Источники ограничений.
Исторически первым каналом общения людей был акустический. Связано это было с тем, что Создатель дал нам относительно симметричные органы чувств, работающие в этой области. Но рабочее расстояние, пропускная способность и избирательность (ведь случаются ситуации, когда нужно сообщить что-то определенному человеку и только ему) этого канала ограничены. Акустические каналы сохраняют и даже развивают свои позиции для возможности связи под водой. С 19-го века начинается эра применения электромагнитных способов передачи данных. Первые каналы использовали проводные средства связи, позднее к ним добавились радиосредства и, наконец, к концу 20-го века повсеместно стали применяться волоконно-оптические волноводы. Рассмотрим особенности и ограничения перечисленных каналов.
За последние двадцать лет пропускная способность каналов выросла с 56 кбит/c до 100 Гбит/с. Разработаны технологии, способные работать в случае оптических кабелей со скоростью 50 Тбит/с. Вероятность ошибки при этом сократилась с 10-5 на бит до пренебрежимо низкого уровня. Современный же лимит в несколько Гбит/с связан главным образом с тем, что люди не научились делать быстродействующие преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот. Теоретический верхний предел быстродействия каналов составляет 40-50 терабайт/c.
Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически начали использоваться первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких пар обычно составляет 3-4,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требований к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ Ethernet (
(рис 7.1) 1 – центральный проводник; 2 – изолятор; 3 – проводник-экран; внешний изоляторКоаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках возможно возникновение паразитных наводок из-за неравенства потенциалов "земли". В этом случае по экрану потекут выравнивающие токи. На рисунке 7.2 проиллюстрирована схема наводок по экрану коаксиального кабеля. Входной сигнал $$А_{вх}$$ подается через центральную жилу с одной стороны кабеля. На противоположной стороне кабель нагружен на сопротивление $$R$$, равное волновому импедансу кабеля. Если экран кабеля соединен с землей на обоих концах, то при наличии источника наводок (или неравенства потенциалов точек заземления) по экрану будет протекать переменный ток наводки.
Импульсное значение наводки $$U_н$$ будет пропорционально
$$L * DIн /Dt$$
где $$L$$ – индуктивность оплетки кабеля, а $$I_н$$ – ток наводки. В результате наводка сложится с входным сигналом. При определенных условиях это может даже привести к выходу из строя сетевого оборудования.
(рис 7.2) Схема наводок по экрану коаксиального кабеляИменно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке, хотя это, на первый взгляд, противоречит требованиям электрической безопасности. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Причина в том, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала (
Коаксиальный кабель с полосой пропускания 500 МГц при ограниченной длине может обеспечить скорость передачи несколько Гбит/сек. Предельные расстояния, для которых может быть применен кабель, составляют 10-15 км.
Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м (неэкранированные и экранированные скрученные пары категории 5 и 6), а цены на единицу длины сравнялись (сыграла здесь роль и относительная дешевизна разъемов). Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний. В таблице 7.1 приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.
| Стандартный кабель | Широкополосный | |
|---|---|---|
| Максимальная длина канала | 2 км | 10-15 км |
| Скорость передачи данных | 1-50 Мбит/с | 100-140 Мбит/с |
| Режим передачи | полудуплекс | Полный дуплекс |
| Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок | 50 дБ | 85 дБ |
| Число подключений | < 50 устройств | 1500 каналов с одним или более устройств на канал |
| Доступ к каналу | CSMA/CD |
На рис 7.3 показана зависимость ослабления кабеля (внешний диаметр 0,95 см) от частоты передаваемого сигнала.
(рис 7.3) Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частотыПри диагностировании сетей не всегда может оказаться под рукой настоящий сетевой тестер, и часто приходится довольствоваться обычным авометром. В этом случае может стать полезной таблица 7.2, где приведены удельные сопротивления используемых сетевых кабелей. Произведя измерение сопротивления сегмента, вы можете оценить его длину.
| Коаксиал | Ом/сегмент | Максимальная длина сегмента |
|---|---|---|
| 5 | 500 м | |
| 10 | 185 м |
Эти данные взяты из ).
| Скрученная пара | Ом/100 м |
|---|---|
| 24 |
18,8 |
| 22 |
11,8 |
Данные, приведенные в таблице, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента (соответствует стандарту EIA/
| Частота, МГц | Затухание, дБ/100м | NEXT, дБ | |
|---|---|---|---|
| 1 | 2,3 | 62 | 60 |
| 10 | 6,9 | 47 | 41 |
| 100 | 23,0 | 38 | 23 |
| 300 | 46,8 | 31 | 4 |
Смотри http://www.osp.ru/lan/lan_6_96/source/57.htm
Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (
| Частота, МГц | Затухание, дБ/100м | NEXT, дБ | |
|---|---|---|---|
| 1 | 2,1 | 80 | 77,9 |
| 10 | 6,0 | 80 | 74 |
| 100 | 19,0 | 70 | 51 |
| 300 | 33,0 | 70 | 37 |
| 600 | 50 | 60 | 10 |
NEXT — перекрестные наводки ближнего конца кабеля.
Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. ACR —
Ниже на рис 7.4 показана зависимость наводок на ближнем конце кабеля, содержащего скрученные пары, (NEXT) от частоты передаваемого сигнала.
(рис 7.4) Зависимость наводок NEXT от частоты передаваемого сигнала.На рис 7.5 представлена зависимость ослабления сигнала в неэкранированной скрученной паре (именно такие кабели наиболее часто используются для локальных сетей) от частоты передаваемого сигнала. Следует иметь в виду, что при частотах в области сотен мегагерц и выше существенный вклад начинает давать поглощение в диэлектрике. Таким образом, даже если проводники изготовить из чистого серебра, существенного продвижения по полосе пропускания достичь не удастся.
(рис 7.5) Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной парыДля неэкранированной скрученной пары 5-ой категории зависимость отношения сигнал-шум от длины с учетом ослабления и наводок NEXT показана на рис 7.6. Из рисунка видно, что по мере роста частоты отношение сигнал-шум достаточно быстро падает.
(рис 7.6) Зависимость отношения сигнал/шум от частоты с учетом ослабления и наводок на ближнем конце кабеляПодводя итоги, можно сказать, что при расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, но при больших расстояниях или более высоких частотах передачи предпочтительнее оптоволоконный кабель. При расстояниях в 10-20 метров с помощью скрученной пары можно достичь полосы пропускания до 1 Гбит/с. Если расстояние между ЭВМ не превышает нескольких сотен метров, коаксиальный кабель позволяет без труда получить 107-108 бит/c при вероятности ошибке 10-12-10-13. Связь через коммутируемую телефонную линию допускает скорость обмена ~104 бит/с при вероятности ошибки 10-5.
По совокупности параметров локальный коаксиальный кабель лучше телефонной линии в 1011 раз. По порядку величины это соответствует отношению цен поездки на метро по городу к стоимости экспедиции на Луну.
Следует заметить, что работа с кабелями предполагает необходимость доступа к системе канализации (иногда это требует специальных лицензий), где часто размещаются усилители-повторители. Кабели еще какое-то время будут использоваться для предоставления телефонных услуг конечным пользователям. Схема телефонной сети показана на рис 7.7.
(рис 7.7) Схема соединений в телефонной сетиТелефонная сеть представляет собой иерархическую систему телефонных станций (коммутаторов), к периферийным оконечным станциям которой подключаются ее клиенты со своими телефонными аппаратами. Чем выше уровень телефонной станции-коммутатора, тем более мощными телекоммуникационными каналами они соединяются. Уже сейчас межстанционные соединения все чаще реализуются на оптоволоконных кабелях, и эта тенденция необратима.
Кабельное хозяйство требует обслуживания. В этом отношении радиоканалы предпочтительнее, ведь случаев коррозии электромагнитных волн не зарегистрировано, да и крысы их не грызут. Справедливости ради отмечу, что здесь серьезную угрозу представляют корыстолюбивые чиновники, ответственные за выдачу лицензий, а они в РФ пострашнее крыс.
Применение электромагнитных волн для телекоммуникаций имеет более чем столетнюю историю. Число осцилляций электромагнитного поля в секунду называется частотой $$f$$ и измеряется в герцах (в честь Генриха Герца). Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время своего периода, называется длиной волны $$\lambda$$. В вакууме любые электромагнитные волны распространяются со скоростью света $$с$$, который сам имеет ту же самую природу. Имеет место фундаментальное соотношение $$f$$ и $$\lambda$$: $$\lambda *f = с$$. Из этого соотношения следует, что:
$$\frac{df}{\Delta\lambda}=- \frac{c}{\lambda^2}\ и\ \Delta f=\frac{c\Delta\lambda}{\lambda^2}$$Это позволяет связать ширину частотного диапазона с частотой и диапазоном длин волн. Для большинства каналов передачи данных характерно соотношение $$\Delta f/f <<1$$, которое обеспечивает наилучшие условия приема (Вт/Гц).
Спектр используемых волн делится на ряд диапазонов, приведенных в таблице 7.5.
| Номер | Название диапазона | Частота | Длина волны |
|---|---|---|---|
| 1 | Высокочастотный | 3 – 30 МГц | 100 – 10 м |
| 2 | 50 – 100 МГц | 6 – 3 м | |
| 3 | УВЧ ( |
400 – 1000 МГц | 75 – 30 см |
| 4 | Микроволновый | 3109 – 1011 Гц | 10 см – 3 мм |
| 5 | Миллиметровый | 1011 – 1013 Гц | 3 мм – 0,3 мм |
| 6 | Инфракрасный | 1012 – 6 1014 | 0,3 мм – 0,5 мкм |
Чтобы избежать всеобщего хаоса, было заключено международное соглашение, которое регламентирует использование частот различными странами для определенных целей. В 1991 году ITU-R (Международный Телекоммуникационный союз) распределил частоты для переносных переговорных устройств. Но в США к тому времени уже использовалось достаточно большое число таких приборов, и их хозяева не согласились тратиться на их перенастройку. С тех пор такие устройства, изготовленные в США, не работают в Европе или Азии и наоборот.
Вслед за радиочастотами следуют диапазоны видимого света, ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей. Диапазоны, часто используемые различными каналами связи, показаны на рис 7.8.
(рис 7.8) Диапазоны частот различных телекоммуникационных каналов.Если используется не
(рис 7.9) Зависимость поглощающей способности земной атмосферы от длины волныИз рисунка видно, что заметную роль в поглощении радиоволн играет вода. По этой причине сильный дождь, град или снег могут привести к прерыванию связи. Поглощение в атмосфере ограничивает использование частот более 30 ГГц. Атмосферные шумы, связанные в основном с грозовыми разрядами, доминируют при низких частотах вплоть до 2 МГц. Галактический шум, приходящий из-за пределов солнечной системы, дает существенный вклад — вплоть до 200 ГГц. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты показана на рис 7.10.
(рис 7.10) Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частотыМощность передатчика обычно лежит в диапазоне 50 мВт-2 Вт. Радиомодемы, как правило, используют шумоподобный метод передачи ). Антенна служит как для приема, так и для передачи. Трансивер (приемо-передатчик) может соединяться с антенной через специальные усилители. Между трансивером и модемом может включаться преобразователь частот. Модемы подключаются к локальной сети через последовательные интерфейсы типа RS-232 или V.35 (RS-249), для многих из них такие интерфейсы являются встроенными. Радио-бриджи имеют встроенный Ethernet-интерфейс. Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30-70м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100-150м. Трансивер располагается обычно рядом с антенной.
(рис 7.11) Схема оборудования радиоканала передачи данныхСхемы соединения радиомодемов и традиционных модемов совершенно идентичны (см. рис 7.12), только в одном случае сигнал передается по проводам, а в другом — с помощью радиоволн.
(рис 7.12) Схема подключения радио-модемовКроме уже указанных примеров, перспективным полем применения радиомодемов могут стать "подвижные ЭВМ". Сюда следует отнести и ЭВМ бизнесменов, клиентов сотовых телефонных сетей, и все случаи, когда ЭВМ по характеру своего применения подвижна, например, медицинская диагностика на выезде, оперативная диагностика сложного электронного оборудования, когда необходима связь с базовым отделением фирмы, геологические или геофизические исследования и т.д. К этому классу применений относятся и мобильные сети автомобилей и других транспортных средств. Соединение с сетью при этом может осуществляться и через телекоммуникационный спутник. К радиомодемам можно отнести и модемы, работающие в инфракрасном диапазоне. Беспроводные решения удобны в выставочных павильонах, где сеть создается временно, требования к пропускной способности ограничены, а прокладка проводных соединений вызывает неоправданные издержки.
Радиомодемы позволяют сформировать сеть быстрее (если не считать времени на аттестацию оборудования, получение разрешения на выбранную частоту и лицензии на использование данного направления канала). В этом случае могут стать доступными точки, лишенные телефонной связи (что весьма привлекательно для условий России). Подключение объектов к центральному узлу осуществляется по звездообразной схеме. Заметное влияние на конфигурацию сети оказывает ожидаемое распределение потоков информации. Если все объекты, подключенные к узлу, примерно эквивалентны, а ожидаемые информационные потоки не велики, можно в центральном узле обойтись простым маршрутизатором, имеющим достаточное число последовательных интерфейсов.
Применение радио-бриджей особенно выигрышно для организаций, которые имеют здания, отстоящие друг от друга на несколько километров. Возможно использование этих средств связи и для подключения к сервиспровайдеру, когда нужны информационные потоки до 2 Мбит/с (например, для проведения видео- конференций). Если расстояния не велики (<5км), можно воспользоваться всенаправленной антенной (см. рис 7.13).
(рис 7.13) Схема подключения объектов через радио-бриджи с помощью всенаправленной антенныВсе соединяемые объекты (А, Б, В, и Г) должны быть оснащены радио-бриджами. Такая схема подключения эквивалентна, с одной стороны, кабельному сегменту Ethernet, так как в любой момент времени возможен обмен лишь между двумя объектами; с другой стороны, радио-бриджи А, Б, В и Г логически образуют многопортовый бридж (или переключатель), что исключает загрузку локальных сетей объектов "чужими" пакетами. Модификации таких схем связи позволяют строить телекоммуникационные системы по схеме сотовых телефонных сетей.
При построении каналов на основе радиорелейных систем или радио-бриджей следует учитывать возможность их взаимного влияния (см. рис 7.14). Проектируя такие каналы в городе и используя направленные параболические антенны, нужно учитывать возможные помехи от зданий и профиля местности.
$$G = 4\pi \times A/\lambda^2$$
где $$\lambda$$ – длина волны несущей.
Угол излучения $$\Theta$$ такой антенны с радиусом $$R$$ равен $$0,61\lambda/R$$. Отсюда видно, что чем больше радиус, тем больше усиление, уже угол излучения и чувствительности. Таким образом, использование узконаправленной антенны существенно увеличивает отношение сигнал/шум (уменьшает вероятность ошибки).
При звездообразной схеме каналов (как на рис 7.13.) нужно по возможности выполнить требования на минимальное расстояние между принимающими антеннами $$D$$ (оно должно быть больше определенного значения, зависящего от апертуры антенны и расстояния между передатчиком и приемником).
(рис 7.14) Это расстояние определяется расходимостью ( $$\alpha$$ ) радиолуча и используемой длиной волны. Если это требование невыполнимо, в смежных каналах следует использовать разные длины волн.
Предельные расстояния для радиоканалов приводятся поставщиками в предположении, что в пределах первой зоны Френеля каких-либо физических помех нет. Абсолютное ограничение на дальность связи радиорелейных каналов накладывает кривизна земли, смотри рис 7.15. Для частот выше 100 МГц волны распространяются прямолинейно (рис. 7.15.А) и, следовательно, могут фокусироваться. Для высоких частот (ВЧ) и УВЧ земля поглощает волны, но для ВЧ характерно отражение от ионосферы (рис. 7.15Б) — это сильно расширяет зону вещания (иногда осуществляется несколько последовательных отражений), но этот эффект неустойчив и сильно зависит от состояния ионосферы.
(рис 7.15) При построении длинных радиорелейных каналов приходится ставить ретрансляторы. Если антенны размещены на башнях высотой 100 м расстояния между ретрансляторами может составлять 80-100 км. Стоимость антенного комплекса обычно пропорциональна кубу диаметра антенны.
Диаграмма излучения направленной антенны показана на рис 7.16 (стрелкой отмечено основное направление излучения). Эту диаграмму следует учитывать при выборе места установки антенны, особенно при использовании большой мощности излучения. Иначе один из лепестков излучения может прийтись на места постоянного пребывания людей (например, жилье). Учитывая эти обстоятельства, проектирование такого рода каналов целесообразно поручить профессионалам.
(рис 7.16) Диаграмма излучения параболической антенны4-го октября 1957 года в СССР был запущен первый искусственный спутник земли, в 1961 году в космос полетел Ю. А. Гагарин, а вскоре на орбиту был выведен первый телекоммуникационный спутник "Молния" — так началась космическая эра коммуникаций. Первый в РФ спутниковый канал для Интернет (Москва-Гамбург) использовал геостационарный спутник "Радуга" (1993). Стандартная антенна
| Диапазон | Нисходящий канал ( |
Восходящий канал ( |
Источники помех |
|---|---|---|---|
| С | 3,7-4,2 | 5,925-6,425 | Наземные помехи |
| Ku | 11,7-12,2 | 14,0-14,5 | Дождь |
| Ka | 17,7-21,7 | 27,5-30,5 | Дождь |
Передача всегда ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника.
$$Ku$$ диапазон пока еще "заселен" не слишком плотно, кроме того, для этого диапазона спутники могут отстоять друг от друга на 1 градус. Чувствительность к помехам от дождей может быть обойдена использованием двух наземных приемных станций, разнесенных на достаточно большое расстояние (размер ураганов ограничен). Спутник может иметь много антенн, направленных на разные регионы поверхности земли. Размер пятна "засветки" такой антенны на земле может иметь размер несколько сот километров. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала, работая при одной и той же частоте. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи VSAT (Very Small
(рис 7.17) Схема станций системы VSATДля создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, висящие над экватором на высоте около 36000 км.
Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность Земли (см. рис 7.18).
(рис 7.18) Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которыми они висят. При существующем уровне развития технологии неразумно размещать спутники ближе, чем 20. Таким образом, сегодня нельзя разместить более 360/2=180 геостационарных спутников.
Система геостационарных спутников выглядит как ожерелье, нанизанное на невидимую глазу орбиту. Один угловой градус для такой орбиты соответствует ~600 км. Может показаться, что это огромное расстояние. Плотность спутников на орбите неравномерна – на долготе Европы и США их много, а над Тихим океаном – мало, там они просто не нужны. Спутники не вечны, время их жизни обычно не превосходит 10 лет, они выходят из строя главным образом не из-за отказов оборудования, а из-за нехватки горючего для стабилизации их положения на орбите. После выхода из строя спутники остаются на своих местах, превращаясь в космический мусор. Таких спутников уже сейчас немало, со временем их станет еще больше. Конечно, можно предположить, что точность вывода на орбиту со временем станет выше и люди научатся выводить их с точностью в 100 м. Это позволит размещать в одной "нише" 500-1000 спутников (что сегодня представляется почти невероятным, ведь нужно оставить пространство для их маневров). Человечество может таким образом создать нечто похожее на искусственное кольцо Сатурна, состоящее целиком из мертвых телекоммуникационных спутников. До этого дело вряд ли дойдет, так как будет найден способ удаления или восстановления неработающих спутников, хотя с неизбежностью это существенно удорожит услуги таких коммуникационных систем.
К счастью, спутники, использующие разные частотные диапазоны, не конкурируют друг с другом. По этой причине в одной и той же позиции на орбите может находиться несколько спутников с разными рабочими частотами. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей (при наблюдении с Земли) вид цифры 8. Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование — низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, в которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (настоящая проблема для широт более 700), а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, отстоящих друг от друга более чем на 400-500 км (при условии, что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.
Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низколетящих спутников ( <1000 км; период обращения ~1 час ). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам, и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме "запомнить и передать"). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.
Существует несколько способов работы совокупности наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте (
Схема запросов предполагает, что наземные станции образуют
Простая система ALOHA (разработана группой Нормана Абрамсона из Гавайского университета в 70-х годах) позволяет каждой станции начинать передачу тогда, когда она этого захочет. Такая схема с неизбежностью приводит к столкновениям попыток. Связано это отчасти с тем, что передающая сторона узнает о столкновении лишь спустя ~270 мсек. Достаточно последнему биту пакета одной станции совпасть с первым битом другой станции, потеряны будут оба пакета и их придется послать повторно. После столкновения станция ожидает некоторое псевдослучайное время и совершает повторную попытку передачи еще раз. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне 18%, что совершенно недопустимо для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы
В этом методе машина не может посылать кадр, когда захочет. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации. Если длина временного домена равна $$\Delta T$$, тогда домен с номером $$k$$ начинается в момент времени $$k \Delta T$$ по отношению к упомянутому выше сигналу. Так как часы разных станций работают по-разному, необходима периодическая ресинхронизация. Другой проблемой является разброс времени распространения сигнала для разных станций. Коэффициент использования канала для данного алгоритма доступа оказывается равным $$1/e$$ (где $$е$$ – основание натурального логарифма). Не слишком большая цифра, но все же в два раза выше, чем для обычного алгоритма
Метод мультиплексирования по частоте ( FDM ) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть применен для получения 500 64кбит/с ИКМ-каналов (импульсно-кодовая модуляция), каждый из которых работает со своей уникальной частотой. Чтобы исключить интерференцию, соседние каналы должны отстоять по частоте на достаточном расстоянии друг от друга. Кроме того, необходимо контролировать уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехи в соседнем канале. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. Но при переменном числе терминалов или при заметной флуктуации загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов.
Одним из механизмов такого распределения имеет название SPADE, он применялся в первых версиях систем связи на базе
Метод мультиплексирования по времени сходен с
В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например, для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос
Метод
Технология беспроводных сетей развивается довольно быстро. Эти сети удобны в первую очередь для подвижных средств. Наиболее перспективным представляется проект IEEE 802.11, который должен играть для радиосетей такую же интегрирующую роль, как 802.3 для сетей Ethernet и 802.5 для Token Ring. В протоколе 802.11 используется тот же алгоритм доступа и подавления столкновений, что и в 802.3, но здесь вместо соединительного кабеля используются радиоволны (Рис. 7.19.). Применяемые здесь модемы могут работать и в инфракрасном диапазоне, что бывает привлекательно, если все машины размещены в общем зале.
(рис 7.19) Схема беспроводной локальной сетиСтандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4-2.4835 ГГц при использовании модуляции 4FSK/2FSK
Существуют каналы, работающие в инфракрасном диапазоне (850 или 950 нм). Здесь возможны две скорости передачи: 1 и 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/c используется схема кодирования с группированием четырех бит в 16-битовое кодовое слово, содержащее 15 нулей и одну 1 (код Грея). При передаче со скоростью 2 Мбит/c 2 бита преобразуются в 4-битовый код, содержащий лишь одну 1 (0001, 0010, 0100 и 1000).
Возможно использование всенаправленных и узконаправленных антенн (последние служат для стационарных соединений точка-точка). Всенаправленная антенная система гарантирует связь для расстояний до 45 метров, а узконаправленная — до 45 км. При скорости 1 Мбит/с расстояние надежной связи может достигать нескольких сот метров. Предельно возможная скорость обмена определяется автоматически. Одновременно может обслуживаться до 50 клиентов. Важной особенностью является возможность работы с мобильными клиентами. Улучшенная версия
Следует учитывать, что беспроводные каналы шумны и малонадежны, этому способствуют наводки от СВЧ-печей, работающих практически в том же частотном диапазоне. Если вероятность искажения одного бита равна $$р$$, вероятность того, что n-битовый кадр будет принят корректно, равна $$~(1-p)^n$$. Для Ethernet кадра максимальной длины при $$p=10^{-4}$$ вероятность безошибочной доставки составит менее 30%. При $$p=10^{-5}$$ будет искажаться один из 9 кадров. По этой причине при работе с радиоканалами следует ориентироваться на короткие кадры.
Топологически локальная сеть
В 1992 году страны члены ЕС выделили диапазон частот 1,89-1,9 ГГц для целей построения сетей, базирующихся на применение радиосигналов (стандарт
При относительно малых расстояниях проблем обычно не возникает и работу беспроводной сети действительно можно аппроксимировать алгоритмом CSMA. Но в случае, когда расстояние между передатчиком и приемником сравнимо с радиусом надежной связи, отличие от традиционных сетей становится значительным. Ведь для радиосетей важна интерференция на входе приемника, а не на выходе передатчика (как в CSMA). Рассмотрим вариант сети, изображенный на рис 7.20. Если передачу осуществляет узел А (вариант I), узел С находится вне его радиуса действия и может решить, что можно начать передачу. Излучение передатчика С может вызвать помехи на входе узла В ( проблема скрытой станции ).
(рис 7.20) Схема взаимодействия узлов в беспроводной сети (MACA)В случае, когда передачу ведет узел В (вариант II), узел С может решить, что начало передачи сообщения узлу D невозможно, так как в зоне С детектируется излучение станции В ( проблема засвеченной станции ). Таким образом, в радиосетях, прежде чем начать передачу данных, надо знать, имеется ли радиоактивность в зоне приемника-адресата.
В коротковолновых сетях возможна одновременная передача для нескольких адресатов, если они находятся в разных зонах приема, что невозможно для проводных решений.
Ранние протоколы беспроводных локальных сетей базировались на схеме MACA (Multiple Access with
Несмотря на все предосторожности, коллизия все же может произойти. Например, станции A и C могут одновременно послать кадры
В 1994 году схема MACA была усовершенствована и получила название MACAW. Было отмечено, что без подтверждения на канальном уровне потерянные кадры не будут переданы повторно, пока транспортный уровень много позднее не обнаружит их отсутствия. В усовершенствованной схеме требуется подтверждение получения любого информационного кадра, добавлен также механизм оповещения о перегрузке. Стандарт 802.11 поддерживает два режима работы: DCF (Distributed Coordination Function) и PCF (Point Coordination Function). Первый не имеет средств централизованного управления, второй — предполагает, что базовая станция берет на себя функцию управления локальной субсетью. В протоколе 802.11 используется алгоритм доступа CSMA/CA (CSMA with
(рис 7.21) Прослушивание виртуального канала в протоколе CSMA/CAКогда станция А решает, что ей необходимо передать данные станции В, она посылает ей кадр
Режимы PCF и
Помимо WLAN, в настоящее время разработаны стандарты для беспроводных региональных сетей WMAN (Wireless Metropolitan-Area Networks, например,
Скорость обмена 9,6-14,4 кбит/c.
Система (
Эта система известна также под именем ARDIS. Максимальное расстояние связи равно 20 км. Как и в Mobitex связь между базовой станцией и мобильным узлом DataTAC осуществляется в полудуплексном режиме. MTU=2048 байт, скорость обмена 19,2 кбит/с. Система базируется не на IP-технике.
Система разработана IBM и McCaw
Система разработана
Систему называют также улучшенным GPRS, по основным параметрам она совпадает со своим прототипом.
К сожалению, беспроводные, особенно мобильные каналы крайне ненадежны. Потери пакетов в таких каналах весьма вероятны. Понижение скорости передачи, как правило, не приводит к понижению вероятности потери. Кроме того, проходы от отправителя к получателю здесь неоднородны и могут включать в себя сегменты с различными методами транспортировки данных (проводные и беспроводные). В таких структурах бывает полезно разбить канал на две последовательные связи ( indirect TCP ). Преимуществом такой схемы является то, что оба виртуальных канала являются однородными. Таймауты в одном из соединений заставят отправителя замедлить темп передачи, в то время как таймауты во втором — могут ускорить обмен. Да и все остальные параметры связей могут оптимизироваться независимо. Основной недостаток этого приема заключается в нарушении базового принципа организации TCP-соединений на основе сокетов, здесь получение подтверждения отправителем не означает благополучной доставки. В 1995 году была предложена схема, не нарушающая TCP-семантику. В этой схеме вводится специальный агент-наблюдатель, который отслеживает состояние кэшей отправителя и получателя и посылает подтверждения. Этот агент при отсутствии своевременного подтверждения запускает процедуру повторной посылки сегмента, не информируя об этом первичного отправителя. Механизмы подавления перегрузки запускаются в этом варианте только при перегрузке проводной секции канала. При потерях реализуется выборочная пересылка сегментов.
В последнее время в продажу поступили радио-интерфейсы (
(рис 7.22) Топология WLAN c базовой станцией.При работе с UDP также возникают некоторые трудности. Хотя известно, что UDP не гарантирует доставки, большинство программ предполагает, что вероятность потери невелика.
Программы используют такие способы преодоления потерь, которые при высокой вероятности потери просто не срабатывают. Многие приложения предполагают наличие достаточного запаса пропускной способности, чего в случае мобильной связи обычно нет.
Стандарт 802.11 использует три класса кадров, транспортируемых через канал: информационные, служебные и управляющие. Формат информационного кадра представлен на рис 7.23.
(рис 7.23) Формат информационного кадра 802.11.Двухоктетное поле управления кадра имеет 11 субполей. Субполе версия протокола позволяет двум протоколам работать в пределах одной ячейки. Поле тип задает разновидность кадра (информационный, служебный или управляющий), а субтип определяет субтип кадра (
Поле длительность задает время передачи кадра и его подтверждение. Это поле может присутствовать в служебных кадрах. Именно с учетом этого поля станции выставляют признаки NAV. Заголовок содержит четыре адреса. Это адрес отправителя и получателя, а также адреса ячейки отправителя и места назначения. Поле номер служит для нумерации фрагментов. Из 16 бит номера 12 идентифицируют кадр, а 4 — фрагмент. Управляющие кадры имеют сходный формат, только там отсутствуют поля базовых станций, так как эти кадры не покидают пределов сотовой ячейки. В служебных кадрах отсутствуют поля данные и номер, ключевым здесь является содержимое поля субтип (
Для обеспечения безопасности (ведь к такой сети достаточно легко подключиться) используется алгоритм ).
Стандарт 802.11 требует, чтобы все совместимые беспроводные ЛВС предоставляли девять типов сервисов. Первые пять относятся к услугам распределения и осуществляются базовой станцией, остальные четыре являются станционными. Первая группа:
Остальные четыре вида услуг являются внутренними сервисами сотовой ячейки и предоставляются после осуществления ассоциации. В перечень этих сервисов входят:
Радиоканалы позволяют осуществлять связь с мобильными объектами, и в этом качестве они вне конкуренции.
Источники ограничений.
Исторически первым каналом общения людей был акустический. Связано это было с тем, что Создатель дал нам относительно симметричные органы чувств, работающие в этой области. Но рабочее расстояние, пропускная способность и избирательность (ведь случаются ситуации, когда нужно сообщить что-то определенному человеку и только ему) этого канала ограничены. Акустические каналы сохраняют и даже развивают свои позиции для возможности связи под водой. С 19-го века начинается эра применения электромагнитных способов передачи данных. Первые каналы использовали проводные средства связи, позднее к ним добавились радиосредства и, наконец, к концу 20-го века повсеместно стали применяться волоконно-оптические волноводы. Рассмотрим особенности и ограничения перечисленных каналов.
За последние двадцать лет пропускная способность каналов выросла с 56 кбит/c до 100 Гбит/с. Разработаны технологии, способные работать в случае оптических кабелей со скоростью 50 Тбит/с. Вероятность ошибки при этом сократилась с 10-5 на бит до пренебрежимо низкого уровня. Современный же лимит в несколько Гбит/с связан главным образом с тем, что люди не научились делать быстродействующие преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот. Теоретический верхний предел быстродействия каналов составляет 40-50 терабайт/c.
Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически начали использоваться первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких пар обычно составляет 3-4,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требований к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ Ethernet (
(рис 7.1) 1 – центральный проводник; 2 – изолятор; 3 – проводник-экран; внешний изоляторКоаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках возможно возникновение паразитных наводок из-за неравенства потенциалов "земли". В этом случае по экрану потекут выравнивающие токи. На рисунке 7.2 проиллюстрирована схема наводок по экрану коаксиального кабеля. Входной сигнал $$А_{вх}$$ подается через центральную жилу с одной стороны кабеля. На противоположной стороне кабель нагружен на сопротивление $$R$$, равное волновому импедансу кабеля. Если экран кабеля соединен с землей на обоих концах, то при наличии источника наводок (или неравенства потенциалов точек заземления) по экрану будет протекать переменный ток наводки.
Импульсное значение наводки $$U_н$$ будет пропорционально
$$L * DIн /Dt$$
где $$L$$ – индуктивность оплетки кабеля, а $$I_н$$ – ток наводки. В результате наводка сложится с входным сигналом. При определенных условиях это может даже привести к выходу из строя сетевого оборудования.
(рис 7.2) Схема наводок по экрану коаксиального кабеляИменно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке, хотя это, на первый взгляд, противоречит требованиям электрической безопасности. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Причина в том, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала (
Коаксиальный кабель с полосой пропускания 500 МГц при ограниченной длине может обеспечить скорость передачи несколько Гбит/сек. Предельные расстояния, для которых может быть применен кабель, составляют 10-15 км.
Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м (неэкранированные и экранированные скрученные пары категории 5 и 6), а цены на единицу длины сравнялись (сыграла здесь роль и относительная дешевизна разъемов). Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний. В таблице 7.1 приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.
| Стандартный кабель | Широкополосный | |
|---|---|---|
| Максимальная длина канала | 2 км | 10-15 км |
| Скорость передачи данных | 1-50 Мбит/с | 100-140 Мбит/с |
| Режим передачи | полудуплекс | Полный дуплекс |
| Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок | 50 дБ | 85 дБ |
| Число подключений | < 50 устройств | 1500 каналов с одним или более устройств на канал |
| Доступ к каналу | CSMA/CD |
На рис 7.3 показана зависимость ослабления кабеля (внешний диаметр 0,95 см) от частоты передаваемого сигнала.
(рис 7.3) Зависимость ослабления сигнала в кабеле от его частотыПри диагностировании сетей не всегда может оказаться под рукой настоящий сетевой тестер, и часто приходится довольствоваться обычным авометром. В этом случае может стать полезной таблица 7.2, где приведены удельные сопротивления используемых сетевых кабелей. Произведя измерение сопротивления сегмента, вы можете оценить его длину.
| Коаксиал | Ом/сегмент | Максимальная длина сегмента |
|---|---|---|
| 5 | 500 м | |
| 10 | 185 м |
Эти данные взяты из ).
| Скрученная пара | Ом/100 м |
|---|---|
| 24 |
18,8 |
| 22 |
11,8 |
Данные, приведенные в таблице, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента (соответствует стандарту EIA/
| Частота, МГц | Затухание, дБ/100м | NEXT, дБ | |
|---|---|---|---|
| 1 | 2,3 | 62 | 60 |
| 10 | 6,9 | 47 | 41 |
| 100 | 23,0 | 38 | 23 |
| 300 | 46,8 | 31 | 4 |
Смотри http://www.osp.ru/lan/lan_6_96/source/57.htm
Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (
| Частота, МГц | Затухание, дБ/100м | NEXT, дБ | |
|---|---|---|---|
| 1 | 2,1 | 80 | 77,9 |
| 10 | 6,0 | 80 | 74 |
| 100 | 19,0 | 70 | 51 |
| 300 | 33,0 | 70 | 37 |
| 600 | 50 | 60 | 10 |
NEXT — перекрестные наводки ближнего конца кабеля.
Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. ACR —
Ниже на рис 7.4 показана зависимость наводок на ближнем конце кабеля, содержащего скрученные пары, (NEXT) от частоты передаваемого сигнала.
(рис 7.4) Зависимость наводок NEXT от частоты передаваемого сигнала.На рис 7.5 представлена зависимость ослабления сигнала в неэкранированной скрученной паре (именно такие кабели наиболее часто используются для локальных сетей) от частоты передаваемого сигнала. Следует иметь в виду, что при частотах в области сотен мегагерц и выше существенный вклад начинает давать поглощение в диэлектрике. Таким образом, даже если проводники изготовить из чистого серебра, существенного продвижения по полосе пропускания достичь не удастся.
(рис 7.5) Зависимость ослабления сигнала от частоты для неэкранированной скрученной парыДля неэкранированной скрученной пары 5-ой категории зависимость отношения сигнал-шум от длины с учетом ослабления и наводок NEXT показана на рис 7.6. Из рисунка видно, что по мере роста частоты отношение сигнал-шум достаточно быстро падает.
(рис 7.6) Зависимость отношения сигнал/шум от частоты с учетом ослабления и наводок на ближнем конце кабеляПодводя итоги, можно сказать, что при расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, но при больших расстояниях или более высоких частотах передачи предпочтительнее оптоволоконный кабель. При расстояниях в 10-20 метров с помощью скрученной пары можно достичь полосы пропускания до 1 Гбит/с. Если расстояние между ЭВМ не превышает нескольких сотен метров, коаксиальный кабель позволяет без труда получить 107-108 бит/c при вероятности ошибке 10-12-10-13. Связь через коммутируемую телефонную линию допускает скорость обмена ~104 бит/с при вероятности ошибки 10-5.
По совокупности параметров локальный коаксиальный кабель лучше телефонной линии в 1011 раз. По порядку величины это соответствует отношению цен поездки на метро по городу к стоимости экспедиции на Луну.
Следует заметить, что работа с кабелями предполагает необходимость доступа к системе канализации (иногда это требует специальных лицензий), где часто размещаются усилители-повторители. Кабели еще какое-то время будут использоваться для предоставления телефонных услуг конечным пользователям. Схема телефонной сети показана на рис 7.7.
(рис 7.7) Схема соединений в телефонной сетиТелефонная сеть представляет собой иерархическую систему телефонных станций (коммутаторов), к периферийным оконечным станциям которой подключаются ее клиенты со своими телефонными аппаратами. Чем выше уровень телефонной станции-коммутатора, тем более мощными телекоммуникационными каналами они соединяются. Уже сейчас межстанционные соединения все чаще реализуются на оптоволоконных кабелях, и эта тенденция необратима.
Кабельное хозяйство требует обслуживания. В этом отношении радиоканалы предпочтительнее, ведь случаев коррозии электромагнитных волн не зарегистрировано, да и крысы их не грызут. Справедливости ради отмечу, что здесь серьезную угрозу представляют корыстолюбивые чиновники, ответственные за выдачу лицензий, а они в РФ пострашнее крыс.
Применение электромагнитных волн для телекоммуникаций имеет более чем столетнюю историю. Число осцилляций электромагнитного поля в секунду называется частотой $$f$$ и измеряется в герцах (в честь Генриха Герца). Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время своего периода, называется длиной волны $$\lambda$$. В вакууме любые электромагнитные волны распространяются со скоростью света $$с$$, который сам имеет ту же самую природу. Имеет место фундаментальное соотношение $$f$$ и $$\lambda$$: $$\lambda *f = с$$. Из этого соотношения следует, что:
$$\frac{df}{\Delta\lambda}=- \frac{c}{\lambda^2}\ и\ \Delta f=\frac{c\Delta\lambda}{\lambda^2}$$Это позволяет связать ширину частотного диапазона с частотой и диапазоном длин волн. Для большинства каналов передачи данных характерно соотношение $$\Delta f/f <<1$$, которое обеспечивает наилучшие условия приема (Вт/Гц).
Спектр используемых волн делится на ряд диапазонов, приведенных в таблице 7.5.
| Номер | Название диапазона | Частота | Длина волны |
|---|---|---|---|
| 1 | Высокочастотный | 3 – 30 МГц | 100 – 10 м |
| 2 | 50 – 100 МГц | 6 – 3 м | |
| 3 | УВЧ ( |
400 – 1000 МГц | 75 – 30 см |
| 4 | Микроволновый | 3109 – 1011 Гц | 10 см – 3 мм |
| 5 | Миллиметровый | 1011 – 1013 Гц | 3 мм – 0,3 мм |
| 6 | Инфракрасный | 1012 – 6 1014 | 0,3 мм – 0,5 мкм |
Чтобы избежать всеобщего хаоса, было заключено международное соглашение, которое регламентирует использование частот различными странами для определенных целей. В 1991 году ITU-R (Международный Телекоммуникационный союз) распределил частоты для переносных переговорных устройств. Но в США к тому времени уже использовалось достаточно большое число таких приборов, и их хозяева не согласились тратиться на их перенастройку. С тех пор такие устройства, изготовленные в США, не работают в Европе или Азии и наоборот.
Вслед за радиочастотами следуют диапазоны видимого света, ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей. Диапазоны, часто используемые различными каналами связи, показаны на рис 7.8.
(рис 7.8) Диапазоны частот различных телекоммуникационных каналов.Если используется не
(рис 7.9) Зависимость поглощающей способности земной атмосферы от длины волныИз рисунка видно, что заметную роль в поглощении радиоволн играет вода. По этой причине сильный дождь, град или снег могут привести к прерыванию связи. Поглощение в атмосфере ограничивает использование частот более 30 ГГц. Атмосферные шумы, связанные в основном с грозовыми разрядами, доминируют при низких частотах вплоть до 2 МГц. Галактический шум, приходящий из-за пределов солнечной системы, дает существенный вклад — вплоть до 200 ГГц. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты показана на рис 7.10.
(рис 7.10) Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частотыМощность передатчика обычно лежит в диапазоне 50 мВт-2 Вт. Радиомодемы, как правило, используют шумоподобный метод передачи ). Антенна служит как для приема, так и для передачи. Трансивер (приемо-передатчик) может соединяться с антенной через специальные усилители. Между трансивером и модемом может включаться преобразователь частот. Модемы подключаются к локальной сети через последовательные интерфейсы типа RS-232 или V.35 (RS-249), для многих из них такие интерфейсы являются встроенными. Радио-бриджи имеют встроенный Ethernet-интерфейс. Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30-70м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100-150м. Трансивер располагается обычно рядом с антенной.
(рис 7.11) Схема оборудования радиоканала передачи данныхСхемы соединения радиомодемов и традиционных модемов совершенно идентичны (см. рис 7.12), только в одном случае сигнал передается по проводам, а в другом — с помощью радиоволн.
(рис 7.12) Схема подключения радио-модемовКроме уже указанных примеров, перспективным полем применения радиомодемов могут стать "подвижные ЭВМ". Сюда следует отнести и ЭВМ бизнесменов, клиентов сотовых телефонных сетей, и все случаи, когда ЭВМ по характеру своего применения подвижна, например, медицинская диагностика на выезде, оперативная диагностика сложного электронного оборудования, когда необходима связь с базовым отделением фирмы, геологические или геофизические исследования и т.д. К этому классу применений относятся и мобильные сети автомобилей и других транспортных средств. Соединение с сетью при этом может осуществляться и через телекоммуникационный спутник. К радиомодемам можно отнести и модемы, работающие в инфракрасном диапазоне. Беспроводные решения удобны в выставочных павильонах, где сеть создается временно, требования к пропускной способности ограничены, а прокладка проводных соединений вызывает неоправданные издержки.
Радиомодемы позволяют сформировать сеть быстрее (если не считать времени на аттестацию оборудования, получение разрешения на выбранную частоту и лицензии на использование данного направления канала). В этом случае могут стать доступными точки, лишенные телефонной связи (что весьма привлекательно для условий России). Подключение объектов к центральному узлу осуществляется по звездообразной схеме. Заметное влияние на конфигурацию сети оказывает ожидаемое распределение потоков информации. Если все объекты, подключенные к узлу, примерно эквивалентны, а ожидаемые информационные потоки не велики, можно в центральном узле обойтись простым маршрутизатором, имеющим достаточное число последовательных интерфейсов.
Применение радио-бриджей особенно выигрышно для организаций, которые имеют здания, отстоящие друг от друга на несколько километров. Возможно использование этих средств связи и для подключения к сервиспровайдеру, когда нужны информационные потоки до 2 Мбит/с (например, для проведения видео- конференций). Если расстояния не велики (<5км), можно воспользоваться всенаправленной антенной (см. рис 7.13).
(рис 7.13) Схема подключения объектов через радио-бриджи с помощью всенаправленной антенныВсе соединяемые объекты (А, Б, В, и Г) должны быть оснащены радио-бриджами. Такая схема подключения эквивалентна, с одной стороны, кабельному сегменту Ethernet, так как в любой момент времени возможен обмен лишь между двумя объектами; с другой стороны, радио-бриджи А, Б, В и Г логически образуют многопортовый бридж (или переключатель), что исключает загрузку локальных сетей объектов "чужими" пакетами. Модификации таких схем связи позволяют строить телекоммуникационные системы по схеме сотовых телефонных сетей.
При построении каналов на основе радиорелейных систем или радио-бриджей следует учитывать возможность их взаимного влияния (см. рис 7.14). Проектируя такие каналы в городе и используя направленные параболические антенны, нужно учитывать возможные помехи от зданий и профиля местности.
$$G = 4\pi \times A/\lambda^2$$
где $$\lambda$$ – длина волны несущей.
Угол излучения $$\Theta$$ такой антенны с радиусом $$R$$ равен $$0,61\lambda/R$$. Отсюда видно, что чем больше радиус, тем больше усиление, уже угол излучения и чувствительности. Таким образом, использование узконаправленной антенны существенно увеличивает отношение сигнал/шум (уменьшает вероятность ошибки).
При звездообразной схеме каналов (как на рис 7.13.) нужно по возможности выполнить требования на минимальное расстояние между принимающими антеннами $$D$$ (оно должно быть больше определенного значения, зависящего от апертуры антенны и расстояния между передатчиком и приемником).
(рис 7.14) Это расстояние определяется расходимостью ( $$\alpha$$ ) радиолуча и используемой длиной волны. Если это требование невыполнимо, в смежных каналах следует использовать разные длины волн.
Предельные расстояния для радиоканалов приводятся поставщиками в предположении, что в пределах первой зоны Френеля каких-либо физических помех нет. Абсолютное ограничение на дальность связи радиорелейных каналов накладывает кривизна земли, смотри рис 7.15. Для частот выше 100 МГц волны распространяются прямолинейно (рис. 7.15.А) и, следовательно, могут фокусироваться. Для высоких частот (ВЧ) и УВЧ земля поглощает волны, но для ВЧ характерно отражение от ионосферы (рис. 7.15Б) — это сильно расширяет зону вещания (иногда осуществляется несколько последовательных отражений), но этот эффект неустойчив и сильно зависит от состояния ионосферы.
(рис 7.15) При построении длинных радиорелейных каналов приходится ставить ретрансляторы. Если антенны размещены на башнях высотой 100 м расстояния между ретрансляторами может составлять 80-100 км. Стоимость антенного комплекса обычно пропорциональна кубу диаметра антенны.
Диаграмма излучения направленной антенны показана на рис 7.16 (стрелкой отмечено основное направление излучения). Эту диаграмму следует учитывать при выборе места установки антенны, особенно при использовании большой мощности излучения. Иначе один из лепестков излучения может прийтись на места постоянного пребывания людей (например, жилье). Учитывая эти обстоятельства, проектирование такого рода каналов целесообразно поручить профессионалам.
(рис 7.16) Диаграмма излучения параболической антенны4-го октября 1957 года в СССР был запущен первый искусственный спутник земли, в 1961 году в космос полетел Ю. А. Гагарин, а вскоре на орбиту был выведен первый телекоммуникационный спутник "Молния" — так началась космическая эра коммуникаций. Первый в РФ спутниковый канал для Интернет (Москва-Гамбург) использовал геостационарный спутник "Радуга" (1993). Стандартная антенна
| Диапазон | Нисходящий канал ( |
Восходящий канал ( |
Источники помех |
|---|---|---|---|
| С | 3,7-4,2 | 5,925-6,425 | Наземные помехи |
| Ku | 11,7-12,2 | 14,0-14,5 | Дождь |
| Ka | 17,7-21,7 | 27,5-30,5 | Дождь |
Передача всегда ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника.
$$Ku$$ диапазон пока еще "заселен" не слишком плотно, кроме того, для этого диапазона спутники могут отстоять друг от друга на 1 градус. Чувствительность к помехам от дождей может быть обойдена использованием двух наземных приемных станций, разнесенных на достаточно большое расстояние (размер ураганов ограничен). Спутник может иметь много антенн, направленных на разные регионы поверхности земли. Размер пятна "засветки" такой антенны на земле может иметь размер несколько сот километров. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала, работая при одной и той же частоте. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи VSAT (Very Small
(рис 7.17) Схема станций системы VSATДля создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, висящие над экватором на высоте около 36000 км.
Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность Земли (см. рис 7.18).
(рис 7.18) Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которыми они висят. При существующем уровне развития технологии неразумно размещать спутники ближе, чем 20. Таким образом, сегодня нельзя разместить более 360/2=180 геостационарных спутников.
Система геостационарных спутников выглядит как ожерелье, нанизанное на невидимую глазу орбиту. Один угловой градус для такой орбиты соответствует ~600 км. Может показаться, что это огромное расстояние. Плотность спутников на орбите неравномерна – на долготе Европы и США их много, а над Тихим океаном – мало, там они просто не нужны. Спутники не вечны, время их жизни обычно не превосходит 10 лет, они выходят из строя главным образом не из-за отказов оборудования, а из-за нехватки горючего для стабилизации их положения на орбите. После выхода из строя спутники остаются на своих местах, превращаясь в космический мусор. Таких спутников уже сейчас немало, со временем их станет еще больше. Конечно, можно предположить, что точность вывода на орбиту со временем станет выше и люди научатся выводить их с точностью в 100 м. Это позволит размещать в одной "нише" 500-1000 спутников (что сегодня представляется почти невероятным, ведь нужно оставить пространство для их маневров). Человечество может таким образом создать нечто похожее на искусственное кольцо Сатурна, состоящее целиком из мертвых телекоммуникационных спутников. До этого дело вряд ли дойдет, так как будет найден способ удаления или восстановления неработающих спутников, хотя с неизбежностью это существенно удорожит услуги таких коммуникационных систем.
К счастью, спутники, использующие разные частотные диапазоны, не конкурируют друг с другом. По этой причине в одной и той же позиции на орбите может находиться несколько спутников с разными рабочими частотами. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей (при наблюдении с Земли) вид цифры 8. Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование — низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, в которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (настоящая проблема для широт более 700), а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, отстоящих друг от друга более чем на 400-500 км (при условии, что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.
Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низколетящих спутников ( <1000 км; период обращения ~1 час ). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам, и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме "запомнить и передать"). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.
Существует несколько способов работы совокупности наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте (
Схема запросов предполагает, что наземные станции образуют
Простая система ALOHA (разработана группой Нормана Абрамсона из Гавайского университета в 70-х годах) позволяет каждой станции начинать передачу тогда, когда она этого захочет. Такая схема с неизбежностью приводит к столкновениям попыток. Связано это отчасти с тем, что передающая сторона узнает о столкновении лишь спустя ~270 мсек. Достаточно последнему биту пакета одной станции совпасть с первым битом другой станции, потеряны будут оба пакета и их придется послать повторно. После столкновения станция ожидает некоторое псевдослучайное время и совершает повторную попытку передачи еще раз. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне 18%, что совершенно недопустимо для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы
В этом методе машина не может посылать кадр, когда захочет. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации. Если длина временного домена равна $$\Delta T$$, тогда домен с номером $$k$$ начинается в момент времени $$k \Delta T$$ по отношению к упомянутому выше сигналу. Так как часы разных станций работают по-разному, необходима периодическая ресинхронизация. Другой проблемой является разброс времени распространения сигнала для разных станций. Коэффициент использования канала для данного алгоритма доступа оказывается равным $$1/e$$ (где $$е$$ – основание натурального логарифма). Не слишком большая цифра, но все же в два раза выше, чем для обычного алгоритма
Метод мультиплексирования по частоте ( FDM ) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть применен для получения 500 64кбит/с ИКМ-каналов (импульсно-кодовая модуляция), каждый из которых работает со своей уникальной частотой. Чтобы исключить интерференцию, соседние каналы должны отстоять по частоте на достаточном расстоянии друг от друга. Кроме того, необходимо контролировать уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехи в соседнем канале. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. Но при переменном числе терминалов или при заметной флуктуации загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов.
Одним из механизмов такого распределения имеет название SPADE, он применялся в первых версиях систем связи на базе
Метод мультиплексирования по времени сходен с
В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например, для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос
Метод
Технология беспроводных сетей развивается довольно быстро. Эти сети удобны в первую очередь для подвижных средств. Наиболее перспективным представляется проект IEEE 802.11, который должен играть для радиосетей такую же интегрирующую роль, как 802.3 для сетей Ethernet и 802.5 для Token Ring. В протоколе 802.11 используется тот же алгоритм доступа и подавления столкновений, что и в 802.3, но здесь вместо соединительного кабеля используются радиоволны (Рис. 7.19.). Применяемые здесь модемы могут работать и в инфракрасном диапазоне, что бывает привлекательно, если все машины размещены в общем зале.
(рис 7.19) Схема беспроводной локальной сетиСтандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4-2.4835 ГГц при использовании модуляции 4FSK/2FSK
Существуют каналы, работающие в инфракрасном диапазоне (850 или 950 нм). Здесь возможны две скорости передачи: 1 и 2 Мбит/с. При скорости 1 Мбит/c используется схема кодирования с группированием четырех бит в 16-битовое кодовое слово, содержащее 15 нулей и одну 1 (код Грея). При передаче со скоростью 2 Мбит/c 2 бита преобразуются в 4-битовый код, содержащий лишь одну 1 (0001, 0010, 0100 и 1000).
Возможно использование всенаправленных и узконаправленных антенн (последние служат для стационарных соединений точка-точка). Всенаправленная антенная система гарантирует связь для расстояний до 45 метров, а узконаправленная — до 45 км. При скорости 1 Мбит/с расстояние надежной связи может достигать нескольких сот метров. Предельно возможная скорость обмена определяется автоматически. Одновременно может обслуживаться до 50 клиентов. Важной особенностью является возможность работы с мобильными клиентами. Улучшенная версия
Следует учитывать, что беспроводные каналы шумны и малонадежны, этому способствуют наводки от СВЧ-печей, работающих практически в том же частотном диапазоне. Если вероятность искажения одного бита равна $$р$$, вероятность того, что n-битовый кадр будет принят корректно, равна $$~(1-p)^n$$. Для Ethernet кадра максимальной длины при $$p=10^{-4}$$ вероятность безошибочной доставки составит менее 30%. При $$p=10^{-5}$$ будет искажаться один из 9 кадров. По этой причине при работе с радиоканалами следует ориентироваться на короткие кадры.
Топологически локальная сеть
В 1992 году страны члены ЕС выделили диапазон частот 1,89-1,9 ГГц для целей построения сетей, базирующихся на применение радиосигналов (стандарт
При относительно малых расстояниях проблем обычно не возникает и работу беспроводной сети действительно можно аппроксимировать алгоритмом CSMA. Но в случае, когда расстояние между передатчиком и приемником сравнимо с радиусом надежной связи, отличие от традиционных сетей становится значительным. Ведь для радиосетей важна интерференция на входе приемника, а не на выходе передатчика (как в CSMA). Рассмотрим вариант сети, изображенный на рис 7.20. Если передачу осуществляет узел А (вариант I), узел С находится вне его радиуса действия и может решить, что можно начать передачу. Излучение передатчика С может вызвать помехи на входе узла В ( проблема скрытой станции ).
(рис 7.20) Схема взаимодействия узлов в беспроводной сети (MACA)В случае, когда передачу ведет узел В (вариант II), узел С может решить, что начало передачи сообщения узлу D невозможно, так как в зоне С детектируется излучение станции В ( проблема засвеченной станции ). Таким образом, в радиосетях, прежде чем начать передачу данных, надо знать, имеется ли радиоактивность в зоне приемника-адресата.
В коротковолновых сетях возможна одновременная передача для нескольких адресатов, если они находятся в разных зонах приема, что невозможно для проводных решений.
Ранние протоколы беспроводных локальных сетей базировались на схеме MACA (Multiple Access with
Несмотря на все предосторожности, коллизия все же может произойти. Например, станции A и C могут одновременно послать кадры
В 1994 году схема MACA была усовершенствована и получила название MACAW. Было отмечено, что без подтверждения на канальном уровне потерянные кадры не будут переданы повторно, пока транспортный уровень много позднее не обнаружит их отсутствия. В усовершенствованной схеме требуется подтверждение получения любого информационного кадра, добавлен также механизм оповещения о перегрузке. Стандарт 802.11 поддерживает два режима работы: DCF (Distributed Coordination Function) и PCF (Point Coordination Function). Первый не имеет средств централизованного управления, второй — предполагает, что базовая станция берет на себя функцию управления локальной субсетью. В протоколе 802.11 используется алгоритм доступа CSMA/CA (CSMA with
(рис 7.21) Прослушивание виртуального канала в протоколе CSMA/CAКогда станция А решает, что ей необходимо передать данные станции В, она посылает ей кадр
Режимы PCF и
Помимо WLAN, в настоящее время разработаны стандарты для беспроводных региональных сетей WMAN (Wireless Metropolitan-Area Networks, например,
Скорость обмена 9,6-14,4 кбит/c.
Система (
Эта система известна также под именем ARDIS. Максимальное расстояние связи равно 20 км. Как и в Mobitex связь между базовой станцией и мобильным узлом DataTAC осуществляется в полудуплексном режиме. MTU=2048 байт, скорость обмена 19,2 кбит/с. Система базируется не на IP-технике.
Система разработана IBM и McCaw
Система разработана
Систему называют также улучшенным GPRS, по основным параметрам она совпадает со своим прототипом.
К сожалению, беспроводные, особенно мобильные каналы крайне ненадежны. Потери пакетов в таких каналах весьма вероятны. Понижение скорости передачи, как правило, не приводит к понижению вероятности потери. Кроме того, проходы от отправителя к получателю здесь неоднородны и могут включать в себя сегменты с различными методами транспортировки данных (проводные и беспроводные). В таких структурах бывает полезно разбить канал на две последовательные связи ( indirect TCP ). Преимуществом такой схемы является то, что оба виртуальных канала являются однородными. Таймауты в одном из соединений заставят отправителя замедлить темп передачи, в то время как таймауты во втором — могут ускорить обмен. Да и все остальные параметры связей могут оптимизироваться независимо. Основной недостаток этого приема заключается в нарушении базового принципа организации TCP-соединений на основе сокетов, здесь получение подтверждения отправителем не означает благополучной доставки. В 1995 году была предложена схема, не нарушающая TCP-семантику. В этой схеме вводится специальный агент-наблюдатель, который отслеживает состояние кэшей отправителя и получателя и посылает подтверждения. Этот агент при отсутствии своевременного подтверждения запускает процедуру повторной посылки сегмента, не информируя об этом первичного отправителя. Механизмы подавления перегрузки запускаются в этом варианте только при перегрузке проводной секции канала. При потерях реализуется выборочная пересылка сегментов.
В последнее время в продажу поступили радио-интерфейсы (
(рис 7.22) Топология WLAN c базовой станцией.При работе с UDP также возникают некоторые трудности. Хотя известно, что UDP не гарантирует доставки, большинство программ предполагает, что вероятность потери невелика.
Программы используют такие способы преодоления потерь, которые при высокой вероятности потери просто не срабатывают. Многие приложения предполагают наличие достаточного запаса пропускной способности, чего в случае мобильной связи обычно нет.
Стандарт 802.11 использует три класса кадров, транспортируемых через канал: информационные, служебные и управляющие. Формат информационного кадра представлен на рис 7.23.
(рис 7.23) Формат информационного кадра 802.11.Двухоктетное поле управления кадра имеет 11 субполей. Субполе версия протокола позволяет двум протоколам работать в пределах одной ячейки. Поле тип задает разновидность кадра (информационный, служебный или управляющий), а субтип определяет субтип кадра (
Поле длительность задает время передачи кадра и его подтверждение. Это поле может присутствовать в служебных кадрах. Именно с учетом этого поля станции выставляют признаки NAV. Заголовок содержит четыре адреса. Это адрес отправителя и получателя, а также адреса ячейки отправителя и места назначения. Поле номер служит для нумерации фрагментов. Из 16 бит номера 12 идентифицируют кадр, а 4 — фрагмент. Управляющие кадры имеют сходный формат, только там отсутствуют поля базовых станций, так как эти кадры не покидают пределов сотовой ячейки. В служебных кадрах отсутствуют поля данные и номер, ключевым здесь является содержимое поля субтип (
Для обеспечения безопасности (ведь к такой сети достаточно легко подключиться) используется алгоритм ).
Стандарт 802.11 требует, чтобы все совместимые беспроводные ЛВС предоставляли девять типов сервисов. Первые пять относятся к услугам распределения и осуществляются базовой станцией, остальные четыре являются станционными. Первая группа:
Остальные четыре вида услуг являются внутренними сервисами сотовой ячейки и предоставляются после осуществления ассоциации. В перечень этих сервисов входят:
Радиоканалы позволяют осуществлять связь с мобильными объектами, и в этом качестве они вне конкуренции.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.