ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Στα πλαίσια της ερευνητικής δραστηριότητας του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής, είναι σε εξέλιξη σε συνεργασία με το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών, το παρακάτω ερευνητικό έργο: «Σύστημα Οπτικής Επικοινωνίας Ελεύθερου Χώρου και Στρατιωτικές Εφαρμογές του» 1. Περιγραφή του συστήματος Τα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται ως Free Space Optical Systems - FSO ενώ χρησιμοποιείται και ο όρος Optical Wireless Communication Systems - OWC ) παρουσιάζουν, την τελευταία δεκαετία τεράστιο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Αυτό συμβαίνει διότι οι δυνατότητες τους είναι πολύ μεγάλες ενώ έχουν σχετικά μικρό κόστος λειτουργίας. Η τεχνολογία των συστημάτων αυτών προσφέρει πολύ μεγάλες ταχύτητες αποστολής και λήψης δεδομένων, με μεγάλη ασφάλεια και σχετικά χαμηλό κόστος ενώ, δεν απαιτείται δέσμευση συγκεκριμένων συχνοτήτων του φάσματος, για τη λειτουργία τους, όπως συμβαίνει στις συνηθισμένες ασύρματες τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, δηλαδή δεν απαιτείται αδειοδότηση από επίσημο φορέα για τη λειτουργία τους. Λόγω του χαμηλού σχετικά κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας, της υψηλότατης απόδοσης τους και της πολύ μεγάλης ασφάλειας που προσφέρουν στις τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, τα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών παρουσιάζουν τεράστιο ενδιαφέρον και παρέχουν πολύ μεγάλες δυνατότητες για χρήση στις στρατιωτικές επικοινωνίες. Λόγω του τρόπου με τον οποίο εγκαθίσταται η ασύρματη οπτική ζεύξη η τεχνολογία αυτή παρέχει πολύ μεγάλη ασφάλεια όσον αφορά την δυνατότητα υποκλοπής της μεταδιδόμενης πληροφορίας, ενώ συγχρόνως προσφέρει μεγάλη φορητότητα των εγκαταστάσεων, υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος λειτουργίας. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι εκείνα που ουσιαστικά καθιστούν την προτεινόμενη τεχνολογία ιδανική για στρατιωτικές επικοινωνίες μεταξύ ακίνητων σημείων. Έτσι, τα ερευνητικά αποτελέσματα που θα προκύψουν από τη χρήση του συστήματος που αναφέρεται παρακάτω είναι δυνατόν, να είναι άμεσα εφαρμόσιμα σε επίγειες εγκαταστάσεις του ΠΝ για να επιτευχθεί υψηλή ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων, αξιοπιστία και ασφάλεια. 1.1. Απόδοση και αξιοπιστία ασύρματων οπτικών ζεύξεων Η λειτουργία των ασύρματων οπτικών ζεύξεων, επηρεάζεται σημαντικά από τις καιρικές συνθήκες οι οποίες επικρατούν στην περιοχή μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Επομένως, πολύ σημαντικό, ερευνητικό αλλά και πρακτικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μελέτες που εξετάζουν την απόδοση και την αξιοπιστία των συστημάτων αυτών σε πραγματικές συνθήκες, δηλαδή η μελέτη και ο υπολογισμός της απόδοσης ως συνάρτηση των συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή. Στην κατεύθυνση αυτή εργάζεται η ερευνητική μας ομάδα η οποία έχει προκύψει από συνεργασία επιστημόνων από το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής της ΣΝ και τον Τομέα Ηλεκτρονικής/Υπολογιστών-Τηλεπικοινωνιών/Αυτοματισμού του Τμήματος Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών. Ήδη τα θεωρητικά αποτελέσματα της παραπάνω ομάδας έχουν δημοσιευθεί σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και πρακτικά διεθνών συνεδρίων, ενώ υπάρχουν εργασίες οι οποίες βρίσκονται στο στάδιο της κρίσης για δημοσίευση σε επιστημονικά περιοδικά. Στις εργασίες αυτές, αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας των ασύρματων οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, οι δυνατότητες τους και μελετάται αναλυτικά η απόδοση και η αξιοπιστία τους, σε σχέση με τις διαλείψεις σήματος που προκαλούνται λόγω των καιρικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή της ζεύξης. Παρουσιάζονται, για πρώτη φορά, καινούριοι θεωρητικοί τύποι μέσω των οποίων είναι δυνατόν να υπολογιστεί η μέση χωρητικότητα (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρεται ως Average Capacity ), ο μέσος ρυθμός μετάδοσης σφαλμάτων (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρεται ως Average Bit Error Rate (BER) ), η χωρητικότητα διακοπής (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρεται ως Outage Capacity ), καθώς και η πιθανότητα διακοπής της σύνδεσης (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρεται ως Outage Probability ) ενός ασύρματου οπτικού καναλιού, - 1/7 -
του οποίου οι διαλείψεις προσομοιώνονται με γνωστές και επιστημονικά αποδεκτές κατανομές. Ο υπολογισμός της χωρητικότητας ενός καναλιού παρουσιάζει μεγάλο πρακτικό ενδιαφέρον γιατί αποτελεί ουσιαστικά ένα μέτρο της απόδοσής του. Αντίστοιχα, η πιθανότητα διακοπής λειτουργίας της ζεύξης είναι μία πολύ σημαντική παράμετρος αφού αφορά την αξιοπιστία του συστήματος και εξαρτάται αποκλειστικά από τις συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή λειτουργίας. Μέσω των προαναφερθέντων μεγεθών, εξετάζεται αναλυτικά η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας του συστήματος στην απόδοση και την αξιοπιστία του. 1.2. Πειραματική επιβεβαίωση αποτελεσμάτων Όπως είναι φανερό, οι παραπάνω εργασίες είναι, κυρίως, θεωρητικές και τα αποτελέσματα τα οποία εξάγονται δίνουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την απόδοση των ασύρματων οπτικών ζεύξεων. Τα θεωρητικά αυτά αποτελέσματα είναι δυνατόν να επιβεβαιωθούν στην πράξη με την πιλοτική λειτουργία ενός συστήματος FSO στη Σχολή Ναυτικών οκίμων. Τα συμπεράσματα που θα εξαχθούν στην περίπτωση λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος στη Σχολή μας, όχι μόνο θα μπορούν να επιβεβαιώσουν τα ήδη δημοσιευμένα θεωρητικά μας αποτελέσματα (σημ.: κάτι τέτοιο θα είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων επιστημονικών δημοσιεύσεων σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και σε πρακτικά συνεδρίων) αλλά θα μπορούσαν να εξαχθούν και νέα μέσω των οποίων θα είναι δυνατόν να βελτιωθεί η απόδοση των συστημάτων αυτών. Ήδη, χρησιμοποιώντας εξοπλισμό του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής της ΣΝ τον οποίο προμηθευτήκαμε στα πλαίσια του ΠΕΑΝ 2011, έχει γίνει η εγκατάσταση και λειτουργία συστήματος FSO μεταξύ της Σχολής Ναυτικών οκίμων και του φάρου που βρίσκεται στη Νήσο Ψυτάλλεια (Εικόνα 1). Εικόνα 1: Ασύρματη οπτική ζεύξη από τη νήσο Ψυτάλλεια προς τη Σχολή Ναυτικών οκίμων. - 2/7 -
Εικόνα 2: Σημείο εγκατάστασης ασύρματου οπτικού συστήματος στο φάρο επί της νήσου Ψυτάλλειας. Εικόνα 3: Ασύρματο οπτικό σύστημα στο φάρο επί της νήσου Ψυτάλλειας. - 3/7 -
Εικόνα 4: Ασύρματο οπτικό σύστημα στη ΣΝ. - 4/7 -
2. Τεχνική ανάλυση συστήματος Λειτουργία ασύρματης οπτικής ζεύξης με σκοπό την μεταφορά πειραματικών δεδομένων και μετρήσεων. Το ένα άκρο της ζεύξης αυτής είναι η Σχολή Ναυτικών οκίμων και το άλλο ο φάρος στη νήσο Ψυτάλλειας. Το συνολικό μήκος της ζεύξης, όπως αναφέρεται και παρακάτω είναι περίπου 2980m. Για την επιτυχή ζεύξη των δυο αυτών σημείων χρησιμοποιούνται δυο υπέρυθροι οπτικοί πομποδέκτες με μήκος κύματος λειτουργίας λ = 0.86μm. εδομένου ότι οι μετρήσεις και η ερευνητική δραστηριότητα αυτή αφορά συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών που λειτουργούν κάτω από πραγματικές συνθήκες, το επικοινωνιακό σύστημα υπακούει στις διεθνείς οδηγίες για ασφαλή χρήση (Class 1Μ). Το εγκατεστημένο σύστημα προβλέπεται να εκπέμπει σε συνολική οπτική ισχύ P = 150mW με μήκος κύματος λ = 0.86μm. Για να επιτευχθεί η ζητούμενη ισχύς χρησιμοποιούνται 3 δίοδοι Laser (Class1Μ). Για την καλύτερη ευθυγράμμιση των πομποδεκτών του συστήματος χρησιμοποιείται διάταξη συγκλινόντων οπτικών φακών καθώς και σύστημα με φακό Fresnel για λήψη της μέγιστης δυνατής ισχύος στο δέκτη. Αποτέλεσμα αυτών είναι η βελτίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών της οπτικής ζεύξης καθώς και η ελάττωση των μεταδιδόμενων σφαλμάτων (μείωση του BER). Το πρωτόκολλο επικοινωνίας μεταξύ των πομποδεκτών του συστήματος είναι Ethernet κάνοντας χρήση όλων των γνωστών πρωτοκόλλων (όπως: DHCP, MAC, QoS, κ.λ.π.) και συμβάλλει δραστικά στην ελάττωση του μέσου ρυθμού μετάδοσης σφαλμάτων (Average BER). Το σύστημα για την επίτευξη της συγκεκριμένης οπτικής ζεύξης πρέπει να μπορεί να αποδώσει ρυθμό μετάδοσης δεδομένων έως 100 Mbit/s στην έξοδο του. Η απόσταση στην οποία είναι δυνατόν να επιτευχθεί μετάδοση δεδομένων σε υψηλές ταχύτητες είναι από 500m έως 4500m. Η απόσταση της ζεύξης μεταξύ της Σχολής Ναυτικών οκίμων και του φάρου της Ψυτάλλειας έχει μετρηθεί στα 2980m. Επομένως η ζεύξη είναι μέσα στα όρια λειτουργίας του συστήματος και άρα μπορεί να δώσει σημαντικά αποτελέσματα. Στον φάρο Ψυττάλειας έχει επίσης εγκατασταθεί κάμερα, το σήμα της οποίας διαβιβάζεται μέσω της ασύρματης ζεύξης FSO στη ΣΝ και επομένως υπάρχει η δυνατότητα άμεσης παρατήρησης του περιβάλλοντος χώρου στον οποίο είναι εγκατεστημένο το σύστημα επί της Ψυττάλειας. 3. Eκμετάλλευση συστήματος Ωφέλεια για το ΠΝ και τη ΣΝ Η τεχνολογία FSO παρέχει πολύ μεγάλη ασφάλεια διότι η οπτική δέσμη έχει πολύ μικρή γωνία εκπομπής και λήψης (2 mrad) αφενός, και αφετέρου οποιαδήποτε απόπειρα υποκλοπής σήματος διακόπτει αυτόματα τη ζεύξη και γίνεται αμέσως αντιληπτή. Το παρόν σύστημα, αφού ολοκληρωθεί ο ερευνητικός σκοπός για τον οποίο προορίζεται, μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την ασφαλή μεταφορά πραγματικής κίνησης δεδομένων (φωνής, εικόνας, data) μεταξύ επίγειων σημείων εγκαταστάσεων του ΠΝ για να εξυπηρετήσει πραγματικές ανάγκες του ΠΝ με ελάχιστο κόστος, λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς μέγιστης απόστασης (max 4-4,5 km), καθώς και την μέχρι τούδε μη ολοκληρωμένη δοκιμή του συστήματος σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες. Επιπλέον, η παρούσα ζεύξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση διπλωματικών εργασιών των Ν. οκίμων, σε θέματα σχετικά με διάδοση ακτινοβολίας laser στον ελεύθερο χώρο, ποιότητα μετάδοσης και διαθεσιμότητα ζεύξης. - 5/7 -
Εικόνα 5: Ασύρματη οπτική ζεύξη FSO μεταξύ ΣΝ και Φάρου Ψυττάλειας. 4. Ερευνητική Ομάδα ημοσιεύσεις Αποτελέσματα Όπως έχει αναφερθεί και παραπάνω, η ερευνητική μας ομάδα αποτελείται από επιστήμονες της Σχολής Ναυτικών οκίμων και του Τμήματος Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστήμιου Αθηνών. Πιο συγκεκριμένα: Από τη Ανώτατη Στρατιωτική Σχολή Ναυτικών οκίμων (Εργαστήριο Ηλεκτρονικής): ο Καθηγητής κ. Μ.Η. Φαφαλιός, οι Επίκουροι Καθηγητές κα Ε.Α. Καραγιάννη και κ.κ. Α.. Τσιγκόπουλος και Χ. Βαζούρας και η επιμελήτρια κα Μ. Σκλαβούνου. Απο το Τμήμα Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (Τομέας Ηλεκτρονικής, Τηλεπικοινωνιών, Υπολογιστών και Αυτομάτου Ελέγχου): οι Αναπληρωτές Καθηγητές κ.κ. Γ.Σ. Τόμπρας και Κ. Αϊδίνης, οι Επίκουροι Καθηγητές κ.κ. Ε.Ε. Νισταζάκης και Ε. Τσίλης, και οι Μεταπτυχιακοί Φοιτητές κ.κ. Α. Στασινάκης και Γ. Χρονόπουλος. Τα ερευνητικά αποτελέσματα της ομάδας έχουν δημοσιευθεί σε έγκριτα διεθνή και ελληνικά επιστημονικά περιοδικά καθώς και σε πρακτικά διεθνών συνεδρίων. Πιο συγκεκριμένα το μέχρι σήμερα δημοσιευμένο έργο της ομάδας είναι το ακόλουθο: 1) H.E. Nistazakis, G.S. Tombras, A.D. Tsigopoulos, E.A. Karagianni, and M.E. Fafalios, Capacity estimation of optical wireless communication systems over moderate to strong turbulence channels, Journal of Communications and Networks, Vol. 11, no. 4, pp. 387-392, (August 2009). 2) H.E. Nistazakis, A.D. Tsigopoulos,, M.P. Hanias, C.D. Psychogios, D. Marinos, C. Aidinis, G.S. Tombras, Average Capacity of Optical Wireless Communication Systems over Atmospheric Turbulence Channels, Special Issue of the IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 27, No. 8, pp. 974-979, April 2009. 3) H.E. Nistazakis, E.A. Karagianni, A.D. Tsigopoulos,, M.E. Fafalios, G.S. Tombras, Estimation of Outage Capacity for Free Space Optical Links Over I-K and K Turbulent Channels, Radioengineering, Special - 6/7 -
Issue towards EuCAP 2012: Emerging Materials, Methods, and Technologies in Antenna & Propagation, Vol. 20, No. 2, pp. 493-498, June 2011. 4) H.E. Nistazakis, G.S. Tombras, A.D. Tsigopoulos, E.A. Karagianni, and M.E. Fafalios, Average capacity of wireless optical communication systems over Gamma Gamma atmospheric turbulence channels, IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS 2008), Atlanta, Georgia, June 15-20, 2008, Proceedings 2008 IEEE MTT-S, Atlanta USA, pp. 1561-1564, 2008. 5) H.E. Nistazakis, G.S. Tombras, A.D. Tsigopoulos, E.A. Karagianni, and M.E. Fafalios, Average BER estimation of optical wireless communication links using OOK over turbulence channels, Mosharaka International Conference on Communications, Propagation and Electronics (MIC-CPE 2009), Amman, Jordan, February 5-8, 2009. 6) H.E. Nistazakis, G.S. Tombras, A.D. Tsigopoulos, E.A. Karagianni, and M.E.Fafalios, Average and outage capacity estimation of optical wireless communication systems over weak turbulence channels, Mosharaka International Conference on Communications, Propagation and Electronics (MIC-CPE 2009), Amman, Jordan, February 5-8, 2009. 7) Χ. Σιμάτης, Ε. Καραγιάννη, Α.. Τσιγκόπουλος, Μ. Φαφαλιός, E.Ε. Νισταζάκης και Γ.Σ. Τόμπρας, Απόδοση και αξιοπιστία συστημάτων ασύρματων οπτικών επικοινωνιών, Ναυσίβιος Χώρα, ISSN: 1791-4469, σελ. 135-150, 2008. 8) D. Marinos, H.E. Nistazakis, C. Aidinis, G.S. Tombras, M. Tsilis, A.D. Tsigopoulos and M.E. Fafalios, A simple method for the multipath effect measurement in highly dispersive wireless optical channels International Conference on Experiments/Process/System/ Modeling/Simulation and Optimization, Athens, Greece, May 2009. 9) Nistazakis H.E., Marinos D., Hanias M., Aidinis C., Tsilis M., Tombras G.S., Tsigopoulos A.D., Fafalios M.E., Estimation of Capacity Bounds of Free Space Optical Channels Under Strong Turbulence Conditions, MIKON-2010 International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications, Vilnius, Lithouania, June 14-16, 2010. 10) Nistazakis H.E., Tombras G.S., Hanias M.P., Tsigopoulos A.D., Fafalios M.E., Average Capacity Estimation of Hybrid FSO/MMW Wireless Communication Systems, IET Mosharaka International Conference on Communication, Propagation and Electronics (MIC-CPE 2010), Amman, Jordan, March 5-7, 2010, pp. 24-29. 11) Marinos D., Alexandratos G., Nistazakis H.E., Aidinis C., Tombras G.S., Tsilis M., Tsigopoulos A.D., Fafalios M.E., Manchester Coding Transmitter for Wireless Optical Communications based on TMS320C1646T DSP, 4th International Conference from Scientific Computing to Computational Engineering, 4th IC-SCCE, Athens, 7-10 July 2010, ISBN: 978-960-98941-5-9, vol. I, pp. 364-370. 12) H.E. Nistazakis, A.D. Tsigopoulos, M.P. Hanias, A. Katsis, G.S. Tombras, Bayesian Estimation of the Performance of Gamma Gamma Free Space Optical Channels, H.E. Nistazakis, A.D. Tsigopoulos, M.P. Hanias, A. Katsis, G.S. Tombras, 4 th International Conference on Experiments/Process/System Modeling/Simulation/Optimization 4 th IC-EpsMsO, Athens, 6-9 July, 2011, ISBN: 978-960-98941-7-3, vol. I, pp. 103-113. 13) V. Xarcha, A.N. Stassinakis, H.E. Nistazakis, A Tsigopoulos, G.P. Latsas, M.P. Hanias, G.S. Tombras, Wavelength Diversity for Free Space Optical Systems: Performance Evaluation over Log Normal Turbulence Channels, δημοσιεύθηκε στα Πρακτικά του MIKON-2012, 19 th International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications, Warsaw, Poland, May 21-23, 2012, ΙSBN: 978-1-61284-1436-8, vol 2, pp. 678-683. 14) Α. Stassinakis, V. Xarcha, H.E. Nistazakis, A.D. Tsigopoulos, G.S. Tombras, Evaluation of Performance Metrics for Free Space Optical Links with Time-Diversity Modeled with the I-K Distribution, δημοσιεύθηκε στα Πρακτικά του 5 th International Conference from Scientific Computing to Computational Engineering 5 th IC-SCCE, Athens, 4-7 July, 2012, ISBN: 978-618-80115-1-9, vol. I, pp. 211-218. - 7/7 -