Выполнил студент группы 09-ОЗИ2
Жиляков Д.А.

Передача данных в инфракрасном диапазоне

Введение. История вопроса

« Концепция передачи данных на основе использования инфракрасных каналов прорабатывалась в течение многих лет и интерес к ней в настоящее время только расширяется в связи возрастающими потребностями в высокоскоростных беспроводных каналах связи.
Еще в конце 60-х годов в Москве проводились испытания передачи данных на базе Российского оборудования беспроводной инфракрасной связи, которое было установлено между МГУ и Зубовской площадью. Потом проводился ряд экспериментов в начале 70-х годов в различных регионах страны. В целом, испытания были успешными, но на тот момент у специалистов сложилось достаточно прохладное мнение об этой технологии и сводилось оно к тому, что плохие погодные условия делают использование беспроводных инфракрасных каналов неприемлемым и бесперспективным направлением.
Как мы увидим дальше, ограничение на использование данного вида связи обуславливается не только уровнем развития технологии, но и возможностью прогнозирования поведения системы для корректного определения границ применимости технологии. Затем наметился перерыв в развитии интереса к применению технологии для передачи данных. Он остался в основном в области военного применения для различных систем целеуказания, дальномеров и т.д. и т.п.
Вновь к применению ИК систем для беспроводной передачи данных вернулись к концу 80-х годов, когда получили широкое развитее локальные вычислительные сети, и, что особенно важно, получила большое развитие технология передачи данных по оптоволоконным кабелям. Обе технологии чрезвычайно близки и различаются, в основном, адаптацией систем под среду передачи.
IR cистемы передачи трафика локальных сетей или для внутрикорпоративных систем стали появляться на рынке в начале 90-х годов. Одним из самых активных первопроходцев была канадская компания A.T.Schindler, но она была не единственной. Заметную активность проявляли фирмы Jolt и SilCom. Эти системы, с обычным сетевым интерфейсами Ethernet, Token Ring, обеспечивали передачу данных на дистанциях до 500 метров и использовали в передающем устройстве инфракрасные полупроводниковые излучающие диоды.
Системы текоммуникационного применения получили свое развитие лишь к 1998 году, когда уровень развития лазерной технологии позволил освоить в производстве лазерные полупроводниковые диоды мощностью 100мВт и более, с высоким показателем параметра наработки на отказ (MTBF), а именно более 6 лет - тот минимальный уровень, который требуется для надежного функционирования телекоммуникационной коммерческой системы.»(1)

Возможности передачи данных в ИК диапазоне

« В повседневной жизни мы сталкиваемся с ИК-портом каждый день, даже не имея мобильного телефона. Дистанционный пульт управления имеет ИК-передатчик, а в телевизор или видеомагнитофон вмонтирован ИК-приемник. Сейчас ИК-порты устанавливаются в огромное количество устройств: мобильные телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, часы и др. Инфракрасный порт мобильного телефона позволяет передавать и принимать информацию со скоростью от 2400 бит/с до 115 кбит/с. А компьютеры, в том числе и ноутбуки, могут посылать и получать информацию на скоростях до 4 Мб/с.
Через ИК-порт можно, например, передать имена и телефонные номера абонентов на другой совместимый мобильник или на компьютер, на котором также имеется ИК-порт и запущено необходимое программное обеспечение. Для телефонов Nokia используется программа Nokia Data Suite, для Motorola - TrueSync или Smart Cellect, для Siemens - SoftDataLink и др. Все они позволяют передавать SMS, редактировать записную книжку, менять логотипы, мелодии и т. д. И заниматься этим, используя обычную компьютерную клавиатуру, гораздо удобнее, нежели делать это с мобильного телефона. Эти программы обычно продаются вместе с телефонами, либо их можно приобрести отдельно или скачать из интернета.
У ноутбуков и карманных компьютеров ИК-порт часто встроен, большинство настольных PC не имеет инфракрасного порта в стандартной системной конфигурации, и для них необходим ИК-адаптер, который подключается к компьютеру через USB, СОМ-порт или в специальный разъем на материнской плате и служит для связи PC с мобильными телефонами и другими устройствами. Через ИК-порт можно также закачать в мобильник новую мелодию звонка, заставку и даже играть в телефонные игры друг с другом. Существуют принтеры, имеющие ИК-порт, на таких принтерах можно распечатать визитную карточку или всю телефонную книгу, передав информацию с телефона.
Есть и альтернативный способ соединения сотового телефона с компьютером - это специальный кабель, это не так удобно, но тоже здорово помогает при отправке SMS и работе с органайзером и записной книжкой, однако существуют модели, не поддерживающие и кабельное соединение. Что касается условий, необходимых для передачи данных через ИК-порт, то они следующие: ИК-порты передающего и принимающего устройств должны быть обращены друг к другу (в пределах угла в 60 градусов), и между ними не должно быть никаких препятствий. Рекомендуется, чтобы расстояние между устройствами было не более метра, однако прислонять их друг к другу вплотную тоже не стоит.»(2)

Зависимость качества передачи от погоды

«Зависимость качества передачи от погодных условий — вот та цена, которую должны заплатить пользователи инфракрасных беспроводных систем за уход из радиодиапазона. Уменьшение прозрачности атмосферы при изменении погодных условий негативно влияет на доступность инфракрасного канала либо (при заданной доступности) приводит к уменьшению дальности связи.
Влияние атмосферных явлений лимитирует максимальную протяженность канала связи (при фиксированном уровне его доступности), а требование прямой видимости накладывает дополнительные ограничения на высоту установки приемопередающих устройств и их направленность.
Что касается подъема оборудования над земной поверхностью, оптимальным оказывается диапазон высот от уровня крыш самых высоких зданий и сооружений до нижней границы зоны облачности. Важность минимизации апертуры и обеспечения точной направленности излучения передатчика определяется тем, что по мере распространения лазерного луча его границы размываются, а приемники и передатчики монтируются на опорах конечной жесткости.
Из-за того, что погодные условия влияют на надежность передачи, перед началом эксплуатации системы в каждой конкретной местности необходимо проводить ее тестирование. Общее правило заключается в том, что важен не столько тип осадков, сколько время их непрерывного воздействия на канал, поэтому, скажем, туман в большей степени влияет на состояние ИК-канала, чем дождь или снег.
Зависимость от состояния атмосферы приводит к тому, что доступность канала обратно пропорциональна дальности передачи. Так, при дальности 40 км доступность в среднем за год составит всего 40—50%, хотя летом значение этого показателя будет несколько выше. И наоборот, сближение приемника и передатчика на расстояние 500 м обеспечит доступность до 99,9%. Впрочем, на практике беспроводные каналы обычно организуются для соединения узлов, разнесенных на несколько километров. Приведенные цифры следует воспринимать как верхние граничные значения; реальные параметры могут оказаться несколько ниже — в зависимости от особенностей конкретной территории. Скажем, с учетом суммарной продолжительности туманов в Москве (около 24 ч в год) среднегодовая доступность канала составит 98,6%, а в районе Шереметьево, где туманы наблюдаются в два раза чаще, значение этого показателя будет еще ниже.
Приведенные данные о снижении уровня доступности канала при уменьшении коэффициента прозрачности атмосферы позволяют предположить, что приемники и передатчики не обязательно выносить на улицу: они могут быть установлены и внутри помещений. Наличие стеклянной преграды удается учесть на стадии расчета технических характеристик монтируемой системы, и серьезные проблемы возникают
только при наличии светофильтров или специального противосолнечного затемнения.
С точки зрения визуального восприятия приведенные значения соответствуют:
•моросящему дождю (около 2 мм/ч);
•легкому дождю (5 мм/ч);
•дождю средней интенсивности (12,5 мм/ч);
•сильному дождю (около 25 мм/ч);
•ливню (более 40 мм/ч).
Интенсивность тумана при этом определяется по размеру зоны видимости:
•слабый туман (1—2 км);
•туман средней плотности (0,4—1 км);
•плотный туман (200—400 м);
•очень плотный туман (менее 200 м).
Для повышения эффективности оптического канала осуществляется его временное и частотное мультиплексирование. Что касается частотного, то оно наталкивается
на определённые трудности. Главная из них – введение в световод (и выдача из него) излучений многих лазеров. Простейший способ – передача излучений в торец волокна. Но физически трудно разместить большое число передатчиков и приёмников света, проще это сделать, если по краям световода снять его защитную оболочку. Но здесь имеются и свои трудности.
В мультиплексировании ключевой операцией является выделение частотных каналов из спектра группового сигнала, проходящего через световод. Здесь используются два подхода. Первый из них заключается в оптической фильтрации. Его сущность состоит в том, что на приёмном конце световода устанавливается оптический разветвитель света. Последний делит пучок света между всеми имеющимися приёмниками. В каждом приёмнике устанавливается пассивный оптический фильтр, благодаря чему происходит селекция частотного канала. Второй подход основан на электрической фильтрации. Здесь групповой световой сигнал преобразуется в электрический. Последний проходит через электрические фильтры и делится на частотные каналы. Первый подход проще и экономичней. Однако электрическая фильтрация обеспечивает более высокую чувствительность приёма сигнала и исключает потери оптических фильтров.
Для создания инфракрасных каналов прокладываются оптические кабели. Каждый из них содержит до 100 световодов. Длина кабеля (без усилителей) постоянно увеличивается и достигает несколько сотен километров.
Часто инфракрасные усилители создаются на основе оптического волокна с присадкой эрбия, неодима либо празеодима. Атомы этих элементов легирующих примесей в подключённом отрезке световода возбуждаются лазером накачки. В результате происходит стимуляция излучения возбуждённых атомов на длине волны усиливаемого сигнала. Усилители, легированные редкоземельными элементами, могут поддерживать амплитуду светового сигнала в широком диапазоне волн.
Инфракрасный сигнал может быть усилен в сотни и тысячи раз.
Полупроводниковые оптические усилители основаны на электрическом возбуждении и имеют высокое быстродействие. Для устранения отражений от торцов кристалла лазера усилителя используются специальные покрытия с низким коэффициентом отражения. Применяются оптические усилители не только для усиления оптического излучения, но и для создания ретрансляторов, переключателей и приёмников света, оптических модуляторов.»(3)

Что такое IrDA?

«В 1979 году компания Hewlett-Packard объявила о начале продаж нового калькулятора, главной особенностью которого являлось наличие у него инфракрасного порта для вывода информации на печать. После этого в течение нескольких лет разработчиками электронного оборудования была предложена целая серия приборов и устройств, использующих для передачи информации открытый оптический канал в инфракрасном диапазоне. Однако, все эти устройства не могли получить широкого распространения вследствие своей несовместимости. Поэтому в 1993 году была основана Infrared Data Association (IrDA), международная некоммерческая организация, ставящая своей целью разработку единых стандартов, используемых для организации инфракрасных линий передачи информации.
На данный момент существует множество вариантов IrDA:

— IrPHY (Infrared Physical Layer Specification) стандарт самого низкого уровня;

— IrLAP (Infrared Link Access Protocol), в котором появились возможности ДУ, определять потенциал партнерского устройства, устанавливать двунаправленное зависимое соединение, раздавать приоритеты устройствам (первичный, вторичный);

— IrLMP (Infrared Link Management Protocol), поддерживающий нескольких логических каналов данных;

— IrCOMM (Infrared Communications Protocol), позволяющий использовать ИК-соединение в качестве последовательного или параллельного порта (COM);

— Tiny TP (Tiny Transport Protocol) — стандарт, построенный на базе IrLMP, позволяет передавать большие массивы данных и управлять потоком данных, расставляя приоритеты каждому логическому каналу;

— IrOBEX (Infrared Object Exchange) построен на базе Tiny TP (следовательно для его работы необходима поддержка последнего стандарта); обеспечивает возможность обмена произвольными объектами данных: контактами, событиями календаря и даже исполняемыми приложениями;

— IrLAN (Infrared Local Area Network) обеспечивает возможность подключения к локальной сети LAN через ИК-соединение одним из трех способов: как точка доступа, одноранговая связь peer-to-peer, в качестве хоста.
Сейчас ведется работа над новым стандартом, который уже получил название IrFM (Infrared Financial Messaging). Ожидается, что он позволит проводить денежные транзакции между двумя устройствами. Такой механизм также известен под названием «Point & Pay».Примеры схем IrDA-интерфейса.
В общем виде схема организации IrDA - канала выглядит примерно так, как показано на рис. 1.

Канал передачи данных состоит из двух основных элементов: микросхемы, обеспечивающей модуляцию и демодуляцию поступающего двоичного сигнала согласно определенного алгоритма, и инфракрасного (ИК-) приемно-передающего модуля.
В настоящей статье мы рассмотрим SIR-стандарт, обеспечивающий скорость передачи информации 115,2kb/s. В данном стандарте используется так называемая модуляция "3/16". Принцип данного вида модуляции проиллюстрирован на рис.2.

Длительность импульса, подаваемого на приемно-передающий модуль равна 3/16 от длительности номинального бита данных. Кроме того, при SIR-модуляции используется инверсия бита данных. Эти преобразования обеспечиваются первым основным элементом схемы - модулирующей микросхемой. В зависимости от используемого интерфейса (шины данных) применяются различного рода чипы.»(4)

Заключение

Значительный опыт, приобретенный в результате большого количества инсталляций систем передачи информации на основе оптоволоконных каналов с инфракрасными приемопередатчиками, позволил довести эту технологию до совершенства. При этом был обеспечен высокий уровень безопасности данных и достигнута оптимальная стоимость, так как в данном случае отпадала необходимость в использовании дорогих в прокладке арендуемых кабельных каналов связи.
Отметим основные приемущества использования ИК систем :

• Высокая конфиденциальность связи. Передача осуществляется узким лучом при полном отсутствии боковых излучений.
• Отсутствие необходимости в разрешениях на использование радиочастотного спектра.

Отсутствие принципиальных сложностей в ИК технологии с пределом скорости передачи. Если в радиочастотных системах для занятия разумной ширины полосы передачи приходится применять изощренное кодирование (сейчас уже применяется 128-ми уровневое), которое к тому же снижает другие характеристики системы (к примеру, отношение сигнал/шум в приемнике), то все эти сложности не имеют никакого отношения к инфракрасным системам. Скоростные характеристики канала передачи в ИК системах определяются не принципами и технологией передачи, а техническими характеристиками модулирующих усилителей и частотными свойствами фотодиодов! Хотя отношение сигнал/шум в приемнике также падает с увеличением скорости переждачи. Но технология, как известно, развивается весьма бурными темпами. Уже сейчас, когда самой старой коммерческой беспроводной ИК системе вряд ли будет 10 лет, скорости достигли отметки 2.5 Гбит/с, а при мультиплексировании по длине волны, до 10 Гбит/с. И это не предел. Немыслимые скорости для радио доступа!
Недостатки:

• высокая стоимость приемников и передатчиков
• низкая скорость передачи данных
• незащищенность передаваемой информации
• необходимость нахождения приемника и передатчика в прямой видимости

«Инфракрасный канал связи не требует соединительных проводов, потому что использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом - нечувствительность к электромагнитным препятствиям, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много препятствий от силового оборудования. Правда, в этом случае нужно достаточно высокая мощность передачи, чтобы не влияли никакие другие источники теплового (инфракрасного) излучения. Плохо работает инфракрасная связь и в условиях сильной запыленности воздуха.
Скорости передачи информации из инфракрасного канала обычно не превышают 5-10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость больше 100 Мбит/с. Секретность переданной информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также нужные сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит до того, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях достаточно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией.»(5)
«Очевидно, идеальная линия передачи данных должна иметь невысокую стоимость, иметь минимальный расход энергии, обладать высокой пропускной способностью и, что весьма желательно, должна быть беспроводной. Обычно словом wireless (беспроводный - англ.) обозначают связь с использованием радиосигнала. Однако, не стоит забывать, что канал передачи информации можно создать и с помощью оптических устройств, то есть, попросту говоря, с помощью света. Опыт показывает, что среди других беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК-) открытый оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров). В частности, он эффективен для обеспечения беспроводной связи между персональным компьютером и периферийными устройствами .»(5)

Список литературы

1. Micromax.ru URL: http://www.micromax.ru/articles/archive/article.shtml?ir (дата обращения: 11.05.2011)
2. Современный мобильный интернет-магазин Skirda.NET URL: http://skirda.net/info/about-computers/irda.html (дата обращения: 11.05.2011)
3. Tarefer.ru URL: http://works.tarefer.ru/71/100019/index.html#_Toc119955585 (дата обращения: 11.05.2011)
4. HackersRussia.ru URL: http://www.hackersrussia.ru/Cards/Develop/irda.htm (дата обращения: 11.05.2011)
5. Википедия URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Инфракрасный_канал#.D0.9D.D0.B5.D0.B4.D0.BE.D1.81.D1.82.D0.B0.D1.82.D0.BA.D0.B8 (дата обращения: 11.05.2011)
6. Visual studio 2010. Life - prog.ru URL: http://www.life-prog.ru/view_zam2.php?id=40&cat=2&page=6 (дата обращения: 11.05.2011)
7. Power-lights Systems URL: http://www.powerlight.ru/print/info3.asp (дата обращения: 11.05.2011)