Беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи) каналы передачи данных
Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных.
Радиорелейные каналы передачи данных Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальности между соседними станциями - до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных, а также для связи между базовыми станциями сотовой связи. Спутниковые каналы передачи данных В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Спутники запускаются, как правило, группами. Разнесенные друг от друга они могут обеспечить охват почти всей поверхности Земли. Работа спутникового канала передачи данных представлена на рисунке
Целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможности обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность высокая – несколько десятков Мбит/c. Сотовые каналы передачи данных Радиоканалы сотовой связи строятся по тем же принципам, что и сотовые телефонные сети. Сотовая связь - это беспроводная телекоммуникационная система, состоящая из сети наземных базовых приемо-передающих станций и сотового коммутатора (или центра коммутации мобильной связи). Базовые станции подключаются к центру коммутации, который обеспечивает связь, как между базовыми станциями, так и с другими телефонными сетями и с глобальной сетью Интернет. По выполняемым функциям центр коммутации аналогичен обычной АТС проводной связи. LMDS (Local Multipoint Distribution System) - это стандарт сотовых сетей беспроводной передачи информации для фиксированных абонентов. Система строится по сотовому принципу, одна базовая станция позволяет охватить район радиусом несколько километров (до 10 км) и подключить несколько тысяч абонентов. Сами БС объединяются друг с другом высокоскоростными наземными каналами связи либо радиоканалами. Скорость передачи данных до 45 Мбит/c. 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.
Спутниковые каналы
Технологически спутниковая связь обеспечивается соединением спутникового ретранслятора и наземной спутниковой терминала посредством радиоканала. Ретранслятор устанавливается на ИСЗ (искусственный спутник Земли). Спутниковые ретрансляторы бывают пассивные и активные. Пассивные практически сейчас уже не используются, они просто отражают радиосигнал и часто никакой приемопередающей аппаратуры не содержат в отличие от активных ретрансляторов. Активные ретрансляторы в свою очередь могут быть регенеративными и нерегенеративными. Нерегенеративные спутники принимают сигнал, переводят его на другую частоту, усиливают и транслируют на землю. Регенеративные спутники в дополнение к этому еще производят демодуляцию полученного сигнала, в ходе которой он очищается от помех, затем сигнал переводится на другую частоту, модулируется и после этого транслируется на землю. Поэтому регенеративные спутники обеспечивают более высокое качество сигнала, «оборотной стороной медали» является то, что для его работы требуется существенно более сложное и дорогостоящее оборудование.
Спутники, на которых располагаются ретрансляторы, могут находиться на разных орбитах. По углу наклона к экваториальной плоскости земли орбиты можно разделить на экваториальные, наклонные и полярные. Спутники, находящиеся на орбите, можно по расстоянию до Земли разделить на низколетящие и высоколетящие. Важное место среди экваториальных орбит с высоколетящими спутниками занимает геостационарная орбита. Она расположена на высоте примерно 36 000 километров. Важным её достоинством является то, что спутник как бы «висит» над одной точкой земной поверхности, поэтому антенне наземной станции нет необходимости «следить» за спутником. Это сильно упрощает систему управления такой антенной. Вторым важным достоинством использования геостационарной орбиты в спутниковой связи является то, что спутник, расположенный на ней «покрывает» практически одну треть земного шара. Это снижает количество спутников, которые нужно вывести на орбиту для обеспечения связи, по сравнению низколетящими спутниками. Недостатком спутников на геостационарной орбите можно считать то, что они не «покрывают» приполярные области, а главное из-за своей удаленности требуют более больших антенн (обычно с направленными облучателями) для обеспечения связи.
Наземные спутниковые станции могут подразделяться на операторские станции и абонентские терминалы. Операторские станции, как правило, являются шлюзами между абонентскими терминалами и сетями общего пользования (ТфОП, Интернет) или корпоративными сетями. Абонентские терминалы, в свою очередь, могут подразделяться на терминалы фиксированной службы спутниковой связи (ФСС) и на терминалы подвижной службы спутниковой связи (ПСС). Наиболее популярными терминалами, относящиеся к первой категории абонентских терминалов, относятся VSAT-станции. Это абонентские ЗССС, в состав которых входит спутниковая параболическая антенна, с диаметром апертуры не более 2.4 м и передатчиком не более 2 Вт. Самыми распространёнными терминалами 2-й категории являются абонентские спутниковые трубки систем Iridium и Globalstar.
Как в первом, так и во втором случае, абонентский терминал, через ретранслятор ИСЗ, связывается с операторской станцией и через неё получает выход на телефонные сети и сети передачи данных.
Преимущества абонентских терминалов 1-й категории: обеспечение высокоскоростных каналов связи, низкая абонентская плата за услуги связи.
Преимущества абонентских терминалов 2-й категории: компактность и мобильность.
Радиоканал связи, устанавливаемый между ретранслятором ИСЗ и спутниковой станцией, характеризуется в первую очередь частотным диапазоном, в котором он находится, форматом несущей передаваемого сигнала (SCPC, MCPC, TDMA, MF-TDMA), типом модуляции (QPSK, 8PSK, 16QAM, 32QAM) и типом помехоустойчивого кодирования. В спутниковой связи обычно используются частотные диапазоны C- и Ku-. Также в последнее время получает развитие Ka-диапазон.
Системы подвижной связи с одной базовой станцией, обеспечивающей работу системы на всей обслуживаемой территории (называемые радиальными), имеют два основных недостатка. Во-первых, при большом удалении от базовой станции сигнал на мобильную станцию приходит с большим ослаблением. Это вынуждает увеличивать мощность радиопередатчиков и чувствительность радиоприемников, что, в свою очередь, вызывает нежелательный рост веса и габаритов мобильной станции и сокращения цикла работы ее источника питания. Во-вторых, увеличение количества обслуживаемых абонентов приводит к пропорциональному росту необходимых радиоканалов. При дефиците частотного ресурса это тормозит дальнейшее развитие системы.
В сотовых системах связи вся обслуживаемая территория делится на относительно небольшие зоны (ячейки). Наилучшая форма такой зоны имеет вид правильного шестиугольника (при такой форме центры соседних ячеек находятся на одинаковом расстоянии друг от друга, и в любую точку на границе между соседними ячейками сигналы от соответствующих базовых станций будут приходить одинакового уровня). Организация системы связи в этом случае напоминает рисунок сот в пчелином улье, и такие системы называют сотовыми (рис.10.5).
Рис.
10.5 Структура сотовой системы
Приблизительно в центре каждой соты устанавливается маломощная базовая станция. За каждой базовой станцией закрепляется набор рабочих частот (в простейшем случае это может быть одна частота). Базовые станции с помощью специальных каналов связи (это могут быть проводные или радиоканалы) связаны друг с другом и с центром коммутации, управляющим работой всей системы.
Антенна базовой станции в общем случае имеет круговую диаграмму направленности. Мощность радиопередатчика выбирается из условия устойчивого приема сигналов на территории всей соты. В общем случае на территории соседней соты сигнал имеет ненулевое значение, поэтому может нарушать нормальную работу радиосредств соседней ячейки.
Частоты радиоканалов каждой соты для уменьшения взаимного влияния сигналов станций соседних ячеек выбирают по определенному правилу и базовые станции с одинаковым набором частот разносят на величину защитного интервала, за пределами которого взаимное влияние соседних станций пренебрежимо мало. Для этого между базовыми станциями с одинаковыми наборами частот помещают базовые станции с другим набором рабочих частот. Группа соседних сот с различными наборами частот образуют кластеры, в которых представлены все рабочие частоты, выделенные данной системы связи, причем ни одна из частот в полном наборе не повторяется. Полный набор частот определяет размерность кластера.
На рисунке 10.5 жирными линиями выделены кластеры с количеством частот в наборе, равном 7 (на практике формируются кластеры и с другим количеством частот). В результате вся обслуживаемая территория покрывается сетью кластеров, и в каждом кластере используется 7 различных частот (7 наборов различных частот). Таким образом, на обслуживаемой территории 7 рабочих частот, выделенных в данной системе подвижной связи, будут повторяться столько раз, сколько кластеров образуют данную систему. И в то же время работа станций на этих частотах в соседних кластерах не будет вызывать отрицательного влияния друг на друга. Метод многократного использования частот позволяет во столько же раз повысить количество обслуживаемых абонентов.
Для дальнейшего увеличения количества обслуживаемых клиентов принимают и другие меры: уменьшают радиус соты на территориях с повышенной концентрацией мобильных станций (супермаркеты, аэропорты и т.п.). Типичный размер ячейки сотовой подвижной связи составляет несколько километров, ячейки размерами несколько сот метров называют микросотами, а ячейки размерами несколько десятков метров - пикосотами. Для этой же цели на базовых станциях используют не одну антенну с круговой диаграммой направленности, а несколько антенн с секторными диаграммами направленности. В этом случае структура повторного использования частот имеет более сложный характер, но зато одна частота в пределах одного кластера может использоваться дважды.
Пропускная способность и ее ограничения
Хороший код должен сохранить все нужное в сообщении и исключить ненужное так, чтобы пространство передачи было использовано наиболее экономично в течение продолжительности передачи данного сообщения.
Ограничение в передаче обусловлено пропускной способностью канала. При формировании сообщения в сигналы необходимо добиваться экономичного использования пространства. Теория информации исследует зависимости между величиной сообщения, пространством передачи и помехами, действующими во время передачи помех. Она исследует математическими методами ограничения, имеющие место при передаче сигналов, поддающихся выражению в виде функциональной кривой, заданной взаимозависимостью частоты, амплитуды и времени. Пропускная способность канала передачи определяет, какое количество информации может быть передано за определенное время.
На пропускную способность канала влияет источник помех, под которыми понимаются изменения передаваемых сигналов, следствием которых является, например, искажение звука, отображения телеграфного сообщения и т. д. Вследствие помех количество информации в переданном сообщении всегда уменьшается при передаче и никогда не увеличивается, то есть количество принятой информации может быть лишь в идеальном случае таким же (но не больше), как и количество переданной информации. Этот идеальный случай возможен только в канале без шума. Шум вызывает искажение сообщения, рост неопределенности в передаваемом сообщении, причем этот шум может иметь своим следствием как исчезновение определенных переданных элементов сообщения, так и появление новых элементов в переданном сообщении.
Пропускная способность канала представляет собой число "независимых" "да - нет" решений, которые можно передавать в единицу времени. Ограничение канала, обусловленное его пропускной способностью, определяет подходящую статистическую структуру для передаваемых сигналов1. Мера передачи информации по шумовому каналу задается по формуле Шеннона
Скремблирование
Скремблирование (англ. scramble — перемешивать) —разновидность кодирования информации, для передачи по каналам связи и хранения, улучшаюшаяспектральные и статиcтические характеристики.
Примечание: Слово скремблер также имеет иное значение — это устройство для шифрования аналогового(телефонного, телевизионного) сигнала.
Скремблирование есть приведение информации к виду, по различным характеристикам похожему наслучаные данные. Скремблирование выравнивает спектр сигнала, частоты появления различных символов иих цепочек.