AT513764B1 - Verfahren und Vorrichtung zur sicheren optischen Datenübertragung - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass um den optischen Strahl ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richtfunkstrecke aufgebaut wird, die Verteilung der Feldstärke erfasst und damit die Ausrichtung der Antennen geregelt, die Ausrichtung des optischen Senders und Empfängers unterstützt wird und störende Objekte, die sich zwischen Empfänger und Sender schieben, durch partieller Abschwächung der Randübertragung erkannt werden, oder dass um den optischen Strahl weitere konzentrisch angeordnete optische Kanäle aufgebaut sind, mit denen die Ausrichtung der optischen Sender und Empfänger unterstützt wird und störende Objekte, die sich zwischen Empfänger und Sender schieben, durch partiellen Ausfall oder Abschwächung der Randübertragung, erkannt werden, wobei die Richtfunkstrecke bzw. die weiteren optischen Kanäle immer nur kurzfristig aufgebaut wird/werden, wobei Dauer und Wiederholrate von der Relativgeschwindigkeit zwischen den Antennen bzw. der optischen Sender und Empfänger und den Ausbreitungsverhältnissen der elektromagnetischen Wellen abhängt.

Description

Beschreibung

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SICHEREN OPTISCHEN DATENÜBERTRAGUNG

[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung und Vor¬richtungsdetails dafür.

[0002] Optische Datenübertragung über Laser oder fokusierte Leuchtdioden stellt eine sehrsichere Datenübertragungsmöglichkeit dar. Wird der Strahl aber unterbrochen, so hört dieÜbertragung schlagartig auf, ist die Unterbrechung kurzfristig, etwa verursacht durch ein Flug¬objekt, so wird der dadurch entstehende Fehler durch das Übertragungsprotokoll des Systems(z.B. Anforderung zur neuen Sendung des verlorenen Datenpakets) beseitigt. Es kann aberauch zu dauerhafter Unterbrechung durch neue Gebäude, Gerüste, Bäume im Sichtkanalkommen. Dies kann nahezu ohne Vorwarnung durch bauliche Maßnahmen geschehen.

[0003] Laserübertragung kann aber auch bei der Fernsteuerung und Datenübertragung einesbewegten Objekts (z.B. eines Flugobjekts) dienen. Die Bodenstation befindet sich z.B. in einemAuto und das Flugobjekt kann einige km entfernt sein. Es muss für die Laserfrequenz Sichtver¬bindung herrschen, das muss aber nicht für das sichtbare Licht gelten. Durch Nebel etwa istkein direkter Sichtkontakt zum Flugobjekt möglich. Es kann nun Vorkommen, dass auch derLaserkontakt bedingt durch die niedrige Flughöhe, weite Entfernung von der Basisstation unddie Geländegegebenheiten abreißt.

[0004] Um den optischen Kontakt sicherzustellen ist ein recht großer Aufwand zu treiben. Sowerden z.B. mehrere Empfängerdioden verwendet und aus dem Auftreffen des Laserstrahls aufdiese Empfängerdioden wird die Position geregelt (vergleiche auch Spurregelung in einem CDPlayer). Ein anderes Konzept arbeitet mit einem Kamerasystem. Man regelt dann so, dass derStrahl immer im Zentrum des Kamerachips ankommt. Man erkennt, dass hier eine sehr rascheRegelung erforderlich ist und wenn der Strahl aus dem kleinen Bereich, in dem sich die Sens¬ordioden befinden, oder aus dem Bereich der Kamera fällt (hier kann durch eine zusätzlicheOptik ein breiterer Bereich überstrichen werden), wird es schwierig den Kontakt wieder herzu¬stellen.

[0005] Um den abrupten Abbruch zu vermeiden wird hier nun vorgeschlagen, dass um denoptischen Kanal ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richtfunkstrecke oder in einem ge¬wissen Abstand um den eigentlichen Datenkanal weitere optische Strecken, die aber nicht zurDatenübertragung herangezogen werden müssen, angeordnet sind. Die Antenne für den Richt¬funkkanal oder die optischen Sender und Empfänger für den Schirm können mechanisch mitdem Servosystem für die Ausrichtung der für die optische Datenübertragung genutzten Senderund Empfänger verbunden sein und gleichzeitig als zusätzliche Hilfe für die Positionierunggenutzt werden. Nebenbei sei angemerkt, dass man den Schutzschild zusätzlich auch zumDatentransfer nutzen kann.

[0006] Um Gewicht und Abmessungen zu sparen kann die notwendige Antenne, typischer¬weise eine Parabolantenne, nur aus einem Trägergerüst mit Teilflächen des Parabolspiegelsausgeführt sein. Wesentlich ist die Richtcharakteristik. Daher sind natürlich auch Hornstrahlergeeignet. Die neueren Entwicklungen in der Antennentechnik haben auch Richtantennen inStreifenleitertechnik, sektionale Flächenantennen, Antennenfelder und ähnliches gebracht, diegerade bei der gegenständlichen Anwendung durch die Kompaktheit und daher geringes Ge¬wicht Vorteile bringen. Dadurch wird auch die mechanische Positionierung erleichtert. DerKontakt zwischen den zwei Stationen über die Richtfunkstrecke muss nicht dauernd vorhandensein. Es genügen kurze Pulsungen mit entsprechender Wiederholrate. Um die Abhörsicherheitzu steigern kann die spread spectrum Technik und das frequency hopping Verfahren verwendetwerden.

[0007] Das vorgeschlagene Konzept ist besonders bei großen Datenmengen, wie sie bei derOberflächenanalyse, geologischen und geodätischen Analysen, bei der Luftbildarchäologie undähnlichem auftreten und wenn eine störsichere Übertragung gefordert ist, sinnvoll.

[0008] Wie aus der Hochfrequenztechnik bekannt, wird bei einer Richtfunkübertragung einGroßteil der Nutzenergie im ellipsenförmigen Bereich (1. Fresnelellipsoid) um die Verbindungs¬achse zwischen Sender und Empfänger übertragen. Die Halbachse dieses Rotationsellipsoids r hängt vom Abstand 1 und der Wellenlänge λ gemäß r = *Jl-λ ab.

[0009] Kommt nun ein Objekt in den hochfrequenten oder optischen Schutzschild, so kommt esdort zu einer Abschwächung des Signals und man kann rechtzeitig Maßnahmen setzen (z.B.die Flughöhe des Flugobjekts steigern), bevor die eigentliche Datenübertragung zusammenbricht. Bei einer fixen optischen Datenübertragung zwischen hohen Gebäuden in Städten kön¬nen so auch Versuche des Abhörens der Daten erkannt werden.

[0010] Im Folgenden soll der Stand der Technik an Hand der Patentliteratur behandelt werden.

[0011] US 2011/0286749 A1 (SCHOON, P.) zeigt eine optische Freiraumübertragung bei der,bedingt durch die Strahlaufweitung, mehrere Sender auf einen Empfänger strahlen, wobei alleSender zur Datenübertragung dienen.

[0012] US 2009/0162071 A1 (REFAI, H.; et. al.) zeigt ein System zur Nachstellung derTransceiver-Anlagen. Ein Strahl wird über mehrere Empfänger aufgenommen und dient zurAusrichtung. Dabei wird von einem Signal ohne zusätzliche Sendesignale ausgegangen.

[0013] US 6804422 B1 (BAJORINS, D.P.; et. al.) zeigt eine optische Datenübertragung imFreiraum. Durch geschickte Aufspreizung des Strahls kann die Lage des Empfängers entspre¬chend nachgestellt werden.

[0014] WO 01/52450 A2 (LIGHTPOINT COMMUNICATIONS INC.), WO 2011/154057 A1 (TE-LEFONAKTIEBOLAGET L M ERICCSON) und WO 02/32020 A1 (XO COMMUNICATIONS,INC.) beschreibt Hybridsysteme aus optischer und Funkübertragung, bei der die Datenübertra¬gung entsprechend der Kanalqualität entweder optisch oder über Funk erfolgt. Es geht wesent¬lich um die Qualität der Übertragung z.B. in Abhängigkeit der Witterungsbedingungen.

[0015] In keinem dieser Dokumente wird die Schutzmaßnahme durch die den Datenkanalumgebenden optischen Strahlen oder durch den umgebenden Richtfunk und die dadurch er¬möglichte Hilfe bei der Ausrichtung der Empfangs- bzw. Sendevorrichtung durch den, denoptischen Kanal umgebenden optischen oder funktechnischen Strahlenmantel, beschrieben.

[0016] Die Erfindung soll noch mit einigen Skizzen erläutert werden.

[0017] Fig. 1 und Fig. 2 zeigen den prinzipiellen Aufbau.

[0018] Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen Schnitte durch den Übertragungskanal und [0019] Fig. 6 skizziert den Aufbau eines rein optischen Schutzschilds.

[0020] In Fig. 1 strahlt eine Sendestation Si ein Richtfunksignal oder sendet zusätzliche opti¬sche Signale aus, die zweite Station ist eine reine Empfangsstation E2. In Fig. 2 sind beideStationen SEi und SE2 sowohl Sender als auch Empfänger für das Richtfunksignal oder diezusätzlichen optischen Kanäle. Die strichlierten Linien deuten die Ausbreitung der gerichtetenStrahlung an. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Übertragungskanal. Innen erfolgt die eigentli¬che zu schützende Datenübertragung, umgeben von Zonen unterschiedlicher Felddichte. Ausder Lage und der Feldstärke des empfangenen Signals können dann die Nachstellvorrichtun¬gen entsprechend angesteuert werden. Dies geschieht über Regelkreise, die die Feldstärkedurch Nachstellen der Antennen oder der optischen Sende- oder Empfangsvorrichtungen ma¬ximieren. In Fig. 4 werden durch die kreuzschraffierten Kreise die Bereiche angedeutet, indenen das optische oder Richtfunksignal ausgewertet und zur Korrektur der Antennenlage oderder Lage der optischen Vorrichtungen der zusätzlichen optischen Kanäle verwendet wird. Fig. 5deutet an, dass im Schutzschild auch ein Rückkanal untergebracht werden kann, der auf eineranderen Frequenz arbeitet und über den ein Austausch zwischen den Stationen ermöglichtwird. Die Lage der Polaristion der Welle der Richtfunkstrecke kann auch zur Erkennung vonstörenden Objekten und zur Optimierung der Lage der Antenne herangezogen werden. Fig. 6skizziert eine rein optische Vorrichtung. Die Sendediode SD strahlt in einem räumlich sehr engen Bereich (angedeutet durch die dick strichlierte Linie). Der diesen Kanal umgebendeRahmen wird durch eine weitere Diode RD erzeugt und über die Optik, die durch die Einspiege¬lungsvorrichtung angedeutet ist, um den eigentlichen Datenkanal gelegt (angedeutet durch dieLinie aus längeren und kürzeren Strichen). Weiters sind auf der Empfängerseite positionsemp¬findliche Empfängerdioden PD1 bis PDn angedeutet. Durch Gewichtung der Empfangssignaledieser Empfängerdioden PD1 bis PDn können die Lage des Strahls erkannt und die erforderli¬chen Maßnahmen zur Veränderung eingeleitet werden. Fig. 7 skizziert beispielhaft eine Vorrich¬tung. Um den Hauptkanal 1 wird an drei Stellen 2 das Signal des Schutzmantels erfasst. DieseEmpfangssignale werden durch Verstärker 3 aufbereitet und durch Abtast-Halteglieder zeitlichdiskretisiert. Im folgenden Block 5 (z.B. ein Signalprozessor), erfolgt die Datenverarbeitung. Ausden Messsignalen wird der notwendige Sollwert der Position der Antenne bestimmt. BesondersAbschwächungen oder Unterbrechungen des Empfangssignals zeigen das Eindringen vonunerwünschten Objekten in den Übertragungskanal an. Hier hängt die Reaktion davon ab, wasin den Schutzschirm eindringt. Ein Vogelschwarm sollte z.B. keinen Einfluss haben, aber dasVerschwinden des Flugobjekts hinter dem Horizont muss eine sofortige Reaktion auslösen undzur Anhebung der Höhe des Flugobjekts führen. Es sei hier besonders angemerkt, dass beieiner Verbindung mit einem Flugobjekt die Reaktion im Flugobjekt durch Veränderung derPosition des Flugobjekts bewerkstelligt wird. Der Block 5 stellt also im weitesten Sinne daserforderliche Rechenwerk, mit dem die Position und Ausrichtung der Antenne bestimmt wird,dar. Die Position der Antenne wird z.B. bei der Bodenstation in zwei Achsen gesteuert. Für jedeAchse gibt es einen Soll-Istwertvergleich 6, mit dem der Fehler der Position bestimmt und ei¬nem Regler zugeführt wird. Dieser greift auf das Stellglied 8 (z.B. Konverter für den Schrittmo¬tor) und damit auf den Aktuator 9 ein. 10 symbolisiert die Positionserfassung.

[0021] Ein Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung wird erfindungsgemäßdadurch erzielt, dass um den optischen Strahl ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richt¬funkstrecke angeordnet wird, die Verteilung der Feldstärke gemessen und damit die Ausrich¬tung der Antennen geregelt, die Ausrichtung des optischen Senders und Empfängers auf ma¬ximale Signalfeldstärke optimiert wird und störende Objekte, die sich zwischen Empfänger undSender schieben, durch partielle Abschwächung der Randübertragung, detektiert werden, oderdass um den optischen Strahl weitere konzentrisch angeordnete optische Kanäle angeordnetsind, mit denen die Ausrichtung der optischen Sender und Empfänger hinsichtlich maximalerSignalfeldstärke optimiert wird und störende Objekte, die sich zwischen Empfänger und Senderschieben, durch partiellen Ausfall oder Abschwächung der zusätzlichen optischen Kanäle de¬tektiert werden.

[0022] Weiters, dass die Richtfunkstrecke bzw. die weiteren optischen Kanäle immer nur kurz¬fristig aktiviert wird/werden, wobei Dauer und Wiederholrate von der Relativgeschwindigkeitzwischen den Antennen oder der optischen Sender und Empfänger und der Signalstärke, be¬dingt durch die Ausbreitungsverhältnissen der elektromagnetischen Wellen, abgeleitet werden.Dabei wird anhand der lokalen Schwächung der Empfangsstärke des hochfrequenten Schirmsoder der begleitenden optischen Kanäle die Eindringrichtung eines störenden Objekts erkanntund daraus eine Lageänderung des Senders und/oder des Empfängers für einen weiterenstörungsfreien Betrieb bestimmt.

[0023] Die Vorrichtung zur störsicheren optischen Datenübertragung wird erfindungsgemäßdadurch realisiert, dass um den optischen Strahl ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richt¬funkstrecke angeordnet wird, als Richtantennen für die Richtfunkübertragung sektionale Flä¬chenantennen, oder Streifenleiterrichtantennen, oder Antennenfelder, oder Parabolspiegel, oderTeile von Parabolspiegeln, oder Hornstrahler verwendet werden, oder dass um den optischenStrahl weitere konzentrisch plazierte optische Kanäle, bestehend aus Sendern und Empfän¬gern, angeordnet sind.

[0024] Dabei wird mittels mehrerer Empfänger die Signalstärke der Empfangssignale an mehre¬ren nahe beieinander liegenden Stellen ermittelt und mittels einer Rechenvorrichtung die Aus¬richtung des Feldes und daraus die optimale Lage der Antennen und der optischen Übertra¬gungsstrecke berechnet und diese dann über Servovorrichtungen eingestellt.

[0025] Dabei wird mittels mehrerer Empfänger die Signalstärke der Empfangssignale an mehre¬ren nahe beieinander liegenden Stellen ermittelt, die Störung beim Eindringen von störendenObjekten in den Übertragungskanal aus der Abschwächung der Signalstärke der verschiedenenEmpfangskanäle mittels Rechenvorrichtung detektiert, die Position der Störung aus der Vertei¬lung der Signalstärke mittels Rechenvorrichtung berechnet und daraus die notwendige Lageän¬derung des Übertragungskanals mittels Rechenvorrichtung berechnet und über ein Servosys-tem eingestellt.

[0026] Bei der Verwendung eines Richtfunkschirms kann auch mittels eines Empfängers beimEindringen von störenden Objekten in den Übertragungskanal die Störung aus der Veränderungder gemessenen Polarisation des Richtfunksignals erkannt werden, die Position der Störungaus der Verteilung der Signalstärke mittels Rechenvorrichtung berechnet und daraus die not¬wendige Lageänderung des Übertragungskanals mittels Rechenvorrichtung berechnet und überein Servosystem eingestellt werden.

[0027] Die Richtfunkstrecke oder die zusätzlichen optischen Übertragungsstrecken könnenauch zum zusätzlichen Austausch von Daten dienen.

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung dadurch gekennzeichnet, dassum den optischen Strahl ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richtfunkstrecke ange¬ordnet wird, die Verteilung der Feldstärke gemessen und damit die Ausrichtung der Anten¬nen geregelt, die Ausrichtung des optischen Senders und Empfängers auf maximale Sig¬nalfeldstärke optimiert wird und störende Objekte, die sich zwischen Empfänger und Sen¬der schieben, durch partielle Abschwächung der Randübertragung detektiert werden, oderdass um den optischen Strahl weitere konzentrisch angeordnete optische Kanäle angeord¬net sind, mit denen die Ausrichtung der optischen Sender und Empfänger hinsichtlich ma¬ximaler Signalfeldstärke optimiert wird und störende Objekte, die sich zwischen Empfängerund Sender schieben, durch partiellen Ausfall oder Abschwächung der zusätzlichen opti¬schen Kanäle detektiert werden.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Richtfunkstrecke oderdie weiteren optischen Kanäle immer nur kurzfristig aktiviert wird/werden, wobei Dauer undWiederholrate von der Relativgeschwindigkeit zwischen den Antennen oder der optischenSender und Empfänger und der Signalstärke, bedingt durch die Ausbreitungsverhältnisseder elektromagnetischen Wellen, abgeleitet werden.
3. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anhand der lokalen Schwä¬chung der Empfangsstärke des hochfrequenten Schirms oder der begleitenden optischenKanäle die Eindringrichtung eines störenden Objekts erkannt und daraus eine Lageände¬rung des Senders und/oder des Empfängers für einen weiteren störungsfreien Betrieb be¬stimmt wird.
4. 4. Vorrichtung zur störsicheren optischen Datenübertragung dadurch gekennzeichnet, dassum den optischen Strahl ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richtfunkstrecke ange¬ordnet wird, als Richtantennen für die Richtfunkübertragung sektionale Flächenantennen,oder Streifenleiterrichtantennen, oder Antennenfelder, oder Parabolspiegel, oder Teile vonParabolspiegeln, oder Hornstrahler verwendet werden, oder dass um den optischen Strahlweitere konzentrisch plazierte optische Kanäle, bestehend aus Sendern und Empfängern,angeordnet sind.
5. 5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass mittels mehrerer Empfän¬ger die Signalstärke der Empfangssignale an mehreren nahe beieinander liegenden Stellenermittelt wird und mittels einer Rechenvorrichtung die Ausrichtung des Feldes und darausdie optimale Lage der Antennen und der optischen Übertragungsstrecke berechnet wirdund diese dann über Servovorrichtungen eingestellt werden.
6. 6. Vorrichtung gemäß Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dassmittels mehrerer Empfänger die Signalstärke der Empfangssignale an mehreren nahe bei¬einander liegenden Stellen ermittelt wird, die Störung beim Eindringen von störenden Ob¬jekten in den Übertragungskanal aus der Abschwächung der Signalstärke der verschiede¬nen Empfangskanäle mittels Rechenvorrichtung detektiert wird, die Position der Störungaus der Verteilung der Signalstärke mittels Rechenvorrichtung berechnet wird und darausdie notwendige Lageänderung des Übertragungskanals mittels Rechenvorrichtung berech¬net und über ein Servosystem eingestellt wird.
7. 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass mittels einesEmpfängers beim Eindringen von störenden Objekten in den Übertragungskanal die Stö¬rung aus der Veränderung der gemessenen Polarisation des Richtfunksignals erkannt wird,die Position der Störung aus der Verteilung der Signalstärke mittels Rechenvorrichtung be¬rechnet wird und daraus die notwendige Lageänderung des Übertragungskanals mittelsRechenvorrichtung berechnet und über ein Servosystem eingestellt wird.
8. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Richt¬funkstrecke oder die zusätzlichen optischen Übertragungsstrecken auch zum zusätzlichenAustausch von Daten dienen. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen