Обзор каналов передачи данных

7.2. Построение сетей передачи данных с использованием радио каналов

Применение электромагнитных волн для телекоммуникаций имеет более чем столетнюю историю. Число осцилляций электромагнитного поля в секунду называется частотой и измеряется в герцах (в честь Генриха Герца). Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время своего периода, называется длиной волны . В вакууме любые электромагнитные волны распространяются со скоростью света , который сам имеет ту же самую природу. Имеет место фундаментальное соотношение и : . Из этого соотношения следует, что:

Это позволяет связать ширину частотного диапазона с частотой и диапазоном длин волн. Для большинства каналов передачи данных характерно соотношение , которое обеспечивает наилучшие условия приема (Вт/Гц).

Спектр используемых волн делится на ряд диапазонов, приведенных в таблице 7.5.

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 направленная антенна, а на пути нет препятствий, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно и сигнал падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником (удвоение расстояния приводит к потерям 6дБ). Радио каналы для целей передачи информации используют частотные диапазоны 902-928 МГц (расстояния до 10 км, пропускная способность до 64кбит/с), 2,4 ГГц и 12 ГГц (до 50 км, до 16 Мбит/с). Используются эти частоты для беспроводных телефонных трубок, дистанционного открытия дверей гаража, беспроводных HI-FI микрофонов или громкоговорителей и других аналогичных приложений. Они применяются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно, слишком дорого или неудобно. Более низкие частоты (например, 300 МГц) мало привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (>30 ГГц) работоспособны для расстояний не более или порядка 5км из-за поглощения радиоволн в атмосфере. При использовании диапазонов 4, 5 и 6 (табл. 7.5) следует иметь в виду, что любые препятствия на пути волн приведут к их практически полному поглощению. На эти диапазоны заметное влияние оказывает и поглощение в атмосфере. Зависимость поглощения от длины радиоволн показана на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Зависимость поглощающей способности земной атмосферы от длины волны

Из 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 частоты

Мощность передатчика обычно лежит в диапазоне 50 мВт-2 Вт. Радиомодемы, как правило, используют шумоподобный метод передачи SST (Spread Spectrum Transmission). Для устройств на частоты 2.4 ГГц и выше часто применяются направленные антенны и необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Такие каналы обычно работают по схеме точка-точка, но возможна реализация и многоточечного соединения. На аппаратном уровне здесь могут использоваться радиорелейное оборудование радиомодемы или радио-бриджи. Схема этих устройств имеет много общего. Отличаются они лишь сетевым интерфейсом (см. рис. 7.11). 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 данных

Схемы 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-модемов

Кроме 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 антенны

Все 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. Направленная антенна с площадью обеспечивает усиление сигнала :

где – длина волны несущей.

Угол излучения такой антенны с радиусом равен . 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 (оно должно быть больше определенного значения, зависящего от апертуры антенны и расстояния между передатчиком и приемником).

Рис. 7.14.

Это расстояние определяется расходимостью ( ) радиолуча и используемой длиной волны. Если это требование невыполнимо, в смежных каналах следует использовать разные длины волн.