previous up next index search
Previous: 3.2 Оптоволоконные каналы и беспроводные оптические связи    UP: 3 Каналы передачи данных
    Next: 3.4 Протокол SLIP и RS-интерфейсы

3.3 Беспроводные (радио) каналы и сети

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)


Телевидение
Телетекст
Поглощение радиволн и шумы
Радиомодемы и бриджи
Антенны
Спутниковые телекоммуникации
DVB-RCS
Сети IEEE 802.11
Мобильные коммуникации
Стандарт широкополосной цифровой связи IEEE 802.16
Bluetooth
Протокол 3G-H.32M
Беспроводные сети ZigBee и IEEE 802.15.4
Широкополосный интерфейс для подключения периферийных устройств UWB

Применение электромагнитных волн для телекоммуникаций имеет уже столетнюю историю. В 1864 году Дж. Максвелл теоретически показал, что вокруг проводника с переменным током должно возникать переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. В 1886-89 годах Г. Герц экспериментально показал существование электромагнитных волн. А. С. Попов развил идеи Герца и в 1895 году продемонстрировал свой грозоотметчик. Первые радиопередатчики были построены и запатентованы Маркони и Слаби. Так появилась радиосвязь. В начале для радиосвязи использовались схемы на основе азбуки Морзе. Позднее по мере совершенствования техники и улучшения избирательной способности приемников появилась возможность голосовой связи. Это изобретение стало основой радиолокации, мобильной связи, телевидения, радиорелейных и спутниковых (первый геостационарный коммуникационный спутник заработал в 1965 году) коммуникаций. Впечатляющие успехи здесь достигнуты в связи с применением цифровых методов, например, методики мультиплексирования CDMA (Code Division Multiple Access). В перспективе только радио (из числа современных технологий) может обеспечить межпланетные связи. Лазерные методы пригодны пока для ограниченных расстояний, максимум до Луны.

Число осцилляций электромагнитного поля в секунду называется частотой f и измеряется в герцах (в честь Генриха Герца). Расстояние, на которое распространяется электромагнитная волна за время своего периода, называется длиной волны λ. В вакууме любые электромагнитные волны распространяются со скоростью света с, который сам имеет ту же самую природу. Имеет место фундаментальное соотношение f и λ: λ×f=c. Из этого соотношения следует, что:


(df/dλ)= -(c/λ2) и Δf = cΔλ/λ2.


Что позволяет связать ширину частотного диапазона с частотой и диапазоном длин волн. Для большинства каналов передачи данных характерно соотношение Δλ/λ<<1, которое обеспечивает наилучшие условия приема (Вт/Гц).


Телевидение. Первые попытки передачи и воспроизведения изображения с помощью диска Нипкова (Германия) относятся к 1884 году. В 1907 году Б. Г. Розингом было предложено использовать для приема изображения электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), прототип видиконов и ортиконов. Устройство отображения на принимающей стороне также предполагало применение ЭЛТ. Электронное телевидение возникло в 30-х годах двадцатого века (усилиями В. К. Зворыкина и Ф. Франсуорта). Число элементов N в одном кадре, на которое разлагается изображение в действующем в РФ стандарте (625 строк и 25 кадров/сек) определяется по формуле:


N=4/3×S2


где S - число строк, а 4/3 - отношение ширины кадра к его высоте (для широкоформатного варианта отношение будет иным). Отсюда следует, что верхняя частота видеосигнала.


F=N×K/2=2S2×K/3 = 6,5 МГц


где K - число кадров в сек. Здесь следует немного добавить полосы для звукового сопровождения, передачи цвета и различных служебных целей, например, для синхронизации передатчика и приемника. Именно это определяет необходимую полосу для каждого из телевизионных каналов, число которых может достигать уже сегодня 20-60, что требует полосу при традиционной схеме более 130-390 мегагерц.

Частота строчной развертки при этом составляет 625×25=15,625 КГц. Несущая частота должна быть в раз 8-10 больше 6,5 МГц, то есть превышать 48 МГц. Реально большинство каналов работают на частотах от 100 до 900 МГц. Радиоволны в этом диапазоне не способны огибать препятствия и по этой причине гарантируют надежный прием лишь при непосредственной видимости между антеннами передатчика и приемника. Кривизна земли является естественным ограничителем максимального радиуса надежного приема телевизионного сигнала. Телевидение высокого разрешения, идущее на смену традиционному, требует еще большей полосы и частот. На подходе также и стерео телевидение. Телевидения стало основой и видео-телефонии. В городах телевизионный сигнал чаще передается по оптоволоконным кабелям.

Уже более десятилетия существует система стерео телевидения с проектированием изображения непосредственно на глазное дно человека. Эта система используется в шлемах устройств виртуальной реальности.

В 50-х годах прошлого века началось развитие вычислительной техники и микроэлектроники, качественно поменявших все направления телекоммуникаций. Чтобы увеличить пропускную способность канала связи можно расширять его полосу или улучшать отношение сигнала к шуму (см. выше теорему Шеннона). Первое, что приходит в голову, это увеличение амплитуды сигнала (вспомните 40-120 вольтные сигналы в первых телеграфах). Пока в электронике царили вакуумные лампы такие и даже большие амплитуды были с технической точки зрения вполне возможны, хотя вряд ли рациональны. Но после внедрения полупроводниковых приборов такие уровни сигналов стали совершенно недопустимы. Это можно понять из вольтамперной характеристики такого прибора (см. рис. 1.2).


Рис. 3.3.0. Вольтамперная характеристика n-p перехода для кремния


Большие амплитуды нежелательны, из-за пробивного напряжения (Vпр) при обратном смещении перехода. Можно конечно увеличить толщину перехода или сделать переход многослойным, но это ухудшит быстродействие прибора. Уровни сигнала выбраны по этой причине равными ~ ±2,5 В.

Сфера телекоммуникаций всегда сильно зависела от уровня развития технологий. Начиналось все с электромеханических устройств, но современное цифровое телевидение и Интернет немыслимы без использования новейших достижений микроэлектроники.

Телетекст. В 1970 году в Бритиш Телеком были разработаны основные принципы еще одного вида передачи графической информации - телетекста, первые опыты по его внедрению относятся к 1979 году. Стандарт на мозаичное представление символов был принят CEPT в 1983 году. Каждому символу ставится в соответствие код длиной в 7-8 бит. На экране такой символ отображается с помощью специального знакового генератора, использующего таблицу.

Полному экрану видео текста, содержащему 24 строки по 40 символов, соответствует 960 байт, для передачи которых по коммутируемой телефонной сети требуется 6,4 секунды. D-канал ISDN может пропустить эту информацию за 1 секунду, а B-канал быстрее - за 0,1 сек. Телетекст позволяет более эффективно использовать каналы связи и не налагает чрезмерных требований на устройства отображения.

Многие современные проблемы телекоммуникаций, например, безопасность каналов связи, проявили себя с самого начала. Достаточно вспомнить, как граф Монте-Кристо разорил банкира барона Данглара, послав с испано-французской границы фальсифицированное телеграфное сообщение. Так что сетевые атаки тип “man-in-the-middle” имеют почти двухвековую историю. Я уже не говорю об изощренных методах подсушивания телефонных переговоров. Развитие электронной почты сделало осуществимой мечту всех руководителей черных кабинетов (термин, используемый для структур, занимающихся нелегальным вскрытием и прочтением чужих писем), доставку им писем самим отправителем. Достаточно вспомнить российскую систему СОРМ. Моральная сторона этого дела никогда и никого не останавливала - государственные структуры во все времена были аморальны.

Следует заметить, что впечатляющий прогресс в области телекоммуникаций на протяжении 20-го века мало что поменял в сфере удаленного управления. Может показаться, что возможность передавать сигнал в любую точку земного шара за доли секунды, позволяют решить любую проблему удаленного управления. Это совсем не так. Любой сложный объект выдает достаточно большой объем данных, если добавить сюда информацию об окружающей среде, то объем данных, подлежащих обработке становится весьма велик. В прессе вы, вероятно, читали утверждения о том, что водитель авто не справился с управлением (при этом совсем необязательно, чтобы он был нетрезв). Обычно это означает, что он отвлекся, объем воспринимаемой и перерабатываемой информации сократился, с результатом разбираются в лучшем случае медики…

Теперь рассмотрим случай удаленного объекта. Человек, как уже отмечалось, может переработать ограниченный объем данных в единицу времени. Для решения этой проблемы человечество успешно научилось использовать компьютеры. Но и возможности ЭВМ не беспредельны. Обычно при управлении удаленным объектом часть решений все равно надо принимать локально. Если перепоручать это удаленному центру, рано или поздно одно из сообщений будет искажено или утрачено при передаче. Повторная пересылка данных приведет к большой задержке в принятии решения и катастрофа может стать неизбежной. Несмотря на сенсационный успех посадки беспилотного космического корабля “Буран”, мне представляется невероятным, чтобы пассажирские самолеты стали летать без пилотов. А ведь на Буране большая часть решений принималось локально, а не в центральном пункте управления.

Как сложными объектами, так и сетями ЭВМ крайне неэффективно управлять удаленно, здесь, как и в человеческом обществе следует совмещать удаленное управление с локальным. Общность проблем заключается в единстве принципов сбора, транспортировки и обработки информации. Интернет с самого начала не имел единого центра управления, именно этим объясняется его высокая живучесть.

Человечество во все времена использовало не слишком надежную технику, не очень высококачественные средства телекоммуникаций и достаточно несовершенные процедуры. В настоящее время вычислительные машины во много раз надежнее, чем 40 лет назад, каналы связи заметно сократили частоту ошибок при передаче, только удельное число ошибок на одну программу, похоже осталось неизменным.

Но никогда жизнь человека не зависела так сильно от не слишком надежной техники и программ, как сегодня. Все, начиная с мобильного телефона, систем жизнеобеспечения в больнице, платежных средств, управления транспортными потоками и кончая Интернетом, использует изощренные вычислительные средства и программы, связанные друг с другом посредством каналов связи конечной надежности.

Сейчас, как никогда, нужно научиться, работая с ненадежной техникой, с программами, содержащими ошибки, и с каналами, которые регулярно допускают ошибки, добиваться достаточно надежного и достоверного результата, чтобы выжить.

Люди накопили большой опыт в этой области. Если вы что-то не расслышали из-за шума, вы просите повторить сказанное (современные телекоммуникационные средства используют аналогичный алгоритм). Для повышения надежности в каналах используется контроль по четности и избыточные коды для коррекции ошибок. Там где нужна повышенная надежность вычислений, применяются два вычислителя. Результат воспринимается лишь при идентичных результатах расчета. Но это не поможет, если на обоих вычислителях используются программы, содержащие идентичные ошибки. Можно, конечно, поручить написание программ двум разным фирмам, но это слишком дорого и не всегда возможно.


Таким образом, грядущему поколению людей нужно найти подходы к проблеме, как при ненадежных компонентах создать надежную ЭВМ, и как, получив от программистов, программу, имеющую сотни и даже тысячи ошибок, тем не менее, всегда иметь корректный результат.

Это связано не с тем, что компоненты станут менее надежны, совсем наоборот - их надежность заметно возрастет. Но число используемых составляющих многократно увеличится.

А вот в области повышения корректности программного обеспечения, в том числе того, которое встроено в оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы, мобильные телефоны, кабельные модемы, системы цифрового ТВ и т.д.), прогресс не очевиден. Достаточно вспомнить историю эволюции ОС Windows. Здесь следует ради справедливости учесть, что сложность системного программного обеспечения растет лавинообразно. Создается оно большими коллективами людей, часть из которых даже незнакома друг с другом. Например, исходный код ядра системы LINUX содержит сейчас около миллиона строк программы. Требовать, чтобы все эти строки были безукоризненны и взаимосогласованы, можно, но добиться этого практически нереально.

Нужно искать и разрабатывать новые принципы для создания сложного программного обеспечения, которые бы гарантировали более высокий стандарт качества.

Сейчас человечество находится в фазе начала формирования информационного общества. При этом имеют место противоречивые процессы. С одно стороны создается великое множество оборудования и программ с одной и той же функциональностью. Это хорошо, так как за счет конкуренции способствует прогрессу и снижению цены. Но с другой стороны это многообразие вынуждает создавать великое множество средств взаимосогласования (интерфейсов), как аппаратных, так и программных.

В такой ситуации время от времени возникает мысль выработать единый стандарт, которому бы следовали все разработки (оборудования и программ), чтобы они могли работать друг с другом. При этом может приводиться пример сети Интернет. Именно благодаря стандартизации протоколов эта сеть стала всемирной.

На этом пути нас поджидает опасная ловушка. Тотальная унификация (также как и тотальная централизация) сделает систему уязвимой для сбоев или целенаправленных атак.

Унификация (ОС, приложений и пр.) особенно опасна, так как унифицированная система может быть разрушена одним червем или вирусом за считанные минуты. Создатель был достаточно мудр, чтобы не сделать людей клонами и снабдил их разными наборами генов.

Спектр используемых волн делится на ряд диапазонов, приведенных в таблице 3.3.1.

Таблица 3.3.1.

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 - 1013Гц 3 мм - 0,3 мм
6 Инфракрасный 1012 - 6 1014 0,3 мм - 0,5 μ>

Чтобы избежать всеобщего хаоса, было заключено международное соглашение, которое регламентирует использование частот различными странами для определенных целей. В 1991 году ITU-R (Международный Телекоммуникационный союз) распределил частоты для переносных переговорных устройств. Но в США к тому времени уже использовалось достаточно большое число таких приборов, и их хозяева не согласились тратиться на их перенастройку. С тех пор такие устройства, изготовленные в США, не работают в Европе или Азии и наоборот.

Далее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей. Диапазоны часто, используемые различными каналами связи показаны на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Диапазоны частот различных телекоммуникационных каналов.

Поглощение радиоволн и шумы. Если не используется направленная антенна и на пути нет препятствий, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно и сигнал падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником (удвоение расстояния приводит к потерям 6дБ). Радио каналы для целей передачи информации используют частотные диапазоны 902-928 МГц (расстояния до 10 км, пропускная способность до 64кбит/с), 2,4 ГГц и 12 ГГц (до 50 км, до 8 Мбит/с). Они используются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или слишком дорого. Более низкие частоты (например, 300 МГц) мало привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (>30 ГГц) работоспособны для расстояний не более или порядка 5км из-за поглощения радиоволн в атмосфере. При использовании диапазонов 4, 5 и 6 следует иметь в виду, что любые препятствия на пути волн приведут к их практически полному поглощению. Для этих диапазонов заметное влияние оказывает и поглощение в атмосфере. Зависимость поглощения от длины волны радиоволн показана на рис. 3.3.1а.

Рис. 3.3.1а. Зависимость поглощающей способности земной атмосферы от длины волны

Из рисунка видно, что заметную роль в поглощении радиоволн играет вода. По этой причине 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 вплоть до 2 МГц. Галактический шум, приходящий из-за пределов солнечной системы дает существенный вклад вплоть до 200 ГГц. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты показана на рис. 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты

Мощность передатчика обычно лежит в диапазоне 50 мВт - 2 Вт. Модемы, как правило, используют шумоподобный метод передачи SST (spread spectrum transmission). Для устройств на частоты 2.4 ГГц и выше, как правило, используются направленные антенны и необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Такие каналы чаще работают по схеме точка-точка, но возможна реализация и многоточечного соединения. На аппаратном уровне здесь могут использоваться радиорелейное оборудование радиомодемы или радио-бриджи. Схема этих устройств имеет много общего. Отличаются они лишь сетевым интерфейсом (см. рис. 3.3.3). Антенна служит как для приема, так 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. Отечественное радиорелейное оборудование имеет в качестве выходного интерфейс типа G.703 и по этой причине нуждается в адаптере. Радио-бриджи имеют встроенный Ethernet-интерфейс. Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30-70м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100-150м. Трансивер располагается обычно рядом с антенной.

Рис. 3.3.3. Схема оборудования радиоканала передачи данных

Радиомодемы и бриджи. Схемы соединения радиомодемов и традиционных модемов совершенно идентичны (см. рис. 3.3.4).

Рис. 3.3.4. Схема подключения радио-модемов

Кроме уже указанных примеров перспективным полем применения радиомодемов могут стать “подвижные ЭВМ”. Сюда следует отнести и ЭВМ бизнесменов, клиентов сотовых телефонных сетей, и все случаи, когда ЭВМ по характеру своего применения подвижна, например, медицинская диагностика на выезде, оперативная диагностика сложного электронного оборудования, когда необходима связь с базовым отделением фирмы, геологические или геофизические исследования и т.д.

Радиомодемы позволяют сформировать сеть быстрее (если не считать времени на аттестацию оборудования, получение разрешения на выбранную частоту и лицензии на использование данного направления канала). В этом случае могут стать доступными точки, лишенные телефонной связи (что весьма привлекательно для условий России). 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 не велики, можно в центральном узле обойтись простым маршрутизатором, имеющим достаточное число последовательных интерфейсов.

Применение радио-бриджей 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 видео конференций). Если расстояния не велики (<5км), можно воспользоваться всенаправленной антенной (см. рис. 3.3.5).

Рис. 3.3.5. Схема подключения объектов через радио-бриджи с помощью всенаправленной антенны

Все соединяемые объекты (А, Б, В, и Г) должны быть оснащены радио-бриджами. Такая схема подключения эквивалентна с одной стороны кабельному сегменту Ethernet, так как в любой момент времени возможен обмен лишь между двумя объектами; с другой стороны радио-бриджи А, Б, В и Г логически образуют много портовый бридж (или переключатель), что исключает загрузку локальных сетей объектов “чужими” пакетами. Модификации таких схем связи позволяют строить телекоммуникационные системы по схеме сотовых телефонных сетей.

При построении каналов на основе радиорелейных систем или радио-бриджей следует учитывать возможность их взаимного влияния (см. рис. 3.3.6). Проектируя такие каналы в городе и используя направленные параболические антенны, нужно учитывать возможные помехи от зданий и профиля местности. Направленная антенна с площадью А обеспечивает усиление сигнала:

, где λ длина волны несущей.

Угол излучения Θ такой антенны с радиусом R равен 0,61 λ/R. Отсюда видно, что чем больше радиус, тем больше усиление и уже угол излучения и чувствительности. Таким образом, использование узконаправленной антенны существенно увеличивает отношение сигнал/шум (уменьшает вероятность ошибки).

Предельные расстояния для радио каналов приводятся поставщиками в предположении, что в пределах первой зоны Френеля каких-либо физических помех нет. При звездообразной схеме каналов (как на рис. 3.6.) нужно по возможности выполнить требования на минимальное расстояние между принимающими антеннами D (оно должно быть больше определенного значения, зависящего от апертуры антенны и расстояния между передатчиком и приемником).

Рис. 3.3.6.

Антенны. Это расстояние определяется расходимостью (α) радиолуча и используемой длиной волны. Если это требование не выполнимо, следует в смежных каналах использовать разные длины волн.

Абсолютное ограничение дальности связи радиорелейных каналов накладывает кривизна земли, смотри рис. 3.3.7. Для частот выше 100 МГц волны распространяются прямолинейно (рис. 3.3.7.А) и, следовательно, могут фокусироваться. Для высоких частот (ВЧ) и УВЧ земля поглощает волны, но для ВЧ характерно отражение от ионосферы (рис. 3.3.7Б), что сильно расширяет зону вещания (иногда осуществляется несколько последовательных отражений), но этот эффект неустойчив и сильно зависит от состояния ионосферы.

Рис. 3.3.7.

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.. Стандартная антенна intelsat имеет диаметр 30 м и угол излучения 0,010.

Диаграмма излучения направленной антенны показана на рис. 3.3.8 (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. 3.3.8. Диаграмма излучения параболической антенны

Спутниковые телекоммуникации. 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). Спутниковые каналы используют диапазоны, перечисленные в таблице 3.3.2.

Таблица 3.3.2. Частотные диапазоны, используемые для спутниковых телекоммуникаций

Диапазон Канал снижения (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

Из таблицы видно, что передача ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника.

Ku диапазон пока еще “заселен” не слишком плотно, кроме того, для этого диапазона спутники могут отстоять друг от друга на 10. 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 на 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. 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. 3.3.9. Схема спутниковой связи VSAT

Терминальные наземные 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. 3.3.9. 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. 3.3.10.). Спутники, работающие на одной и той же частоте должны быть разнесены по углу на 2o. Это означает 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 1o. Влияние дождя можно минимизировать, используя далеко отстоящие наземные станции (размеры урагана конечны!).

Рис. 3.3.10.

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.

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 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.

Следует также иметь в виду, что из-за вращения Земли вокруг своей оси, нужно вращать геостационарный спутник, чтобы его солнечные батареи были ориентированы на Солнце.

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.

Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низкоорбитальных 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. Смотри также S.Bhatti.

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 (aloha означает приветствие на местном диалекте). 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 ΔT, тогда домен с номером k начинается в момент времени kΔT 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 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 распределение имеет название SPADE (Single carrier per channel Pulse code modulated multiple Access Demand access Equipment), 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) 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.

DVB-RCS. В связи с широким внедрением цифрового телевидения разработаны некоторые новые технологии, например, DVB-RCS (ETSI EN 301.790 - Digital Video Broadcasting - Return Channel via Satellite - цифровое широковещательное видео с обратным каналом через спутник). Максимальная пропускная способность - 8Мбит/с, что достаточно для HDTV. При передаче используется протокол MPEG-2. DVB-RCS является открытым стандартом для спутниковых сетей с двухсторонним обменом, этот стандарт поддерживается большинством VSAT-систем и поддерживает продвинутый механизм QoS и обеспечивает полную совместимость с Интернет. Стандарт допускает топологию звезды и сетки с числом VSAT до 10000. Смотри DVB - SCENE. В таком варианте телевизор подключается через спутниковый модем, соединенный с параболической антенной. Значение RTT здесь будет лежать в интервале 1-2 сек. Впрочем в крупных городах цифровое ТВ будет использовать систему оптоволоконных кабелей. В РФ началось внедрение цифрового ТВ с привлечением схемы ЦТВ поверх IP.

Еще одним интересным видом сервиса является iDirect. Это спутниковая технология (VSAT) для подключения к Интернет машин индивидуальных и групповых пользователей в районах, где другие способы доступа к Интернет затруднены. Алгоритм доступа - TDM/D-TDMA и TDM/MF-TDMA. iDirect широко используется в Ираке и Афганистане для предоставления широкого спектра телекоммуникационных услуг военнослужащим США. Полоса пропускания нисходящего канала лежит в диапазоне 512-4096 кбит/с, а восходящего - 128-768 кбит/с. Возможен и широкополосный доступ 18 Мбит/c (нисходящий) и 4.2 Мбит/c (восходящий)

В последнее время все чаще используются варианты, использующие несколько частот. Примером может служить предложение компании Motorola. Смотри A Versatile and Reliable Network Alternative.

Решения компании Motorola для беспроводного обмена данными точка-точка

ПараметрPTP100PTP200PTP300PTP500PTP600
Радиочастота2.4, 5.2,
5.4, 5.8 ГГц
5.4 ГГц5.4, 5.8 ГГц5.4, 5.8 ГГц2.5, 4.5,
5.4, 5.8 ГГц
Пропускная способность Ethernet (макс)14 Мбит/c21 Мбит/c25 Мбит/c105 Мбит/c300 Мбит/c
Задержка (RTT)2.5мсек5-7мсек<6мсек<6мсек5.4 < 1мсек
5.8 < 1мсек
2.5 2-4мсек
4.5 2-4мсек
Дистанция при прямой видимости
макс. при внешней антенне
56 км8 км250 км250 км200 км
Дистанция без прямой видимости
макс. при внешней антенне
-8 км32 км32 км32 км
Полоса20 МГц10 МГц15 МГц15 МГцрегулируется
5,10,15,30 МГц
Усиление системы30 дБ27 дБ123 дБ167 дБ5.4 - 162 дБ
5.8 - 162 дБ
2.5 - 154 дБ
4.5 - 165 дБ
Безопасность56-бит DES
128-бит AES
56-бит DES
128-бит AES
скрэмблинг или опционно
128-бит AES
256-бит AES
скрэмблинг или опционно
128-бит AES
256-бит AES
скрэмблинг или опционно
128-бит AES
256-бит AES

Ниже на рис. 3.3.11 представлено нынешнее состояние беcпроводных технологий и прогноз до 2015 года.

Рис. 3.3.11. Прогноз развития безпроводных технологий до 2015 года.

HSPA - High-Speed Packet Access; BGAN - Broadband Global Area Network; LTE - Long Term Evolution;

Появились версии LTE-U (Unlicensed) (США, Китай, Индия) и LTE-LAA (License Assiated Access (Европа и Япония). Техника LTE использует частотные диапазоны 2,4 и 5 ГГц. В диапазоне 5ГГц LTE конкурирует с сетями WLAN. В ЕС и Японии в частотном диапазоне 5ГГц действует принцип LBT (Listen before talk). Маршрутизаторы, реализующие этот алгоритм, сканируют каналы и ждут, когда нужный диапазон освободится. В диапазоне 5ГГц достаточно места для нескольких маршрутизаторов WLAN, работающих с разными каналами с полосой от 20 до 160 МГц. Для проверки активности в канале LAA в LTE применяется механизм CCA (Clear Channel Assessment). Смотри Chip 01/2016, стр. 31. Вслед за LTE появился новый стандарт LTE Advanced Pro (300-450 Мбит/с - 32х20МГц), который поглотит многие действующие беспроводные технологии, например, GSM. Такая тенденция диктуется ростом Интернет-трафика на 74% в год, а также перспективой все широкого использования Интернета вещей. В 2017 году компания Vodafone расчитывает перейти на гигабитные скорости обмена.

Беспроводные технологии сделали бессмысленной традиционную технику Firewall. Для решения проблем безопасности беспроводных коммуникаций в последнее время наряду с криптозащитой передаваемых данных стали применяться WIDS (беспроводные системы детектирования вторжений) и WIPS (беспроводные системы предотвращения вторжений).

Компании Samsung Electronics и мобильный оператор Южной Кореи SK Telecom намерены испытать в феврале-марте 2015 года беспроводный канал с полосой 7,55 Гбит/с (см. "Samsung, SKT to demonstrate 7.5Gbps wireless data next week", Martyn Williams, IDG News Service, Feb 24, 2015). Эти компании надеются создать к 2018 году 5G-сеть (Олимпиада в Токио).

Альянс Next Generation Mobile Networks представил план развития технологии 5G (скорость обмена данных до 1 Гбит/сек). Практическая реализация плана намечена на 2020 год.

В NASA обсуждаются перспективы Интернет в космосе. Эксперты ожидают там меньший уровень BER (см. "NASA says first space Internet test 'beyond expectations'", Sharon Gaudin, October 22, 2013). Среди коммуникационных технологий рассматриваются высокопроизводительные лазерные каналы. Лазерный канал Земля-Луна может иметь пропускную способность 20Мбит/c, канал космический корабль - Земля может обеспечить скорость 622 Мбит/с (в 6 раз больше, чем может дать радиоканал луна-земля). Лазерные коммуникации пригодны и для Марса и гарантируют лучшие эксплуатационные характеристики по сравнению с радиоканалами. Для радио канала наибольшая скорость передачи может быть 6 Мбит/c (при минимальном расстоянии между Марсом и Землей). NASA намерена испытать космический лазерный канал в 2017 году (для околоземной орбиты). Модуль LADEE для анализа атмосферы луны и пыли должен был провести тестирование канала на прошлой неделе.

Всплеск интереса к беспроводным методам передачи информации возник в связи широким использованием BYOD (iPhone - 7млрд, iPad и т.д.). Следующим стимулом и источником проблем станет Интернет вещей (IoT). На рис. 3.3.12 показаны значения полосы на клиента в разных провайдерских компаниях в первой половине 2015 года (см. "The IoT needs more wireless spectrum", Bret Swanson, Computerworld, June 4, 2015).

Рис. 3.3.12. Среднее значение полосы на клиента в разных компаниях

Previous: 3.2 Оптоволоконные каналы и беспроводные оптические связи    UP: 3 Каналы передачи данных
    Next: 3.4 Протокол SLIP и RS-интерфейсы