4. Контрольное задание

Построить оптимальную структуру сети для параметров сети выданной преподавателем.

Практическая работа №3 Расчёт основных характеристик каналов информационных сетей

1. Цель работы

Изучение структурных схем построения и оценка эффективности каналов связи информационных сетей. Расчет основных характерис­тик каналов связи.

2. Краткие теоретические сведения

Современные информационные сети, включающие как сети электросвязи, так и различные вычислительные центры и банки данных, обеспечивают не только быструю и эффективную доставку информации, но и при необходимости и ее накопление, хранение, обработку, а также предста­вление пользователям ряда дополнительных “информационных” услуг.

Информационная сеть является совокупностью:

1. Пользователей (абонентов) - источников и потребителей информации, определяющих требования по доставке и обработке информации, вы­бору вида связи и получению различных услуг;

2. Пунктов связи: а) оконечных пунктов (ОП), в том числе абонентских пунктов (АП), содержащих аппаратуру ввода-вывода, б) узлов связи (УС) с коммутационными и распределительными устройствами для рас­пределения пучков каналов, в) вычислительных центров (ВЦ) и банков данных (БД), осуществляющих обработку и хранение информации;

3. Каналов связи, объединенных в линии между отдельными пунктами сети для передачи информации в пространстве;

4. Систем управления различных уровней с набором соответствующих средств эксплуатации, восстановления и алгоритмов.

Структурная схема информационной сети определяется топологией связей и режимом обмена по линии связи.

3. Порядок выполнения работы

П о принципу передачи информации интерфейсы делятся на последова­тельные и параллельные. На рисунке  3.1 а, б представлены структурные схемы последовательного и параллельного каналов связи. Основными парамет­рами, позволяющими оптимизировать каналы связи являются: длина ка­нала связи, скорость передачи информации, суммарная стоимость канала связи. Комплексным параметром, определяющим эффективность канала связи, является показатель удельной стоимости передачи информации, определяемый, общей формулой:

Где - суммарная стоимость канала связи,

L - длина канала связи,

V - скорость передачи информации.

В формуле (3.1) величина складывается из стоимости передатчи­ка, приемника (C_п, С_пр), регенерационных устройств (С_р), осуществляющих промежуточное усиление сигналов информации в канале связи, физичес­кой среды линии связи (С_ф), а также стоимости затрат, связанных с изготовлением (С_и), монтажом (C_м), эксплуатацией (С_э) канала связи

С_ = С_п + С_пр + N_p C_p + C_ф + C_и + С_м + С_э, (3.2)

где N_p - число регенерационных устройств.

Величина произведения LV в знаменателе формулы (3.1) характеризует добротность (D) канала связи. Существует два пути снижения показателя С_уд канала связи: уменьшение C_ и повышение D.

Общая добротность последовательного канала связи D_посл определяется суммарной добротностью его регенерационных участков.

Если скорость передачи информации по всем проводникам парал­лельного канала связи одинакова (V₁=V₂=…=V_n), то добротность D_пар будет иметь вид

D_пар= N_п LV_п , (3.5)

где N_п - число параллельных проводников.

П оказатель удельной стоимости передачи информации по параллель­ному каналу связи с учетом (3.5) будет определяться выражением

где С_ - суммарная стоимость параллельного канала, определяемая из формулы (3.2) без учета стоимости регенерационных устройств (N_рC_р).

При стоимости С_р =0,01С_Σ величина С_Σ будет равна

Т огда с учетом (3.7) показатель удельной стоимости передачи информации по параллельному каналу будет иметь вид

На рис. 4 представлена зависимость С_уд.пар=f(N_п), из которой следует, что по мере роста числа параллельных проводников С_уд.пар, уменьшается и тем больше, чем выше скорость передачи информации.

Таким образом, на начальном этапе проектирования каналов связи информационной сети проводится анализ показателей их удельной стоимости. Если в результате расчетов С_{уд.посл} <С_уд.пар, то оптималь­ным является тракт передачи на основе последовательного канала связи, если С_{уд.посл}> С_уд.пар , то оптимальным является параллельный канал связи.

Очевидно, что удельная стоимость сети в целом будет опре­деляться выражением

С_{уд.сети} = ΣС_{уд.посл} +ΣС_уд.пар , (3.9)

где С_{уд.посл} - суммарная удельная стоимость последовательных каналов сети,

С_уд.пар - суммарная удельная стоимость параллельных каналов сети.

Одной из важнейших характеристик сети является степень использова­ния каналов и другого оборудования, которая зависит как от построения сети и ее исправной работы, так и от загрузки каналов передаваемыми сообщениями. В настоящее время существует несколько подходов к оценке полезного использования канала, под которым понимают время:

t₁ - в течение которого предоставлен канал пользователю (занят або­нентом или сдан в аренду) независимо от того, загружен он или нет,

t₂ - то же, но оплачиваемое пользователем,

t₃- в течение которого канал “активен”, т.е. по нему передаются сообщения,

t₄- в течение которого передается полезная информация для пользователя (исключается адресная и служебная информация). При этом t_4<t₃<t₂ ≤t₁<t_и ,где t_и - время исправного состояния канала. Под коэффициентом использования канала чаще всего понимают отношение

г де Т - полное время эксплуатации канала.

Другой важной характеристикой сети является способность ее достав­лять сообщения или мощность сети по пропускной способности

г де _i - коэффициент использования i -го канала,

V_i - номинальная пропускная спосбность i -го канала,

l_i - длина i -го канала.

О бобщенная характеристика - производительность сети рассчитывается по формуле

где Q_i - объем переданных за время Т сообщений (в битах или часо- занятиях)по i - му каналу,

l_i - длина кратчайшего пути между узлами обмена информации в i - ом канале.

Отношение П /Dp показывает, насколько хорошо используется мощность сети - её каналы.

Характеристики каналов физического уровня представляют совокуп­ность параметров непосредственно физической среды передачи данных и преобразователей, обеспечивающих работу среды передачи информации.

К ним относятся:

1. число подключаемых к каналу приемопередатчиков,

2. тип носителя среды передачи данных (кабель, световод),

3. максимальная скорость передачи сигналов в канале,

4. допустимая вероятность ошибки при приеме сигнала,

5. полоса частот, пропускаемая каналом,

6. соотношение сигнал - шум при приеме сигнала,

7. длина канала связи или максимальная длина составляющих частей передающей среды (сегментов, шлейфовых и радиальных ответвителей и т.д.), соединяющих АП,

8. задержка распространения сигнала в физической среде канала,

9. задержка передачи сигнала в канале,

10. число ретрансляторов в канале,

11. добротность канала связи,

12. параметры сигналов на входе, выходе канала,

13. производительность канала связи сети,

14. габаритные размеры и конструктивно-технологические характеристики составных частей передающей среды (приемопередатчиков, стыковоч­ных элементов).

В качестве физической среды распространения сигналов в каналах связи используется: витая пара проводников, кабель коаксиальный (узкополосный, широкополосный), волоконно-оптический (световодный) кабель, открытый радиоволновый ВЧ и СВЧ - канал.

В таблице 3.2 представлены качественные характеристики сред физи­ческих каналов.

Таблица 3.2

Качественные характеристики сред физических каналов

Типы каналов	Параметры каналов
	Ширина полосы частот, МГц	Длина линии, км	Число подключенных абонентов, шт	Помехозащищенность	Стоимость
Витая пара проводов	3..5	0,1	50	Средняя	Низкая
Коаксиальный кабель:
узкополосный	10..20	0,3	100	Высокая	Средняя
широкополосный	200…300	1,0	1000	Высокая	Средняя и высокая
Волоконно-оптический кабель	300	2..10	30	Очень высокая	Высокая

В реальных условиях сигнал в канале связи состоит из компонент различной частоты, а в приемник поступают только те компоненты, частоты которых находятся внутри полосы пропускания. С ростом час­тоты амплитуда каждой компоненты частот уменьшается. Поэтому чем шире полоса пропускания среды передачи, тем больше высокочастотных компонент проходит в канале связи, тем надежнее сигнал, полученный в приемном устройстве, воспроизводит исходный сигнал. Так, если сис­тема или канал связи обладает полосой пропускания, равной В Герц, то согласно формуле Найквиста максимальная скорость передачи ин­формации равна 2В, в предположении, что каждый сигнальный элемент имеет два уровня. При М-уровнях максимальная скорость определяется общей формулой

В отсутствии передачи сигналов по линии связи в ней наблюдаются случайные всплески. Эти всплески называют уровнем шумов в линии, которые при большом затухании становятся соизмеримы с принимае­мым полезным сигналом. В зависимости от физической природы воз­никновения в каналах связи различают три основных типа шумов:

1. наведенные (фоновые) шумы в открытых каналах и каналах из ви­той пары проводников. Примером фоновых шумов является слышимость другого (фонового) разговора в телефонной связи,

2. импульсные шумы связаны с влиянием на канал связи электрических явлений в атмосфере или внешних силовых установок, аппаратуры в виде щелчков длительностью полсекунды. При скорости передачи ин­формации, равной 2400 бит/с, такие помехи могут привести к иска­жению 1200 бит,

3. тепловые шумы имеются во всех средах передачи. Они вызваны тепловым возбуждением электронов атомов среды передачи. Тепловые шумы образованы из компонент со случайными частотами и непрерывно меняющимися амплитудами, поэтому называются белым шумом.

Для оценки качества принимаемого сигнала информации по каналу связи весьма важным параметром является отношение сигнал-шум, который обычно измеряется в дБ согласно формуле

г де S - мощность полезного сигнала,

N - мощность уровня шумов.

Чем больше отношение сигнал-шум, тем сигнал лучшего качества и наоборот. Теоретически максимальная скорость связана с отноше­нием сигнал-шум формулой

Шеннона-Хартли

г де B - ширина полосы пропускания (Гц),

S - мощность сигнала (Вт),

N - мощность случайных шумов (Вт).

Для каждого вида среды передачи характерна конечная задержка времени, требуемая сигналу для распространения от одного конца передающей среды до другого. В свободном пространстве электри­ческие сигналы имеют скорость света 310⁸ м/с.

В физической среде, т.е. в витой паре проводников или коаксиаль­ном кабеле, скорость распространения составляет 210⁸ м/с, т.е. сигналу требуется 0,510^-8 с, чтобы пройти 1м среды.

В каналах связи данные передаются в виде блоков или кадров и при поступлении блока отправителю возвращается извещение о правильном или неправильном получении блока. Время, протекающее между отправлением первого бита блока и получением последнего бита соответствующего извещения, определяется как задержка об­ращения. Очевидно, что эта задержка зависит не только от времени передачи кадра со скоростью битов, но и задержки распространения.

Относительное влияние этих двух факторов будет различным для различных физических каналов, вследствие чего эти факторы связаны соотношением

г де Т_р - задержка распространения ( l - рас­стояние (м), V_р - скорость распространения (м/с)),

T_п - задержка передачи ( N – число бит в блоке, V_п -.скорость передачи (бит/ с)).