью помехоустойчивого кодирования по входным видеосигналам каждого из двух разнесенных устройств защиты, при этом входы/выходы двух устройства защиты на одной стороне соединены между собой двухсторонними каналами передачи видеосигналов 21. В случае обнаружения попытки отвода мощности оптического сигнала из волоконно-оптической линии, контроллер 7 защиты формирует сигнал тревоги. В случае, когда одновременно поступают сигналы тревоги от всех (большинства) каналов, контроллер 7 защиты на стороне приема фиксирует попытку съема мощности оптического сигнала и формирует сообщение, запрещающее передачу всем оптическим передатчикам 3, а на сторону передачи это сообщение в закодированном узлом 18 виде через первый оптический канал (Вх.1-Вых.1), а именно, первый передатчик 3, узлы 9, 5, 12, 22, 14, 24, 16, 8, 16, 24, 15, 23, 13, 6, 11, 4, поступает на узел 7 устройства защиты 17 противоположной стороны, декодируется в устройстве 19 и с помощью контроллера 7 защиты отключаются все входные информационные сигналы, которые были предназначены для передачи. Аналогичные процедуры осуществляются и во втором тракте.
1
2
n
Оптические передатчики 3 формируют оптические сигналы, каждый из которых отличается друг от друга длиной волны оптического излучения (λ, λ…λ). Длины волн, например, соответствуют стандартным сеткам, принятым в технологиях волнового уплотнения (WDM, DWDM, CWDM, HWDM).
Контроль волоконно-оптических линий 8 передачи производится следующим образом. При попытке отвода мощности оптических сигналов из волоконно-оптической линии 8 передачи по выходному сигналу приемника 4 первого канала с линейной амплитудной характеристикой, контроллером 7 защиты принимается сигнал пониженной мощности, что эквивалентно обнаружению подключения к соответствующей линии 8 передачи и необходимости отключения передачи сигналов. Кроме того, понижение мощности приводит к увеличению числа ошибок в каналах, что также обнаруживает контроллер 7 защиты и выносит соответствующее решение.
1
2
3
n
Контроль попыток подключения к линии 8 передачи целесообразно осуществлять на длине волны λ, большей, чем любая из λ, λ…λ, так как, чем меньше длина волны, тем выше чувствительность по обнаружению отвода мощности с линий. Это обусловлено спектральной зависимостью распределения мощности по поперечному сечению волокна [3]. В одномодовом волокне интенсивность излучения основной моды на длине волны 1270 нм на 10 дБ меньше, чем интенсивность излучения на волне 1370 нм [3].
В каждом из разнесенных устройств 17 защиты взаимная синхронизация осуществляется с помощью меток единого времени с выхода приемника 20 сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, поступающих на входы синхронизации кодирующего и декодирующего устройств 18 и 19, контроллера 7 защиты.
Оптические узлы системы 3-6, 8-16, 22-24 могут быть реализованы, например, на элементах, рассмотренных в работах [3, 4], а электронные 18-20 - на серийных элементах [5, 6, 7], контроллер 7 защиты - на сигнальном процессоре типа TMS320C6678 с АЦП [7].
Новая совокупность существенных признаков в заявляемой многоканальной защищенной ВОСП позволяет увеличить в два раза объем передаваемой информации в заданный промежуток времени и повысить надежность обмена данными за счет введения избыточной информации во все каналы, оценки достоверности приема сообщений на приемной стороне, высокоскоростного обмена данными об обнаружении попыток отвода мощности из волоконно-оптических линий или выхода из строя узла системы, а также выполнения необходимых операций для защиты системы.
Литература:
1. Патент РФ на полезную модель №104803, дата публикации 20.05.2011, Бюл. №14.
2. Патент РФ на изобретение №2522741, дата публикации 20.07.2014, Бюл. №20.
3. Патент РФ на изобретение №2586105, дата публикации 10.06.2016, Бюл. №16 (прототип).
4. Д.Ф. Зайцев. Нанофотоника и ее применение. М.: Фирма АКТЕОН. 2011. - 427 с.
5. GPS - глобальная система позиционирования. - М.: ПРИН, 1994, 76 с.
6. К.Э. Эрглис.Интерфейсы открытых систем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2000. - 256 с.
7. В.А. Березовский, И.В. Дулькейт, O.K. Савицкий. Современная декаметровая радиосвязь. Оборудование, системы и комплексы. М.: / Радиотехника, 2011, - 444 с.