Optický přenos dat vzduchem v komunitních datových sítích

1. Karel Kulhavý Optický přenos dat vzduchemv komunitních datových sítích

2. Projekt Ronja • 1998: Pokusy s infra na dálku jen tak pro zábavu • 2004: Svobodná technologie • 10Mbps full duplex • 1.4km • Zatím stále DIY (postav si sám) • 60 běžících spojů

3. Sousedská (komunitní) síť • Počítačová síť TCP/IP • Každý spoj (jiná) fyzická osoba • Technologie musí být levná • Velký průměr grafu, cykly • Velká diverzita HW i SW • Decentralizace • Bezdrátové technologie • WiFi (IEEE 802.11b) • Ronja

4. Ronja: Výhody • Odolnost vůči rušení • Legislativní volnost světelného spektra • Elektromagnetický smog • Odposlech • Principiální jednoduchost • Škálovatelnost do budoucna • Průchodnost • Full duplex

5. Ronja: Nevýhody • Výpadky za mlhy • Viz grafy • Pevné uchycení • Pouze PtP topologie • Dosah • Exponenciální útlum atmosféry • Mechanika • Váha 10-20kg • Práce • Zatím žádný řemeslník nevyrábí

6. WiFi: Výhody • Cena • Hotové řešení • Snadno se sežene v obchodě • Dosah • Úzce směrové antény, čisté spektrum -> několik km • Snadná montáž • Nenáročná na přesné úhlové zaměření • Stožáry se kývají ve větru

7. WiFi: Nevýhody • Přenosová rychlost • 11Mbps fyzická vrstva • Mnoho režie, prakticky cca. 5Mbps half duplex, tzn. 2.5Mbps “full duplex” • Zarušené volné odpadní pásmo • 2.45GHz magnetrony, mikrovlnka typ. 1500mW EIRP • Neustále rostoucí počet nasazovaných zařízení WiFi i ostatní • 13 kanálů, z toho jen 3 nepřekrývající se • Nad centrem Prahy přestává být použitelné • Právo kdo dřív přijde ten dřív mele, řeší ČTÚ • Mnoho provozovatelů překračuje povolený výkon 100mW EIRP • Half Duplex, CSMA/CA • Špatné chování při větším % vytížení

8. Kombinace Ronja+Wifi • Spolehlivost • Průchodnost • Speciální požadavky na SW • Nutnost okamžité a přesné detekce výpadku • Přepnutí trasy pomocí OSPF (Zebra, Quagga)

9. Dosah spojů • Ronja • Exponenciální útlum při mlze, déšť OK • Viditelnost = 17dB útlum • Divergence 4mrad FWHM • Dosah 1.4km při HPWT-BD00-F4000, 4km viditelnosti a 130mm aperturách • Nezávisí na zarušení, bílý šum od Slunce • WiFi • Dosah závisí na zarušení • Málo směrová (7-14dBi): stovky m - 1km • Hodně směrová (24dBi): kilometry • Vadí trochu déšť, mlha moc ne

10. Požadavky na Ronju • Spolehlivost • Dlouhodobá mechanická stabilita • Snadnost výroby • Běžné “domácí” výrobní operace • Dostupnost součástek • Kusově dostupné jen “general purpose” • Cena materiálu • Opět “general purpose “materiál

11. Struktura Ronji 1/3 • Paketové rozhran í • IEEE 802.3 • Překódování mezer • Komerce: zákaznický obvod • Ronja: MSI (technologie HCMOS) • Kabeláž • Komerce: TP nebo optika, zvlášť napájení • Ronja: 2 xkoaxiál 75Ω, napájení stíněním

12. Struktura Ronji 2/3 • Optické hlavice • Komerce: hliníkový frézovaný odlitek • Ronja: trubky a víčka od kamen, silikonový tmel • Vysílací elektronika • Červená LED HPWT-BD00-E4000 (23 Kč ;-) ) • Přijímací elektronika • Ronja: zesilovač bez zpětné vazby • Komerce: transimpedanční zesilovač • PIN dioda BPW43/SFH203 (20Kč ;-) ) • Vytápění čoček

13. Struktura Ronji 3/3 • Držák • Slouží k nastavení směru • Komerce: různé patentované konstrukce • Ronja: profily, M10 šrouby • Jemné zaměřování: silentbloky • Konzole • Mechanický interface pro budovu • 5 druhů pro různé situace • Komín, roh, stožár, zeď kolmá, zeď souběžná

14. Svobodná technologie: Výhody • Odezva od uživatelů • Zkrácený cyklus • Paralelní výroba • Odpadá distribuce, marketing atd. • Není tlak na zkracování time-to-market • Není tendence uvolňovat zabugované návrhy • Absence formální odpovědnosti • Namísto konkurence kooperace • V případě nalezení chyby si uživatelé mohou zařízení “patchnout”.

15. Svobodná technologie: Nevýhody • Omezení součástkové základny dostupností • Návrh obvodu musí být robustnější • Tolerance součástek rozmanitého původu • Musí chodit napoprvé • Není možné vyřazovat vadné kusy při výrobě • Oživování nesmí vyžadovat víc jak multimetr • Nestačí návrh, nutno napsat i výrobní návod • Omezení na návrhový SW: pouze free software

16. Ethernetový rámec • Mezirámcová mezera • Preambule • Data • EOFD • Hodinový slot 100ns

17. Rozhraní síťových karet • AUI • Páry RX, TX, kolize • Symetrický signál 75Ω • Karty se již nevyrábí • TP • Páry RX, TX • Symetrický signál 50Ω • Link integrity pulsy • Autonegotiation • Karty i switche

18. Práce s impulsy • Prodlužovač impulsů • DRC článek • Posuvný registr • Detekce rámce, ticha, 1MHz

19. 1MHz • Nesmí se vysílat ticho • Nelze rozlišit šum za ticha od slabého signálu • Optický přeslech na trase by způsobil příjem protisměru • Vycpávací signál se musí nechat snadno odlišit od rámce

20. DRC článek • Nabije se rychle ale vybíjí pomalu • Schmittův vstup • Velký rozptyl časové konstanty • Použitelný pro AUI, ale ne pro TP

21. Posuvný registr • Fixní hodiny 16MHz • Signál na async.RESET • Vstup natvrdo na 1 • Prodloužení zvolíme číslem výstupu

22. Diferenciální omezovač • Zesiluje impulsní signál • Je rychlý • Omezuje amplitudu na nastavenou úroveň • Symetrická převodní charakteristika

23. Přijímač • PIN dioda, kapacita, integrace • Integrovaný signál se zesiluje MOS tetrodou (kaskodou) • Až po zesílení derivace • Limitace, buzení koaxiálu • Dobrý šum • Bez zpětné vazby • Přepážky • Stínění

24. Vysílač • Omezovač • Preemfáze střídy • Paralelně spojená hradla • Automatické vypnutí při výpadku signálu • Zamezuje zničení diody • Vizuální diagnostika

25. Konektory • Spolehlivost • VF projde kapacitou • Spolehlivý kontakt: pozlacení nebo plastická deformace • Slabé pozlacení na povětrnosti oprýská • Letovat na střeše je typicky velmi obtížné • Svorkovnice jsou spolehlivé a levné

26. Vzdušná konstrukce • Dielektrikum vzduch • Malá permitivita • Bez dielektrických ztrát • Velké mezery mezi vodiči • 3D prostor • Malá indukčnost vodičů • Zemní plocha • Nulová indukčnost • Malý odpor • Snadná realizace přepážek

27. Tištěný spoj • Nepájivá maska • HAL • Servisní potisk • Rychlejší stavba • Nutná opatrnost při návrhu z hlediska VF

28. Použité programy • Návrh schémat: gEDA gschem • Generace seznamů součástek: gEDA gnetlist • Konverze schématu na tištěný spoj: gEDA gsch2pcb • Tištěný spoj: PCB • Prohlížení Gerber RS274-X: Gerbv • Simulace: gnucap • Prohlížení analogových dat: gnucap • Grafy: gnuplot

29. Pomocné programy • Automatizace závislostí: GNU Make • Webserver: Apache • Skriptování webových návodů: PHP • Editor: vim • Skripty: GCC, Perl • Rastrová grafika, úpravy foto: GIMP • Vektorové náčrty: Sodipodi • Mechanické výkresy: Qcad • Synchronizace galerií: Rsync • Správa verzí: CVS • Vektorizace kreseb: Autotrace

30. Odkazy • Domácí stránkahttp://ronja.twibright.com/ • Běžící spoje • Fotogalerie • Použité softwarové nástroje • CZFree.NET http://www.czfree.net/ • Největší komunitní Síť V ČR • Mapa sítě • Opencollector http://opencollector.org/ • Freesoft pro návrh HW