Обзор каналов передачи данных

Источники ограничений.

1. Мобильные телекоммуникации (802.11a-g, WiFi, GSM), спутниковые каналы, CDMA.
2. Bluetooth.
3. Стандарт широкополосной беспроводной связи IEEE 802.16.
4. Широкополосный канал для подключения периферийных устройств UWB.

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.

7.1. Кабельные каналы связи

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 (10BASE-5 и 10BASE-2; см. рис. 7.1). Смотри http://book.itep.ru/3/cabel_31.htm.

Рис. 7.1. 1 – центральный проводник; 2 – изолятор; 3 – проводник-экран; внешний изолятор

Коаксиальная 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 подается через центральную жилу с одной стороны кабеля. На противоположной стороне кабель нагружен на сопротивление , 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 будет пропорционально

где – индуктивность оплетки кабеля, а – 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 кабеля

Именно 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 (волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников).

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.

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 частоты

При 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.

Эти данные взяты из Handbook of LAN Cable Testing. Wavetek Corporation, California ( таблица 7.2.a).

Данные, приведенные в таблице, могут использоваться для оперативной предварительной оценки качества кабельного сегмента (соответствует стандарту EIA/TIA 568, 1991 год). Частотные характеристики неэкранированных пар категории 6 представлены в табл. 7.3.

Смотри http://www.osp.ru/lan/lan_6_96/source/57.htm ACR — Attenuation-to-Crosstalk Ratio. NEXT — Near End CrossTalk.

Кабели, изготовленные из скрученных пар категории 5 (волновое сопротивление 100,15 Ом), с полосой 100 МГц обеспечивают пропускную способность при передаче сигналов ATM 155 Мбит/с. При 4 скрученных парах это позволяет осуществлять передачу до 622 Мбит/с. Кабели категории 6 сертифицируются до частот 300 МГц, а экранированные и до 600 МГц (волновое сопротивление 100 Ом). В таблице 7.4 приведены данные по затуханию и перекрестным наводкам. Приведены характеристики такого кабеля с 4-мя скрученными экранированными парами (S-FTP).

NEXT — перекрестные наводки ближнего конца кабеля.

Такой кабель пригоден для передачи информации со скоростью более 1 Гбит/с. ACR — Attenuation-to-Crosstalk Ratio (отношение ослабления к относительной величине перекрестных наводок).

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 пары

Для 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 кабеля

Подводя 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 сети

Телефонная 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.