8.2.1 Ефірне середовище

В залежності від частоти несучого сигналу розрізняють наступні види

каналів:

радіоканал (несуча частота - …). Вартість обладнання - середня.

Швидкість передавання від 20 до 150 Кбіт/с. Підлягає впливові

усіх видів завад. Відстань зв’язку визначається радіо-досяжністю.

Використовується в основному в пересувних об’єктах;

інфрачервоний канал (несуча частота - …). Достатньо дешеве

обладнання. Швидкість передавання від 2 до 4 Мбіт/с.

Нечутливий до електромагнітних завад. Відстань зв’язку

визначається прямою оптичною видимістю але не перевищує 3

км. Недоліком є недовговічність апаратури;

ультрахвильовий канал (несуча частота - …). Швидкість

передавання від 20 до 40 Мбіт/с. Нечутливий до завад. Відстань

зв’язку визначається прямою оптичною видимістю і не

перевищує 1,5 км;

мікрохвильовий канал (несуча частота - …). Обладнання дуже

дороге. Швидкість передавання до 20 Гбіт/с. Відстань зв’язку

визначається радіо-досяжністю але не перевищує 20 км.

Недоліком є недосконалість апаратури.

Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача

і приймача радіохвиль. Існує багато типів радіоканалів, що відрізняються

як використовуваним частотним діапазоном, так і дальністю зв'язку.

Діапазони коротких, середніх і довгих хвиль (KB, СВ і ДВ), звані

також діапазонами амплітудної модулящ1и (AM - Amplitude Modulation) по

типу використовуваного в них методу модуляції сигналу, забезпечують далеку

зв'язок, але при невисокій швидкості передачі даних. Швидкіснішими є

канали, що працюють на діапазонах ультракоротких хвиль (УКВ), для яких

характерна частотна модуляція (FM - Frequency Modulation), а також

на діапазонах надвисоких частот (НВЧ або microwaves). У діапазоні НВЧ

(понад 4 ГГц) сигнали вже не відбиваються іоносферою Землі, і для стійкої

зв'язку потрібна наявність прямої видимості між передавачем і приймачем.

Тому такі частоти використовують або супутникові канали, або

радіорелейні канали де ця умова виконується.

Далее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей. Диапазоны часто, используемые различными каналами связи показаны на рис. 8.2.1.

Рис. 8.2.1. Диапазоны частот различных телекоммуникационных каналов.

Стоимость антенного комплекса обычно пропорциональна кубу диаметра антенны. Стандартная антенна intelsat имеет диаметр 30 м и угол излучения 0,01⁰.

Спутниковые каналы используют диапазоны перечисленные в таблице 8.2.1.

Таблица 8.2.1. Частотные диапазоны, используемые для спутниковых телекоммуникаций

Из таблицы видно, что передача ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи VSAT (very small aperure terminals). Такие терминалы используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. При этом канал к спутнику имеет пропускную способность 19,2 кбит/с, а со спутника более 512 кбит/c. Непосредственно такие терминалы не могут работать друг с другом, разумеется через телекоммуникационный спутник. Для решения этой проблемы используются промежуточные наземные антенны с большим усилением, что, правда увеличивает задержку. Схема связей в технологии VSAT.

Рис. 8.2.2. Схема спутниковой связи VSAT

Терминальные антены vsat имеют диаметр 1-1,5 м и излучаемую мощность 1-4 Вт, обеспечивая широкополосность до 64 кбит/с. Такие небольшие антенны не позволяют таким терминалам общаться непосредственно. На рис. 8.2.2. станции А и Б не могут непосредственно друг с другом. Для передачи данных используется промежуточная станция с большой антенной и мощностью (на рис. антенна В). Для 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. 8.2.3.). Спутники, работающие на одной и той же частоте должны быть разнесены по углу на 2^o. Это означет что число таких спутников не может быть больше 180. В противном случае они должны работать в разных частотных диапазонах. При работе в Q-диапазоне угловое расстояние между спутниками можно сократить до 1^o. Влияние дождя можно минимизировать, используя далеко отстоящие наземные станции (размеры урагана конечны!).

Рис. 8.2.3.

Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которым они висят. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей 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, для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (это особенно существенно 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.

Типичный спутник имеет 12-20 транспондеров, каждый из которых имеет полосу 36-50 МГц. Один транспондер может обеспечить информационный поток в 50 Мбит/с или 800 64-килобитных каналов цифровой телефонии. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала и по этой причине работать на одной и той жк частоте. Каждый телекоммуникационный спутник снабжен несколькими антеннами. Низходящий луч может быть сфокусирован на достаточно ограниченную область на земле (с диаметром несколько сот км). Что также упрощает осуществление двунаправленного обмена.

Существует несколько способов работы совокупности наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте (FDM), по времени (TDM), CDMA (Code Division Multiple Access), ALOHA или метод запросов.

Схема запросов предполагает, что наземные станции образуют логическое кольцо, вдоль которого двигается маркер. Наземная станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.

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. Связано это отчасти с тем, что передающая сторона узнает о столкновении лишь спустя ~270 мсек. После столкновения станция ожидает некоторое псевдослучайное время и совершает повторную попытку передачи еще раз. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне около 18%, что совершенно недопустимо для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы ALOHA, которая удваивает эффективность. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации. Если длина временного домена равна T, тогда домен с номером k начинается в момент времени kT по отношению к упомянутому выше сигналу. Так как часы разных станций работают немного по разному, необходима периодическая ресинхронизация. Другой проблемой является разброс времени распространения сигнала для разных станций.

Метод мультиплекcирования по частоте (FDM) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть использован для получения 500 64кбит/с ИКМ-каналов, каждый из которых работает со своей уникальной частотой, чтобы исключить интерференцию с другими. Соседние каналы должны отстоять на достаточном расстоянии друг от друга. Кроме того, должен контролироваться уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехо 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 распределение имеет название SPADE, он использовался в первых версиях систем связи на базе INTELSAT. Каждый транспондер системы SPADE содержит 794 симплексных ИКМ-каналов по 64-кбит/c и один сигнальный канал с полосой 128 кбит/c. ИКМ-каналы используются попарно для обеспечения полнодуплексной связи. При этом восходящий и ниcходящий каналы имеют полосу по 50 Мбит/с. Сигнальный канал делится на 50 доменов по 1 мсек (128 бит). Каждый домен принадлежит одной из наземной станции, число которых не превышает 50. Когда станция готова к передаче, она произвольным образом выбирает неиспользуемый канал и записывает номер этого канала в очередной свой 128 битный домен. Если один и тот же канал попытаются занять две или более станции происходит столкновение и они вынуждены будут повторить попытку позднее.

Метод мультиплекирования по времени сходен с FDM и довольно широко применяется на практике. Здесь также необходима синхронизация для доменов. Это делается как и в доменной системе ALOHA c помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизовано или децентрализовано. Рассмотрим систему ACTS (Advanced Communication Technology Satellite). Система имеет 4 независимых канала (TDM) по 110 Мбит/c (два восходящих и два ниcходящих). Каждый из каналов структурированы в виде 1-милисекундных кадров, каждый из которых имеет по 1728 временных доменов. Каждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 кбит/c. Управление временными доменами с целью минимизации времени на перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций. Управление временными доменами осуществляется одной из наземных станций (MCS - Master Control Station). Работа системы ACTS представляет собой трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник получает кадр и запоминает его в 1728-ячеечном буфере. На втором - бортовая ЭВМ копирует каждую входную запись в выходной буфер (возможно для другой антенны). И, наконец, выходная запись передается наземной станции.

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 MCS. Для этих целей выделяется специальный управляющий канал емкостью 13 запросов в сек. Существуют и динамические методы распределения ресурсов в TDM (методы Кроузера [Crowther], Биндера [Binder] и Робертса [Roberts]).

Метод CDMA (Code Division Multiple Access) не требует синхронизации и является полностью децентрализованным. Как и другие методы он не лишен недостатков. Во-первых, емкость канала CDMA в присутствии шума и отсутствии координации между станциями обычно ниже, чем в случае TDM. Во-вторых, система требует быстродействующего и более дорогого оборудования.

Інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоні безпровідні мережі використовують

для передачі даних інфрачервоні промені. У подібних системах необхідно

генерувати дуже сильний сигнал, оскільки інакше значне

вплив чинитимуть інші джерела.

Мережі на розсіяному інфрачервоному випромінюванні. При цій технології

сигнали, відбиваючись від стін і стелі, врешті-решт досягають приймача.

Ефективна область обмежується приблизно 30 м Швидкість передачі невелика

(оскільки усі сигнали відбиті).

Мережі на відбитому інфрачервоному випромінюванні. У таких мережах оптичні

трансивери, розташовані поряд з комп'ютером, передають сигнали

у певне місце, з якого вони транслюються відповідному комп'ютеру.

Широкосмугові оптичні мережі. Ці інфрачервоні безпровідні

мережі надають широкосмугові послуги магістралі, відповідають жорстким

вимогам мультимедійного середовища і практично не поступаються кабельним

мережам. Хоча швидкість і зручність використання інфрачервоних мереж дуже

пррггягательны, виникають труднощі при передачі сигналів на відстань більш

10 м. До того ж такі мережі схильні до перешкод з боку сильних джерел

світла, які є в більшості приміщень.

У комп'ютерних мережах нині застосовують практично усі описані

типи фізичних середовищ передачі даних, але найбільш перспективними

являються волоконно-оптичні. На них сьогодні будують як магістралі великих

територіальних мереж, так і високошвидкісні лінії зв'язку локальних

мереж. Популярним середовищем є також вита пара, яка характеризується

відмінним співвідношенням якості до вартості і простотою монтажу. З

допомогою витої пари зазвичай підключають кінцевих абонентів мереж на відстанях

до 100 м від концентратора. Супутникові канали і радіозв'язок використовують

найчастіше у випадках, коли кабельні зв'язки застосувати не можна

- наприклад, при проходженні каналу через малонаселену місцевість або

же для зв'язку з мобільним користувачем мережі.