Различают следующие виды сетей передачи данных:
Характеристики коммуникационной сети:
По типу проводящей среды каналы связи можно классифицировать следующим образом (Рис. 1):
Рис. 1. Виды каналов связи
Итак, передача сигнала может происходить либо по кабелю, либо посредством радиосвязи. Основным параметром любого канала связи является его пропускная способность (см. выше). На уровень пропускной способности, в свою очередь, влияют:
Спектр используемых для связи частот делится на ряд диапазонов, приведенных на рис.2 и в таблице 1:
Рис. 2. Диапазоны частот различных каналов связи
Таблица 1. Частотные диапазоны некоторых каналов связи
| Номер | Название диапазона | Частота | Длина волны |
| 1 | Высокочастотный | 3-30 МГц | 100-10 м |
| 2 | VHF | 50-100 МГц | 6-3 м |
| 3 | УВЧ (UHF) | 400-1000 МГц | 75-30 см |
| 4 | Микроволновый | 3·109 - 1011 Гц | 10 см - 3 мм |
| 5 | Миллиметровый | 1011 - 1013 Гц | 3 мм - 0,3 мм |
| 6 | Инфракрасный | 1012 - 6·1014 Гц | 0,3 мм - 0,5 мкм |
Далее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей.
Кабель "витая пара" позволяет передавать информацию со скоростью до 100 Мбит/с, легко наращивается, однако отличается слабой устойчивостью к помехам. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 10 Мбит/с.
Типы витых пар:
Для локальных сетей наиболее часто используют неэкранированный кабель категории
5. Сетевые адаптеры, работающие с витой парой, имеют разъем
RJ-45, по внешнему виду похожий на телефонный разъем
RJ-11. Локальные сети, построенные на витой паре, имеют, как правило,
топологию "звезда". Центром звезды является концентратор (Hub).
Максимальное расстояние от концентратора до рабочей станции составляет 100 м.
Достоинства и недостатки
Кабели "витая пара" легко наращиваются, дешевы, системы на витой паре менее уязвимы, по сравнению с коаксиальными кабелями, к внешним наводкам. Однако отличаются слабой устойчивостью к помехам; длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 10 Мбит/с. Поэтому возникают серьезные ограничения на количество станций в сети на витой паре и на ее длину: максимальное расстояние между узлами составляет 100 м.
Коаксиальные кабели вызывают минимальное внешнее электромагнитное излучение. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи. Такие токи могут стать причиной внешний наводок (иной раз достаточных для выхода из строя интерфейсного оборудования). Именно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке.
Виды коаксиального кабеля:
В таблице 2 приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабеле.
Таблица 2. Характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабеле
|
|
Стандартный кабель |
Широкополосный кабель |
| Максимальная длина канала | 2 км | 10-15 км |
| Скорость передачи данных | 1-50 Мбит/с | 100-140 Мбит/с |
| Режим передачи | Полудуплекс | Дуплекс |
| Ослабление влияния электромагнитных и радиочастотных наводок |
50 дБ | 85 дБ |
| Число подключений | < 50 устройств | 1500 каналов с одним или более устройств на канал |
Достоинства и недостатки
Коаксиальный кабель имеет среднюю цену, хорошо помехозащищен и применяется для связи на относительно большие расстояния (несколько км). Коаксиальный кабель используется для основной и широкополосной передачи информации. В настоящее время коаксиальный кабель не применяется как основная транспортная среда локальных сетей. Коаксиальные кабели используются для построения магистральных линий в компьютерных сетях, а также там, где требуется высокий уровень защиты от радиоэлектронных помех.
Свет (длина волны λ ~ 1350 или 1500 нм) вводится в оптоволокно (диаметром менее 100 μ - микрон, микрометров) с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем (клэдинг), коэффициент преломления которого меньше, чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход луче2й света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем.
Характеристика оптоволокон
Существует несколько типов оптических волокон,
обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью
коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 6 показаны три
разновидности волокна.
Рис. 6. Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента
преломления от радиуса: а) и б) - мультимодовый вид волокон, в) - одномодовый
вид волокон
Понятие "мода" связано с характером
распространения электромагнитных волн. Тип б имеет меньшую дисперсию времени
распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала.
Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный
гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При
этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи
километров без искажения их формы.
Буквой в на рис.6 помечен одномодовый вид волокна. Эта разновидность волокна
воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное
искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Следует также иметь в виду,
что оборудование для работы с одномодовым волокном значительно дороже..
Центральная часть одномодового волокна имеет диаметр 3-10 μ, а диаметр клэдинга
составляет 30-125 μ.
Число мод, допускаемых волокном, в известной мере определяет его информационную емкость. Модовая дисперсия приводит к расплыванию импульсов и их взаимному искажению. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света.
Очевидно, что, чем больше длина волны, тем меньше число мод и меньше искажения сигнала. Это, в частности, является причиной работы в инфракрасном диапазоне. Но даже для одной и той же моды различные длины волн распространяются по волокну с разной скоростью. Источники излучения, инжектируемого в волокно, имеют конечную полосу частот. Так, светодиоды излучают свет с шириной полосы 35 нм, а лазеры 2-3 нм. Время срабатывания фотодиода ограничивает быстродействие системы. Немалую роль играет и уровень шумов на входе приемника. При этом световой импульс должен нести достаточно энергии (превышающей уровень шума), чтобы обеспечить низкий уровень ошибок.
Поглощение света в волокне происходит по нескольким причинам. Поглощение в собственно стекле волокна падает с частотой, в то время как потери из-за рассеяния на дефектах стекла с увеличением частоты растут. При сгибании волокна поглощение увеличивается. По этой же причине следует избегать малых радиусов изгиба (кроме того, это может привести к разрыву). В результате потери света в волокне обычно лежат в диапазоне 2-5 дБ/км для длин волн 0,8 - 1,8 μ.
Виды оптоволоконных кабелей:
Одним из критических мест волоконных систем являются сростки волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна, нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10 мкм) или изменение формы сечения волокон.
Соединители для оптических волокон имеют обычно
конструкцию, показанную на рис. 8 и изготовляются из керамики.
Рис. 8. Схема оптического разъема
Потеря света в соединителе составляет 10-20 % (для сравнения: сварка волокон приводит к потерям не более 1-2 %). Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10 %.
Оптоволоконные кабели не подвержены воздействию электромагнитных помех. Они обеспечивают защиту данных, т.к. техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну не превышает 10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений. Допустимое удаление - более 50 км.
Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 - 1016 Гц, что на 6 порядков выше, чем в случае радиочастотных каналов. Теоретическая пропускная способность оптоволоконного канала - 50000 Гбит/с. Реальная производительность волоконно-оптического кабеля составляет до 10 Гбит/с. Это связано ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно.
Хотя этот кабель гораздо дороже и сложнее при монтаже, чем металлические, он часто применяется в центральных магистральных сетях, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей.
По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так, одна тысяча витых пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два оптоволокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100 кг, т.е. в 80 раз меньше. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи путем подвешивания или обкручивания силового проводника.
Заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. Эта техника позволяет в 16-32 раза увеличить широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема оптического мультиплексирования показана на рис. 9.
Рис. 9. Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне
На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32.
Радиоканалы для целей передачи информации используют частотные диапазоны:
Более низкие частоты (например, 300 МГц) мало привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (более 30 ГГц) работоспособны для расстояний не более 5 км из-за поглощения радиоволн в атмосфере.
Заметную роль в поглощении радиоволн играет вода. 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 (до 2 МГц).
Для использования частоты 2,4 ГГц необходимы направленные антенны и прямая видимость между приемником и передатчиком.
На аппаратном уровне здесь могут использоваться радиорелейное оборудование, радиомодемы или радиобриджи.
Схемы этих устройств имеют много общего. Отличаются они лишь сетевым интерфейсом. Антенна служит для приема и для передачи. Трансивер (приемопередатчик) 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. Радиобриджи имеют встроенный Ethernet-интерфейс. Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30-70 м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100-150 м. Трансивер располагается обычно рядом с антенной (рис. 10).
Рис. 10. Схема оборудования радиоканала передачи данных
Развертывание сети на основе радиоканалов целесообразно во всех случаях, когда необходима мобильная связь, например, медицинская диагностика на выезде, оперативная диагностика сложного электронного оборудования, когда необходима связь с базовым отделением фирмы, геологические или геофизические исследования и т.д. Радиосредства позволяют смонтировать сеть быстрее (если не считать времени на аттестацию оборудования, получение разрешения на выбранную частоту и лицензии на использование данного направления канала). Доступными могут стать точки, лишенные телефонной связи. 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 невелики, можно в центральном узле обойтись простым маршрутизатором, имеющим достаточное число последовательных интерфейсов.
Применение радиобриджей особенно выигрышно для организаций, имеющих здания, отстоящие друг от друга на несколько километров. Возможно использование этих средств связи и для подключения к сервис-провайдеру, когда нужны информационные потоки до 2 Мбит/с (например, для проведения видеоконференций). Если расстояния невелики (<5 км), можно воспользоваться всенаправленной антенной. Все соединяемые объекты должны быть оснащены радиобриджами. При такой схеме соединения в любой момент времени возможен обмен лишь между двумя объектами. Модификации таких сехм связи позволяют строить телекоммуникационные системы по схеме сотовых телефонных сетей.
При построении каналов на основе радиорелейных систем или радиобриджей следует учитывать возможность их взаимного влияния. Проектируя такие каналы в городе и используя направленные параболические антенны, нужно учитывать возможные помехи от зданий и профиля местности.
При звездообразной схеме каналов нужно по возможности выполнить требования на минимальное расстояние между принимающими антеннами. Это расстояние определяется расходимостью радиолуча и используемой длиной волны. Диаграмма излучения направленной антенны показана на рис. 11.
Рис. 11. Диаграмма излучения параболической антенны
Эту диаграмму следует учитывать при выборе места установки антенны, особенно при использовании большой мощности излучения, поскольку один из лепестков излучения может прийтись на места постоянного пребывания людей (например, жилье). Стоимость антенного комплекса обычно пропорциональна кубу диаметра антенны.
В спутниковых каналах передача данных ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника. Диапазоны спутниковых каналов перечислены в таблице 3.
Таблица 3. Частотные диапазоны, используемые для спутниковых телекоммуникаций
| Диапазон | Канал снижение (downlink), ГГц | Канал подъема (uplink), ГГц | Источники помех |
| С | 3,7 - 4,2 | 5,925 - 6,425 | Наземные помехи |
| ku | 11,7 - 12,2 | 14,0 - 14,5 | Дождь |
| ka | 17,7 - 21,7 | 27,5 - 30,5 | Дождь |
Обычно спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50 МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32 Кбит/с).
Для создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, "висящие" над экватором на высоте около 36 000 км. Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность Земли. Спутники, работающие на одной и той же частоте, должны быть разнесены по углу не менее чем на 2°. Это означает, что число таких спутников не может быть больше 180. В противном случае они должны работать в разных частотных диапазонах. При работе в более высокочастотных диапазонах угловое расстояние между спутниками можно сократить до 1°.
Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которым они располагаются. На практике геостационарный спутник визуально не стоит на месте, а выполняет движение по видимой траектории, имеющей вид восьмерки. 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 70°), 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 связи 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 ч). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам, и каждый из них по отдельности не может гарантировать поддержание стационарного канала, 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 движется маркер. Наземная станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.
Система ALOHA (разработана в Гавайском университете в 70-х гг.) позволяет каждой станции начинать передачу в произвольный момент времени. Такая схема с неизбежностью приводит к конфликтам. Связано это отчасти с тем, что передающ9ая сторона узнает о конфликте лишь спустя ~270 мс. После возникновения коллизии станция ожидает некоторый период времени и совершает повторную попытку передачи. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне около 18%, что малоэффективно для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы ALOHA, которая удваивает эффективность. Одна наземная станция (эталонная) периодические посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации.
Метод мультиплексирования по частоте (FDM) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть использован для получения 500 х 64 Кбит/с 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, т.к. 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.
Один из механизмов такого распределения имеет название SPADE. Каждый транспондер системы SPADE содержит 794 симплексных канала по 64 Кбит/с и один сигнальный канал со скоростью 128 Кбит/с, которые 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 мс (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-литный домен. Если один и тот же канал попытаются занять две или более станции, происходит коллизия 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 по 110 Мбит/с (два восходящих и два нисходящих). Каждый из каналов структурирован в виде миллисекундных кадров, имеющих по 1728 временных доменов. Каждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 Кбит/с. Управление временными доменами с целью минимизации времени перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций. Управления временными доменами осуществляется одной из наземных станций (Master Control Station).
Работа системы ACTS организована в трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мс. 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 секунду.