AT513764A1 - 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 partiellem 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

Verfahren und Vorrichtung zur sicheren optischen Datenübertragung

Die Erfindung betrifft Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung und Vorrichtungsdetails dafür.

Optische Datenübertragung über Laser oder fokusierte Leuchtdioden stellt eine sehr sichere Datenübertragungsmöglichkeit dar. Wird der Strahl aber unterbrochen, so hört die Übertragung schlagartig auf, ist die Unterbrechung kurzfristig, etwa verursacht durch ein Flugobjekt, so wird der dadurch entstehende Fehler durch das Übertragungsprotokoll des Systems (z.B. Anforderung zur neuen Sendung des verlorenen Datenpakets) beseitigt. Es kann aber auch zu dauerhafter Unterbrechung durch neue Gebäude, Gerüste, Bäume im Sichtkanal kommen. Dies kann nahezu ohne Vorwarnung durch bauliche Maßnahmen geschehen.

Laserübertragung kann aber auch bei der Fernsteuerung und Datenübertragung eines bewegten Objekts z.B. ein Flugobjekt dienen. Die Bodenstation befindet sich z.B. in einem Auto und das Flugobjekt kann einige km entfernt sein. Es muss für die Laserfrequenz Sichtverbindung herrschen, das muss aber nicht für das sichtbare Licht gelten. Durch Nebel etwa ist kein direkter Sichtkontakt zum Flugobjekt möglich. Es kann nun Vorkommen, dass auch der Laserkontakt bedingt durch die niedrige Flughöhe, weite Entfernung von der Basisstation und die Geländegegebenheiten abreißt.

Um den optischen Kontakt sicherzustellen ist ein recht großer Aufwand zu treiben. So werden z.B. mehrere Empfangerdioden verwendet und aus dem Auftreffen des Laserstrahl auf diese Empfängerdioden wird die Position geregelt (vergleiche auch Spurregelung in einem CD Player). Ein anderes Konzept arbeitet mit einem Kamerasystem. Man regelt dann so, dass der Strahl immer im Zentrum des Kamerachips ankommt. Man erkennt, dass hier eine sehr rasche Regelung erforderlich ist und wenn der Strahl aus dem kleinen Bereich in dem sich die Sensordioden befinden aber aus dem Bereich der Kamera fallt (hier kann durch eine zusätzliche Optik ein breiterer Bereich überstrichen werden) wird es schwierig den Kontakt wieder herzustellen.

Um den abrupten Abbruch zu vermeiden wird hier nun vorgeschlagen, dass um den optischen Kanal ein hochfrequenter Schirm in Form einer Richtfunkstrecke oder in einem gewissen Abstand um den eigentlichen Datenkanal weitere optische Strecken, die aber nicht zur Datenübertragung herangezogen werden müssen, angeordnet sind. Die Antenne für den Richtfunkkanal oder die optischen Sender und Empfänger für den Schirm können mechanisch mit dem Servosystem für die Ausrichtung der für die optische Datenübertragung genutzten T25/fh/20121220 . .,, 1 2/14

Sender und Empfänger verbunden sein und gleichzeitig als zusätzliche Hilfe für die Positionierung genutzt werden. Nebenbei sei angemerkt, dass man den Schutzschild zusätzlich auch zum Datentransfer nutzen kann.

Um Gewicht und Abmessungen zu sparen kann die notwendige Antenne, typischerweise eine Parabolantenne nur aus einem Trägergerüst mit Teilflächen des Parabolspiegels ausgeführt, sein. Wesentlich ist die Richtcharakteristik. Daher sind natürlich auch Homstrahler geeignet. Die neueren Entwicklungen in der Antennentechnik haben auch Richtantennen in Streifenleitertechnik, sektionale Flächenantennen, Antennenfelder und ähnliches gebracht, die gerade bei der gegenständlichen Anwendung durch die Kompaktheit und daher geringes Gewicht Vorteile bringen. Dadurch wird auch die mechanische Positionierung erleichtert. Der Kontakt zwischen den zwei Stationen über die Richtfunkstrecke muss nicht dauernd vorhanden sein. Es genügen kurze Pulsungen mit entsprechender Wiederholrate. Um die Abhörsicherheit zu steigern kann die spread spectrum Technik und das frequency hopping Verfahren verwendet werden.

Das vorgeschlagene Konzept ist besonders bei großen Datenmengen, wie sie bei der Oberflächenanalyse, geologischen und geodätischen Analysen, bei der Luftbildarcheologie und ähnlichem auftreten und wenn eine störsichere Übertragung gefordert ist, sinnvoll.

Wie aus der Hochfrequenztechnik bekannt wird bei einer Richtfunkübertragung ein Großteil der Nutzenergie im ellipsenförmigen Bereich (1. Fresnelellipsoid) um die Verbindungsachse zwischen Sender und Empfänger übertragen. Die Halbachse dieses Rotationsellipsoids r hängt vom Abstand 1 und der Wellenlänge λ gemäß r = VTa ab.

Kommt nun ein Objekt in den hochfrequenten oder optischen Schutzschild, so kommt es dort zu einer Abschwächung des Signals und man kann rechtzeitig Maßnahmen setzen (z.B. die Flughöhe des Flugobjekts steigern), bevor die eigentliche Datenübertragung zusammen bricht. Bei einer fixen optischen Datenübertragung zwischen hohen Gebäuden in Städten können so auch Versuche des Abhörens der Daten erkannt werden.

Die Erfindung soll noch mit einigen Skizzen erläutert werden. Fig. 1 und Fig. 2 zeigen den prinzipiellen Aufbau. Fig. 3 bis Fig. 5 zeigen Schnitte durch den Übertragungskanal und Fig. 6 skizziert den Aufbau eines rein optischen Schutzschilds.

In Fig. 1 strahlt eine Sendestation (Si) ein Richtfunksignal oder sendet zusätzliche optische Signale aus, die zweite Station ist eine reine Empfangsstation (E2). In Fig. 2 sind beide Stationen (SEi) und (SE2) sowohl Sender als auch Empfänger für das Richtfunksignal oder T25/fh/20121220 3/14 2 die zusätzlichen optischen Kanäle. Die strichlierten Linien deuten die Ausbreitung der gerichteten Strahlung an. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Übertragungskanal. Innen erfolgt die eigentliche zu schützende Datenübertragung, umgeben von Zonen unterschiedlicher Felddichte. Aus der Lage und der Feldstärke des empfangenen Signals können dann die Nachstellvorrichtungen entsprechend angesteuert werden. Dies geschieht über Regelkreise, die die Feldstärke durch Nachstellen der Antennen oder der optischen Sende- oder Empfangsvorrichtungen maximieren. In Fig. 4 werden durch die kreuzschraffierten Kreise die Bereiche angedeutet, in denen das optische oder Richtfunksignal ausgewertet und zur Korrektur der Antennenlage oder der Lage der optischen Vorrichtungen der zusätzlichen optischen Kanäle verwendet wird. Fig. 5 deutet an, dass im Schutzschild auch ein Rückkanal untergebracht werden kann, der auf einer anderen Frequenz arbeitet und über den ein Austausch zwischen den Stationen ermöglicht wird. Die Lage der Polaristion der Welle der Richtfunkstrecke kann auch zur Erkennung von störenden Objekten und zur Optimierung der Lage der Antenne herangezogen werden. Fig. 6 skizziert eine rein optische Vorrichtung. Die Sendediode (SD) strahlt in einem räumlich sehr engen Bereich (angedeutet durch die dick strichlierte Linie). Der diesen Kanal umgebende Rahmen wird durch eine weitere Diode (RD) erzeugt und über die Optik, die durch die Einspiegelungsvorrichtung angedeutet ist, um den eigentlichen Datenkanal gelegt (angedeutet durch die Linie aus längeren und kürzeren Strichen). Weiters sind auf der Empfangerseite positionsempfindliche Empfängerdioden (PD1) bis (PDn) angedeutet. Durch Gewichtung der Empfangssignale dieser können die Lage des Strahls erkannt und die erforderlichen Maßnahmen zur Veränderung eingeleitet werden. Fig. 7 skizziert beispielhaft eine Vorrichtung. Um den Hauptkanal (1) wird an drei Stellen (2) das Signal des Schutzmantels erfasst. Diese Empfangssignale werden durch Verstärker (3) aufbereitet und durch Abtast-Halteglieder zeitlich diskretisiert. Im folgenden Block (5) z.B. ein Signalprozessor, erfolgt die Datenverarbeitung. Aus den Messsignalen wird der notwendige Sollwert der Position der Antenne bestimmt. Besonders Abschwächungen oder Unterbrechungen des Empfangssignals zeigen das Eindringen von unerwünschten Objekten in den Übertragungskanal an. Hier hängt die Reaktion davon ab, was in den Schutzschirm eindringt. Ein Vogelschwarm sollte z.B. keinen Einfluss haben, aber das Verschwinden des Flugobjekts hinter dem Horizont, muss eine sofortige Reaktion auslösen und zur Anhebung der Höhe des Flugobjekts führen. Es sei hier besonders angemerkt, dass bei einer Verbindung mit einem Flugobjekt die Reaktion im Flugobjekt durch Veränderung der Position des Flugobjekts bewerkstelligt wird. Der Block (5) stellt also im weitesten Sinne das erforderliche Rechenwerk, mit dem die Position und T25/fh/20121220 4/14 3

Ausrichtung der Antenne bestimmt wird, dar. Die Position der Antenne wird z.B. bei der Bodenstation in zwei Achsen gesteuert. Für jede Achse gibt es einen Soll-Istwertvergleich (6) mit dem der Fehler der Position bestimmt und einem Regler zugeführt wird. Dieser greift auf das Stellglied (8) (z.B. Konverter für den Schrittmotor) und damit auf den Akzuator (9) ein. (10) symbolisiert die Positionserfassung.

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 partiellem Ausfall oder Abschwächung der zusätzlichen optischen Kanäle, erkannt werden, wobei die Richtfunkstrecke bzw. die weiteren optischen Kanäle immer nur kurzfristig aufgebaut wird/werden und die Dauer und Wiederholrate von der Relativgeschwindigkeit zwischen den Antennen bzw. der optischen Sender und Empfänger und den Ausbreitungsverhältnissen der elektromagnetischen Wellen abhängt. Für die Vorrichtung gilt dabei, dass als Richtantennen für die Richtfunkübertragung sektionale Flächenantennen, oder Streifenleiterrichtantennen, oder Antennenfelder, die eine Gewichtung des Punktes der maximalen Empfangsfeldstärke gestatten, verwendet werden, oder dass als Richtantennen für die Richtfunkübertragung Parabolspiegel oder Teile von Parabolspiegeln oder Homstrahler verwendet werden.

Wird ein Richtfunkschirm verwendet, dann gilt, dass aus der Empfangsfeldstärke an mehreren nahe beieinander liegenden Stellen über eine Rechenvorrichtung die Ausrichtung des Feldes bestimmt wird und daraus die optimale Lage der Antenne berechnet und diese dann über Servovorrichtungen eingestellt wird. Weiters, dass die Antennenausrichtung, bzw. die Position der optischen Übertragungseinrichtung in Folge von Eindringen von störenden Objekten in den Übertragungskanal entsprechend in der Lage verändert wird. Verwendet man polarisierte Richtfunksignale, so kann über die Ausrichtung der Polarisation des Empfangssignals der Richtfunkstrecke der Ort der Interferenz berechnet und daraus die erforderliche Position der Antenne bestimmt werden. Weiters sei angemerkt, dass die T25/fh/20121220 5/14 4 ···· ·· · Μ ···· ·· · Μ ·· ··· • ··♦ ··

Richtfunkstrecke bzw. die zusätzlichen optischen Übertragungsstrecken auch zum zusätzlichen Austausch von Daten dienen können. T25/fh/20121220 6/14 5

Claims (9)

1. ··· ··· · ········ ··

   • · · • ··· ·· Patentansprüche 1. Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung dadurch gekennzeichnet, 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.
2. 2. Verfahren zur störsicheren optischen Datenübertragung dadurch gekennzeichnet, 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 partiellem Ausfall oder Abschwächung der zusätzlichen optischen Kanäle, erkannt werden.
3. 3. Verfahren gemäß Ansprach 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass 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.
4. 4. Vorrichtung gemäß Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Richtantennen für die Richtfunkübertragung sektionale Flächenantennen, oder Streifenleiterrichtantennen, oder Antennenfelder, die eine Gewichtung des Punktes der maximalen Empfangsfeldstärke gestatten, verwendet werden.
5. 5. Vorrichtung gemäß Verfahren nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass als Richtantennen für die Richtfunkübertragung Parabolspiegel oder Teile von Parabolspiegeln oder Homstrahler verwendet werden.
6. 6. Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass aus der Empfangsfeldstärke an mehreren nahe beieinander liegenden Stellen über eine Rechenvorrichtung die Ausrichtung des Feldes bestimmt wird und daraus die optimale Lage der Antennen berechnet wird und diese dann über Servovorrichtungen eingestellt wird. T25/fh/20121220 7/14 6
7. 7. Vorrichtung gemäß Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenausrichtung, bzw. die Position der optischen Übertragungseinrichtung in Folge von Eindringen von störenden Objekten in den Übertragungskanal entsprechend in der Lage verändert wird.
8. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass über die Ausrichtung der Polarisation des Empfangssignals der Richtfunkstrecke der Ort der Interferenz berechnet und daraus die erforderliche Position der Antenne bestimmt wird.
9. 9. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, 5, 6, 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Richtfunkstrecke bzw. die zusätzlichen optischen Übertragungsstrecken auch zum zusätzlichen Austausch von Daten dienen. T25/fh/20121220 8/14 7