Rozšíření funkcionality optického pojítka

Improving the Functionality of Free-Space Optical Link. Článek pojednává o realizaci optického spoje volným prostorem (atmosférou) na základě doplněného návrhu projektu RONJA, popisuje základní bloky pojítka a jejich funkci a následnou instalaci a zprovoznění funkčního vzorku na Katedře telekomunikační techniky, FEL, ČVUT v Praze.

Improving the Functionality of Free-Space Optical Link

This paper deals with the realization of free space optical link (FSO) implemented on the basis of the modified project RONJA, describes the basic blocks and their function and it also presents a process of subsequent installation and practical operation of a sample constructed at the Department of Telecommunication Engineering, FEE, CTU in Prague.

Keywords: Free-Space Optics; Atmospheric Attenuation; Diagnostic Module

---

Projekt RONJA

RONJA (Reasonable Optical Near Joint Access) je projekt atmosférického optického pojítka pracující rychlostí 10 Mbit/s v obousměrném režimu (full-duplex) [1]. Veškerá dokumentace je volně šiřitelná pod licencí GNU. Vývoj v rámci komunity v České republice začal v roce 1998 a jeho kompletní dokumentaci, vývoj, praktické poznatky a další informace lze nalézt na jeho oficiální domovské stránce http://ronja.twibright.com. Velké podpoře projektu RONJA se dostalo zejména v pražské komunitní síti CZfree a postupem času se rozrostla i do jiných měst a zemí celého světa. Nyní je registrováno přes 100 funkčních spojů na celém světě. RONJA byla původně navržena a určena jako prostředek rychlé, levné a spolehlivé komunikace v začátcích komunitních WiFi sítí, kdy nabízela v porovnání s tímto bezdrátovým standardem vyšší možné dosažitelné rychlosti při nižších nákladech na konstrukci optických pojítek. S touto filosofií je navržena tak, aby použitý materiál a veškeré součástky potřebné k sestavení byly co nejlevnější a dobře dostupné. Projekt RONJA se postupně rozrůstal a přispívalo do něj mnoho amatérských vývojářů a uživatelů svými zkušenostmi a inovacemi. V poslední době však projekt pomalu ustupuje do pozadí zájmu, protože maximální dosažitelná rychlost pojítka 10 Mbit/s je v dnešní době již nízká v porovnání s levným a dostupným WiFi vybavením.

Návrh a realizace optického pojítka

Na Katedře telekomunikační techniky byl vyroben funkční optický spoj na základě projektu RONJA, který byl rozšířen o možnost vzdáleného sledování základních parametrů spoje a optických pojítek pomocí implementovaného diagnostického modulu s rozhraním Ethernet a web serverem. Diagnostický modul umožňuje vzdáleně sledovat RSSI (Receive Strength Signal Indicator), teplotu uvnitř i vně zařízení a vytvářet krátký časový sběr naměřených hodnot. Obslužný program (firmware) diagnostického modulu lze dále upravovat a modifikovat a nově vytvořenou verzi vzdáleně nahrát přes síť, čímž lze dále vylepšovat jeho vlastnosti a rozsah měřených a sledovaných parametrů. Hlavním smyslem realizace pojítka s diagnostickým modulem je průběžné sledování parametrů prostředí v závislosti na atmosférických vlivech.

Dalším vylepšením původního projektu je modifikace původních a návrh a realizace vlastních desek plošných spojů společně s vylepšením jejich vlastností z hlediska odolnosti proti elektromagnetickému rušení EMC (Electromagnetic Compatibility). Nově bylo rovněž implementováno impedanční přizpůsobení pro přívodní datový UTP kabel dodatečným přidáním oddělovacího transformátoru, což umožňuje prodloužit délku UTP kabelu až na 100 m a výrazně tak usnadňuje instalaci optického pojítka na méně přístupná místa. Jiným vylepšením původního projektu RONJA je využití ztrátového napětí na napájecím stabilizátoru ve vysílací i přijímací části pojítka pro vyhřívání čoček pomocí odporového drátu. Díky tomu nedochází k zamrzání či zamlžení čoček, což by jinak v případě nepříznivého počasí výrazně degradovalo přenosové parametry optického spoje. Napájení každé strany optického spoje je řešeno pomocí modifikovaného systému napájení pomocí Ethernetu PoE (Power over Ethernet), kdy jsou využity nevyužité páry přívodního UTP kabelu. Odpadá tak potřeba samostatného napájecího kabelu a je rovněž možné využít libovolný napájecí zdroj s potřebnými parametry.

Vhodně byla též inovována mechanická část konstrukce, systém zaměřování, upevnění tubusů pojítek a jejich zafixování proti otřesům, vibracím a vlivu vnějších povětrnostních jevů. Na rozdíl od původního návrhu se podařilo jednotlivé moduly na vysílací i přijímací straně optického spoje umístit přímo do dvojice tubusů, odpadá tak nutnost umístění modulu Twister (viz stránky projektu RONJA) mimo hlavice spoje a použití dodatečných propojek, což má pozitivní vliv na spolehlivost spoje a jeho odolnost proti okolnímu rušení (EMC, impulsní rušení). Pro potřeby snadného zamíření spoje a nastavení optimální polohy vysílače i přijímače pro zajištění maximálního optického výkonu dopadajícího na čočku přijímače byl implementován praktický systém pro měření aktuálně přijímaného výkonu a jeho zobrazení pomocí stupnice posuvného LED indikátoru. Díky tomu lze i ve ztížených instalačních podmínkách (střecha, stožár) dosáhnout relativně přesného zamíření optického paprsku bez nutnosti použití dodatečných přístrojů a měření. Vylepšení zaměřovacího systému bylo dále realizováno pomocí mechanického upevnění modulů v hlavici pojítka na principu posuvného mechanismu s možností jemného doladění vysílací i přijímací diody přesně do ohniska čočky. Vlastní systém upevnění tubusů vysílače i přijímače je řešen flexibilním systémem pomocí dvojice hlavních aretačních šroubů s trojicí šroubů společně s vhodnými podložkami pro jemné doladění ve všech třech osách pro naklápění a směrování pojítek. Zároveň je mechanická konstrukce řešena dostatečně robustně tak, aby v dané poloze fixovala celý systém a zabránila tak případným vibracím, nežádoucímu pohybu hlavic pojítek a dalším negativním mechanickým jevům.

Celý systém pojítka je složen z jednotlivých modulů, které zajištují konkrétní funkce. Principiální nákres optického spoje je uveden na obr. 1. Modul Twister 2 (INT) zajišťuje kompatibilitu s rozhraním Ethernet 10BASE-T a připojuje vysílací část pojítka k lokálnímu síťovému rozbočovači či přepínači (hub, switch). Modul 10M Metropolis Transmitter (TX) provádí konverzi elektrického signálu na optický, obsahuje potřebné budící obvody a funguje jako vysílač. Modul 10M Receiver (RX) zpětně převádí přijatý optický signál na elektrický a pracuje jako přijímač. Diagnostický modul (D) provádí vyhodnocení naměřených údajů z připojených čidel a výstupu AD převodníku přijímacího modulu a poskytuje aktuální informace o úrovni přijímaného signálu a teplotě, zároveň prostřednictvím přijímacího modulu RX připojuje přijímač do navazující lokální sítě.

Obr. 1: Blokové schéma optického spoje RONJA.

Obr. 2: Detailní pohled na blok vysílače (bloky INT a TX) ve vývojové fázi.

Konstrukce

Řešení mechanické části a hlavních bloků

Z důvodů požadavku na snadnou vyrobitelnost a celkově nízké náklady na optický spoj je použito lehce dostupných materiálů a součástí. Pro konstrukci jednotlivých hlavic (tubusů) byla zvolena novodurová trubka o průměru 110 mm zejména z důvodu její snadné opracovatelnosti a dostatečným mechanickým vlastnostem. Zaměřovací systém je vyroben ze standardizovaných kovových profilů běžně dostupných v síti prodejen s hutním materiálem. Dvojice modulů v přijímací hlavici (RX, D) i vysílací hlavici (INT, TX) je vždy společně připevněna na posuvném systému uvnitř tubusu tak, že otáčením závitové tyče lze moduly posunovat směrem vpřed i vzad vůči pevně ukotvené čočce, jak je naznačeno na obr. 3. Díky tomu lze pozici přijímací či vysílací diody modulů RX a TX doladit do ohniska použité čočky a případně jemně posunout dle aktuálně naměřené úrovně optického výkonu dopadajícího na přijímací fotodiodu. Lze tím minimalizovat a nastavit divergenci (rozbíhavost) paprsku tak, aby na protější stranu dopadalo co nejvíce světla z vysílače a zaostřit přijímač přesně do přijímací fotodiody.

Obr. 3: Princip posunu modulů do ohniska čočky pro přesné zaostření.

Obr. 4: Jednotlivé moduly umístěné na posuvném systému uvnitř tubusů, u krajních dvou je ve spodní části vidět výstup závitové tyče pro možnost jejich posunování do ohniska čočky.

Vnější mechanická část, upevňující oba tubusy, je řešena upnutím hlavic pojítka k pevné kovové konstrukci umožňující naklápění a posun pojítka ve všech třech osách. Pro základní nasměrování a fixaci slouží dvojice šroubů spojujících směrovatelnou část s držákem tubusů. Pro jemnější nastavení a doladění slouží další trojice šroubů umístěná na spodní pohyblivé destičce a vypodložená gumovou výplní. Smršťováním gumy a utahováním příslušného šroubu se dá jemně nastavovat směr tubusu ve dvou osách. Uvedený princip s vyznačením jednotlivých mechanických prvků je znázorněn na obr. 5.

Obr. 5: Princip jemného směrování optických trubic a mechanické řešení jejich upevnění.

Napájení a vyhřívání

Úplné modulární blokové schéma včetně jednotlivých typů propojení pro jednu stranu optického spoje je uvedeno na obr. 6. Jedna strana optického spoje je vždy napájena 18V a její proudový odběr je 570mA. Moduly přenosového řetězce potřebují napájení 12V a diagnostický modul 3,3V. Potřebné napětí se snižuje napěťovými stabilizátory.

Obr. 6: Úplné modulární blokové schéma jedné strany optického spoje.

Napájení soustavy je řešeno volnými páry v přívodních UTP kabelech. Napájecí napětí 18V je dimenzováno tak, aby v případě dlouhého přívodu nekleslo pod potřebné napájecí napětí 12V stabilizátoru. Pro stabilizátor 3,3V tak vzniká velké ztrátové napětí minimálně 10V a při proudu 170mA do diagnostického modulu by tak docházelo ke značnému zahřívání stabilizátoru a ohřevu celé desky plošného spoje s diagnostickým modulem a teplotním čidlem. Toto ztrátové napětí bylo proto účelně využito pro realizaci vyhřívání čoček přijímače i vysílače pro zabránění jejich zamlžení či zamrznutí. Na schématu na obr. 7 je zobrazeno zapojení jednoduchého regulátoru napětí. Snížení napětí před 3,3V stabilizátorem je zajištěno předřadným odporem R5 a odepínáním napájecího napětí od stabilizátoru. Na vstupu stabilizátoru IC2 je měřeno napětí AD převodníkem a nastavuje se střída řídích pulsů v PWM tak, aby střední hodnota na vstupu stabilizátoru IC2 byla 5V. Vypínání napětí je realizováno tranzistory T1 a T2 a diodou D2. V případě, že je tranzistor T2 sepnut, je napětí na vstupu stabilizátoru IC2 drženo kondenzátorem C3. Aby nedocházelo k jeho rychlému vybití přes sepnutý tranzistor T2, je do obvodu zapojena dioda D1, která propouští proud pouze při nabíjení kondenzátoru a napájení stabilizátoru. Odpor R5 je tvořen odporovým drátem, který je vyveden na čočku, kde je z její vnitřní strany několikrát navinut a tvoří tak její vyhřívání. Tímto způsobem byl využit ztrátový výkon stabilizátoru na ochranu proti zamrznutí a zamlžení optického systému. Protože regulační člen je mikropočítač napájený výstupním napětím stabilizátoru IC2, je nutné zajistit, aby při prvním spuštění došlo ke spuštění regulátoru a nedocházelo k neustálému vypínání mikropočítače. To je zajištěno výchozím nastavením řídícího I/O portu PWM jako vstupu a dělič s rezistorů R1 a R2 zajistí rozepnutí tranzistoru T2. Vstupní napětí stabilizátoru IC2 je maximální a regulátor ho postupně začne snižovat až na požadovanou hodnotu 5V.

Obr. 7: Schéma zapojení napěťového regulátoru a vytápění optických čoček.

Přenosová část optického pojítka

Optický spoj pracuje z pohledu vrstvového modul RM-OSI pouze na první, tedy fyzické vrstvě, nedochází proto k žádnému překódování, ani manipulaci s přenášenými daty. RONJA tak pracuje pouze jako převodník média na fyzické vrstvě a zajišťuje vzájemný metalicko-optický a opticko-metalický převod. Přenosová část je realizovaná podle oficiálního projektu RONJA pouze s drobnými úpravami. Použitá schémata zapojení jsou proto volně dostupná z [1]. Kromě návrhu vlastních desek plošných spojů tak, aby bylo možno moduly umístit ve dvojicích přímo do optického tubusu, bylo implementováno dodatečné impedanční přizpůsobení a symetrizace vůči zemi. Tato symetrizace a přizpůsobení pro přívodní datové UTP kabely bylo realizováno přidáním oddělovacího transformátoru. Lepší přizpůsobení umožňuje použití přívodů až do délky 100 m.

Vlastní optický vysílač pracuje na vlnové délce 650 nm, což odpovídá červené ve viditelném spektru. Důvodem použití viditelného záření byl předpoklad snadnějšího zaměření bez použití dalších přístrojů. Dalším důvodem byl požadavek, aby bylo možné vybudovaný optický spoj využít pro demonstrační účely pro potřeby výuky a z tohoto důvodu bylo použití viditelného spektra též vhodnější.

Diagnostická část

Centrem diagnostického modulu je mikrokontrolér Microchip PIC18F67j60, který má integrovanou fyzickou vrstvu pro Ethernet a nepotřebuje mnoho dalších periferií ke své funkčnosti. K mikrokontroléru jsou připojeny 3 teplotní čidla DS18B20 pro měření teploty uvnitř vysílací i přijímací trubice a venkovní teploty vzduchu. Čidla komunikují protokolem 1-WIRE. Na vstup jednoho kanálu AD převodníku je připojeno RSSI z přijímacího modulu a je tak možné měřit aktuální úroveň přijímaného signálu. K mikrokontroléru je přes SPI připojena paměť EEPROM pro ukládání posledních naměřených dat, dle požadavku četnosti provádění měření a požadovaném formátu ukládaných dat lze na paměť uložit naměřené hodnoty i za několik uplynulých dnů. Tato data jsou následně z paměti vzdáleně vyčítána a díky tomu je možné sledovat vývoj přijímané úrovně optického signálu po delší časový úsek a sledovat tak vlivy počasí a dalších okolních jevů na přenosové parametry spoje, chování použitého zdroje záření při různých atmosférických podmínkách (vliv atmosférických jevů na danou vlnovou délku záření a na útlum spoje) apod. Interpretaci naměřených dat zajišťuje TCP/IP stack od firmy Microchip. Informace o aktuálním stavu i časový záznam za uplynulou dobu jsou dostupné přes http protokol a libovolný prohlížeč vzdáleně, vykreslování průběhů je řešeno pomocí skriptu v jazyce Java. Součástí diagnostického modulu je i již zmiňovaný osmistupňový posuvný LED indikátor zobrazující aktuální úroveň signálu. Programové vybavení diagnostického modulu lze dodatečně měnit a upravovat a nahrávat jeho novou verzi vzdáleně pomocí protokolu tftp.

Instalace a zprovoznění optického spoje

Jedním z hlavních úkolů byla kromě výroby vlastních optických pojítek též jejich instalace na střechu bloku Fakulty elektrotechnické, případně dle předpokladu jednu stranu spoje umístit na střechu Fakulty strojní. Vybudovaný optický spoj je určen zejména pro demonstrační účely ve výuce, pro diagnostiku parametrů a další vývoj optických spojů volným prostorem. Na základě naměřených údajů o atmosférickém útlumu a jeho závislosti na stavu počasí (mlha, déšť, sníh) lze ověřit platnost současných matematických modelů této závislosti a případně provádět jejich další upřesnění a výzkum. Z tohoto využití optického spoje vyplývá, že postačuje i relativně nízká přenosová rychlost 10 Mbit/s a také krátká překlenutelná vzdálenost, díky čemuž mohly být použity na vysílací i přijímací straně optické čočky o průměru 90 mm. Jeden konec optického spoje byl umístěn na vnější ochoz bloku B3 Fakulty elektrotechnické v 8. patře, zatímco druhá strana na protější krajní blok Fakulty strojní, konkrétně na vnější ochoz v 9. patře. Celková překlenutá vzdálenost je tak přibližně 120 m. Letecký snímek s vyznačením umístění optického spoje uvádí následující obr. 8.

Obr. 8: Letecký pohled na hlavní bloky Fakulty elektrotechnické a strojní s vyznačením umístění obou konců optického spoje.

Vlastní instalace byla provedena během září 2010, drobné korekce a zaměření probíhaly během října/listopadu téhož roku. Na straně umístěného na bloku Fakulty elektrotechnické byl optický spoj připojen pomocí přepínače Mikrotik do fakultní sítě, na straně umístěné na Fakultě strojní je prozatím vysílač s přijímačem spojen do smyčky (umožňující tak získat naměřené údaje z protilehlého konce spoje). Při zaměřování a kalibraci optického spoje bylo úspěšně využito implementovaného systému měření úrovně přijímaného optického signálu pomocí LED indikátorů i měřením přes vlastní diagnostický modul, což umožnilo jemné doladění na optimální hodnoty pomocí posuvu modulů do ohnisek čoček v rámci tubusů i optimální nasměrování hlavic pojítka pomocí aretačních a fixačních šroubů popsaných výše. Na následujících obrázcích se nachází několik fotografií pořízených během instalace optického spoje.

Obr. 9: Pohled na odkryté tubusy přijímače a vysílače, vlevo přijímač s posuvným LED indikátorem.

Obr. 10: Část optického spoje umístěná na ochozu Fakulty strojní.

Obr. 11: Část optického spoje umístěná na ochozu Fakulty elektrotechnické.

Závěr

V rámci bakalářské práce, FRVŠ grantu G1 830/2010 a výzkumného záměru MSM6840770014 se podařilo vyrobit dvojici optických pojítek na základě návrhu volně dostupného projektu RONJA. Do původního návrhu byla implementována řada vlastních změn a vylepšení, které napomohly snadnější instalaci spoje, jeho zaměření a zprovoznění a díky diagnostickému modulu je možné vzdáleně monitorovat a sledovat charakteristiky spoje.

Vybudovaný optický spoj bude sloužit pro demonstrační a ukázkové účely pro potřeby výuky, kdy se studenti budou moci prakticky seznámit s technologií optického přenosu volným prostředím FSO. Naměřené výsledky a praktické poznatky poslouží rovněž pro potřeby výzkumu jevů ovlivňujících atmosférický útlum, jeho závislost na aktuálním stavu počasí a chování optického paprsku při průchodu atmosférou při různých situací a hodnotách atmosférického útlumu. V rámci navazujícího grantu Studentské grantové soutěže při ČVUT se předpokládá výzkum možností výroby finančně dostupného optického pojítka pro kratší a střední vzdálenosti s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s.

Funkční vzorky a tento článek vznikly za podpory grantu FRVŠ G1 830/2010 a výzkumného záměru MSM6840770014.

Literatura

[1] Kulhavý, K.: Twibright Labs, Ronja. [online], 2007, [cit. 12-30-2010]. Dostupný z: http://ronja.twibright.com/.
[2] Bakala, B.: Realizace optického pojítka. Bakalářská práce, Katedra telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze, 2011.