Компьютерные сети

При использовании техники FDM для организации дуплексного канала диапазон частот делится на две части. Деление может быть симметричным и асимметричным, в последнем случае скорости передачи информации в каждом направлении различаются (популярный пример такого подхода — технология ADSL, служащая для широкополосного доступа в Интернет). В случае, когда техника FDM обеспечивает дуплексный режим работы, ее называют дуплексной связью с частотным разделением (Frequency Division Duplex, FDD).

При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии организуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов служит для передачи данных в одном направлении, часть — в другом. Обычно тайм-слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. Дуплексный режим TDM получил название дуплексной связи с временном разделением (Time Division Duplex, TDD).

В волоконно-оптических кабелях с одним оптическим волокном для организации дуплексного режима работы может применяться технология DWDM. Передача данных в одном направлении осуществляется с помощью светового пучка одной длины волны, в обратном — другой длины волны. Собственно, решение частной задачи — создание двух независимых спектральных каналов в одном окне прозрачности оптического волокна — и привело к рождению технологии WDM, которая затем трансформировалась в DWDM.

Появление мощных процессоров для цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processor, DSP), способных выполнять сложные алгоритмы обработки сигналов в реальном времени, сделало возможным еще один вариант дуплексной работы. Два передатчика работают одновременно навстречу друг другу, создавая в канале суммарный аддитивный сигнал. Так как каждый передатчик знает спектр собственного сигнала, то он вычитает его из суммарного сигнала, получая в результате сигнал, посылаемый другим передатчиком.

Выводы
Для представления дискретной информации применяются сигналы двух типов: прямоугольные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае используют термин «кодирование», во втором — «модуляция».
При модуляции дискретной информации единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала.

Аналоговая информация может передаваться по линиям связи в цифровой форме. Это повышает качество передачи, так как позволяет применять эффективные методы обнаружения и исправления ошибок, недоступные для систем аналоговой передачи. Для качественной передачи голоса в цифровой форме используется частота оцифровывания в 8 кГц, когда каждое значение амплитуды голоса представляется 8-битным числом. Это определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с.

При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению нескольких целей: минимизировать возможную ширину спектра результирующего сигнала, обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником, обеспечивать устойчивость к шумам, обнаруживать и по возможности исправлять битовые ошибки, минимизировать мощность передатчика.

Спектр сигнала является одной из наиболее важных характеристик способа кодирования. Более узкий спектр сигналов позволяет добиваться более высокой скорости передачи данных при фиксированной полосе пропускания среды.
Код должен обладать свойством самосинхронизации, то есть сигналы кода должны содержать признаки, по которым приемник может определить, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита.

При дискретном кодировании двоичная информация представляется различными уровнями постоянного потенциала или полярностью импульса.
Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся.
Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы, основанные на введении избыточных битов в исходные данные и на скрэмблировании исходных данных.

Коды Хэмминга и сверточные коды позволяют не только обнаруживать, но и исправлять многократные ошибки. Эти коды наиболее часто используются для прямой коррекции ошибок (FEC).
Для повышения полезной скорости передачи данных в сетях применяется динамическая компрессия данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа данных и применяемого алгоритма и может колебаться в пределах от 1:2 до 1:8.

Для образования нескольких каналов в линии связи используются различные методы мультиплексирования, включая частотное (FDM), временнбе (TDM) и волновое (WDM) мультиплексирование, а также множественный доступ с кодовым разделением (CDMA). Техника коммутации пакетов сочетается только с методом TDM, а техника коммутации каналов позволяет использовать любой тип мультиплексирования.
Вопросы и задания
1. Сколько частот используется в методе модуляции BFSK?

2. Какие параметры синусоиды изменяются в методе QAM? Варианты ответов:
а) амплитуда и фаза;
б) амплитуда и частота;
в) частота и фаза.
3. Для какой цели в решетчатых кодах добавляется 5-й бит?
4. Сколько битов передает один символ кода, имеющий 10 состояний?
5. Поясните, из каких соображений выбрана частота дискретизации 8 кГц в методе квантования РСМ?
6. При каком методе кодирования/модуляции спектр сигнала симметричен относительно основной гармоники? Варианты ответов:

а) потенциальное кодирование;
б) амплитудная модуляция;
в) фазовая модуляция.
7. Какой способ применяется для улучшения самосинхронизации кода B8ZS?
8. Чем логическое кодирование отличается от физического?
9. Каким образом можно повысить скорость передачи данных по кабельной линии связи? Варианты ответов:
а) сузить спектр сигнала за счет применения другого метода кодирования/модуляции и повысить тактовую частоту сигнала;

б) применить кабель с более широкой полосой пропускания и повысить тактовую частоту сигнала;
в) увеличить спектр сигнала за счет применения другого метода кодирования и повысить тактовую частоту сигнала.
10. По каким причинам код NRZ не применяется в телекоммуникационных сетях?
11. Какими способами можно улучшить свойство самосинхронизации кода NRZI? Варианты ответов:
а) скремблировать данные;

б) использовать логическое кодирование, исключающее появление длинных последовательностей единиц;
в) использовать логическое кодирование, исключающее появление длинных последовательностей нулей.
12. Какое значение бита кодируется в манчестерском коде перепадом от низкого уровня сигнала к высокому? Варианты ответов:
а) единица; б) нуль.
13. Какой принцип лежит в основе методов обнаружения и коррекции ошибок? Варианты ответов:
а) самосинхронизация;
б) избыточность;

в) максимизация отношения мощности сигнала к мощности помех.
14. Каково расстояние Хемминга в схемах контроля по паритету?
15. Предложите избыточный код с расстоянием Хемминга, равным 3.
16. Какой режим временного мультиплексирования используется в сетях с коммутацией пакетов?
17. Найдите первые две гармоники спектра NRZ-сигнала при передаче последовательности 110011001100..., если тактовая частота передатчика равна 100 МГц.

18. Какие из 16-ти кодов ЗВ/4В вы выберете для передачи пользовательской информации? ^
19. Могут ли данные надежно передаваться по каналу с полосой пропускания от 2,1 до 2,101 ГГц, если для их передачи используются несущая частота 2,1005 ГГц, амплитудная манипуляция с двумя значениями амплитуды и тактовая частота 5 МГц?

20. Предложите коды неравной длины для каждого из символов А, В, С, D, F и О, если нужно передать сообщение BDDACAAFOOOAOOOO. Будет ли достигнута компрессия данных по сравнению с использованием:
а) традиционных кодов ASCI;
б) кодов равной длины, учитывающих наличие только данных символов.
21. Во сколько раз увеличится ширина спектра кода NRZ при увеличении тактовой частоты передатчика в 2 раза?
ГЛАВА 10 Беспроводная
передача данных

Беспроводная связь стала использоваться для общения между людьми ненамного позже, чем проводная. Уже в 90-х годах XIX века были проведены первые эксперименты по передаче телеграфных сообщений с помощью радиосигналов, а в 20-е годы XX века началось применение радио для передачи голоса.

Сегодня существует большое число беспроводных телекоммуникационных систем, из которых наиболее распространенными являются системы широковещания, такие как радио или телевидение, а также мобильная телефонная связь. Кроме того, беспроводные системы широко используются как транспортное средство для передачи компьютерных данных. Для создания протяженных линий связи применяются радиорелейные и спутниковые системы, существуют также беспроводные системы доступа к сетям операторов связи и беспроводные локальные сети. В современных беспроводных системах, так же как и в проводных, все больше информации передается в цифровом виде.

Беспроводная среда, для которой сегодня в основном используется микроволновый диапазон, отличается высоким уровнем помех, которые создают внешние источники излучения, а также многократно отраженные от стен и других преград полезные сигналы. Поэтому в беспроводных системах связи применяют различные средства, направленные на снижение влияния помех. В арсенал таких средств входят уже рассмотренные нами коды прямой коррекции ошибок и протоколы с подтверждением доставки информации. Эффективным средством борьбы с помехами является техника расширенного спектра, разработанная специально для беспроводных систем.

В этой главе приводятся базовые сведения об элементах, принципах работы и методах кодирования беспроводных систем, которые используются для построения двухточечных и многоточечных линий связи.
Беспроводная среда передачи
Преимущества беспроводных коммуникаций

Возможность передавать информацию без проводов, привязывающих (в буквальном смысле этого слова) абонентов к определенной точке пространства, всегда была очень привлекательной. И как только технические возможности становились достаточными для того, чтобы новый вид беспроводных услуг приобрел две необходимые составляющие успеха — удобство использования и низкую стоимость — успех ему был гарантирован.

Последнее тому доказательство — мобильная телефония. Первый мобильный телефон был изобретен еще в 1910 году Ларсом Магнусом Эрикссоном (Lars Magnus Ericsson). Этот телефон предназначался для автомобиля и был беспроводным только во время движения. Однако в движении им нельзя было пользоваться, для разговора нужно было остановиться, выйти из автомобиля и с помощью длинных жердей присоединить телефон к придорожным телефонным проводам (рис. 10.1). Понятно, что определенные неудобства и ограниченная мобильность воспрепятствовали коммерческому успеху этого вида телефонии.

Рис. 10.1. Первый мобильный телефон
Прошло много лет, прежде чем технологии радиодоступа достигли определенной степени зрелости и в конце 70-х обеспечили производство сравнительно компактных и недорогих радиотелефонов. С этого времени начался бум мобильной телефонии, который продолжается до настоящего времени.

Беспроводная связь не обязательно означает мобильность. Существует так называемая фиксированная беспроводная связь, когда взаимодействующие узлы постоянно располагаются в пределах небольшой территории, например в определенном здании. Фиксированная беспроводная связь применяется вместо проводной, когда по какой-то причине невозможно или невыгодно использовать кабельные линии связи. Причины могут быть разными. Например, малонаселенная или труднодоступная местность — болотистые районы и джунгли Бразилии, пустыни, крайний Север или Антарктида еще не скоро дождутся своих кабельных систем. Другой пример — здания, имеющие историческую ценность, стены которых непозволительно подвергать испытанию прокладкой кабеля.

Еще один часто встречающийся случай использования фиксированной беспроводной связи — получение альтернативным оператором связи доступа к абонентам, дома которых уже подключены к точкам присутствия существующего уполномоченного оператора связи проводными линиями доступа. Наконец, организация временной связи, например, при проведении конференции в здании, в котором отсутствует проводной канал, имеющий скорость, достаточную для качественного обслуживания многочисленных участников конференции.

Беспроводная связь используется для передачи данных уже достаточно давно. До недавнего времени большая часть применений беспроводной связи в компьютерных сетях была связана с ее фиксированным вариантом. Не всегда архитекторы и пользователи компьютерной сети знают о том, что на каком-то участке пути данные передаются не по проводам, а распространяются в виде электромагнитных колебаний через атмосферу или космическое пространство. Это может происходить в том случае, когда компьютерная сеть арендует линию связи у оператора первичной сети, и отдельный канал такой линии является спутниковым или наземным СВЧ-каналом.

Начиная с середины 90-х годов достигла необходимой зрелости и технология мобильных компьютерных сетей. С появлением стандарта IEEE 802.11 в 1997 году появилась возможность строить мобильные сети Ethernet, обеспечивающие взаимодействие пользователей независимо от того, в какой стране они находятся и оборудование какого производителя они применяют. Пока такие сети еще играют достаточно скромную роль по сравнению с мобильными телефонными сетями, но аналитики предсказывают их быстрый рост в ближайшие годы.

Развитие технологии мобильных телефонных сетей привело к тому, что эти сети стали очень широко использоваться для доступа в Интернет. Третье поколение мобильных телефонных сетей, известное как сети 3G, обеспечивает передачу данных со скоростью 1,5-2 Мбит/с, что сравнимо по скорости с проводным доступом через телефонные абонентские окончания.

Беспроводные сети часто связывают с радиосигналами, однако это не всегда верно. В беспроводной связи используется широкий диапазон электромагнитного спектра, от радиоволн низкой частоты в несколько килогерц до видимого света, частота которого составляет примерно 8 х 1014 Гц.
Беспроводная линия связи
Беспроводная линия связи строится в соответствии с достаточно простой схемой (рис. 10.2).
Рис. 10,2. Беспроводная линия связи

Каждый узел оснащается антенной, которая одновременно является передатчиком и приемником электромагнитных волн. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере или вакууме со скоростью 3 х 108 м/с во всех направлениях или же в пределах определенного сектора.

Направленность или ненаправленность распространения зависит от типа антенны. На рис. 10.2 показана параболическая антенна, которая является направленной. Другой тип антенн — изотропная антенна, представляющая собой вертикальный проводник длиной в четверть волны излучения. Изотропные антенны являются ненаправленными, они широко используются в автомобилях и портативных устройствах. Распространение излучения во всех направлениях можно также обеспечить несколькими направленными антенными.

Так как при ненаправленном распространении электромагнитные волны заполняют все пространство (в пределах определенного радиуса, определяемого затуханием мощности сигнала), то это пространство может служить разделяемой средой. Разделение среды передачи порождает те же проблемы, что и в локальных сетях, однако здесь они усугубляются тем, что пространство в отличие от кабеля является общедоступным, а не принадлежит одной организации.

Кроме того, проводная среда строго определяет направление распространения сигнала в пространстве, а беспроводная среда является ненаправленной.
Для передачи дискретной информации с помощью беспроводной линии связи необходимо модулировать электромагнитные колебания передатчика в соответствии с потоком передаваемых битов. Эту функцию осуществляет устройство DCE, располагаемое между антенной и устройством DTE, которым может быть компьютер, коммутатор или маршрутизатор компьютерной сети.

Диапазоны электромагнитного спектра
Характеристики беспроводной линии связи — расстояние между узлами, территория охвата, скорость передачи информации и т. п. — во многом зависят от частоты используемого электромагнитного спектра (частота/и длина волны X связаны соотношением с =/х X).
На рис. 10.3 показаны диапазоны электромагнитного спектра. Обобщая можно сказать, что они и соответствующие им беспроводные системы передачи информации делятся на четыре группы.

□ Диапазон до 300 ГГц имеет общее стандартное название — радиодиапазон. Союз ITU разделил его на несколько поддиапазонов (они показаны на рисунке), начиная от сверхнизких частот (Extremely Low Frequency, ELF) и заканчивая сверхвысокими (Extra High Frequency, EHF). Привычные для нас радиостанции работают в диапазоне от 20 кГц до 300 МГц, и для этих диапазонов существует хотя и не определенное в стандартах, однако часто используемое название широковещательное радио. Сюда попадают низкоскоростные системы AM- и FM-диапазонов, предназначенные для передачи данных со скоростями от нескольких десятков до сотен килобитт в секунду. Примером могут служить радиомодемы, которые соединяют два сегмента локальной сети на скоростях 2400,9600 или 19200 Кбит/с.

□ Несколько диапазонов от 300 МГц до 300 ГГц имеют также нестандартное название микроволновых диапазонов. Микроволновые системы представляют наиболее широкий класс систем, объединяющий радиорелейные линии связи, спутниковые каналы, беспроводные локальные сети и системы фиксированного беспроводного доступа, называемые также системами беспроводных абонентских окончаний (Wireless Local Loop, WLL).

□ Выше микроволновых диапазонов располагается инфракрасный диапазон. Микро-волновые и инфракрасный диапазоны также широко используются для беспроводной передачи информации. Так как инфракрасное излучение не может проникать через стены, то системы инфракрасных волн служат для образования небольших сегментов локальных сетей в пределах одного помещения.

□ В последние годы видимый свет тоже стал применяться для передачи информации (с помощью лазеров). Системы видимого света используются как высокоскоростная альтернатива микроволновым двухточечным каналам для организации доступа на небольших расстояниях.
Частота, Гц10
2
10
3
10
4
10
5
106 1Q7 ю
8
Ю
9
Ю
10
10
11
10
12
10
13
10
14
10
15
10
16
ИМИ
Pi
*ДИ<
эди
ала
I30h
1Ы
Ин
фр<ДИ£
акр<та:
Вид1эсныйюн1 W
ЛМЬ
1Й с
вет
EI
LF
VI
LF
L
F
IV
IF
Н
IF
Vt
HF
Уль
►траД

филап
олеазо
ПГОВн
1ЫЙ
IVIUt
\\лцД^IHF
)ОВ(шп<ISt
ЭЛН1азо!IHF
овьныIЕ\
ieIHF
Пс
>ДВ< СВ 9
ЭДН;!ЗЬ
аяН«
эдв<СВ!
ВДНязь
ая
А
•IМ-р
I'
10
FI
/l-pjiТ
I*адиIVсТ€
*1о Т/ОТСте<
I*V)ВЫроь
СIРсе1Ы
I*путI I waf
*1никIэы
Ги
I I I I
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
1 Ю-
1
10-
2
10'
3
10-
4
10'
5
Длина волны, м
Рис. 10.3. Диапазоны электромагнитного спектра
ПРИМЕЧАНИЕ-

Справедливости ради нужно отметить, что свет был, очевидно, первой беспроводной средой передачи информации, так как он использовался в древних цивилизациях (например, в Древней Греции) для эстафетной передачи сигналов между цепочкой наблюдателей, располагавшихся на вершипа\ холмов.
Распространение электромагнитных волн
Перечислим некоторые общие закономерности распространения электромагнитных волн, связанные с частотой излучения.

□ Чем выше несущая частота, тем выше возможная скорость передачи информации.
□ Чем выше частота, тем хуже проникает сигнал через препятствия. Низкочастотные радиоволны AM-диапазонов легко проникают в дома, позволяя обходиться комнатной антенной. Более высокочастотный сигнал телевидения требует, как правило, внешней антенны. И наконец, инфракрасный и видимый свет не проходят через стены, ограничивая передачу прямой видимостью (Line Of Sight, LOS).

□ Чем выше частота, тем быстрее убывает энергия сигнала с расстояниям от источника. При распространении электромагнитных волн в свободном пространстве (без отражений) затухание мощности сигнала пропорционально произведению квадрата расстояния от источника сигнала на квадрат частоты сигнала,
□ Низкие частоты (до 2 МГц) распространяются вдоль поверхности земли. Именно поэтому сигналы AM-радио могут передаваться на расстояния в сотни километров.

□ Сигналы частот от 2 до 30 МГц отражаются ионосферой земли, поэтому они могут распространяться даже на более значительные расстояния в несколько тысяч километров (при достаточной мощности передатчика).

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь