Optický přenos dat vzduchemv komunitních datových sítích

Karel Kulhavý

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

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

Ronja: Výhody

● Odolnost vůči rušení● Legislativní volnost světelného spektra● Elektromagnetický smog● Odposlech● Principiální jednoduchost● Škálovatelnost do budoucna● Průchodnost● Full duplex

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

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

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

● Spolehlivost● Průchodnost● Speciální požadavky na SW

– Nutnost okamžité a přesné detekce výpadku– Přepnutí trasy pomocí OSPF (Zebra, Quagga)

Kombinace Ronja+Wifi

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

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

● Paketové rozhran í– IEEE 802.3

● Překódování mezer– Komerce: zákaznický obvod– Ronja: MSI (technologie HCMOS)

● Kabeláž– Komerce: TP nebo optika, zvlášť napájení– Ronja: 2 x koaxiál 75Ω, napájení stíněním

Struktura Ronji 1/3

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

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

● 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”.

Svobodná technologie: Výhody

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

Ethernetový rámec● Mezirámcová mezera● Preambule● Data● EOFD● Hodinový slot 100ns

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

Práce s impulsy● Prodlužovač impulsů

– DRC článek– Posuvný registr

● Detekce rámce, ticha, 1MHz

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

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

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

Diferenciální omezovač● Zesiluje impulsní signál● Je rychlý● Omezuje amplitudu na nastavenou úroveň● Symetrická převodní charakteristika

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

Vysílač

● Omezovač● Preemfáze střídy● Paralelně spojená hradla● Automatické vypnutí při výpadku signálu

– Zamezuje zničení diody– Vizuální diagnostika

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

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

Tištěný spoj

● Nepájivá maska● HAL● Servisní potisk● Rychlejší stavba● Nutná opatrnost při návrhu z hlediska VF

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

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

Odkazy

● Domácí stránka http://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