Защищенная телекоммуникационная система на основе технологии связи в видимом диапазоне света с интерфейсом PLC

Защищенная телекоммуникационная система на основе технологии связи в видимом диапазоне света с интерфейсом PLC

Ю. В. Зачиняев, С. А. Пливак, А. С. Шумилин

Южный федеральный университет, Институт компьютерных технологий и информационной безопасности, Таганрог

Аннотация: В работе рассматривается вопрос создания защищенной среды передачи данных в организации на основе технологии VLC (visible light communication) с применением PLC (power line communication) модема.

В ходе исследования проведен анализ отечественной и зарубежной литературы и патентной документации, подтвердивший актуальность данной тематики и необходимость в совершенствовании и адаптации технологии для отечественных организаций, обоснована потенциально лучшая защищенность системы от несанкционированного доступа к данным по сравнению с проводными и Wi-Fi сетями

Предложена структурная схема, реализующая передачу данных на основе технологии VLC, предусматривающей использование светодиодных источников освещения в качестве передатчиков системы связи, с интеграцией интерфейса PLC.

Использование интерфейса PLC позволяет упростить монтаж и реализацию передающих модулей VLC, поскольку информационный сигнал к последним подается по силовым линиям, обеспечивающим питание осветительных приборов.

Произведена оценка условий функционирования системы передачи данных на основе технологии VLC с интерфейсом PLC, выявившая, что при минимально допустимом отношении сигнал/шум равным 6дБ, пропускная способность канала равна 8МБит/с, а коэффициент битовых ошибок стремится к нулю.

Результаты исследований могут быть использованы при построении корпоративной сети по технологии VLC с интерфейсом PLC, также найти свое применение для дальнейшего изучения данной технологии.

Ключевые слова: VLC, Li-Fi, PLC, передача данных видимым светом, приемный модуль, передающий модуль, оптический сигнал, телекоммуникационная система.

Введение. Использование беспроводных сетей Wi-Fi в организациях является одним из уязвимых мест для перехвата информации злоумышленниками. Так, на многих предприятиях технология Wi-Fi задействована для передачи данных в отдельных сегментах корпоративной сети, несмотря на то, что она потенциально несет угрозу безопасности данных. [1] Очевидно, что с ростом трафика по беспроводным и, соответственно, доступным для анализа и перехвата каналам связи острее становятся вопросы, связанные с обеспечением защищенности от несанкционированного доступа в корпоративном документообороте.

Стандартные средства защиты информации, предусмотренные спецификациями Wi-Fi - WPA и WPA2, и использующие аутентификацию всех абонентов и шифрование данных, с развитием вычислительной техники теряют свою эффективность [2].

Как и в любых других радиотехнических системах связи в сетях Wi-Fi возможны проблемы электромагнитной совместимости оборудования, загруженности частотных диапазонов. Практически любой Wi-Fi маршрутизатор, использующийся в корпоративных сетях, работает на частоте 2,4 либо 5 ГГц. В этом же диапазоне работают и микроволновые печи, различное промышленное оборудование, а также смежные Wi-Fi сети. В результате интерференции происходит ухудшение и даже потеря сигнала, значительное снижение скорости, сбои в работе оборудования [3].

Одним из путей повышения защищенности передаваемых данных в корпоративных сетях и решения проблем электромагнитной совместимости с радиооборудованием при высоких требованиях к скорости передачи данных и мобильности абонентских устройств видится использование технологии VLC (visible light communication - "передача видимым светом"). Данная технология относится к беспроводной связи и использует оптическое излучение видимого диапазона спектра (длина волны от 380 нм до 780 нм) в качестве переносчика данных [4-5]. Другими словами, основу VLC технологии составляет открытая оптическая система связи, в которой в качестве передающего модуля выступает светодиод/система светодиодов системы освещения выделенного помещения.

В настоящее время прогресс в области производства светодиодов позволил существенно повысить их энергоэффективность и быстродействие, что открывает перспективы по использованию систем связи с видимым светом для использования в корпоративных сетях передачи данных [6].

Анализ литературы свидетельствует об актуальности темы и высоком интересе научного сообщества к проблемам реализации VLC. Так, в [7-8] анализируются особенности применения технологии VLС в местах, где

J

запрещено использование радиооборудования (реанимационные палаты медицинских учреждений, салоны самолетов и др.).

В [9-11] предложена схема построения системы передачи данных на основе технологии VLC, реализующая манипуляцию по интенсивности - для передачи логической единицы на фотодетектор за единицу времени должен поступить оптический сигнал, для передачи логического нуля за единицу времени сигнал отсутствует.

В [12-13] анализируются методы модуляции оптического сигнала для использования в VLC-системах. Методы OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) и CSK (Code Shift Keying) определены как наиболее сложные в реализации, при этом позволяющие добиться максимальной скорости передачи данных в 100 Гбит/с.

На основе литературного и патентного обзора была проведена классификация подходов и технологий построения систем передачи данных на основе технологии VLC.

По количеству излучающих светодиодов на передающей стороне можно выделить системы с использованием:

• одного информационного светодиода в составе массива неинформационных;

• массива информационных светодиодов;

• блока светодиодов различных цветов.

По способу модуляции оптического излучения светодиодов можно выделить следующие подходы построения систем VLC:

• OOK (Вкл-Выкл манипуляция, простейшая форма манипуляции по интенсивности);

• PPM (фазово-импульсная модуляция);

• VPPM (переменная фазово-импульсная модуляция);

:

• OFDM (модуляция с ортогонально частотным разделением каналов);

• CSK (цветовая манипуляция).

Анализ литературы и патентной документации позволил синтезировать обобщенную структурную схему, позволяющую реализовать любой из обозначенных методов модуляции в рамках технологии VLC с использованием интерфейса PLC.

Технология PLC (power line communication - "передача данных по силовым линиям") — телекоммуникационная технология, базирующаяся на использовании электросетей для высокоскоростного информационного обмена. Возможность использования технологии PLC позволит упростить установку и монтаж системы VLC, а также повысить надежность с точки зрения информационной безопасности [14]. На рис.1 показана схема, иллюстрирующая принцип работы технологии VLC с интерфейсом PLC.

/ / /

/ 2

//////

/ОЧ / 2

/ / / /

Рис. 1. - Принцип работы технологии VLC с интерфейсом PLC (1 - PLC адаптер; 2 - передающий модуль VLC; 3 - приемный модуль VLC;4 - линия

электропитания)

Разработка передающей части системы. В передающий модуль VLC информационный сигнал поступает по силовым линиям (линии электропередач) через PLC-модем, выделяющий из питающего напряжения информационный сигнал. Передающий модуль в свою очередь включает в

4

себя согласующее устройство, модулятор, устройство управления светодиодом и светодиодный источник освещения (рис.2).

Рис. 2. - Структурная схема передающего модуля технологии VLC с

интерфейсом PLC

Согласующее устройство приводит параметры сигнала с выхода модема в соответствие параметрам, требуемым для управления модулятором и светодиодами (сопоставляя параметры входного сигнала с параметрами устройства управления светодиодом). Модулированный сигнал поступает на устройство управления светодиодами, представляющее собой плату, содержащую микроконтроллер, с помощью которого происходит управление яркостью, частотой мерцания и выбором необходимых светодиодов из блока.

Разработка приемной части системы. Приемный модуль УЬС технологии представляет из себя небольшой блок, в основе которого лежит фотодетектор (рис 3).

Рис. 3. - Структурная схема приемного модуля технологии VLC с

интерфейсом PLC С выхода фотодетектора детектированный сигнал попадает на малошумящий усилитель и фильтр для минимизации шума. Как правило, шум в приемнике VLC аналогичен шуму обычного приемника оптической

линии связи. Это может быть тепловой шум от резистора нагрузки и фотодиода, избыточный шум от усилителя, дробовой шум, а также любые другие источники света в помещении.

Обработанный сигнал поступает на вход компаратора, преобразующего принятый аналоговый сигнал в цифровую последовательность. Разработанная структура реализует симплексный режим. Для реализации дуплексного режима схема дополняется симметричным каналом.

Необходимые расчеты при внедрении системы на основе технологии УЬС.

Для анализа особенностей внедрения системы УЬС в конкретном помещении выбрана прямоугольная комната длиной 17 метров, шириной 11 метров, высотой 3.5 метра. Основные параметры оптического передатчика и приемника отображены в таб.1.

Таблица №1.

Параметры оптического передатчика и приемника

Параметр Значение

Мощность оптического передатчика (светодиода) 0,18 мВт

Полоса пропускания 2 МГц

Рабочая длина волны 870 нм

Токовая чувствительность фотодиода 0,62 А/Вт

Шумовой ток фотодетектора 1,25 пА/Гц

Учитывая эффекты рассеивания и поглощения видимого света в атмосфере, а также характеристики используемого оборудования, можно вычислить максимальное расстояние, при котором будет передача данных будет производится с приемлемым коэффициентом ошибок. Для этого необходимо, чтобы отношение сигнал/шум, которое представляет собой эффективное напряжение полезного сигнала к эффективному напряжению шума приемника для цифровых систем было выше 6 дБ.

:

Подставив значения чувствительности фотодетектора и шумового тока,

можно вычислить внутренние шумы приемника.

А

Гц

А

1,25 • 10 -9--2 Гц

Ршум =-А-= 0,004мВт .

0,62 — Вт

Тогда для мощности сигнала, требуемой на входе приемного модуля для обеспечения требуемого отношения сигнал/щум, можно записать:

р =

сигнал У ) шум ? V )

р = (106дБ/10)• 0,004мВт = 0,016мВт .

сигнал \ / ^ ^

УЬС передатчик излучает сигнал мощностью 0,18 мВт, а минимально допустимое значение на входе приемника должно быть 0,016 мВт. Обратившись к закону Бугера-Ламберта-Бера, можно вычислить предельное расстояние Б, позволяющее обеспечить допустимое затухание.

Коэффициент затухания по закону Бугера-Ламберта-Бера имеет следующий вид:

К = е-

где К - коэффициент затухания, Б - расстояние, катм- показатель поглощения.

В рассматриваемом случае показатель поглощения связан с длиной волны излучения 780 нм и безразмерным показателем поглощения в атмосфере, равным 75 дБ.

К = 4П = 4п 75дБ =

А 780нм

Выразив Ь и подставив значения, найдем расстояние на котором происходит затухание сигнала.

о = - (ПК) = _ <!п059). 4,3 м.

К 0,56

Предположив, что все УЬС приемники располагаются на офисном столе (высоту стола брать равной 1 м), а максимальное расстояние Б=4,3 м, можно найти какую площадь покрывает один передатчик, монтируемый в потолочную систему освещения.

Зона покрытия от одного передатчика рассчитывается по формуле

5 = пЯ = п

где Б - расстояние от передатчика до приемника; Ь - длина нормали передатчика до приемника; Я - радиус искомой зоны покрытия.

Подставив все значения в формулу (4) получим:

Я » 3,4м , 5 = п (4,32 - 2,52) « 36м2.

Так как площадь исследуемого помещения равна 187 м2, а один передатчик способен покрыть площадь 36 м2, то для данного выделенного помещения потребуется шесть УЬС передатчиков, монтируемых в потолок.

Оптимальное расположение светодиодов УЬС передатчика в офисном помещении заданных размеров представлено на рис. 5.

• • •

• • •

17 м

Рис. 5. - Зона покрытия помещения информационной составляющей

оптического излучения

11 м

Заключение. Предложена беспроводная система передачи данных по открытому каналу на основе технологии VLC с интерфейсом PLC.

Использование данной системы при реализации корпоративной сети позволяет добиться высокого уровня информационной безопасности на физическом уровне, сведя затраты по защите данных до минимума.

Произведен анализ литературы и патентной документации, подтвердивший актуальность данной тематики и позволивший составить классификацию всех имеющихся решений. Предложена структурная схема, реализующая передачу данных на основе технологии VLC с интерфейсом PLC, состоящая из двух модулей. Назначение каждого из узлов описаны в данной работе.

Произведенные расчеты демонстрируют процесс внедрения данной системы и анализируют эффективность её применения.

Использование технологии VLC с интерфейсом PLC позволит снизить шанс несанкционированного доступа к передаваемым данным. Поскольку для доступа к необходимой информации злоумышленнику потребуется непосредственное проникновение в помещение, что значительно усложняет перехват данных со стороны.

Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего изучения и анализа данной технологии.

Литература

1. Петров СН. Современное оптическое производство и некоторые тенденции его развития // Инженерный вестник Дона, 2009, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2009/141.

2. Сторожок А.Е. Повышение производительности беспроводной сети // Инженерный вестник Дона, 20016, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3680.

3. Алексеев Д. А., Ермолаева В. В. Li-Fi — прорыв в науке или бесполезная игрушка. Преимущества и недостатки Li-Fi перед Wi-Fi // Молодой ученый. - 2015. - №11. - С. 161-164.

4. Денис Урман Технология Li-Fi поставила очередной рекорд скорости передачи данных // Новости высоких технологий. - 2013. URL: hi-news.ru/technology/texnologiya-li-fi-postavila-ocherednoj-rekord-skorosti-peredachi-dannyx.html

5. Вакарев М., Безнос О.С. Новая технология беспроводного интернета Li-Fi // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - №3. - С. 169-174.

6. Шумилин А. С., Пливак С. А. Защищенная система передачи данных на основе VLC технологии // V Международная конференция по фотонике и электронной оптике. - Москва: Сборник научных трудов М.: НИЯУ МИФИ, 2016. - С. 339-340.

7. C. Lee, C. Tan, H. Wong, M. Yahya Performance evaluation of hybrid VLC using device cost and power over data throughput criteria // International Society for Optics and Photonics. - 2013. - pp. 88 451A-93 451A.

8. C. Chow, C. Yeh, Y. Liu, P. Huang, Y. Liu Adaptive scheme for maintaining the performance of the in-home white-LED visible light wireless communications using OFDM // Opt. Commun. - 2013. - №vol. 292, no. 1. - pp. 49-52.

9. G. Cossu, A. Wajahat, R. Corsini, E. Ciaramella 5.6 Gbit/s downlink and 1.5 Gbit/s uplink optical wireless transmission at indoor distance // Proceedings of the European Conference on Optical Communication. - 2014. - №We.3.6.4.

10. H. Takahashi, A. Al Amin, S. L. Jansen, I. Morita, H. Tanaka 8x66.8-Gbit/s coherent PDM-OFDM transmission over 640 km of SSMF at 5.6-bit/s/Hz spectral efficiency // Proc. European Conf. Exhibition Optical Communication (ECOC). - 2008. - №Th3.E.4.

11. Jitender Singh, Jitender Vikash A New Era in Wireless Technology using Light-Fidelity // International Journal of Recent Development in Engineering and Technology. - 2014. - № Volume 2. Issue 6. - pp. 46-49.

12. Mohammad Noshad, Maite Brandt-Pearce Can Visible Light Communications Provide Gb/s Service? // - 2013. - pp. 2-4.

13. P. J. Winzer, G. Raybon, and M. Duelk 107-Gb/s Optical ETDM Transmitter for 100G Ethernet Transport // Proc. European Conf. Exhibition Optical Communication (ECOC). - 2005. - .Paper Th4.1.1.

14. Sindhubala, B. Vijayalakshmi Design and implementation of visible light communication system in indoor environment // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2015. - №VOL. 10. №. 7. - pp. 2282-2286.

References

1. Petrov S. N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 209, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2009/141.

2. Storojok A. E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3680.

3. Alekseev D. A., Ermolaeva V. V. The Li-Fi a breakthrough in science or a useless toy. Advantages and disadvantages of Li-Fi to Wi-Fi. Young Scientist. 2015. №11. pp. 161-164

4. Denis Urman. Technology Li-Fi set a new speed record data. 2013. URL: hi-news.ru/technology/texnologiya-li-fi-postavila-ocherednoj-rekord-skorosti-peredachi-dannyx.html

5. Vakarev M., Beznos O.S. The new technology of wireless Internet Li-Fi. Modern high technologies. 2014. №3. pp. 169-174.

6. Shumilin A.S., Plivak S.A. Secured data transmission system based on the vlc-technology. V international conference on photonics and optoelectronics. Moscow. MIFI. 2016. pp. 339-340.

7. C. Lee, C. Tan, H. Wong, M. Yahya Performance evaluation of hybrid VLC using device cost and power over data throughput criteria. International Society for Optics and Photonics. 2013. pp. 88 451A-93 451A.

8. C. Chow, C. Yeh, Y. Liu, P. Huang, Y. Liu Adaptive scheme for maintaining the performance of the in-home white-LED visible light wireless communications using OFDM. Opt. Commun. 2013. - №vol. 292, no. 1. pp. 49-52.

9. G. Cossu, A. Wajahat, R. Corsini, E. Ciaramella 5.6 Gbit/s downlink and 1.5 Gbit/s uplink optical wireless transmission at indoor distance. Proceedings of the European Conference on Optical Communication. 2014. №We.3.6.4.

10. H. Takahashi, A. Al Amin, S. L. Jansen, I. Morita, H. Tanaka 8x66.8-Gbit/s coherent PDM-OFDM transmission over 640 km of SSMF at 5.6-bit/s/Hz spectral efficiency. Proc. European Conf. Exhibition Optical Communication (ECOC). 2008. №Th3.E.4.

11. Jitender Singh, Jitender Vikash. A New Era in Wireless Technology using Light-Fidelity. International Journal of Recent Development in Engineering and Technology. 2014. -№ Volume 2. Issue 6. pp. 46-49.

12. Mohammad Noshad, Maite Brandt-Pearce Can Visible Light Communications Provide Gb/s Service. 2013. pp. 2-4.

13. P. J. Winzer, G. Raybon, and M. Duelk 107-Gb/s Optical ETDM Transmitter for 100G Ethernet Transport. Proc. European Conf. Exhibition Optical Communication (ECOC). 2005. №Paper Th4.1.1.

14. Sindhubala, B. Vijayalakshmi Design and implementation of visible light communication system in indoor environment. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015. №VOL. 10. №. 7. pp. 2282-2286.