Обзор каналов передачи данных

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 антенны

4-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 INTELSAT имеет диаметр 30 м и угол излучения 0,01⁰. Спутниковые каналы используют частотные диапазоны, перечисленные в таблице 7.6.

Передача всегда ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника.

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 Aperture Terminals). Диаметр пятна "засветки" на земной поверхности для этих антенн равен примерно 250 км. Наземные 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 через телекоммуникационный спутник. Для решения этой проблемы используются промежуточные наземные антенны с большим усилением, что существенно увеличивает задержку (и удорожает систему), смотри рис. 7.17.

Рис. 7.17. Схема станций системы VSAT

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. 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 (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 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 ALOHA, которая удваивает эффективность (предложена в 1972 году Робертсом). Временная шкала делится на дискретные интервалы, соответствующие времени передачи одного кадра.

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 , тогда домен с номером начинается в момент времени 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 (где – основание натурального логарифма). Не слишком большая цифра, но все же в два раза выше, чем для обычного алгоритма ALOHA.

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 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 нисходящий каналы имеют полосу по 50 Мбит/с. Сигнальный канал делится на 50 доменов по 1 мсек (128 бит). Каждый домен принадлежит одной из наземных станций, 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 мультиплексирования 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, с 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 нисходящих). Каждый из каналов структурирован в виде 1-милисекундных кадров, которые имеют по 1728 временных доменов. Все временные домены несут в себе 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой 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) 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 дорогого оборудования.

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 сети

Стандарт 802.11 предполагает работу на частоте 2.4-2.4835 ГГц при использовании модуляции 4FSK/2FSK FHSS и DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), мощность передатчика 10мВт-1Вт. В данном частотном диапазоне определено 79 каналов с полосой 1 Мбит/с каждый. Максимальная пропускная способность сети составляет 2 Мбит/с (в условии малых шумов). Первая локальная сеть 802.11a использовала метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Существует несколько модификаций стандарта и соответствующих регламентирующих документов (смотри http://www.ieee802.org, а также http://www.cisco.com/ipj том 5, N1, IEEE 802.11):

• 802.11D — Additional Regulatory Domains
• 802.11E — - Quality of Service
• 802.11F — Inter-Access Point Protocol (IAPP)
• 802.11G — High data rates at 2.4 GHz
• 802.11H — Dynamic Channel Selection and Transmission Power Control
• 802.11i — Authentication and Security

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).

DSSS в 802.11 использует модуляцию DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying) для 1 Мбит/с и DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying) для 2 Мбит/с, а высокоскоростное DSSS (DSSS/HR применяемое в IEEE 802.11b) использует схему модуляции ССК (Complementary Code Keying), которая допускает скорости передачи 5,5 и 11 Мбит/с. В случае DSSS каждый бит передается в виде 11 элементарных сигналов, которые называются последовательностью Баркера. Все эти три вида модуляции могут сосуществовать. В протоколе предусмотрена коррекция ошибок FEC (смотри описание в статье о протоколе Bluetooth ). IEEE 802.11a специфицирует систему кодирования OFDM скорости передачи 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. В последнее время широкое распространение получила модификации IEEE 802.11b ( WiFi — Wireless Fidelity), которая может обеспечить скорость 1, 2, 5,5 и 11 Мбит/с (модуляция DSSS). Здесь применен алгоритм доступа к сетевой среде CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Для стандарта IEEE 802.11b доступно 11-14 радиоканалов в частотном диапазоне 2,4 ГГц. Здесь все зависит от местных регламентаций и ограничений.

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 802.11b называется 802.11g. Этот стандарт принят в 2001 году, в нем применяется метод модуляции OFDM. Теоретически максимальная скорость передачи составляет 54 Мбит/c.