Vlc технология передачи данных
В первой части статьи собрана информация о передаче данных с помощью искусственного света (VLC, Li-Fi). Рассказываем об истории возникновения технологии, современных наработках, достоинствах и недостатках
Если применить закон перехода количественных изменений в качественные к светотехнике, то можно предположить, что светодиодные технологии находятся на пороге больших изменений. Постепенно развиваясь с 1962 г., светодиодное освещение получило массовое распространение в последние 10 лет, став привычным явлением в каждом доме. Современные наработки ученых предсказывают расширение функционала LED-источников в области цифровой связи для передачи данных между умными устройствами. У любой новой технологии существуют свои достоинства и недостатки, поэтому главным вопросом будущего светотехники станет жизнеспособность нового функционала.
Технология под названием «Коммуникации с использованием видимого света» в мире обозначается как VLC (Visual Light Communication). В нашей стране чаще всего используют не совсем верный термин «световой Интернет». Давайте разберемся в том, что принципиально нового несет нам данная разработка.
История: с чего всё началось
Если задуматься, то идея далеко не нова. Например, передавать сигналы бедствия с помощью света от костров человечество начало еще в незапамятные времена. Думаю, самым наглядным примером будет всем известная сцена из фильма «Властелин Колец». Вспомните момент, когда свет пламени костров получил цепное распространение и призвал всадников Рохана на помощь.
Более реалистичный пример передачи визуальных сигналов до сих пор распространен на флоте. Для отправки секретной информации между кораблями моряки используют простой и надежный прибор — сигнальный фонарь (или, как его еще называют в мире, «лампу Олдиса»). Данное устройство выглядит как большой прожектор со шторками. Передача сигналов ведется короткими и длинными проблесками по азбуке Морзе.
Очевидно, что приведенные примеры имеют сильное ограничение в объеме и скорости передаваемых данных. Данную проблему пытался решить известный изобретатель Александр Бэлл (Alexander Graham Bell), сконструировав в 1880 г. «фотофон» (рис. 1). Это устройство еще до изобретения телефона передавало голос говорящего на несколько сотен метров, используя модулированный солнечный свет [9]. Конечно, система была далеко не идеальна. Она работала только днем и только при наличии солнечных лучей, а также была плохо защищена от внеш- них помех и погодных условий. Однако, несмотря на это, «фотофон» положил начало развитию волоконно-оптических линий связи, без которых сегодня не было бы высокоскоростного Интернета.
Multicast (англ. групповая передача) — специальная форма широковещания, при которой копии пакетов направляются определённому подмножеству адресатов. Технология IP Multicast использует адреса с 224.0.0.0 до 239.255.255.255. Поддерживается статическая и динамическая адресация. Примером статических адресов являются 224.0.0.1 — адрес группы, включающей в себя все узлы локальной сети, 224.0.0.2 — все маршрутизаторы локальной сети. Диапазон адресов с 224.0.0.0 по 224.0.0.255 зарезервирован для протоколов маршрутизации и других низкоуровневых протоколов поддержки групповой адресации. Остальные адреса динамически используются приложениями. Для определения членов различных групп в локальной сети маршрутизатор использует протокол IGMP. Один из маршрутизаторов подсети периодически опрашивает узлы подсети, чтобы узнать, какие группы используются приложениями узлов. На каждую группу генерируется только один ответ в подсети. Для того чтобы стать членом новой группы, узел получателя инициирует запрос на маршрутизатор локальной сети. Сетевой интерфейс узла-получателя настраивается на прием пакетов с этим групповым адресом. Каждый узел самостоятельно отслеживает свои активные групповые адреса, и когда отпадает необходимость состоять в данной группе, прекращает посылать подтверждения на IGMP — запросы. Результаты IGMP — запросов используются протоколами групповой маршрутизации для передачи информации о членстве в группе на соседние маршрутизаторы и далее по сети.
VLC media player (первоначально от VideoLAN Client) — это свободный медиаплеер.
Программа работает на большинстве современных операционных систем, в частности на:
* GNU/Linux
* BSD (FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, Apple Darwin, Mac OS X)
* Solaris
* и других разновидностях UNIX…
* Семейство BeOS (BeOS, Zeta-OS, Haiku-OS)
* QNX
* MorphOS
* Microsoft Windows
* Microsoft Windows CE
Плеер VLC можно использовать в качестве сервера для трансляции потока аудио/видео по сети (поддерживает протоколы IPv4 и IPv6). Для воспроизведения файлов мультимедиа не требуется установка дополнительных кодеков, они уже «встроены» в программу. VLC может воспроизводить DVD и потоковое незашифрованное (бесплатное) видео (IPTV) и Интернет-радио. Также программа может записывать потоковое аудио/видео на компьютер. VLC хорошо воспроизводит испорченные файлы.
Для вещания был выбран слабенький Pentium III 800MHz c 512 Mb RAM и с дисковой подсистемой в RAID1. На все это железо воздрузилась Gentoo Linux:
VLC был собран со следующими флагами:
media-video/vlc-0.9.7 USE="a52 aac ffmpeg hal libgcrypt mp3 mpeg ncurses stream x264 -X -aalib -alsa (-altivec) -arts -atmo -avahi -bidi -cdda -cddax% -cddb -cdio -dbus -dc1394 -debug -dirac -directfb -dts -dvb -dvd -esd -fbcon -flac -fluidsynth -fontconfig -ggi -gnome -gnutls -httpd -id3tag -jack -kate -libass -libcaca -libnotify -libsysfs -libv4l2 -lirc -live -lua -matroska -mmx -modplug -musepack -nsplugin -ogg -opengl -optimisememory -oss -pda% -png -pulseaudio -pvr -qt4 -remoteosd -rtsp -run-as-root% -samba -schroedinger -sdl -sdl-image -seamonkey -shout -skins -speex -sse -svg -svga -taglib -theora -truetype -twolame -upnp -v4l -v4l2 -vcdinfo -vcdx -vlm -vorbis -win32codecs -xinerama -xml -xosd -xv -zvbi (-vcd%)"
Соответственно можно поиграть флагами кому как хочется, обязателен флаг stream. Описание флагов можно подсмотреть командой equery u vlc из пакета gentoolkit. Единственное на что хочется обратить внимание, это флаг optimisememory. Собирал с ним 3 предыдущих версии, процесс за пару дней сжирал на 100% ресурсы процессора и умирал.
Screen, а не демон, был выбран для паралельного запуска нескольких каналов, для более простого и удобного мониторинга процесса. PID'ы мне нужны чтобы STB и MidlleWare все правильно скушали. Файлы конвертировались в:
Формат : MPEG Video
Версия формата : Version 2
Настройка матрицы формата : Standard
Режим расчёта битрейта : Переменный
Битрейт : 7 762 Кбит/сек
Ширина : 1 920 пикс.
Высота : 1 080 пикс.
Соотношение кадра : 16/9
Частота кадров : 30,000 кадр/сек
Колориметрия : 4:2:0
Тип развёртки : Прогрессивная
Формат : MPEG Audio
Версия формата : Version 1
Профайл формата : Layer 2
Режим расчёта битрейта : Постоянный
Битрейт : 64,0 Кбит/сек
Канал(ы) : 2 канала(ов)
Частота : 44,1 КГц
Разрешение : 16 бит
Производительность:
up 70 days, 17:08, load average: 0.16, 0.17, 0.11
Загрузка сети:
30 second input rate 8718000 bits/sec, 801 packets/sec
30 second output rate 2000 bits/sec, 2 packets/sec
В этой части мы рассмотрим «Простой Стриминг» через GUI для домохозяек, а для примера нам послужат ситуации:
1. Когда мы выступаем в роли локального транслятора, для людей с лимитированным интернетом, с отключенным интернетом, или для тех, кто считается с вашим вкусом и хочет смотреть то, что вы им порекомендуете.
3. Если вы захотите передавать видео со своей вебкамеры, просто цифровой камеры и любых других подобных устройств, через DirectShow.
Комментарии:
1. Для удобства, в случае если вы будете засовывать множества файлов, советую заранее подготовить плейлист в формате M3U.
2. В последних версиях VLC, стрим можно смело настроить на вещание практически по всем протоколам сразу, если конечно это потребуется.
3. Для отладки и изучения, рекомендую начинать работу с VLC используя модуль «logger»
vlc -extraintf logger
4. Для наложения логотипа на стрим используйте фильтр logo, лучше в формате PNG.
5. В качестве альтернативных плееров для воспроизведения потоков с VLC брали Windows и Winamp Media Player.
Для всех типов вещание начальный GUI-диалог выглядит одинаково:
File: Достаточно выбрать плейлист или любой файл (Аудио/Видео), а зависимости от того, что вы собираетесь вещать в сеть.
Disk: DVD. AudioCD. VCD, здесь же можно отключить вывод меню, выбрать привод, и главу.
Network: здесь мы можем выбрать любой протокол и адрес входящего потока, который будем ретранслировать/конвертировать/сохранять (например с Youtube), Также вчера было проверено, что VLC отлично справляется с RTMP потоками, так что можете вещать видео со своей веб-камеры, поток которой идет на любой сервис управляемый red5.
Capture Device: Здесь можно выбрать, при наличии такового, любое устройство которое работают через Direct Show, Камеру, Вебкамеру, Цифровое или Спутниковое ТВ, а также Ваш Рабочий стол (Будет вещаться все, что происходит у вас на экране монитора).
После того как вы определились с выбором входящего потока, достаточно нажать кнопку «Stream». После чего откроется новое диалоговое окно, которое одновременно работает как настройка стриминга и/или конвертации, и конечный результат зависит от внесенных здесь настроек. Нажимаем кнопку Next, или вкладку Destination.
Как показано на рисунке, и как я уже упоминал, мы можем вести трансляции по всем поддерживаемым протоколам одновременно, в данном примере я показываю пример трансляции по HTTP/MMS.
Выбираем:
New Destination — HTTP, нажимаем Add, вбиваем адрес (0.0.0.0, или смотрим по ipconfig), указываем порт. Если нам нужны еще протоколы, то просто нажимаем "+".
Transcoding Options: Выбираем метод транскодинга из готовых профилей, или создаем свой (а также можно пустить поток без обработки для клиентского VLC).
Этот же метод можно использовать для людей у которых вообще нет медийного плеера, для просмотра/прослушивания стрима с вашего веб сайта (локального, или если у вас Внешний IP, то этот метод так же сработает на сайт в сети интернет).
Для этого создайте документ с расширением *.asx, например stream.asx и поместить туда код:
Где HREF, — Ваш IP и порт. Поместите этот файл на сервер, например в папку /stream/, а в html файле, где бы вы хотели отобразить стрим, напишите следующее:
В случае же если у клиентов стоит Mplayer или VLC, то можно поиграть с другими типами инкапсуляций и кодеков, таких как TS и h264 соответственно.
В таком случае мы получим меньшую нагрузку на систему, большую на канал, но при этом клиенты получают оригинальное видео.
Следующая/последняя вкладка Options не обязательна, в нее стоит заглянуть только для тех кто будет настраивать Анонсы, или захочет посмотреть сгенерированный скрипт, который можно будет в дальнейшем использовать из командной стройки, так же полезен если вы будете запускать вещания по «Крону». О том как использовать я уже писал.
Нажимаем последний раз "Stream" и приглашаем друзей.
Выводы: Качество стрима и его приема может быть достигнуто только при наличии VLC или Mplayer с обоих сторон, так как в случае с VLC не потребует заморочек с плагинами и кодеками, Все, что он стримает по любому протоколу, он быстро и безболезненно подхватывает и на стороне клиента, вне заисимости от кодеков и инкапсуляций и прочих раздражающих факторов. Данный вывод основан только на том факте, что рассматриваемый метод хорош для «домохозяек», и людей которые не умеют пользоватся консолями и командными строками. В следющей части мы попробуем раскрыть тему и возможности вещания на основе «Command Line», которые увеличивают спектр возможностей по стрмингу.
UPD: Для передачи потока по UDP unicast
со стороны сервера необходимо указать IP и порт назначения. Например:
Сервер (192.168.0.1), Клиент (192.168.0.2)
На сервере в настройках стриминга указать
Media — Stream — UDP, 192.168.0.2:1234
У клиента для просмотра потока:
Media — Open Network Stream — UDP, @:1234
UDP Multicast
В multicast, стрим вещается на multicast IP адреса (IP адреса зарезервированные для этих целей, диапазон которых от 224.0.0.0 до 239.255.255.255). Затем, любая машина в сети, может присоединится к multicast группе, посылая запрос в сеть, автоматически получит транслируемый поток.
Потом отправляет запрос об остановке воспроизведения потока и выходит из данной группы. Преимущество multicast стрима, в том, что поток получают только те машины, которые хотят его получать, а сервер вещает только один поток, который получают все участники группы.
Активация multicast, происходит также как в случае с unicast, только во вкладке Options необходимо указать количество TTL* (например 50) IP пакетов, Это означает, что multicast поток сможет пересекать 50 маршрутизаторов.
* — Time To Live
А со стороны клиента, достаточно просто открыть поток в любом плеере который поддерживает multiсast и в строке имени потока указать
udp://@_IP_:port
Более подробно multicast мы рассмотрим в теме продвинутого стриминга с использованием командной строки и телнета
В рамках данной работы рассматривается вопрос реализации технологии VLC (Visible Light Communication) в организациях и органах управленческой деятельности, где могут быть предъявлены высокие требования к обеспечению информационной безопасности. В ходе работы произведены расчёты основных величин, а также параметров сигнала, на основании которых, в последующем, проведен анализ эффективности технологии. Метод проектирования помещения с использованием системы VLC показывает, как происходит внедрение этой технологии. Структурная схема, а также зона покрытия помещения продемонстрированы в работе. По результатам расчетов производится оценка полученных значений и предлагаются варианты повышения качества параметров сигнала и пропускной способности канала. Анализ эффективности VLC технологии демонстрирует, что в выделенном помещении определенных размеров данная система будет качественно функционировать, обеспечивая бесперебойную работу оборудования.
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.
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.
9. Д.М. Алексеев, С.А. Пливак, А.С. Шумилин // Архитектура и обеспечение безопасности беспроводных WLAN сетей // «Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки»: Электронный сборник статей по материалам XХХIХ студенческой международной научно-практической конференции. – Новосибирск: Изд. АНС «СибАК». – 2016. – № 2 (38). С. 24-28.
10. Д.М. Алексеев, С.А. Пливак, А.С. Шумилин // Передача данных видимым светом на основе вещательных систем информации о движении // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по материалам XXXI студ. междунар. заочной науч.-практ. конф. – М.: «МЦНО». – 2016. – № 2(31). С. 23-27.
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].
VLC – система включает в себя передающий и приемный модуль. Структурная схема, реализующая данную технологию, представлена на рис. 1.
Рис. 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].
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 таблице.
Параметры оптического передатчика и приемника
Мощность оптического
передатчика (светодиода)
Рабочая длина волны
Токовая чувствительность
фотодиода
Шумовой ток фотодетектора
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 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.
Рсигнал = (106дБ/10)∙0,004 мВт = 0,016 мВт.
Из таблицы 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.
Рис. 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, kатм – 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.
D = –(lnK)/kатм = – (ln(0,09))/0,56) =
= 2,4/0,56 ≈ 4,3 м.
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:
S = π∙(4,32 – 2,52) ≈ 36 м2.
Так как площадь исследуемого помещения равна 187 м2, а один передатчик способен покрыть площадь 36 м2, 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 (рис. 3).
Рис. 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 таблицы, получим:
2∙106∙log2(1 +6) = 2∙106∙2,81 ≈ 5,62∙106 бит/с = 5,62 Мбит/с.
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.
Выводы
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.
In this article is being considered the issue of VLC (Visible Light Communication) technology implementation in organizations and management bodies, where can be presented high requirements for information security. In the course of the work were made calculations of the main quantities and signal parameters on the basis of which in the following, an analysis of the efficiency of the technology was carried out. The method of designing a room using the VLC system shows how this technology is implemented. The structural scheme, as well as the coverage area of the premises are demonstrated in the work. Based on the results of the calculations, the values obtained are evaluated and options for improving the quality of the signal parameters and the channel capacity are proposed. Analysis of the effectiveness of VLC technology demonstrates that in a dedicated room of a certain size this system will function well, ensuring uninterrupted operation of the equipment.
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].
VLC – система включает в себя передающий и приемный модуль. Структурная схема, реализующая данную технологию, представлена на рис. 1.
Рис. 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].
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 таблице.
Параметры оптического передатчика и приемника
Мощность оптического
передатчика (светодиода)
Рабочая длина волны
Токовая чувствительность
фотодиода
Шумовой ток фотодетектора
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 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.
Рсигнал = (106дБ/10)∙0,004 мВт = 0,016 мВт.
Из таблицы 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.
Рис. 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, kатм – 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.
D = –(lnK)/kатм = – (ln(0,09))/0,56) =
= 2,4/0,56 ≈ 4,3 м.
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:
S = π∙(4,32 – 2,52) ≈ 36 м2.
Так как площадь исследуемого помещения равна 187 м2, а один передатчик способен покрыть площадь 36 м2, 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 (рис. 3).
Рис. 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 таблицы, получим:
2∙106∙log2(1 +6) = 2∙106∙2,81 ≈ 5,62∙106 бит/с = 5,62 Мбит/с.
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.
Выводы
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.
Читайте также: