Информационные сети

Близким по сути к формуле Шеннона является следующее соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии:

С = 2F log₂ M,

где М -- количество различимых состояний информационного параметра.

Если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 2.10, а). Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала (рис. 2.10, б).

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на рис. 2.10, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования, рассматриваемых ниже.

Помехоустойчивость и достоверность

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной -- волоконно-оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают.

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk - - NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 log РВых/Рнав, где Рвых -- мощность выходного сигнала, РНав -- мощность наведенного сигнала.

Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 МГц.

Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколь-нибудь заметных помех друг для друга.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM, являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле.

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10~' -10~6, в оптоволоконных линиях связи --10~9. Значение достоверности передачи данных, например, в 10~4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.

Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.

Сравнительная характеристика сред передачи: витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно

Стандарты кабелей

Кабель -- это достаточно сложное изделие, «состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию. Кроме этого, для обеспечения быстрой перекоммутации кабелей и оборудования используются различные электромеханические устройства, называемые кроссовыми секциями, кроссовыми коробками или шкафами.

В компьютерных сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам, что позволяет строить кабельную систему сети из кабелей и соединительных устройств разных производителей. Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие.

Американский стандарт EIA/TIA-568A, который был разработан совместнымиусилиями нескольких организаций: ANSI, EIA/TIA и лабораторией UnderwritersLabs (UL). Стандарт EIA/TIA-568 разработан на основе предыдущей версиистандарта EIA/TIA-568 и дополнений к этому стандарту TSB-36 и TSB-40A).

Международный стандарт ISO/IEC 11801.

Европейский стандарт EN50173.

Эти стандарты близки между собой и по многим позициям предъявляют к кабелям идентичные требования. Однако есть и различия между этими стандартами, например, в международный стандарт 11801 и европейский EN50173 вошли некоторые типы кабелей, которые отсутствуют в стандарте EIA/TAI-568A.

До появления стандарта EIA/TIA большую роль играл американский стандарт системы категорий кабелей Underwriters Labs, разработанный совместно с компанией Anixter. Позже этот стандарт вошел в стандарт EIA/TIA-568.

Кроме этих открытых стандартов, многие компании в свое время разработали свои фирменные стандарты, из которых до сих пор имеет практическое значение только один -- стандарт компании IBM.

При стандартизации кабелей принят протокольно-независимый подход. Это означает, что в стандарте оговариваются электрические, оптические и механические характеристики, которым должен удовлетворять тот или иной тип кабеля или соединительного изделия -- разъема, кроссовой коробки и т. п. Однако для какого протокола предназначен данный кабель, стандарт не оговаривает. Поэтому нельзя приобрести кабель для протокола Ethernet или FDDI, нужно просто знать, какие типы стандартных кабелей поддерживают протоколы Ethernet и FDDI.

В ранних версиях стандартов определялись только характеристики кабелей, без соединителей. В последних версиях стандартов появились требования к соединительным элементам (документы TSB-36 и TSB-40A, вошедшие затем в стандарт 568А), а также к линиям (каналам), представляющим типовую сборку элементов кабельной системы, состоящую из шнура от рабочей станции до розетки, самой розетки, основного кабеля (длиной до 90 м для витой пары), точки перехода (например, еще одной розетки или жесткого кроссового соединения) и шнура до активного оборудования, например концентратора или коммутатора.

Мы остановимся только на основных требованиях к самим кабелям, не рассматривая характеристик соединительных элементов и собранных линий.

В стандартах кабелей оговаривается достаточно много характеристик, из которых наиболее важные перечислены ниже (первые две из них уже были достаточно детально рассмотрены).

Затухание (Attenuation). Затухание измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала.

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT). Измеряются в децибелах для определенной частоты сигнала.

Импеданс (волновое сопротивление) - - это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем (например, для коаксиальных кабелей, используемых в стандартах Ethernet, импеданс кабеля должен составлять 50 Ом). Для неэкранированной витой пары наиболее часто используемые значения импеданса -- 100 и 120 Ом. В области высоких частот (100-200 МГц) импеданс зависит от частоты.

Активное сопротивление -- это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля.

Емкость -- это свойство металлических проводников накапливать энергию. Два электрических проводника в кабеле, разделенные диэлектриком, представляют собой конденсатор, способный накапливать заряд. Емкость является нежелательной величиной, поэтому следует стремиться к тому, чтобы она была как можно меньше (иногда применяют термин «паразитная емкость»). Высокое значение емкости в кабеле приводит к искажению сигнала и ограничивает полосу пропускания линии.

Уровень внешнего электромагнитного излучения или электрический шум. Электрический шум ~ это нежелательное переменное напряжение в проводнике. Электрический шум бывает двух типов: фоновый и импульсный. Электрический шум можно также разделить на низко-, средне- и высокочастотный. Источниками фонового электрического шума в диапазоне до 150 кГц являются линии электропередачи, телефоны и лампы дневного света; в диапазоне от 150 кГц до 20 МГц -компьютеры, принтеры, ксероксы; в диапазоне от 20 МГц до 1 ГГц - телевизионные и радиопередатчики, микроволновые печи. Основными источниками импуль-сного электрического шума являются моторы, переключатели и сварочные агрегаты. Электрический шум измеряется в милливольтах.

Диаметр или площадь сечения проводника. Для медных проводников достаточно употребительной является американская система AWG (American Wire Gauge), которая вводит некоторые условные типы проводников, например 22 AWG, 24 AWG, 26 AWG. Чем больше номер типа проводника, тем меньше его диаметр. В вычислительных сетях наиболее употребительными являются типы проводников, приведенные выше в качестве примеров. В европейских и международных стандартах диаметр проводника указывается в миллиметрах.

Естественно, приведенный перечень характеристик далеко не полон, причем в нем представлены только электромагнитные характеристики и его нужно дополнить механическими и конструктивными характеристиками, определяющими тип изоляции, конструкцию разъема и т.п. Помимо универсальных характеристик, таких, например, как затухание, которые применимы для всех типов кабелей, существуют характеристики, которые применимы только к определенному типу кабеля. Например, параметр шаг скрутки проводов используется только для характеристики витой пары, а параметр NEXT применим только к многопарным кабелям на основе витой пары.

Основное внимание в современных стандартах уделяется кабелям на основе витой пары и волоконно-оптическим кабелям.

Кабели на основе неэкранированной витой пары

Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий (Category I - Category 5). Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие.

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 года это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории -- способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 году, когда был разработан Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий (EIA-568), на основе которого затем был создан действующий стандарт EIA-568A. Стандарт EIA-568 определил электрические характеристики кабелей категории 3 для частот в диапазоне до 16 МГц, поддерживающих, таким образом, высокоскоростные сетевые приложения. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов равен примерно 3 витка на 1 фут (30,5 см). Кабели категории 3 сейчас составляют основу многих кабельных систем зданий, в которых они используются для передачи и голоса, и данных.

Кабели категории 4 представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. Кабели категории 4 хорошо подходят для применения в системах с увеличенными расстояниями (до 135 метров) и в сетях Token Ring с пропускной способностью 16 Мбит/с. На практике используются редко.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На этом кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/с -- FDDI (с физическим стандартом TP-PMD), Fast Ethernet, lOOVG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы -- ATM на скорости 155 Мбит/с, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с (вариант Gigabit Ethernet на витой паре категории 5 стал стандартом в июне 1999 г.). Кабель категории 5 пришел на замену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

Наиболее важные электромагнитные характеристики кабеля категории 5 имеют следующие значения:

• полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом (стандарт ISO 11801 допускает также кабель с волновым сопротивлением 120 Ом);

• величина перекрестных наводок NEXT в зависимости от частоты сигнала должна принимать значения не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц;

• затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100 МГц);

• активное сопротивление не должно превышать 9,4 Ом на 100 м;

• емкость кабеля не должна превышать 5,6 нф на 100 м.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две -- для передачи голоса.

Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы RJ-11.

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые промышленность начала выпускать сравнительно недавно. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 -- до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкраниро ванным. Основное назначение этих кабелей -- поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель UTP категории 5. Некоторые специалисты сомневаются в необходимости применения кабелей категории 7, так как стоимость кабельной системы при их использовании получается соизмеримой по стоимости сети с использованием волоконно-оптических кабелей, а характеристики кабелей на основе оптических волокон выше.

Кабели на основе экранированной витой пары

Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают.

Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы: Туре 1, Туре 2,..., Туре 9.

Основным типом экранированного кабеля является кабель Туре 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которая заземляется. Электрические параметры кабеля Туре 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление кабеля Туре 1 равно 150 Ом (UTP категории 5 имеет волновое сопротивление 100 Ом), поэтому простое «улучшение» кабельной проводки сети путем замены неэкранированной пары UTP на STP Type 1 невозможно. Трансиверы, рассчитанные на работу с кабелем, имеющим волновое сопротивление 100 Ом, будут плохо работать на волновое сопротивление 150 Ом. Поэтому при использовании STP Type 1 необходимы соответствующие трансиверы. Такие трансиверы имеются в сетевых адаптерах Token Ring, так как эти сети разрабатывались для работы на экранированной витой паре. Некоторые другие стандарты также поддерживают кабель STP Туре 1 -- например, lOOVG-AnyLAN, а также Fast Ethernet (хотя основным типом кабеля для Fast Ethernet является UTP категории 5). В случае если технология может использовать UTP и STP, нужно убедиться, на какой тип кабеля рассчитаны приобретаемые трансиверы. Сегодня кабель STP Type 1 включен в стандарты EIA/TIA-568A, ISO 11801 и EN50173, то есть приобрел международный статус.

Экранированные витые пары используются также в кабеле IBM Type 2, который представляет кабель Туре 1 с добавленными 2 парами неэкранированного провода для передачи голоса.

Для присоединения экранированных кабелей к оборудованию используются разъемы конструкции IBM.

Не все типы кабелей стандарта IBM относятся к экранированным кабелям -- некоторые определяют характеристики неэкранированного телефонного кабеля (Туре 3) и оптоволоконного кабеля (Туре 5).

Коаксиальные кабели

Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, используемых в сетях различного типа -- телефонных, телевизионных и компьютерных. Ниже приводятся основные типы и характеристики этих кабелей.

• RG-8 и RG-11 -- «толстый» коаксиальный кабель, разработанный для сетей Ethernet 10Base-5. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0,5 дюйма (около 12 мм). Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10 МГц -- не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать -- он плохо гнется.

• RG-58/U, RG-58 A/U и RG-58 C/U - - разновидности «тонкого» коаксиального кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Кабель RG-58/U имеет сплошной внутренний проводник, а кабель RG-58 A/U - - многожильный. Кабель RG-58 C/U проходит «военную приемку». Все эти разновидности кабеля имеют волновое сопротивление 50 Ом, но обладают худшими механическими и электрическими характеристиками по сравнению с «толстым» коаксиальным кабелем. Тонкий внутренний проводник 0,89 мм не так прочен, зато обладает гораздо большей гибкостью, удобной при монтаже. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в «толстом» коаксиальном кабеле, что приводит к необходимости уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте. Для соединения кабелей с оборудованием используется разъем типа BNC.

• RG-59 - - телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом. Широко применяется в кабельном телевидении.

• RG-62 - - кабель с волновым сопротивлением 93 Ома, использовался в сетях ArcNet, оборудование которых сегодня практически не выпускается.

Коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (то есть «тонкий» и «толстый») описаны в стандарте EIA/TIA-568. Новый стандарт EIA/TIA-568A коаксиальные кабели не описывает, как морально устаревшие.

Волоконно-оптические кабели

Волоконно-оптические кабели состоят из центрального проводника света (сердцевины) -- стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла -- оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

• многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (рис. 2.И, а);

• многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления (рис. 2.11,6);

• одномодовое волокно (рис. 2.11, б).

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая -- до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кро ме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (МиШ Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм -- это диаметр центрального проводника, а 125 мкм -- диаметр внешнего проводника.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча.. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания -- от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• светодиоды;

• полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомо-довых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм (1,55 мкм), 1300 нм (1,3 мкм) и 850 нм (0,85 мкм). Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Излучатели с длиной волны 850 нм существенно дешевле, чем излучатели с длиной волны 1300 нм, но полоса пропускания кабеля для волн 850 нм уже, например 200 МГц/км вместо 500 МГц/км.

Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока светодиодов.

Использование только нескольких длин волн для передачи информации в оптических волокнах связанно с особенностью их амплитудно-частотной характеристики. Именно для этих дискретных длин волн наблюдаются ярко выраженные максимумы передачи мощности сигнала, а для других волн затухание в волокнах существенно выше.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами Ml С, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один серьезный недостаток -- сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Так, присоединение оптического волокна к разъему требует проведения высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения соединения путем сложной операции склеивания, а не обжатия, как это делается для витой пары. Выполнение же некачественных соединений сразу резко сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и линий.

Сравнительная характеристика технологий беспроводной связи

В наше время есть категории пользователей, которым надо (или они убедили себя , что им надо) постоянно находится на связи, получать электронную почту и т.п.

Беспроводная связь полезна не только при мобильных вычислительных средствах, но и там где прокладка любого кабеля затруднительна, либо не возможна (горы, старые здания, оперативные коммуникации).

Радио передача

просто генерировать

легко принимать

хорошо распространяется во всех направлениях (Кадилак)

хорошо принимается как в доме, так и вне его

низкочастотные волны хорошо преодолевают преграды, но требуют много энергии, они затухают пропорционально 1/r3 от источника.

Высокочастотные волны хуже огибают препятствия, даже дождь - помеха для них, они интерферируют с излучениями от других электрических приборов.

Три распространенных класса радиопередачи:

1) Маломощная на одной частоте.

Малая мощность (~ 1 Вт) малые расстояния (десятки метров) или на открытом пространстве.

Скорость передачи достигает 10М

В принципе, могут использоваться любые радиочастоты, но для большей скорости в сетях ЭВМ используют гигагерцовый диапазон.

Стоимость зависит от используемой комбинации передатчик+антенна. Сравнима с другими беспроводными технологиями.

Сложность установки также зависит от комбинации передатчик+антенна. Бывают “преднастроенные” системы, в других же случаях треб-ся услуги спец-стов по установке и настройке.

Степень затухания зависит от используемой частоты и мощности (выше f, P меньше затухание). Поскольку мощность мала, в реальных системах степень затухания относительно велика.

Защищенность от ЭМИ чрезвычайно низкая. Кр. того, зная частоту передачи можно перехватывать чужие данные; поэтому-то и используют низкую мощность сигнала - чтобы излучение не выходило за пределы помещения наружу, где может “засесть” злоумышленник-перехватчик”.

2) Мощная на одной частоте;

Хорошо подходит для мобильной связи. Почти то же самое, что и (1), только:

мощность выше дальность больше, затухание, естественно, существенно ниже

Стоимость значительно выше, нежели у (1).

Установка и настройка также гораздо сложнее - требуется “тонкая” настройка; иначе, плохо настроенные передатчики “загадят” эфир во всей округе.

Защищенность от ЭМИ также весьма низка, а подверженность перехвату - еще больше, чем у (1) - большие расстояния...

3) Радиопередача с использованием широкого спектра частот.

Наиболее широко используются следующие две техники передачи в широком диапазоне частот:

Direct sequence modulation;

Frequency hopping.

В первом случае закодированные данные разбиваются на кусочки, называемые “чипами”, и каждый чип распределяется по некоторому набору частот.

Во втором - передача “скачет” от частоты к частоте (передающая и приемная сторона, разумеется, должны следовать одинаковой последовательности частот).

Подобные системы, в принципе, могут использовать весь радиодиапазон, однако, на практике стараются использовать не лицензируемые частоты.

Стоимость сравнима с (1, 2) и также зависит от используемого оборудования.

Обычно поставляются предконфигурированными; сложность установки - от простой до сравнительно сложной.

Емкость - 2 - 6 М

Затухание зависит от частоты и мощности. (обычно такие устойства работают на малых мощностях затухание)

Как и у других видов радиопередачи защищенность от помех низкая. А вот перехватить данные при такой технике передачи куда сложнее (надо знать набор частот), тем более, что часто используют `dummy' - частоты или чипы (операция “Ы”).

Микроволны

Микроволновая передача используется как в наземных, так и в спутниковых системах. Функционально, и те и другие используют те же частоты и поэтому во многом похожи, но, естественно, возможности - разные.

Микроволны - 1 - 300 GHz.

В наземных системах, обычно используются параболические направленные антенны, между которыми не должно быть препятствий (прямая видимость). Наиболее часто подобные системы используются для связи между зданиями по схеме “точка-точка”, однако есть системы и для коммуникаций внутри помещений. В последнем случае, обычно, клиентские передатчики связываются с центральным всенаправленным (omnidirectional) хабом. Хабы, в свою очередь могут связываться друг с другом, образуя разветвленную структуру ЛВС. Подобные конфигурации обеспечивают, очевидно, мобильность пользователей в пределах досягаемости хабов.

Обычно используются частоты 4-6 или 21-23 GHz.

Стоимость зависит от частоты и мощности. “Маленькие” системы, для расстояний в сотни метров, стоят недорого; системы для километровых дистанций значительно дороже. Чем выше частота вещания, тем меньшего размера требуются антенны.

Установка для систем “прямой видимости” утомительна - прицеливаться нужно. Кр. того нужно добывать лицензию на частоты.

Скорость передачи достигает 10 М.

Затухание варьируется в зависимости от частоты сигнала и размера антенны. Микроволны с более высокими частотами более подвержены затуханию из-за дождя.

Инфракрасное излучение

Диапазон: 0,1 - 30 THz

В качестве излучателей используются светодиоды (LEDs) или инжекционные лазерные диоды (ILD); в качестве приемников - фотодиоды.

Передаваемый сигнал проходит от источника к приемнику либо по прямой видимости, либо отраженный. В последнем случае мощность излучения падает примерно наполовину на каждом отражении. Инфракрасные сигналы не способны преодолевать препятствия (стены), а также “разбавляются” сильными источниками света. Лучше всего подходят для соединений в пределах одного помещения.

Высокая частота инфракрасных волн, теоретически, позволяет достигать высоких скоростей передачи. Развитие технологий передачи, однако, идет медленно.

Два вида инфракрасных систем:

точка - точка;

широковещательные.

В первом случае передача ведется с использованием направленных лучей. Во втором - фокусировка луча ослабляется, что позволяет сигналу распространяться “в ширину”; один трансивер может соединяться сразу с несколькими ресиверами.

Обычно используются нижний диапазон световых частот (0,1 - 1 THz)

Стоимость зависит от используемых в излучателях технологий. Высокомощные, высококачественные лазеры м.б. очень-очень дорогими, однако типичные реализации инфракрасных систем малого радиуса действия используют “бытовые” технологии, и стоят совершенно недорого.

Системы “точка-точка” устанавливать сложно - “прицеливание”... Кр. того, если используются мощные лазеры, возникает опасность повредить глаза. Широковещательные системы устанавливаются легко.

Скорость передачи в существующих системах варьируется от сотен К до 16 М.

Затухание инфракрасного сигнала зависит от интенсивности излучения, его чистоты, атмосферных условий и “чистоты пути” от источника к приемнику. Радиус действия широковещательных систем обычно ограничивается десятками метров, при соединении “точка-точка” дальность может достигать нескольких километров (прямая видимость).

Любые инфракрасные системы чувствительны к посторонним источникам света. Защищенность от перехвата данных в системах “точка-точка” высока (сразу заметим факт перехвата); в широковещательных системах - передачи можно спокойно перехватывать в пределах радиуса действия.

Видимое излучение

Видимый диапазон также используется для передачи. Обычно источником света является лазер. Монохромное когерентное излучение легко фокусируется. Однако, дождь или туман портят дело. Передачу способно испортить даже конвекционные потоки на крыше, возникающие в жаркий день.

Телефонные сети (ТфС): структура, цифровая передача в ТфС

Когда надо соединить несколько рядом стоящих компьютеров, то обычно прокладывают кабель. Когда кабель должен пройти через дорогу или пересечь общественные, городские коммуникации дело становиться сложнее, а стоимость огромной. В этих случаях единственным выходом является обратиться к телефонной компании.

Телефонная сеть создавалась давно и целями далеко от тех, которые преследуются при передаче данных между ЭВМ. Поэтому качество передачи данных далеко от совершенства. Однако, ситуация меняется по мере замены меди на оптоволокно и переходе на цифровую систему передачи. Телефонные сети тесно переплетаются с компьютерными сетями, особенно с WAN.

Поэтому много усилий было положено, чтобы научиться использовать столь низкого качества линии для передачи данных между компьютерами.

Структура телефонной сети

Когда в 1876 Александр Белл запатентовал телефон, структура сети представлялась ему очень простой. Абоненты соединялись неизолированным проводом каждый с каждым. Если абонент хотел поддерживать связь с несколькими абонентами в городе, то к нему приходило несколько проводов. Вскоре некоторые дома напоминали джунгли.

К 1878 году стало ясно что так развивать сеть нельзя и Белл строит первую станцию коммутации, с которой соединяются абоненты. Чтобы соединиться абонент крутил ручку, вызывая оператора, сообщал ему с кем он хочет соединиться (классическое :Барышня, дайте Смольный, пожалуйста.), и оператор механически, с помощью штыря соединял проводом гнезда коммутатора. Спустя некоторое врем абоненты выразили желание сообщаться с абонентами в других городах. Потребовалось соединять между собой станции коммутации.

К 1890 году появились три основные компонента телефонной сети: соединение клиент-станция коммутации, станции коммутации, соединения между станциями комму-тации.. Естественно эти три компонента постоянно совершенствовались, но в основных своих чертах они остались все эти 100 лет такими, как их создал Белл.

Структура современного соединения при звонке показана на рис.

В настоящее время все шире используется цифровая передача. Она имеет ряд преимуществ перед аналоговой:

затухание и нарушение формы в цифровом случае не столь сильно как в аналоговом

при ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, чем в случае аналогового сигнала. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается

цифровая передача более надежна в силу выше сказанного

по цифровой сети можно передавать и данные и голос и музыку одновременно и с большей скоростью.

Цифровая передача дешевле, так как не надо тратить большие усилия на восстановление формы сигнала.

Цифровую сеть проще эксплуатировать

Итак, современная сеть состоит из

локальных петель

магистралей (оптоволоконных или микроволновых)

станций коммутации

Локальная петля

На рис. показана организация петли. Как видно из рисунка при передаче данных приходится четыре раза их преобразовывать из цифровой формы в аналоговую и обратно. Несмотря на то, что между станциями коммутации передача осуществляется в цифровой форме в петле она аналоговая. Похоже что она останется таковой в ближайшие 20 лет в силу очень больших затрат на переоборудование.

Методы аналоговой модуляции и мультиплексирования

Искажения при передаче

При передаче аналогового сигнала есть три источника искажений:

затухание

искажение формы

шум

Затухание возникает из-за потери энергии сигнала при его распространении в любой среде. При передаче по медному проводу затухание исчисляется в несколько dB на километр. Затухание также зависит от частоты передаваемого сигнала. Промежуточное усиление может помочь лишь частично. Усилитель не может полностью восстановить исходную форму сигнала.

Искажения формы происходят из-за разницы в скорости распространения сигналов разной частоты. Поскольку каждый сигнал есть комбинация гармоник разной частоты, а гармоники разной частоты распространяются с разной скоростью, то гармоники одного сигнала могут налезать на гармоники предыдущего и вызывать искажения.

Шум возникает вследствие посторонних источников энергии, кроме передатчика. Одним из таких источников является тепловой шум. Он неизбежен. Другими источниками могут быть атмосферные явления, соседние линии и т.п.

Модем

Из-за выше рассмотренных искажений сигнала желательно использовать как можно меньше гармоник при передаче. Однако, скачкообразная форма цифрового сигнала как раз требует большого числа гармоник при передаче. необходимо спектральное согласование дискретного сигнала с полосой пропускания телефонного канала.

Решение проблемы лежит в использовании несущей частоты в сочетании с разными способами модуляции сигнала. Три основные способа:

При фазовой модуляции несущая частота сдвигается периодически на 45, 135, 225 и 315 градусов. Устройство, которое преобразует поток битов в модулированный сигнал и обратно называется модем. Чтобы увеличить скорость передачи недостаточно увеличивать частоту несущей волны. Надо увеличивать число бит на осциляцию. На рис. показаны две схемы как это можно делать комбинируя фазовую модуляцию с амплитудной.

Для соединения оба модема должны поддерживать одну и ту же схему модуляции. Схема на рис.2-19 b соответствует стандарту UTI V-32 на 9600bps. Для 14,400 применяется стандартV32 bis. Для 24,800bps - V34.

В модемы также встраиваются средства для контроля и коррекции ошибок, используя специальные коды. Самый простой способ - добавление бита четности. В сочетании с кодами, исправляющим ошибку используются алгоритмы сжатия. Например, широко распространенный алгоритм MNP 5 убирает из потока повторяющиеся байты. Есть и другие.

Другой важной проблемой при использовании телефонной линии является эхо. Причина этого явления проста - когда сигнал достигает приемника, часть его энергии отражается и возвращается к передатчику. Когда расстояние между приемником и передатчиком небольшое это практически незаметно. Когда расстояние велико задержка между сигналом и эхом становится значительной.

Магистраль и мультиплексирование

Одним из существенных достижений телефонных компаний стали магистрали с мультиплексированием данных. Эти компании научились как запускать по одному и тому же кабелю несколько разговоров одновременно. Созданные ими схемы мультиплексирования можно разделить на два большие класса: мультиплексирование с разделением частот и мультиплексирование с разделением по времени.

Идея мультиплексирования с разделением частот очень проста: весь диапазон частот разбивается на каналы и по каждому каналу идет независимая передача. Пример: трансляция на УКВ. При мультиплексировании с разделением по времени все время работы канала разделяется на кванты. Каждый разговор, передача данных занимает поочередно один квант времени.

Мультиплексирование с разделением частот

С помощью фильтров ограничивают пропускную способность каждого канала 3 000Гц. При мультиплексировании большого числа каналов полосу увеличивают до 4 000 Гц для того чтобы предотвратить налезание одной полосы на другую.

Мультиплексирование с разделением длины волны

Этот способ мультиплексирования используется для оптоволоконных каналов. Самый простой способ показан на рис.

Свет пройдя через призму (или дифракционную решетку) смешивается в единый пучок, который на другом конце разделяется с помощью другой призмы. Поскольку каждый канал занимает не более нескольких ГГц, а пропускная способность одного оптоволоконного канала около 25 000ГГц ( быстрее преобразовывать световой сигнал в электрический пока не могут), то ясно каковы возможности для мультиплексирования.

Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса -- перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

* имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

* обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

* обладал способностью распознавать ошибки;

* обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис. 2.15), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала -- так называемый фронт -- может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

Потенциальный код без возвращения к нулю

На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fo, которая равна N/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 2.16, б) используются три уровня потенциала -- отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N -- битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ -- сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается -- осталось справиться только с последовательностями нулей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Потенциальный код с инверсией при единице

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице

(Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала -- свет и темнота. Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble -- свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью -- фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль -- другой (рис. 2.16, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.