Каналы связи

Оптоволоконные линии  передачи данных - как правило последовательные линии, но быстродействующие. На скорость передачи данных влияет качество волокна (его прозрачность), его толщина, мощность и тип передатчика (светодиод или лазерный диод), длина волны излучающего света, от которых в свою очередь зависит и длина канала связи.

При построении сетей используются многожильные кабели; существуют и  другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также  плоские.

рис.6

Радиолинии. В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. Скорость передачи 100–400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении

Деление радиоволн на диапазоны  установлено Международным регламентом  радиосвязи. (таб.1)

таб.1

 

Радиоканалы передачи данных WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогичны Wi-Fi. WiMAX, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, работает и на отраженном сигнале, вне прямой видимости базовой станции. Эксперты считают, что мобильные сети WiMAX открывают гораздо более интересные перспективы для пользователей, чем фиксированный WiMAX, предназначенный для корпоративных заказчиков. Информацию можно  передавать на расстояния до 50 км со скоростью до 70 Мбит/с.

Радиоканалы передачи данных MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System). Эти системы способна обслуживать территорию в радиусе 50—60 км, при этом прямая видимость передатчика оператора является не обязательной. Средняя гарантированная скорость передачи данных составляет 500 Кбит/с — 1 Мбит/с, но можно обеспечить до 56 Мбит/с на один канал.

Радиоканалы передачи данных для локальных сетей. Стандартом беспроводной связи для локальных сетей является технология Wi-Fi. Wi-Fi обеспечивает подключение в двух режимах: точка-точка (для подключения двух ПК) и инфраструктурное соединение (для подключения несколько ПК к одной точке доступа). Скорость обмена данными до 11 Mбит/с при подключении точка-точка и до 54 Мбит/с при инфраструктурном соединении.

Радиоканалы передачи данных Bluetooht - это технология передачи данных на короткие расстояния (не более 10 м) и может быть использована для создания домашних сетей. Скорость передачи данных не превышает 1 Мбит/с.

Микроволновая (радиорелейная) радиосвязь. Используется для передачи данных или голоса на большие расстояния. Каналы микроволновой связи состоят из сети радиорелейных (ретрансляционных) станций, отстоящих друг от друга на расстояние до 40 км. Каждая станция имеет вышку с гиперболическими антеннами, получает сигнал, усиливает его и передает на следующую станцию.

Рис. 7

 

Спутниковая связь. Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий. Спутники связи работают как ретранслятор. В отличие от других каналов, стоимость передачи через спутник не зависит от расстояния, на которое передается сообщение. Системы спутниковой связи (ССС) широко используются во многих регионах мира и стали неотъемлемой частью инфраструктуры телекоммуникаций большинства стран. Не только промышленно развитые страны с разнообразными современными сетями телекоммуникаций, но все чаще и развивающиеся страны успешно внедряют ССС. Новые спутниковые приложения обеспечивают быстрое создание новых широковещательных служб и частных сетей.

Хотя  коммерческое использование геосинхронных  спутников связи началось почти 25 лет назад, их широкое применение в сетях связи стало возможным  лишь в начале 1980-х годов. Телевидение, телефония, широкополосная передача данных продолжают доминировать в списке услуг  ССС. Современные системы спутниковой  связи предоставляют беспрецедентные  возможности для развития частных  сетей, организации служб связи  типа "точка-точка" и "точка-множество  точек".

Спутник - устройство связи, которое принимает  сигналы от земной станции (ЗС), усиливает  и транслирует в широковещательном  режиме одновременно на все ЗС, находящиеся  в зоне видимости спутника. Спутник  не инициирует и не терминирует никакой  пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС.

ССС состоит  из трех базисных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного  сегмента (рис. 8). Космический сегмент  охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска  спутника. Сигнальная часть включает вопросы используемого спектра  частоты, влияния расстояния на организацию  и поддержание связи, источники  интерференции сигнала, схем модуляции  и протоколов передачи. Наземный сегмент  включает размещение и конструкцию  ЗС, типы антенн, используемых для различных  приложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника. Космический  сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент обсуждаются в следующих  разделах.

Рис. 8. Система Iridium.

 

ССС имеют  уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые особенности  обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной  для ряда приложений. Другие создают  ограничения, которые неприемлемы  при реализации некоторых прикладных задач.

ССС имеет  ряд преимуществ:

Устойчивые  издержки. Стоимость передачи через  спутник по одному соединению не зависит  от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы - широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС.

Широкая полоса пропускания. Малая вероятность  ошибки. В связи с тем, что при  цифровой спутниковой передаче побитовые  ошибки весьма случайны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления.

Выделим также ряд ограничений в использовании  ССС:

Значительная  задержка. Большое расстояние от ЗС до спутника на геосинхронной орбите приводит к задержке распространения, длиной почти в четверть секунды. Эта задержка вполне ощутима при  телефонном соединении и делает чрезвычайно неэффективным использование спутниковых каналов при неадаптированной для ССС передаче данных.

Размеры ЗС. Крайне слабый на некоторых частотах спутниковый сигнал, доходящий до ЗС (особенно для спутников старых поколений), заставляет увеличивать  диаметр антенны ЗС, усложняя тем  самым процедуру размещения станции.

Защита  от несанкционированного доступа к  информации. Широковещание позволяет  любой ЗС, настроенной на соответствующую  частоту, принимать транслируемую  спутником информацию. Лишь шифрование сигналов, зачастую достаточно сложное, обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.

Интерференция. Спутниковые сигналы, действующие  в Ku- или Ka-полосах частот (о них ниже), крайне чувствительны к плохой погоде. Спутниковые сети, действующие в C-полосе частот, восприимчивы к микроволновым сигналам. Интерференция вследствие плохой погоды ухудшает эффективность передачи в Ku- и Ka-полосах на период от нескольких минут до нескольких часов. Интерференция в С-полосе ограничивает развертывание ЗС в районах проживания с высокой концентрацией жителей.

Влияние упомянутых преимуществ и ограничений  на выбор спутниковых систем для  частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а  не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию  ССС составляют оптоволоконные сети связи.

Современные спутники связи, используемые в коммерческих ССС, занимают геосинхронные орбиты, в которых период орбиты равен  периоду отметки на поверхности  Земли. Это становится возможным при размещении спутника над заданным местом Земли на расстоянии 35800 км в плоскости экватора.

Большая высота, требуемая для поддержания  геосинхронной орбиты спутника, объясняет  нечувствительность спутниковых сетей  к расстоянию. Длина пути от заданной точки на Земле через спутник на такой орбите до другой точки Земли в четыре раза больше расстояния по поверхности Земли между двумя ее максимально удаленными точками.

В настоящее  время наиболее плотно занятая орбитальная  дуга равна 76^о (приблизительно; 67^о по 143^о западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки.

Главными  компонентами спутника являются его  конструкционные элементы; системы  управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна.

Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный  сам себе спутник в конечном счете перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

Телеметрическое оборудование спутника используется для  передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и коррекция осуществляется.

Ширина  полосы (bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц.

Обычно  ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный  канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках  связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.

Спутники  связи должны преобразовывать частоту  получаемых от ЗС сигналов перед ретрансляцией  их к ЗС, поэтому спектр частот спутника связи выражен в парах. Из двух частот в каждой паре, нижняя используется для передачи от спутника к ЗС (нисходящие потоки), верхняя - для передачи от ЗС на спутник (восходящие потоки). Каждая пара частот называется полосой.

Современные спутниковые каналы чаще всего применяют  одну из двух полос: C-полосу (от спутника к ЗС в области 6 ГГц и обратно  в области 4 ГГц), или Ku-полосу (14 ГГц  и 12 ГГц, соответственно). Каждая полоса частот имеет свои характеристики, ориентированные на разные задачи связи (таблица 2). 

 

Таблица 2. Характеристики полос частот.

Спутниковые диапазоны полос передачи, L (GHz)	Полоса, С (MHz)	Диапазон частот, Ku (GHz)	Доступная ширина, Ka (Hz)
1.6/1.5	15	6/4	500
14/12	500	30/120	2500

 

Большинство действующих спутников используют C-полосу. Передача в С-полосе может  покрывать значительную область  земной поверхности, что делает спутники особенно пригодными для сигналов широковещания. С другой стороны, сигналы С-полосы, являются относительно слабыми и  требуют развитых и достаточно дорогих  антенн на ЗС. Важная особенность сигналов С-полосы - их устойчивость к атмосферному шуму. Атмосфера земли почти прозрачна  для сигналов в диапазоне 4/6 ГГц. К сожалению, этим же фактором обусловлено  то, что сигналы С-полосы более  всего подходят для наземных двухточечных микроволновых передач, портящих более  слабые спутниковые сигналы. Данное обстоятельство заставляет размещать ЗС, использующие при передаче С-полосу, за много километров от городских центров и мест плотного проживания населения.

Передача  в Ku-полосе имеет противоположные  свойства. Луч при такой передаче сильный, узкий, что делает передачу идеальной для двухточечных соединений или соединений от точки к нескольким точкам. Наземные микроволновые сигналы  никоим образом не влияют на сигналы Ku-полосы, и ЗС Ku-полосы могут быть размещены в центрах городов. Естественная большая мощность сигналов Ku-полосы позволяет обойтись меньшими, более дешевыми антеннами ЗС. К  сожалению, сигналы Ku-полосы чрезвычайно чувствительны к атмосферным явлениям, особенно туману и сильному дождю. Хотя подобные погодные явления, как известно, воздействуют на небольшую область в течение краткого времени, результаты могут быть достаточно серьезны, если такие условия совпадают с ЧНН (час наибольшей нагрузки, например 4 часа пополудни, полдень пятницы).

Мультиплексирование с разделением частот (FDM) широко используется для мультиплексирования  нескольких речевых каналов или  каналов данных на один спутниковый  приемопередатчик.