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
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
|
Параметр |
Значение |
|
Мощность оптического |
0.18 мВт |
|
Полоса пропускания |
2 МГц |
|
Рабочая длина волны |
870 нм |
|
Токовая чувствительность |
0.62 А/Вт |
|
Шумовой ток фотодетектора |
1.25 пА/Гц |
Так как в основе передачи данных с помощью VLC технологии лежит видимый свет, то он имеет особенность рассеиваться и поглощаться в атмосфере. Учитывая эту особенность и зная характеристики используемого оборудования, можно вычислить максимальное расстояние, при котором будет передача данных будет производится с приемлемым коэффициентом ошибок.
Для этого необходимо, чтобы отношение сигнал/шум, которое представляет собой эффективное напряжение полезного сигнала к эффективному напряжению шума приемника для цифровых систем было выше 6 дБ. Отношение сигнал/шум обозначается SNR, и имеет следующий вид [4]:
(1)
Отношение сигнал/шум равное 6 дБ, говорит о том, что мощность сигнала на входе приемника должна быть как минимум в 4 раза больше мощности внутренних шумов для цифровых систем. Из таблицы 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 = (10SNR/10)∙Ршум,
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:
R ≈ 3,4 м.
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.