Беспроводная  связь

Электромагнитный  спектр

      Движение  электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Число колебаний электромагнитных колебаний в секунду называется частотой, , и измеряется в герцах. Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны. Эта величина традиционно обозначается греческой буквой (лямбда).

      Если  в электрическую цепь включить антенну  подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать  приемником на некотором расстоянии. На этом принципе основаны все беспроводные системы связи.

      В вакууме все электромагнитные волны  распространяются с одной и той  же скоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью  света, - 3*108 м/с. В меди или стекле скорость света составляет примерно 2/3 от этой величины, кроме того, слегка зависит от частоты.

      Связь величин  , и :

      Если  частота ( ) измеряется в МГц, а длина волны ( ) в метрах то .

Совокупность  всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного  излучения (рис. 5). Радио, микроволновый, инфракрасный диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачи информации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако их сложно генерировать и модулировать, они плохо проходят сквозь здания и, кроме того, они опасны для всего живого. Официальное название диапазонов приведено в таблице 6.

Рис. 5. Электромагнитный спектр и его применение в связи.

Таблица 2.

Официальные названия диапазонов по ITU

      Количество  информации, которое может переносить электромагнитная волна связана  с частотным диапазоном канала. Современные технологии позволяют кодировать несколько бит на герц на низких частотах. При некоторых условиях это число может возрастать восьмикратно на высоких частотах.

      Зная  ширину диапазона длин волн , можно вычислить соответствующий ей диапазон частот и скорость передачи данных.

      Пример: Для 1,3 микронного диапазона оптоволоконного  кабеля получается , , то . Тогда при 8 бит/с получается можно получить скорость передачи 240 Тбит/с.

Радиосвязь

      Радиоволны  легко генерировать, преодолевают большие  расстояния, проходят сквозь стены, огибают  здания, распространяются во всех направлениях. Свойство радиоволн зависят от частоты (рис. 6). При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, однако мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удаленности от источника выражается примерно так: 1/r2. На высоких частотах радиоволны вообще имеют тенденцию распространяться исключительно по прямой линии и отражаться от препятствий. Кроме того, они поглощаются, например, дождем. Радиосигналы любых частот подвержены помехам со стороны двигателей с искрящими щетками и другого электрического оборудования.

Рис. 6. Волны диапазонов VLF, LF, MF огибают неровности поверхности земли (а), волны диапазонов HF и VHF отражаются от ионосферы, поглощаются землей (б).

Связь в микроволновом диапазоне

      На  частотах выше 100 МГц радиоволны распространяются почти по прямой, поэтому могут быть сфокусированы в узкие пучки. Концентрация энергии в виде узкого пучка при помощи параболической антенны (вроде всем известной спутниковой телевизионной тарелки) приводит к улучшению соотношения сигнал/шум, однако для подобной связи передающая и принимающая антенны должны быть довольно точно направлены друг на друга.

      В отличие от радиоволн с более  низкими частотами, микроволны плохо  проходят сквозь здания. Микроволновая  радиосвязь стала настолько широко использоваться в междугородной телефонии, сотовых телефонах, телевещании и других областях, что начала сильно ощущаться нехватка ширины спектра.

      Данная  связь имеет ряд преимуществ  перед оптоволокном. Главное из них  состоит в том, что не нужно прокладывать кабель, соответственно, не нужно платить за аренду земли на пути сигнала. Достаточно купить маленькие участки земли через каждые 50 км и установить на них ретрансляционные вышки.

Инфракрасные  и миллиметровые волны

      Инфракрасное и миллиметровое излучения без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях (пример дистанционные пульты). Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но не проходит сквозь твердые объекты.

      Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Спутники  связи

      Используются  е типа спутников: геостационные (GEO), средневысотные (MEO) и низкоорбитальные (LEO) (рис. 7).

     

Рис. 7. Спутники связи и их свойства: высота орбиты, задержка, число спутников, необходимое для покрытия всей поверхности земного шара.

Коммутируемая телефонная сеть общего пользования

Структура телефонной системы

      Структура типичного маршрута телефонной связи  на средние дистанции представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Типичный маршрут связи при средней дистанции между абонентами.

Местные линии связи: модемы, ADSL, беспроводная связь

      Так как компьютер работает с цифровым сигналом, а местная телефонная линия  представляет собой передачу аналогового  сигнала для выполнения преобразования цифрового в аналоговый и обратно  используется устройство - модем, а  сам процесс называется модуляцией/демодуляцией (рис. 9).

     

Рис. 9. Использование телефонной линии при передачи цифрового сигнала.

      Существует 3 способа модуляции (рис. 10):

1. амплитудная модуляция - используются 2 разные амплитуды сигнала (для 0 и 1),
2. частотная - используются несколько разных частот сигнала (для 0 и 1),
3. фазовая - используются сдвиги фаз при переходе между логическими единицами (0 и 1). Углы сдвига - 45, 135, 225, 180.

      На  практике используются комбинированные  системы модуляции.

Рис. 10. Двоичный сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в); фазовая модуляция.

      Все современные модемы позволяют передавать данные в обоих направлениях, такой режим работы называется дуплексным. Соединение с возможностью поочередной передачи называется полудуплексным. Соединения при котором происходит передача только в одном направлении называется симплексным.

      Максимальная  скорость модемов которая может  быть достигнута на текущий момент равна 56Кб/с. Стандарт V.90.

Цифровые  абонентские линии. Технология xDSL.

      После того, как скорость через модемы достигла своего предела телефонные компании стали искать выход из данной ситуации. Таким образом появилось  множество предложений под общим  названием xDSL. xDSL (Digital Subscribe Line) - цифровая абонентская линия, где вместо x могуть быть другие буквы. Наиболее известная технология из данных предложений является ADSL (Asymmetric DSL).

      Причина ограничения скорости модемов заключалась  в том, что они для передачи данных использовали диапазон передачи человеческой речи - 300Гц до 3400Гц. Вместе с пограничными частотами, полоса пропускания составляла не 3100 Гц, а 4000 Гц.

      Хотя  сам спектр местной телефонной линии  составляет 1,1Гц.

      Первое  предложение технологии ADSL использовало весь спектр местной телефонной линии, который разделяется на 3 диапазона:

1. POTS - диапазон обычной телефонной сети;
2. исходящий диапазон;
3. входящий диапазон.

      Технология, в которой для разных целей  используются разные частоты, называется частотным уплотнением или частотным  мультиплексированием.

      Альтернативный  метод под названием дискретная мультитональная модуляция, DMT (Discrete MultiTone) состоит в разделении всего спектра местной линии шириной 1,1 МГц на 256 независимых каналов по 4312,5 Гц в каждом. Канал 0 — это POTS. Каналы с 1 по 5 не используются, чтобы голосовой сигнал не имел возможности интерферировать с информационным. Из оставшихся 250 каналов один занят контролем передачи в сторону провайдера, один - в сторону пользователя, а все прочие доступны для передачи пользовательских данных (рис. 11).

Рис. 11. Работа ADSL с использованием дискретной мультитональной модуляции.

      Стандарт  ADSL позволяет принимать до 8 Мб/с, а отправлять до 1Мб/с. ADSL2+ - исходящий до 24Мб/с, входящий до 1,4 Мб/с.

      Типичная  конфигурация оборудования ADSL содержит:

1. DSLAM - мультиплексор доступа к DSL;
2. NID - устройство сопряжения с сетью, разделяет владения телефонной компании и абонента.
3. Разветвитель (сплиттер) - разделитель частот, отделяющий полосу POTS и данные ADSL.

Рис. 12. Типичная конфигурация оборудования ADSL.

Магистрали  и уплотнения

      Экономия  ресурсов играет важную роль в телефонной системе. Стоимость прокладки и  обслуживания магистрали с высокой  пропускной способностью и низкокачественной  линии практически одна и та же (то есть львиная доля этой стоимости уходит на рытье траншей, а не на сам медный или оптоволоконный кабель).

      По  этой причине телефонные компании совместно  разработали несколько схем передачи нескольких разговоров по одному физическому кабелю. Схемы мультиплексирования (уплотнения) могут быть разделены на две основные категории FDM (Frequency Division Multiplexing -частотное уплотнение) и TDM (Time Division Multiplexing - мультиплексирование с временным уплотнением) (рис. 13).

      При частотном уплотнении частотный спектр делится между логическими каналами ри этом каждый пользователь получает в исключительное владение свой поддиапазон. При мультиплексировании с временным уплотнением пользователи по очереди (циклически) пользуются одним и тем же каналом, и каждому на короткий промежуток времени предоставляется вся пропускная способность канала.

      В оптоволоконных каналах используется особый вариант частотного уплотнения. Он называется спектральным уплотнением (WDM, Wavelength-Division Multiplexing).

Рис. 13. Пример частотного уплотнения: исходные спектры¹ сигналов (а), спектры, сдвинутые по частоте (б), уплотненный канал (в).

Коммутация

      С точки зрения среднего телефонного  инженера, телефонная система состоит  из двух частей: внешнего оборудования (местных телефонных линий и магистралей, вне коммутаторов) и внутреннего оборудования (коммутаторов), расположенного на телефонной станции.