Мощность радиосигналов на входе радиоприемника земной станции повышается с увеличением размеров ее антенны, мощности передатчика и размеров антенны активного ретранслятора, В линии связи с пассивным ретранслятором для этой цели увеличивают мощность передатчика и размеры антенны земной станции, размеры отражателя ретранслятора или переходят к ретрансляторам с направленным рассеянием энергии на земную станцию. Перечисленные меры имеют свои пределы, т. к. увеличивают стоимость оборудования линии связи и ее эксплуатации.

Связь между КЛА может осуществляться для обмена информацией между экипажами двух или нескольких КК, одновременно находящихся в космосе. Сюда же относится и связь между экипажами КК и космонавтами, находящимися в свободном космосе. Кроме того, может осуществляться связь между двумя автоматическими КЛА с целью ретрансляции сигналов, измерения положения, навигации, управления движением и сближения.

Особенности связи между КЛА следующие. Как правило, связь обеспечивается между взаимодействующими КЛА, т. е. на сравнительно небольших расстояниях. Из-за трудности взаимной ориентации антенн КЛА предпочтительна ненаправленная связь. Нет воздействия атмосферы, а при высоких орбитах -- и ионосферы, что обеспечивает более свободный выбор диапазона частот. При выборе диапазона частот и организации связи между ИСЗ необходимо учитывать возможность помех от мощных наземных станций.

Системы могут усложниться в дальнейшем при высадке космической экспедиции на Луну или др. небесные тела, так как потребуется поддерживать связь с КК, остающимся на планетоцентрической орбите, и с Землей. В недалеком будущем будут созданы системы передачи телевизионных программ через спец. ИСЗ непосредственно на бытовые телевизионные приемники; при этом открываются возможности полной телефикации и обеспечения передачи центральных программ в любое место. С изобретением квантовых оптических генераторов когерентных колебаний (лазеров) становится перспективной оптическая связь, т. к. на оптических волнах можно передать на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) одновременно тысячи, десятки тысяч сообщений узким лучом (с расхождением не более единиц секунд) при относительно малых размерах излучателей и потребляемой мощности. Но узконаправленное излучение и прием оптических воли требует тщательной стабилизации устройств, ориентации оптических систем на КЛЛ, сложного вхождения в связь и поддержания ее. Наиболее выгодны оптические линии связи между КЛА, находящимися за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптических волн.

Сегодня самый удаленный космический объект, с которым поддерживается радиоконтакт, -- это американская автоматическая межпланетная станция "Вояджер-1", запущенная 5 сентября 1977 года. В августе прошлого года она преодолела рубеж 100 астрономических единиц (15 миллиардов километров) и вплотную подошла к границе Солнечной системы. Радиосигнал с такого расстояния идет около 14 часов. Информация с "Вояджера" на Землю передает жестко скрепленная с корпусом параболическая антенна диаметром 3,65 метра, которая должна быть сориентирована точно на родную планету. Через нее на частотах 2295 МГц и 8418 МГц шлют сигналы два радиопередатчика мощностью по 23 Ватта. Для надежности каждый из них дублирован. Большая часть данных транслируется на Землю со скоростью 160 бит/с -- это всего раза в три-четыре быстрее, чем скорость набора текста профессиональной машинисткой и в 300 раз медленнее телефонного модема. Для приема сигнала на Земле используется 34-метровые антенны сети дальней космической связи КА8А, но в некоторых случаях задействуются самые большие 70-метровые антенны, и тогда скорость удается поднять до 600 и даже 1400 бит/с. По мере удаления станции ее сигнал слабеет, но еще важнее то, что постепенно снижается мощность радиоизотопных генераторов, которые питают передатчики. Ожидается, что станция сможет передавать научные данные еще по крайней мере 10 лет, после чего связь с ней прекратится.

Уже из этого описания видно, что космическая радиосвязь зависит от множества различных факторов: дальности, мощности передатчика, размеров бортовой и наземной антенн, длины волны, качества приемопередающей электроники, помех, шумов, поглощения сигнала в окружающей среде и даже от скорости движения космического аппарата. Принцип действия радиосвязи состоит в том, что колебания тока и антенне передатчика создают в окружающем пространстве электромагнитные волны, которые, двигаясь со скоростью света, достигают антенны приемника и возбуждают в ней переменный электрический ток. Этот наведенный ток очень слаб, но если настроить приемник томно в резонанс с частотой радиоволны, то даже слабое ее воздействие может раскачать в антенне вполне заметные колебания. Затем их усиливают, анализируют и извлекают переданную информацию. Радиоволны различных диапазонов по-разному проходят через земную атмосферу. Для космической связи оптимален диапазон от 1,5 до 30 сантиметров. За пределами этого окна радиосигнал заметно ослабляется в атмосфере или даже может от нее отразиться. На более коротких волнах потери энергии растут за счет поглощения молекулами воды и кислорода в тропосфере, а на более длинных волнах прохождению сигнала все сильнее мешает ионосфера, которая для волн длиннее 10--30 метров становится непреодолимой преградой. Поглощение радиоволн также вызывается дождем и туманом, но, конечно, не в такой мере, как в оптическом диапазоне. Приемник не улавливает радиоволны, если они слабее его порога чувствительности.

Между тем энергия электромагнитных волн падает как квадрат пройденного ими расстояния. Это значит, что сигнал с Марса будет в сотни тысяч раз слабее, чем такой же сигнал, переданный с Луны, а с Плутона -- еще в тысячу раз слабее. У инженеров есть несколько способов удержать радиосигнал выше порога чувствительности приемника. Самый очевидный -- увеличить мощность передатчика. На Земле это легко сделать -- антенны системы дальней космической связи NASA излучают в космос до полмегаватта энергии. А вот на космическом аппарате бюджет энергии жестко ограничен. Не вырабатывают либо солнечные батареи, либо радиоизотопные генераторы. И для получения большей мощности надо увеличивать их массу.

При этом растут также площадь и масса радиаторов, отводящих избыток вырабатываемого тепла. Общая масса аппарата ограничена возможностями ракеты носителя, а увеличить же массу отдельной системы за счёт других чаще всего невозможно. Космические аппараты - это очень гармоничные технические комплексы, где все параметры жестко завязаны друг на друга: нельзя серьезно изменить одну систему, не повлияв на параметры других. Сегодня для спутников существует эмпирическая формула: "1 кг, 1 Вт, 1литр", которая означает, что объём спутника массой в 1 тонну составит около 1кубометра, а его система энергопитания способна достичь мощности 1 киловатт.

Если увеличить размер приемной антенны, то можно собрать больше энергии электромагнитной волны и поймать сигнал более слабого передатчика. В космосе размеры антенн обычно не превышают габаритов обтекателя ракеты-носителя, то есть несколько метров. Хотя в последнее время инженеры научились обходить это ограничение антенны. Все чаще делают разворачиваемыми. На Земле для дальней космической связи используются параболические антенны диаметром до 70 метров. Это уже близко к пределу - современные конструкционные материалы не позволяют создавать на поверхности Земли намного более крупные подвижные антенны, поскольку они деформируются под собственной тяжестью.

2.6 Применение лазеров в космических системах связи

С совершенствованием квантовых оптических генераторов (лазеров) становится перспективной оптическая связь, т. к. на оптических волнах можно передать сообщения на сверхдальние расстояния (до десятков световых лет) благодаря очень высокой направленности луча (расхождение луча не более долей сек) при относительно малых размерах излучателей и прием потребляемой мощности. Но узконаправленное излучение и приём оптических волн требуют тщательной стабилизации устройств, ориентации оптических систем, сложного вхождения в связь и поддержания её. Наиболее выгодны оптические линии связи, находящиеся за пределами земной атмосферы, т. к. атмосфера сильно поглощает и рассеивает энергию оптических волн. Применение для связи с космическим аппаратом лазеров обеспечит высокую направленность излучения при приемлемых габаритах оптических устройств (антенн). Кроме того, использование лазера позволит применить когерентный прием оптических сигналов.

С точки зрения уменьшения веса оптических систем целесообразного дифракцией раскрывание антенны равно:

(1)

где л - длина волны;

- угловая ширина луча лазера.



Рис.4. Скорость передачи информации переносимой электромагнитной волной [7].

Однако наибольшая скорость передачи информации электромагнитной волной при некоторой полосе пропускания системы после детектора, при наличии некоррелированного (белого) аддитивного шума и при неограниченной средней мощности принимаемого сигнала очень быстро уменьшается , если несущая частота v начинает превышать величину , где - постоянная Планка (рис.4)[7]. Поэтому частоту линии связи v= с/h, где с - скорость света, нельзя выбирать бесконечно большой без ухудшения характеристик системы.

Упомянутые выше средняя мощность принимаемого сигнала и аддитивный шум рассматриваются на входе детектора. Чтобы получить на входе детектора сигнал мощностью необходима средняя выходная мощность передатчика, равная

(2)

Где, -коэффициент пропускания оптической системы приемника;

-коэффициент пропускания оптической системы передатчика;

- коэффициент пропускания атмосферы;

- угловая ширина луча оптической передающей антенны; К - дальность передачи;

R - дальность передачи;

- диаметр раскрывания приемной антенны.

Рис.5. Зависимость коэффициента пропускания стандартной атмосферы от длины волны излучения [7].

Коэффициенты пропускания оптических систем приемника и передатчика можно считать постоянными; зависимость коэффициента пропускания для стандартной атмосферы от длины волны излучения известна и для удобства снова представлена на рис. 5[7].

Средняя мощность принимаемого сигнала для данной постоянной скорости передачи информации I зависит от несущей частоты. Выбор частоты будет основываться на предположении, что схема модуляции может быть выбрана таким образом, чтобы использовалась некоторая определенная часть а информационной емкости канала (например, а=0,1). Зависимость способности различных приемников оптического диапазона извлекать информацию из снимаемого сигнала от длины волны при средней мощности принимаемого сигнала Вт, полосе пропускания приемника 109Гц и абсолютной температуре 290°К. Информационная емкость канала равна произведению способности детектора извлекать информацию у(Х) из информационной емкости электромагнитной волны. С ростом длины волны, характеристики системы связи улучшаются, однако при этом увеличивается вес и возрастает сложность аппаратуры.

Для линий связи "земля-космос" необходим тщательный учет коэффициента пропускания атмосферы. Малая величина этого коэффициента определяет большое значение необходимой мощности излучения передатчика.

Однако увеличение мощности принимаемого сигнала с возрастанием частоты происходит значительно быстрее, чем уменьшение информационной емкости электромагнитной волны, связанное с ростом способности детектора извлекать информацию у (А).

Расчеты показывают, что квантовая эффективность идеального детектора равна единице (з = 1). Квантовая эффективность реальных детекторов, имеющих максимальную чувствительность на длинах волн больше 1 мк, близка к единице, но их недостатком является ограниченная полоса пропускания. Детекторы с приемлемой шириной полосы пропускания имеют более низкую квантовую эффективность, чем указывалось выше.

Более детальный анализ системы связи должен включать учет этого функционального соотношения, т. е. при выборе рабочей частоты необходимо учитывать и взаимозависимость полосы пропускания и квантовой эффективности. Наконец, при выборе частоты следует учитывать выходную мощность лазера. Последняя величина с учетом коэффициента полезного действия при оценке системы связи может быть переведена в эквивалентный вес источников питания и системы охлаждения.

Таким образом, при выборе рабочей частоты системы связи "земля -космос" необходимо учитывать следующие обстоятельства:

* При использовании когерентного режима необходимо работать на более длинных волнах. Для линий связи "земля - космос" этот вывод, однако, является не вполне обоснованным, поскольку турбулентность атмосферы нарушает стабильность фазового фронта.

* Существующие лазеры работают в основном на волнах короче 10 мк.

* Ограниченность полосы пропускания детекторов на более длинных волнах приводит к необходимости работать на частотах, близких к максимуму характеристики спектральной чувствительности фотоумножителя.

* С целью уменьшения размеров и веса антенны целесообразно работать на более высоких частотах, однако нецелесообразно увеличивать несущую частоту беспредельно, поскольку при очень узких лучах затрудняется их наведение на приемник и точное слежение за движущимся объектом. Кроме того, за счет флуктуации в атмосфере луч искривляется, что при очень малой ширине луча не позволит осуществить устойчивую связь.

* Свойства атмосферы благоприятствуют применению некогерентного излучения, поскольку при этом можно использовать антенны большего размера. Применение гетеродинного режима позволяет сузить полосу пропускания по промежуточной частоте, что важно с точки зрения фильтрации фона в дневное время и для режима работы, в котором ограничивающим фактором является фоновое излучение Марса.

Суммируя вышеизложенное, можно сказать, что с теоретической точки зрения предпочтительнее работать в нижней части оптического спектра частот с применением в приемном устройстве гетеродинного метода детектирования. Для эффективного использования потенциальных возможностей когерентных лазерных систем необходимо дальнейшее развитие как лазерной техники, так и техники детектирования оптических сигналов, применяемой в сочетании с когерентными устройствами. В области максимума квантовой эффективности фотокатода характеристики детектора практически постоянны, так что необходимо использовать лазер с рабочей частотой, по возможности наиболее близкой к указанной области. Следует отметить, что при установке приемного устройства на искусственном спутнике более выгодным может оказаться когерентное излучение в инфракрасном диапазоне.

2.7 Влияние атмосферы

Для успешного применения АЛС и передачи информации лазерным лучом необходимо учитывать зависимость пропускания оптического излучения от состояния воздушной среды. Поэтому были проведены комплексные исследования распространения лазерного излучения в атмосфере. Изложим лишь общие сведения, имеющие прямое отношение к эксплуатации линий АЛС, которые помогут пользователям оценить возможности этих линий в конкретных погодных условиях. Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. При этом ни одно из этих явлений не проявляется в отдельности. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы: поглощение и рассеяние молекулами газов воздуха, ослабление на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман) и флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы. Кратко остановимся на каждом из этих явлений. Поглощение светового потока видимого и инфракрасного диапазонов определяется, прежде всего, молекулярным поглощением, крайне неравномерным по частоте. Оно максимально на резонансных частотах молекул воздуха, воды, углекислого газа, озона и других компонент атмосферы. На рисунке 1 приведен спектр поглощения солнечного излучения с малым спектральным разрешением. Каждая из изображенных здесь полос, как правило, является результатом наложения и перекрытия нескольких полос как одного и того же газа, так и различных газов. В других атмосферных условиях и других регионах подобные графики будут различаться из-за различного содержания водяных паров и других компонент воздуха. Имеются участки спектра, где поглощение незначительно. Они называются окнами прозрачности. Однако при большем разрешении и в окнах прозрачности существуют целые совокупности различных полос поглощения[1].

Рис. 6. Зависимость поглощения Т в атмосфере от длины волны солнечного излучения [1].

Вертикальные черточки - положения центров основных полос атмосферных газов. На рисунке 7 [1] в качестве примера приведен спектр атмосферы вблизи длины волны излучения рубинового лазера 0,69 мкм. Имеются количественные измерения коэффициента поглощения практически для любых участков спектра. Если длина волны лазера известна, то поглощение его излучения может быть заранее определено для любых реальных условий в атмосфере [1].

Рис. 7. Спектр поглощения атмосферы вблизи равен 0,69 мкм [1]

Если лазерное излучение попадает в центр сильной линии спектра, то оно поглощается атмосферой на 100% даже на небольшом расстоянии. Поэтому для АЛС следует брать лазеры с излучением, находящимся на участках спектра атмосферы, занятых широкими окнами прозрачности или в промежутках между слабыми линиями поглощения, в микроокнах прозрачности. При этом частота излучения должна быть стабилизирована с достаточно высокой точностью, особенно если она находится на близком расстоянии от линии поглощения газов. Помимо молекулярного поглощения распространению луча мешает молекулярное рассеяние лучистой энергии микросгустками молекул воздуха, обладающих различной плотностью и разными показателями преломления. Эти неоднородности в газовой среде весьма нестабильны и зависят от местных температурных условий, времени года и суток, а также от содержания примесей в каждой конкретной микрозоне атмосферы. Молекулярное рассеяние достаточно хорошо изучено. Составлены обширные таблицы коэффициентов рассеяния в видимой и инфракрасной областях спектра, обеспечивающие достаточно точный количественный расчет потерь энергии излучения на заданном расстоянии. Этот тип рассеяния не оказывает существенного вреда АЛС в отличие от аэрозольного рассеяния, которое будет рассмотрено ниже. Атмосфера представляет собой механическую смесь из газов, паров, капель жидкости и твердых частиц. В ней всегда в переменном количестве присутствуют пыль, дым, кристаллики льда. Поэтому атмосфера является аэрозолем, состав которого непрерывно изменяется из-за перемешивания. Говоря об аэрозольном рассеянии в общем, имеют в виду аэрозольное ослабление, обусловленное не только рассеянием, но и поглощением излучения частицами аэрозоля. Все типы атмосферных аэрозолей можно объединить в следующие основные классы: облака, туманы, дымки, морозь и осадки - дождь или снег. В облаках и туманах наиболее вероятное значение радиуса частиц составляет 5-6 мкм, а в дымках на 1-2 порядка меньше. Поэтому ослабление микронного излучения в дымках ниже.

На рисунке 8 приведены кривые ослабления лазерного сигнала в различных аэрозолях по данным Информационно-технологического центра Новосибирска [1].

Рис. 8. Зависимость ослабления света в аэрозолях от расстояния при различных метеофакторах [1].

1 - снег средней плотности (МДВ = 1 км), 2 - сильный дождь (40 мм/час), 3 - снег небольшой плотности (МДВ = 1,5 км), 5 - дымка (МДВ = 2 км), 6 - граничный уровень, 60 дБ

На рис. 8 видно, что главными ограничителями дальности АЛС являются густой снег и густой туман, для которых аэрозольное ослабление максимально. На распространение лазерного луча сильное влияние оказывает также турбулентность атмосферы, то есть случайные пространственно-временные изменения показателя преломления, вызванные перемещением воздуха, флуктуациями его температуры и плотности. Поэтому световые волны, распространяющиеся в атмосфере, испытывают не только поглощение, но и флуктуации передаваемой мощности. Турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка и перераспределению энергии в его поперечном сечении. В плоскости приемной антенны это проявляется в хаотическом чередовании темных и ярких пятен с частотой от долей герца до нескольких килогерц. При этом иногда возникают замирания сигнала (термин заимствован из радиосвязи) и связь становится неустойчивой. Замирание наиболее сильно проявляется в ясную солнечную погоду, особенно в летние жаркие месяцы, в часы восхода и захода солнца, при сильном ветре. Например, на рис. 9 показаны две крайние зависимости вероятности ошибок BER для системы АЛС Информационно-технологического центра (Новосибирск) от дальности связи при ясной погоде - одна в условиях сильной турбулентности атмосферы, другая в слабой. Обычные значения BER лежат между этими кривыми [1].

Рис. 9. Зависимость вероятности ошибок BER от расстояния при слабых замираниях в атмосфере [1]

На рис.9 [1] (кривая 1) и сильных замираниях (кривая 2) для АЛС ЛАЛ2+. Дождь, туман, снег, дымка отсутствуют.

Самым простым способом борьбы с замираниями является увеличение размера приемной оптической антенны или использование нескольких приемных антенн (до 8). При этом происходит усреднение флуктуаций излучения, принимаемого отдельными элементами, и выравнивание сигнала. При практическом использовании лазеров в системах атмосферной связи необходимо учитывать совокупное влияние взаимодействия излучения с атмосферой - одновременно поглощающей, рассеивающей и случайно неоднородной средой. Это влияние может изменяться в чрезвычайно широком диапазоне. Поэтому для обеспечения работоспособности АЛС на заданной дистанции с определенным уровнем надежности (или доступности канала) необходимо иметь достаточный динамический запас энергетического потенциала.

Распространение лазерного излучения в открытых ненаправленных каналах сопровождается более сложными эффектами. Средой распространения здесь может быть свободное космическое пространство (космические каналы), атмосфера (атмосферные каналы), водная среда (подводные каналы). Открытые оптические каналы связи используются при построении систем лазерной локации и навигации, лазерных систем дистанционного зондирования, систем лазерного наведения, прицеливания и целеуказания, систем мобильной лазерной связи.

Для оптического диапазона атмосферные каналы передачи представляют собой каналы распространения со случайно-неоднородными средами. Условия распространения лазерного излучения в таких каналах оказывают существенное влияние на дальность действия систем, эффективность передачи, приема и обработки информации.

Исследование открытых оптических каналов наиболее просто выполняется для лазерных систем, работающих в условиях свободного космического пространства. Энергетические потери в таких системах в основном связаны с расходимостью лазерного пучка и естественными потерями при распространении оптического излучения на расстояние .

При распространении лазерного излучения в условиях турбулентной атмосферы, помимо энергетических потерь, происходит случайное перераспределение энергии и проявляются дополнительные эффекты амплитудных и фазовых флюктуаций. Такие флюктуации порождаются случайными пространственно-временными изменениями показателя преломления среды вдоль всего пути распространения лазерного пучка.

Наиболее сложное и многофакторное воздействие атмосферы на распространение лазерных излучений наблюдается в открытых каналах при появлении в атмосфере частиц аэрозоля (облака, туманы, дымки, различные осадки, пыль, загрязнения). Среда распространения становится при этом рассеивающей и анализ оптических каналов существенно усложняется. Типичные примеры лазерных информационных систем, использующих открытые каналы с рассеянием, показаны на рис.10.

Рис.10. Примеры открытых каналов передачи информации с рассеянием.

При распространении лазерного пучка в атмосфере с рассеянием на характеристики оптического поля влияют эффекты расходимости пучка, эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, эффекты фазовых флюктуаций и амплитудных замираний, эффекты молекулярного и аэрозольного рассеяния. В лазерных информационных системах при решении задач передачи, приема и обработки информации особую роль играет явление аэрозольного рассеяния. Именно этим явлением в значительной степени ограничиваются предельные возможности открытых оптических каналов и именно эффектами аэрозольного рассеяния в наибольшей степени определяется влияние атмосферы на энергетические потери в лазерных информационных системах.

2.8 Основные результаты

В данной главе были рассмотрены принципы построения лазерных космических сетей связи, а так же сильное влияние атмосферы на излучение. Проеденное исследование показывает, что при тумане, дымке и осадкам - дожде и снеге происходит аэрозольное ослабление лазерного излучения. Так же турбулентность атмосферы приводит к искажениям волнового фронта и, следовательно, к колебаниям и уширению лазерного пучка.



ГЛАВА 3. FSO-СИСТЕМЫ

В третьей главе будут рассмотрены структура вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи, система передачи информации и анализ возникающих проблем при использовании таких систем.

3.1 Структура локальной вычислительной сети с применением атмосферных оптических линий связи

Общая структура сети с применением FSO основывается на функциях FSO-устройств. Она включает такие элементы:

а) две подсети, которые необходимо соединить в единую сеть беспроводным двунаправленным каналом передачи данных;

б) внешний интерфейс, соединяющий систему беспроводной передачи данных с соответствующе подсетью;

в) интерфейсный модуль (ИМ), согласовывающий интерфейс соединяемых сетей с внутренним интерфейсом передачи данных системы. В ИМ может находиться шифратор-дешифратор в случае применения криптографической защиты;

г) приемо-передающего модуля FSO системы.



Рисунок 11. Структура сети с применением FSO

Рисунок 12. Структура сети с использованием технологии резервирования

Общая структура сети с применением FSO приведена на рисунке 12.

Система с использование резервирующего канала является экономически невыгодной для применения на массовом рынке конечных клиентов, так как модуль обработки информации не только усложняется за счет появления канального мультиплексора, но и исключает возможные упрощения в модуле за счет оптимизации его структуры, например, упразднением функции преобразования внешнего сетевого интерфейса во внутренний интерфейс передачи данных, невозможного с появлением второго внешнего интерфейса (радио-интерфейса), что видно на рисунке 18

Применение FSO систем несколько специфично, так как необходима прямая видимость между двумя приемо-передающими установками. И потому часто требуется "выносить" приемо-передатчики на противоположную внешнюю стену здания, или же на его крышу. Что позволяет часть оборудования в случае надобности располагать внутри в доступном или же наоборот защищенном от внешних воздействий месте, например, интерфейсный модуль (модуль обработки информации). Что в свою очередь повышает надежность функционирования, стойкость к физическому повреждению дорогостоящего оборудования, попыткам взломать шифрующий модуль и тем или иным способом получить доступ к передающейся информации.

FSO системы обладают повышенной секретностью передачи данных, так как канал передачи визуально просматривается, луч передатчика относительно легко сфокусировать исключительно на приемнике. При попытке физического перехвата возникающие сбои в передаче, позволят автоматически зафиксировать данный факт средствами видеонаблюдения с целью анализа и устранения возможности повторных попыток взлома. Широкий канал позволяет производить помехозащищенное кодирование с большим коэффициентом избыточности. Низкая охваченность рынка дешевых систем конечных клиентов позволяет поставить целью исследовать возможные варианты разработки и внедрения системы АОЛС, способной максимально удовлетворить потребность данного сектора рынка.

Требования к данной системе весьма широки, многие отталкиваются от низкой цены конечного изделия. Их можно приблизительно формализовать таким образом:

а) низкая стоимость порядка пятисот долларов;

б) отсутствие сложной системы позиционирования;

в) моноблочность конструкции;

г) наличие моделей без использования алгоритмов шифрования, а так же удешевленных моделей и без криптозащиты и без использования помехозащищенного кодирования;

д) аппаратная реализация обработки передающихся данных (помехозащищенного кодирования и шифрования);

е) нацеленность каждой модели аппаратуры только на одни из широко распространенных сетевых интерфейсов (например Fast Ethernet).

Предлагаемая к разработке система при условии соблюдения большинства выдвинутых требований имеет существенные преимущества, дающие возможность максимально охватить массовый рынок:

а) простота установки,

б) легкость обслуживания и использования;

в) дешевизна, и единоразовый характер затрат на инсталляцию канала;

г) прозрачность для программных средств, обеспечивающаяся аппаратной реализацией шифрования и кодирования;

д) платформенная независимость.

3.2 Структура системы передачи данных с открытым атмосферным каналом

Терминальное устройство может быть единым физическим устройством, так и представлять из себя отдельные модули, соединяющиеся интерфейсами передачи данных. При этом необходимость инсталляции двух и более частей одной системы усложняют и удорожают ее установку, затрудняют первичную настройку. Общая схема FSO терминального устройства, допускающую наличие резервного канала, представлена на рисунке 19.



Рисунок 13. Общая схема FSO терминального устройства.

Структурно терминальное устройство может быть поделено на следующие модули, часть из которых может выноситься в отдельный физический модуль, так и физически совмещаться с другими структурными модулями, например, в пределах одной микросхемы:

а) интерфейсный модуль преобразует модулированный сигнал сетевого интерфейса в цифровой сигнал внутреннего интерфейса;

б) устройство управления, доступное для конфигурирования и контроля через сетевой интерфейс, и опционально - для контроля по внешним датчикам устройства;

в) модуль обработки производит все необходимые преобразования цифровых данных как перед модулированием и посылкой их в эфир, так и после демодулирования и посылкой в сетевой интерфейс;

г) модулятор и демодулятор;

д) приемник и передатчик;

е) возможно резервное устройство связи стороннего разработчика, тогда модуль обработки должен обеспечивать совместимость с ним, и переключать поток данных на него по сигналу управляющего модуля.

Данная структура является достаточно универсальной, что позволяет ее детализировать относительно предлагаемого к разработке FSO устройства для анализа вариантов решения тех или иных задач и разрешения проблем при передаче данных.

Функционально терминальное устройство состоит из модуля подключения к внешнему сетевому интерфейсу, опционального модуля подключения к резервному сетевому интерфейсу (радио-каналу), внешнего опционального модуля контроля состояния, модуля оптического приемо-передатчика, и модуля, координирующего работу четырех вышеперечисленных модулей и осуществляющего обработку информации при обмене данными между данными модулями.

3.3 Анализ возникающих проблем при использовании систем с открытым атмосферным каналом передачи данных для удаленного доступа

Устройства передачи данных могут быть охарактеризованы качественно и количественно по следующим критериям:

а) надежность передачи данных;

б) сокрытие данных от несанкционированного доступа к ним;

в) стойкость к внешним воздействиям (параметрам окружающей среды, физическому воздействию, попыткам прервать или перехватить передачу);

г) предсказуемость поведения в случае невозможности обеспечить на надлежащем уровне одно из вышеперечисленных требований.

Для обеспечения высокой надежности канала и стойкости к неблагоприятным условиям окружающей среды в современных системах применяется резервный канал (например, радиоканал), но его использование существенно увеличивает цену, и часто в такой избыточной надежности нет необходимости. В данном случае при разработке простой и массовой системы, можно отказаться от такого способа повышения надежности в пользу уменьшения цены системы.



Рисунок 14. Пример детализированной структуры терминального устройства

С другой стороны, для обеспечения большей надежности передачи FSO терминальное устройство может осуществлять помехоустойчивое кодирование с большим коэффициентом избыточности, что позволяет высокая предельная скорость передачи данных и, следовательно, большой запас пропускной способности. Данная функция приветствуется, хотя тоже необязательна, поскольку вполне можно полагаться на программные протоколы связи, однако это исключает аппаратное детектирование множественных ошибок связи, при этом кодер и декодер вырождаются в формирователь и усилитель импульсов.

При отсутствии жестких требований к защите отказ от использования криптозащиты данных сильно удешевит систему, при отсутствии высоких скоростей передачи возможно использование программное шифрование на уровне приложений.

Процессы криптографического преобразования и помехоустойчивого кодирования должны идти параллельно, поэтому возможна реализация соответствующих модулей в виде двух независимых устройств, или же наоборот, совмещение в одном.

FSO системы очень востребованы для оперативной организации удаленного доступа, решения задач "последней мили" в местах, где прокладка кабеля затруднительна, или дорога. К этим устройствам представляются гораздо менее жесткие требования касательно надежности связи, излишняя функциональность нежелательна по причине более низкой платежеспособности заказчика такого оборудования. Сложность продвижения в данной нише рынка обязывает производить максимально конкурентоспособный товар, легкий в установке, настройке и эксплуатации, не обремененный излишними, удорожающими продукт, функциями, совместимый с самым распространенным сетевым интерфейсом.

Если на корпоративном рынке и рынке операторов связи сам покупатель может инициировать создание и финансировать разработку нужного ему оборудования беспроводной передачи данных. То на рынке решений удаленного доступа наблюдается совершенно иная картина. Продукт должен обладать доступной ценой и иметь функциональность, способную удовлетворить основную массу покупателей. При этом FSO-система имеет шансы быть внедренной только тогда, когда она будет применяться не только в тех случаях, когда другие проводные или беспроводные системы неприменимы или малоэффективны, но и существенно облегчать задачу прокладки сети в случаях, когда у заказчика остается альтернатива использования классической прокладки кабеля.

При проектировании таких систем этапы предварительной оценки и исследования должны быть весьма разноплановыми, чтобы найти все приемлемые пути решения данной задачи, и выделить среди них наиболее эффективные.

Известно, что любые дополнительные соединения с другими сегментами порождают новые проблемы, в том числе и относящиеся к безопасности системы в целом. И даже если внутри двух соединяемых подсетей, используются методы ограничения физического и компьютерного доступа к каналам информации, все усилия могут быть напрасными, если не делать этого на беспроводном участке сети, служащим "мостом" между подсетями.

В целом средства обеспечения защиты информации в зависимости от способа реализации можно разделить на группы:

а) технические стредства;

б) программные средства;

в) организационные средства.

К организационным средствам можно отнести рекомендации по расположению оптических каналов передачи данных. Технические и программные средства должны обеспечить невозможность воспользоваться данными, даже если произошел физических перехват, или подмена данных в канале. Шифрование данных представляет собой совокупность программно-аппаратных средств защиты информации и имеет особое значение на практике как единственная надежная защита информации.

Существует большое количество симметричных и ассиметричных шифрующих алгоритмов. Их выбор зависит от требуемой стойкости алгоритма и доступной аппаратной базы, ориентация на последний фактор может значительно повысить максимальную скорость шифрования.

При реализации криптографического модуля на базе микропроцессора или микроконтроллера целесообразно применение программных шифров., т.е. таких систем шифрования, которые использую операции над компьютерными словами и учитывают специфику обработки данных в процессорной системе криптомодуля.

Существуют такие разновидности шифров, как блочные, поточные и комбинированные. Аддитивные поточные шифры являются малопригодными для данной решаемой задачи, так как такая криптосистема может быть использована только при дополнении ее специальной подсистемой генерации уникальных ключей шифрования для каждого отдельного блока данных по причине недопустимости повторного использования одинаковых участков ключевого потока.

В данной системе с целью оптимизации затрат на аппаратуру, и получение более высоких скоростей шифрования целесообразно использование так называемы скоростных шифров.

Наиболее подходящими для применения в компьютерных системах являются блочные шифры. На процесс синтеза алгоритмов блочного шифрования существенное влияние оказывают параметры скорости работы алгоритма и сложности реализации алгоритма. Решение проблемы выбора алгоритма должно стать результатом долгих и кропотливых исследований как стойкости, так и сложности реализации различных криптографических систем.



ГЛАВА 4. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОАНИЕ ИССЛЕДУЕМОЙ СИСТЕМЫ

По своему содержанию данная глава отражает общие результаты исследований лазерного излучения.

Нормальное распределение, также называемое распределением Гаусса - распределение вероятностей, которое в одномерном случае задается функцией плотности распределения:

(3)

где параметр м - математическое ожидание, медиана и мода распределения, а параметр у - стандартное отклонение(у? - дисперсия) распределения.

Формула функции экспоненциального распределения :

(4)

Возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание м =0, объем выборки равен 100000, а стандартное отклонение у=2.



Рис.15. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание м =0, объем выборки равен 100000, а стандартное отклонение у=0.5.

Рис.16. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)

Построим гистограмму экспоненциальное распределение для функции и определим параметр л.



Рис.17. Гистограмма экспоненциального распределения

Проведем ещё одно моделирование. Возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание м =1, объем выборки равен 10000, а стандартное отклонение у=2.

Рис.18. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание м =0, объем выборки равен 10000, а стандартное отклонение у=0.5.



Рис.19. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)

Рис.20. Гистограмма экспоненциального распределения

Так же возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание м =1, объем выборки равен 1000, а стандартное отклонение у=2.

Рис.21. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)



Так же возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание м =0, объем выборки равен 1000, а стандартное отклонение у=0.5.

Рис.22. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)

Рис.23. Гистограмма экспоненциального распределения

Возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Так, математическое ожидание м =1, объем выборки равен 500, а стандартное отклонение у=2.



Рис.24. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)

Так же возьмем случайные значения с интервалом (-5;5) и построим гистограмму. Возьмем математическое ожидание м =0, объем выборки равен 500, а стандартное отклонение у=0.5.

Рис.25. Гистограмма случайных значений на интервале (-5;5)



Рис.26. Гистограмма экспоненциального распределения

4.1 Основные результаты

При исследовании были построены модели экспоненциального распределения. Так же построены разные гистограммы при разных объемах выборки. Из этих результатов видно, что объем выборки существенно влияет на сглаживание гистограммы. Так при маленьком объеме выборки гистограммы становятся изрезанными, и это говорит о том, что точность оценивания снижается при малых объемах выборки.



ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Резюме

Целью дипломной работы является построение обобщенной модели для лазерных информационных систем. Данное исследование должно помочь в описании информационных процессов в лазерной связи.

Выполненные в дипломной работе исследования дают основу для оценки потенциальных возможностей и оптимизации существующих алгоритмов радиооптической обработки информации, для синтеза новых алгоритмов и разработки перспективных структур лазерных информационных систем. Полученные в работе результаты позволяют:

· выполнять анализ работы лазерных информационных;

· оценивать состояние канала передачи информации, повышать эффективность и помехоустойчивость лазерных систем;

· разрабатывать более полные и удобные для практического применения вероятностные модели информационных процессов и систем.

В целом, выполненные в дипломной работе исследования формируют основу для рассмотрения многих разрозненных задач информационной радиооптики с единых позиций - с позиций системного анализа и общей статистической теории обработки информационных процессов.

В ходе разработки бизнес-плана были проведены необходимые маркетинговые исследования, такие как определение сегментов рынка, стратегия продвижения результатов исследования.

Также был разработан план исследования и определена его себестоимость. Поскольку целевой аудиторией являются исследовательские институты, программный продукт является свободно распространяемым и, следовательно, план маркетинга составлять не требуется.



5.2 Анализ положения дел в отрасли

В последнее время все большую популярность приобретает применение лазерных каналов при создании охранных периметров и в системах обеспечения безопасности благодаря скрытности канала и возможности передачи качественной видеоинформации от камер наблюдения в режиме реального времени.

Основными применениями технологии в настоящее время остаются: доступ на последней миле, преодоление преград, а также связь локальных сетей. Лазерная связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн инфракрасного диапазона спектра.

5.3 Суть разрабатываемого проекта

Суть данной работы заключается в описании областей применения, описании качественных характеристик и свойств системы лазерной связи. Моделей таких связей существует множество, следовательно, является необходимым описать качественные характеристики данных процессов.

5.3.1 Назначение

Полученные в работе результаты позволяют:

· выполнять анализ работы лазерных информационных систем в условиях реальной помеховой обстановки;

· оценивать состояние канала передачи информации, повышать эффективность и помехоустойчивость лазерных систем;

· разрабатывать более полные и удобные для практического применения вероятностные модели информационных процессов и систем.



5.3.2 Форма реализации

Исследование будет происходить на ПК под ОС Windows 7.

5.4 Производственный план

Перечень технологических процессов:

Анализ технического задания

Изучение документации по данному заданию

Проведение экспериментов

Обработка результатов экспериментов

Трудоемкость выполнения работы носит вероятностный характер, так как зависит от множества трудно учитываемых факторов. Поэтому применяются методы минимально возможной трудоемкости работ A_i, максимально возможной трудоемкости работ В_i и наиболее вероятной трудоемкости отдельных видов работ М_i. По этим величинам оцениваются ожидаемые значения трудоемкости и их дисперсия.

MO_i = (А_i + 4M_i + B_i) / 6 (5)

где МО_i - ожидаемое значение трудоемкости (дни),

А_i - минимально возможная трудоемкость (дни),

B_i - максимально возможная трудоемкость (дни),

M_i - наиболее вероятная трудоемкость (дни).

D_i = (B_i - A_i) / 6,(6)

где D_i - дисперсия.

Дисперсия характеризует степень неопределенности выполнения работы за ожидаемое время.

Итоговая оценка трудоемкости разработки программного обеспечения и стандартное отклонение от этой оценки составляют:

,(7)

,(8)

Разработка программного обеспечения производится частями, составляется план работ на определенный период, происходит анализ, разработка, тестирование и отладка, обновление и выпуск релиза.

Среднее время разработки отдельной части около 5 месяцев.

Упорядоченная последовательность действий и оценка их длительности, дн.

Таблица 1 - План работ, оценка их длительности

Действия	Ai	Mi	Bi	MOi	Di
1.Анализ технического задания	5	8	10	7,8	0,8
2.Библиографический анализ	15	18	20	17,8	0,8
3.Экономический анализ	2	4	6	4	0,7
4.Моделирование процессов	18	22	27	21	1,5
5.Лабораторные эксперименты	25	30	35	30	1,7
6. Исследование результатов моделирование	20	17	32	20	2
7. Исследование алгоритмов	17	20	23	20	0,5
8. Документирование	20	23	25	22,8	0,8
Итого:	122	142	153	140,5	5,2

Ниже представлена диаграмма Ганта. Начало первого действия может быть "привязано" к календарной дате. На диаграмме выделены действия, выполняемые с использованием ЭВМ, что позволяет определить общие затраты машинных ресурсов.



Диаграмма Ганта разработки программного комплекса распознавания речи; затрат труда программиста t_p= 140 чел./дн.; затрат машинного времени t_м = 112 дн.

5.5 Организационный план

В исследовании системы лазерной связи принимает участие 1 человек. Зарплата сотрудника составляет 45 000 руб.

5.6 Финансовый план

Возможности организации исследований на основе ВТК в настоящее время еще не реализованы до конца и позволяют, повысить их эффективность. Основное внимание следует сосредоточить на вопросах финансирования, инновационного использования результатов исследований, а также кадрового обеспечения науки. В этой связи определенный интерес представляет информация о состоянии исследований в развитых зарубежных странах, демонстрирующих высокую эффективность научных исследований в самых различных областях деятельности.

Таблица 2 - Фазы и этапы планирования на предприятии

Этап	Исполнители	Деятельность бюджетного комитета
Фаза планирования
1. Постановка целей на бюджетный период	Администрация предприятия	Выбирает регламент своей работы на следующий бюджетный цикл
2. Сбор информации для разработки проекта бюджета	Маркетинговые, технологические и экономические службы предприятия	Утверждают форматы бюджетной документации, порядок её представления и критерии оценки выполнения бюджетов
3. Анализ и обобщение собранной информации, формирование проекта бюджета	Менеджеры предприятия, ответственные за функциональные бюджеты	Обеспечивают координацию работы бюджетных центров
4. Оценка проекта бюджета и при необходимости его корректировка	Бюджетный комитет предприятия	Рассматривает проект бюджета
5. Утверждение бюджета	Руководитель предприятия	Доводит информацию до лиц, ответственных за выполнение бюджета
Фаза выполнения
6. Исполнение бюджета и текущая корректировка его показателей	Руководители центров ответственности предприятия	Рассматривают текущие отчеты об исполнении бюджета
7. Текущий и итоговый анализ отклонений	Руководители центров ответственности предприятия	Вырабатывают меры по корректировке ситуации
Фаза завершения
8. Представление отчета о выполнении бюджета и анализ достижения мелей предприятия за отчетный период	Высшее руководство и бюджетный комитет предприятия	Готовит отчет о выполнении бюджета
9. Выработка рекомендаций для корректировки бюджета текущего периода и создания будущих бюджетов	Бюджетный комитет предприятия	Утверждает изменения к текущему бюджету и бюджет будущего периода



Затраты на создание программного продукта складываются из расходов по оплате труда работников и дополнительных расходов, связанных с оплатой аренды помещения для ведения исследования, закупки компьютерной техники и других факторов.

Расходы на оплату труда разработчика системы является фиксированная заработная плата с учетом выслуги и квалификации (с учётом коэффициента отчислений на социальные нужды).

Средняя заработная плата квалифицированного разработчика со стажем около 40 000 рублей.

Если учитывать, что проект разрабатывается в течение 5 месяцев одним человеком, то стоимость оплаты труда составит:

1 * 45 000 * 5 = 225 000 (рублей).

Затраты на оплату труда сотрудников состоят из зарплаты сотрудников и отчислений на социальные нужды. Отчисления на социальные нужды составляют 30%.

Для разработки программного продукта необходимо закупить программное и аппаратное обеспечение приведенное в таблице

Для проведения исследования необходимо закупить следующее аппаратное и программное обеспечение:

Таблица 3 - Аппаратное обеспечение необходимое для исследования

Тип оборудования	Наименование	Модель	К-во, шт.	Цена за 1 шт., руб.	Стоимость, руб.
Аппаратное обеспечение	Процессор	Intel ® CoreTM 2 Duo 3000	1	3500	3500
	Материнская плата	gigabyte ga-b75-d3v	1	3500	3500
	Жёсткий диск	Western Digital, Sata, 80 Гб	1	1500	1500
	Оперативная память	Samsung, DDR 400, 4Гб		1500	1500
	Принтер	HP MP240	1	4200	4200
Программное обеспечение	ОС	Windows 7 Professional	1	7200	7200
ИТОГО:	21400

Плановая себестоимость результатов исследования С определяется по формуле:

С = (3 + А + С_пр )(1+ К_Н) (9)

где

3 -- заработная плата разработчика с начислениями на социальные нужды;

А - амортизация ПЭВМ и другого оборудования;

С_пр -- прочие производственные затраты;

К_Н-- коэффициент накладных затрат.

Заработная плата разработчика проекта рассчитывается по формуле:

З_i = З₀(1+0,3)/m * t_р, (10) где

З₀- среднемесячная заработная плата

0,3(30%) - отчисления на социальные нужды