Исследование особенностей передачи информации по беспроводному оптическому каналу связи

Исходя из предоставленного графика можно сделать следующий вывод, использование режима PSM в оконечных устройствах позволит выиграть во времени автономной работы на 49 % по отношению с традиционным режимом работы IDLE.

Заключение

В рамках исследования были определены причины возникновения задержек при установлении соединения, к которым относится ограниченность последовательностей преамбул. Был проведен численный анализ задержек, а также вероятностей возникновения коллизий, на основе которого была предложена модель для расчета энергопотребления оконечных устройств стандарта NB-IoT. Предложенная модель позволяет прогнозировать приблизительное время работы оконечного устройства в заданном режиме, также приведено сравнение автономного режима работы устройства с использованием режима PSM и без него. В результате сравнения был определен явный рост автономного времени работы оконечного устройства при использовании режима PSM. Приведенный в работе алгоритм подходит для расчета параметров оконечных устройств стандартов LTE-M, NB-IoT. Для использования модели в других системах необходимо вносить корректировки в алгоритм.

Литература

1. Популярность мобильного Интернета неуклонно растет // ComNews, 2015. URL: http://www.comnews.ru/node/98445 (дата обращения 01.11.2019).

2. 3GPP TS 36.101 v15.6.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 15), 04.2019.

3. 3GPP TS 36.211 v14.4.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation (Release 14), 09.2017.

4. 3GPP TS 36.322 v14.0.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol specification (Release 14), 03.2017.

5. Carles Anton-Haro and Mischa Dohler, Machine-to-machine (M2M) Communications: Achitecture, PerformanceandApplications, 2014. - 426 с.

6. Optimizing Idle State Configuration to Improve Power Saving for M2M Communication over LTE Networks, P.G Scholar (IJSRD/Vol. 3/Issue 03/2015/222).

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО БЕСПРОВОДНОМУ ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ

С.В. Мышьянов, начальник НОЦ «ТИОС», Санкт-Петербургский государственный

университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, mishyanov@gmail.com;

Н.В. Бабаев, инженер НОЦ «БИС», Санкт-Петербургский государственный университет

телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича, n.babaev2016@yandex.ru;

Г.А. Дмитриев, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им.

проф. М. А. Бонч-Бруевича, bobik2705@yandex.ru.

УДК 621.391.63_

Аннотация. В статье рассмотрен метод альтернативной передачи информации по беспроводному каналу, отличному от радиоканала. Рассмотрен комплекс оптической беспроводной передачи информации, реализованный на базе Arduino Uno. Приведена методика проведения эксперимента для нахождения оптимальной частоты мерцания светодиода. На основании данной методики был проведен эксперимент, в результате которого была получена требуемая частота, а также сделаны выводы о функционировании разработанного комплекса.

Ключевые слова: Li-Fi; оптическая передача данных; IEEE 802.11.7; VLC; p-n переход.

RESEARCH OF FEATURES OF TRANSMISSION OF INFORMATION ON A WIRELESS OPTICAL COMMUNICATION CHANNEL

S.V. Myshyanov, head of REC «TIOS» St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M.A. Bonch-Bruevich;

N. V. Babaev, engineer of REC «BIS», St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich;

G.A. Dmitriev, St. Petersburg state university of telecommunications n/a prof. M. A. Bonch-Bruevich.

Annotation. Article discusses a method of alternative information transmission over a wireless channel different from a radio channel. A complex of optical wireless data transmission implemented on the basis of Arduino Uno is considered. The experimental technique for finding the optimal flicker frequency of the LED is given. An experiment based on this technique was conducted as a result of which the required frequency was obtained and conclusions about the functioning of the developed complex were drawn.

Keywords: Li-Fi; optical data transmission; IEEE 802.11.7; VLC, p-n junction.

Введение

В связи с ростом числа устройств в сети, а также появлением новых технологий радиосвязи возникает проблематика использования радиоканала в меру бюрократической сложности и высокой денежной стоимости получения радиочастот. Однако это далеко не единственная проблема, возникающая при установлении радиосоединения. Немаловажным фактором является проблема защиты информации от перехвата третьими лицами, а также защиты информации от непреднамеренных и преднамеренных помех.

Поэтому в качестве альтернативы канала связи предлагается использовать световой поток, что теоретически позволит разгрузить радиочастотный спектр в преддверии появления сетей пятого поколения. Технология передачи информации за счет светового пучка полностью исключает вероятность перехвата информации, благодаря тому, что приемник функционирует только в прямой видимости передатчика. Главным преимуществом оптического канала связи, является тот факт, что он работает на более высоких диапазонах частот, порядка 480-680 ТГц, что также говорит о большей ширине оптического канала, по отношению к радиочастотным каналам. За счет этого, теоретически, скорость передачи в оптическом канале связи может быть в разы выше, чем в радиочастотном.

Для решения данной задачи ассоциацией IEEE был предложен стандарт оптической связи 802.15.7 Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light (VLC), определяющий физический и канальный уровни для обеспечения оптического канала связи в диапазоне 380-780 нм. Передача информации в оптических системах, подобно ВОЛС происходит за счет мерцания светодиодов, однако целью нашего исследования стал случай, когда данный факт не вносит затруднений при передаче информации в кабеле, а именно -передача информации посредством беспроводного оптического канала связи [1].

Описание аппаратной составляющей разработки

Для исследования беспроводного оптического канала, удовлетворяющего требованиям стандарта IEEE 802.15.7, в рамках эксперимента был разработан комплекс для тестирования оптической передачи информации, включающий в себя оптический передатчик и оптический приемник, которые описаны далее в статье. Однако, прежде чем приступать к исследованию беспроводного оптического канала, необходимо упомянуть о принципе работы светодиода, где кроется причина возникновения ошибок при передаче информации.

Как и любой полупроводник, светодиод представляет собой соединение полупроводниковых кристаллов p- и п- типа, при соединении которых в области их контакта образуется p-n переход, обладающий свойствами запирающего слоя, внутри которого происходит процесс диффузии, то есть «дырки» из p-области переходят в ^область, а электроны наоборот из ^области в p-область, в процессе чего происходит образование двойного электрического слоя, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу. В ходе подачи тока на Анод светодиода (^-область) происходит рекомбинация, результатом которой служит выделение энергии в виде фотонов света, что и дает свечение светодиода [2].

Информация в оптическом канале передается посредством мерцаний светодиода, что на данном этапе уже вносит ограничение на максимальную частоту мерцания - это время закрытия и открытия p-n перехода. При передаче информации посредством оптического канала часть переданных данных может приходить с ошибками. Этот факт характеризуется тем, что светодиод не успевает своевременно закрыть p-n переход, в процессе чего часть информационных символов с ошибкой принимаются «единицами» вместо «нулей». Например, при передаче сообщения «10100101» на входе приемника может быть принята следующая последовательность «11100111», где некоторые «нули» были приняты за «единицу» за счет того, что уровень сигнала не успел достичь необходимой отметки, при которой устройство понимает, что в данный момент принят «ноль» [2].

Работа фотодиода производится обратным действием, световой поток, воздействуя на область p-n перехода, приводит к возникновению фото-ЭДС. Ток сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду.

Целью исследования является определение оптимальной частоты мерцания светодиода, при котором достигается безошибочная передача информации.

Как и говорилось ранее, для данного исследования был разработан комплекс для тестирования беспроводного оптического канала связи. Комплекс состоит из персонального компьютера, подключенного к оптическому передатчику, а также оптического приемника, подключенного к другому персональному компьютеру. Между приемником и передатчиком передается информация по оптическому каналу. Далее будут рассмотрены основные составные элементы и схемы передатчика и приемника.

Оптический передатчик

Основной задачей передатчика, является формирование двоичной последовательности и передача ее за счет светодиода. Упрощенная принципиальная схема оптического передатчика

изображена на рис. 1.

Рисунок 1

Передатчик реализован на платформе Arduino Uno. Основными компонентами, используемыми в данном устройстве, являются контроллер ATmega328p, который занимается обработкой данных на канальном и физическом уровнях, и чип ATmega16, выполняющий функцию интерфейса USB/UART [4].

Оптический приемник

Основной задачей оптического приемника является прием и предварительная обработка сигнала, переданного беспроводному оптическому каналу связи. Устройством приема информации является фотодиод.

Рисунок 2

Упрощенная принципиальная схема приемника изображена на рис. 2 и содержит следующие стадии обработки принятого сигнала:

• Первоначальный сигнал, принятый фотокатодом (рис. 3, а).

• Предусиление сигнала с трансформацией тока фотодиода в напряжение (рис. 3, б).

• Фильтрация сигнала; на этом этапе фильтруются постоянная составляющая и низкочастотные помехи (рис. 3, в).

• Формирование двухпозиционного сигнала («ноль - единица») с помощью компаратора для последующей передачи на вход Arduino Uno (рис. 3, г).

Рисунок 3

Далее сигнал с выхода оптического приемника подается на пин GPIO Arduino Uno, где происходит обработка сигнала, формируется кадр для дальнейшей передачи по протоколу UART на чип-интерфейс USB/UART в сторону персонального компьютера.

Именно благодаря полученным в реальных условиях осциллограммам, пример которых изображен на рис. 3, будет проведен выбор оптимальной частоты мерцания светодиода. Оптимальной частотой при этом будет являться частота, обеспечивающая правильную форму выходных импульсов, то есть, импульсов, которые будет возможно декодировать в двоичную последовательность.

Для проведения эксперимента нужно составить методику измерения граничной частоты работы модулей. Для проверки работоспособности модулей необходимо подавать тактовый сигнал большей частоты, нежели может предоставить платформу Arduino. Для генерации модулированного OOK-сигнала (ON-OFF Keying) воспользуемся генератором функций [5]. Для определения возможностей приема и передачи оптического сигнала, модулированного OOK, достаточно использовать меандр с частотой, вдвое меньшей тактовой оптической частоты. Поэтому, заполняющая последовательность нулей и единиц, используемая для устранения межкадрового мерцания, по факту является меандром на частоте 5 кГц. Иная трактовка частоты меандра может быть дана с учетом манчестерского кодирования. Если частота тактового сигнала равна 10 кГц, то с учетом того, что каждый символ манчестерского кода занимает два такта, результирующая скорость передачи без учета помехоустойчивого кодирования составляет 5 кбит/с. Итак, в качестве источника сигнала, подаваемого на вход модуля TX будем использовать генератор функций в режиме формирования меандра.

Контролировать поведение устройств в ходе измерения можно визуально при помощи осциллографа. При увеличении частоты сигнала будем визуально отмечать искажения сигнала на выходе модуля. В качестве критерия верхней рабочей частоты выберем частоту, при которой искажение формы сигнала еще не сказывается на приеме, в частности, значительное изменение коэффициента заполнения при отсечке сигнала цепочкой ФВЧ-компаратор. На передатчике осциллограф подключим к фотодиоду.

+S В Общ. ""í :

Источник питания

Рисунок 4

Определение граничной рабочей частоты приемника можно произвести, приняв за рабочую гипотезу, что рабочая частота передатчика будет заведомо выше приемника. Эта гипотеза основывается на схемотехнической простоте оптического передатчика по сравнению с приемником. Граничная частота задает быстродействие системы, то есть отображает скорость максимальную частоту мерцания диода, при котором фотокатод еще может декодировать информацию. Быстродействие системы напрямую зависит от выбранных электронных компонентов схемы, особенно следует уделить особое внимание выбору компаратора, операционного усилителя и оптики. Для определения граничной рабочей

частоты, реализована схема, отображенная на рис. 5, передатчик TX и приемник RX находятся на некотором расстоянии (от 10 см до 1 м). В случае, если гипотеза окажется неверной, можно эмулировать входной сигнал при помощи генератора функций и последовательно включенным с ним резистором для генерации тока, схожего с током фотодиода при приеме меандра. Сам фотодиод при этом должен быть исключен из схемы либо закрыт светонепроницаемым предметом. Осциллограф при этом подключим к выходу модуля (выходу компаратора).

Рисунок 5

Питание на модули во время эксперимента будет подаваться с источника питания. Напряжение питания обоих модулей составляет 5В, схема для проведения исследования представлена на рис. 4 и 5.

Определим максимальную тактовую частоту, на которой возможен прием сигнала. Расстояние между приемником и передатчиком при эксперименте составляет 30 см. Подадим питание и меандр частотой 10 кГц. Хорошо видно, что форма сигнала практически не исказилась, однако видна фазовая задержка (рис. 6, а). Здесь и далее: синий сигнал - вход передатчика, фиолетовый - выход приемника.

Рисунок 6

Будем плавно увеличивать частоту меандра. На частотах порядка 30 кГц становится заметным время нарастания сигнала (рис 6, б), а также дрожание выходного сигнала. Форма сигнала, по-видимому, не окажет влияния на прием, в связи с отсечкой стандартных логических уровней (порядка 0,5В для логического нуля и 3В для логической единицы), время нарастания все еще остается довольно низким. Джиттер же тактового сигнала может стать проблемой при тактовой синхронизации. Однако примем, что при искажении сигнала такого рода стабильный прием еще осуществим. На частотах свыше 100 кГц искажение и джиттер становятся более заметными, а на частотах свыше 150 кГц - прием совершенно обрывается (рис 6, в). Судя по всему, основная проблема кроется в компараторе: он попросту не успевает за быстрыми изменениями сигнала. Также может сказываться время нарастания и спада сигнала на предыдущих каскадах.

Таким образом, ориентировочная граничная частота приемника составляет порядка 100 кГц, что соответствует 100 кбит/с.

Проведем эксперимент по передаче потоковой информации согласно схеме (рис. 6), для этого подключим второй канал осциллографа к передатчику согласно схеме (рис. 5) и протестируем безошибочность приема информации. На рис. 7 изображены осциллограммы, снятые в различные промежутки времени при выбранной рабочей частоте в 100 кГц.

3.92 В

•4.34 В ИСТОЧНИ

сиихросип

ш

~ и........НН ••••

.......У'......-ХШ......

К1 500ШВ К2 2.00 В 4 Г4.00ус А К2 У 1.14 В

h и£ 2.00 6 | . ш -Ц.

г 0 20.40%

Рисунок 7

Заключение

На выходе с фотодиода видна ситуация, описанная в начале статьи, где часть символов принимается с ошибкой. В данном случае, нули, переданные светодиодом, были приняты фотодиодом как единица. Данный феномен наблюдается только при закрытии p-n перехода фотодиода, также данный факт связан с существующей элементной базой оптического приемника и передатчика. Необходимые фотодиоды с минимальным временем переходного процесса между состояниями p-n - перехода крайне трудно найти на территории Российской Федерации. Эксперимент по передаче информации через беспроводный оптический канал можно считать успешным, за исключением того, что данная технология требует дальнейших исследований. Существующие схемотехнические решения для передачи информации по беспроводному оптическому каналу требуют дальнейшего пересмотра. В меру приведенных выше исследований можем сделать следующий вывод: передача информации через беспроводный оптический канал возможна, но она не удовлетворяет требованиям стандарта IEEE 802.15.7, в силу схемотехнических трудностей исполнения устройств, а также «капризности» оптического канала. В настоящее время коммерческих решений и распространения данной технологии не предвидится, однако при доработке решений, технология беспроводной оптической передачи может стать прямым конкурентом технологиям Wi-Fi внутри помещений.

Литература

1. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks. Part 15.7:Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light // IEEE, 2011.

2. Dimitrov S., Haas H. Principles of LED light communications: towards networked Li-Fi. -Cambridge University Press, 2015.

3. Arnon S. (ed.). Visible light communication. - Cambridge University Press, 2015.

4. URL: https://datasheet.octopart.com/A000073-Arduino-datasheet-12389410.pdf (дата обращения 21.11.2019).

5. Gfeller F.R., Bapst U. Wireless in-house data communication via diffuse infrared radiation //Proceedings of the IEEE, 1979. - Т. 67. - №. 11. - С. 1474-1486.

6. Фудин М.С. и др. Частотные характеристики современных светодиодных люминофорных материалов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2014. - № 6 (94).

СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ СВЯЗИ

М.А. Иванова, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, masha13-99@yandex.ru;

Д.А. Иванова, Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики, mashadasha.13-99@yandex.ru.

УДК 654. 16_

Аннотация. В статье рассмотрены системы дистанционного питания (ДП) для устройств связи на базе обслуживаемых усилительных пунктов (ОУП) и необслуживаемых усилительных пунктов (НУП). Описаны основные способы передачи ДП и указаны особенности современных систем ДП.

Ключевые слова: дистанционное питание; электропитание устройств связи; необслуживаемые усилительные пункты; обслуживаемые усилительные пункты.