IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

I. Введение

Технология VLC (visible light communication – «передача видимым светом») относится к беспроводной связи, которая использует видимый диапазон оптического излучения (от 380 нм, до 780 нм) в качестве среды передачи данных с использованием светодиодов (LED), служащих для освещения помещений. Последние достижения в сфере производства светодиодов сделали их более энергоэффективным, а скорость включения-выключения стала достигать нескольких наносекунд, что позволяет использовать их также и для передачи данных [8].

Метод передачи данных на основе технологии VLC видится одним из подходов к решению проблемы повышенной уязвимости корпоративных сетей. Данная технологии имеет ряд преимуществ по сравнению с Wi-Fi, а именно: потенциально большая скорость передачи данных, более защищенная организация системы в целом за счет ограничения доступа злоумышленников к каналу передачи данных [2]. Кроме того, отсутствие связи по радиоканалу позволяет избежать помехи между устройствами и сбои в работе оборудования [5, 6].

II. VLC - система

VLC – система включает в себя передающий и приемный модуль. Структурная схема, реализующая данную технологию, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема, реализующая VLC-технологию

В передающем модуле согласующее устройство приводит параметры входного сигнала (цифровые данные из сети) к параметрам устройства управления блока светодиодов с помощью модулятора. Затем сигнал для передачи по каналу связи попадает на блок светодиодов.

В приемном модуле полученный оптический сигнал усиливается, затем проходя через фильтр верхних частот избавляется от шумов, вследствие чего попадает на компаратор для преобразования в цифровую форму. В итоге на выходе принимающего модуля имеется полноценный цифровой сигнал, который передает необходимые данные [7].

III. Анализ эффективности VLC технологии

При всей своей эффективности и удобстве VLC-технология имеет ряд ограничений, которыми нельзя пренебрегать при внедрении данной системы [6]. Чтобы эти недостатки не оказывали значительное влияние на работу сети, нужно проверить на эффективность данную технологию по отношению к защищаемому объекту.

В работе рассматривается помещение в здании органов государственной власти/ силовых структур с повышенными требованиями к информационной безопасности при передаче данных. Помещение имеет размеры 17 метров в длину, 11 метров в ширину и 3.5 метра в высоту. Основные параметры оптического передатчика и приемника отображены в табл. 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

Так как в основе передачи данных с помощью VLC технологии лежит видимый свет, то он имеет особенность рассеиваться и поглощаться в атмосфере. Учитывая эту особенность и зная 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. Отношение сигнал/шум обозначается SNR, и имеет следующий вид [4]:

(1)

Отношение сигнал/шум равное 6 дБ, говорит о том, что мощность сигнала на входе приемника должна быть как минимум в 4 раза больше мощности внутренних шумов для цифровых систем. Из таблицы 1 подставляя значения чувствительности фотодетектора и шумового тока, можно вычислить внутренние шумы приемника.

Выразив из формулы (1) мощность сигнала, можно определить мощность на входе для поддержания отношения сигнал/шум в 6 дБ.

Из таблицы 1 видно, что VLC передатчик излучает сигнал мощностью 0.18 мВт, а минимально допустимое значение на входе приемника должно быть 0.0162 мВт. Обратившись к закону Бугера-Ламберта-Бера, можно вычислить, на каком расстоянии можно добиться такого затухания. На рис. 2. это расстояние обозначается D.

Рисунок 2. Структурная схема, иллюстрирующая подключение офисного оборудования к сети (D- максимальное расстояние от приемника до передатчика)

Закон Бугера-Ламберта-Бера - это физический закон, определяющий затухание оптического излучения при распространении его в поглощающей среде, в данном случае, в воздухе. Коэффициент затухания по закону Бугера-Ламберта-Бера имеет следующий вид:

(2)

где K – коэффициент затухания, D – длина, – показатель поглощения.

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

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

Предположив, что все VLC приемники располагаются на офисном столе (высоту стола брать равной 1 м), а максимальное расстояние D=4.3 м., можно найти какую площадь покрывает один передатчик, монтируемый в потолок.

Зона покрытия от одного передатчика рассчитывается по формуле (4),

(3)

где D – расстояние от передатчика до приемника; L – длина нормали передатчика до приемника; R – радиус искомой зоны покрытия.

Подставив все значения в формулу (4), получим:

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

Тогда оптимальное расположение светодиодных ламп, выполняющих роль VLC передатчика, в офисе с такими размерами, и зона покрытия будут выглядеть следующим образом:

Рисунок 3. Зона покрытия помещения информационной составляющей оптического излучения

Параметром, на прямую влияющим на качество и скорость передачи данных VLC технологии, является пропускная способность. Она рассчитывается по следующей формуле:

(4)

где С – пропускная способность канала; B – полоса пропускания канала; SNR – отношение сигнала шума.

Теорема Шеннона — Хартли ограничивает информационную скорость (бит/с) для заданной полосы пропускания и отношения «сигнал/шум». Для увеличения скорости необходимо увеличить уровень полезного сигнала, по отношению к уровню шума.

Если бы существовала бесконечная полоса пропускания, то по ней можно было бы передать без ошибок неограниченное количество данных за единицу времени. Существующие же каналы имеют ограниченные размеры и в них всегда присутствует шум [4].

Подставив в формулу (4) значения из табл. 1, получим:

Одним из способов повышения пропускной способности является использование голубых фильтров для увеличения полосы пропускания. Применив такой фильтр она повышается с 2 МГц до 20 МГц, следовательно, пропускная способность увеличивается в 10 раз.

Не менее важным параметром является и коэффициент битовых ошибок. Значение коэффициента ошибок напрямую зависит от типа используемой модуляции [5]. Формула нахождения коэффициента ошибок будет выглядеть следующим образом:

(5)

Параметр Q будет зависеть от количества значений, которые может принимать сигнал при той или иной модуляции.

IV. Вывод

Метод передачи данных на основе VLC-технологии может составить основу защищенной корпоративной сети в таких организациях как: органы управления, органы государственной службы, федеральная служба безопасности и других организациях с повышенным уровнем безопасности. Внедрение данной технологии в органы управленческой деятельности позволит снизить шанс несанкционированного доступа к передаваемым данным. Ведь для доступа злоумышленника к необходимой информации потребуется непосредственное проникновение в помещение, что значительно усложняет перехват данных со стороны. Анализ эффективности VLC технологии демонстрирует, что в выделенном помещении определенных размеров данная система будет хорошо функционировать, обеспечивая бесперебойную работу оборудования. Также, используя формулы, приведенные в данной работе, можно свести к минимуму количество ошибок, возникающих в процессе функционирования системы и, таким образом, подобрать необходимые параметры для каждого устройства.

Список использованной литературы:

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

2. Шумилин А.С., Пливак С.А. Использование VLC-технологии для защиты передачи информации в корпоративной сети // Международная научно-практическая конференция «Приоритетные направления развития науки, техники и технологий» 2016г. – С. 98-100

3. Thomas DC Little, Modeling and designing of a new indoor free space visible light communication system // MCL Technical Report No. 08-01-2011

4. A. P. S. Louvros and D. Fuschelberger, “VLC technology for indoor lte planning,” in System-Level Design Methodologies for Telecommunication, pp. 21–41, Springer, 2014.

5. M. Biagi, A. Vegni, and T. D. C. Little, “Lat indoor mimo-vlc localize access and transmit,” in Optical Wireless Communications (IWOW), 2012 International Workshop on, pp. 1–3, Oct 2012.

6. S. il Choi, “Analysis of vlc channel based on the shapes of white-light led lighting,” in Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), 2012 Fourth International Conference on, pp. 1–5, July 2012.

7. N. Kumar International Journal of Future Computer and Communication, vol. 2, no. 6, pp. 26–30, 2014.

8. A. Ndjiongue, H. Ferreira, K. Ouahada, and A. Vinckz, “Low-complexity socpbfsk-ook interface between plc and vlc channels for low data rate transmission applications,” in Power Line Communications and its Applications (ISPLC), 2014 18th IEEE International Symposium on, pp. 226–231, IEEE, 2014.

Код для цитирования: Скопировать