Сети и телекоммуникации

241

Рис. 16.19. Примеры АКФ: М-последовательности (а) и усечѐнной (б) М-последовательности (т.е. непериодической последовательности длиной в период М)

В частности, в североамериканском стандарте IS-95 предусматривается использование функций Уолша wali(t) (рис. 16.20). Теперь запишем суммарный сигнал в точке приѐма БС соты CDMA-системы с учѐтом использования функ-

ций Уолша:

Ś = śФМ1(t)wal1(t) +śФМ2(t)wal2(t) +śФМ3(t)wal3(t) +śФМ4(t)wal4(t) + +śФМ5(t)wal5(t) +śФМ6(t)wal6(t) .

tосуществляет его обработку, которая предусма-

тривает выделение из него сигнала каждой АС.

= śФМ3(t) .

Рис. 16.20. Пример базисных

периодических функций Уолша Полученный результат представляет со-

бой сигнал (т.е. выделенный сигнал третьей АС), который «прошѐл радиока-

нал» и подвергся воздействию радиопомех, и поэтому отличается от сигнала

242

переданного АС (сигнал «зашумлѐн»). Однако применение на передающей сто-

роне помехоустойчивого кодирования позволяет на приѐмной стороне испра-

вить в полученной (после демодуляции) двоичной последовательности боль-

шинство ошибок и тем самым обеспечить высокое качество сообщения в соот-

ветствие с заданными параметрами.

Аналогичные процессы и процедуры осуществляются каждой АС при приѐме суммарного сигнала, сформированного и переданного БС в соте.

A

Уровень естественных помех

Рис. 16.21. Пример мгновенного спектр сигнала Ś : суммарный (а)

и разложенный (б) на составляющие мгновенные спектры сигналов АС si(t)

Спектральное представление разделения сигналов АС в CDMA-системах В теории спектрального анализа имеет место понятие мгновенного спек-

тра сигнала, т.е. спектра в определенный момент времени. Следует отметить следующие свойства частот гармонических составляющих спектра:

1.не зависят от времени;

2.для данного сигнала в любой момент времени существует конечное,

счѐтное или несчѐтное, множество спектральных составляющих с различ-

ными частотами;

243

3.при прохождении сигнала через линейную цепь с постоянными парамет-

рами не изменяются, могут измениться только амплитуды и начальные фазы;

4.являются аргументом передаточной функции линейной цепи;

5.измеряются с помощью анализаторов спектров, т.е. набора фильтров (ре-

зонаторов) или перестраиваемого резонатора.

На рисунке 16.21 представлен мгновенный спектр сигнала Ś : суммарный

(а) и разложенный (б) на составляющие сигналы АС si(t). Из этого рисунка сле-

дует, что сигнал каждой АС имеет свой уникальный мгновенный спектр частот,

который изменяется во времени (а именно, амплитуды частот гармонических составляющих спектра). Более того, для каждой АС мгновенный спектр еѐ сиг-

нала si(t) остаѐтся уникальным (т.е. не перекрывается мгновенными спектрами других сигналов АС) в любой момент времени. В этом и заключается принцип кодового разделения (различения) сигналов АС. Безусловно, что некоторое пере-

крытие спектров существует, это связано с неидеальными АКФ и взаимными корреляционными функциями квазиортогональных последовательностей, т.е.:

φm(t) φn(t) ≈ 0 , при m ≠ n ; и φm(t) φn(t) ≈ 1 , при m = n .

Очевидно, что для достижения наибольшей эффективности, с точки зрения раз-

деления сигналов АС, требуется система точной тактовой синхронизации АС в соте. Для решения этой задачи используется выделенный общий канал сигна-

лизации (ОКС), по которому передаѐтся единый тактовый сигнал, используе-

мый всеми АС в соте.

Другим основным назначением ОКС является передача сигналов регули-

рования мощности передатчиков каждой АС. Необходимость таких сигналов следует из рис. 16.14, на котором представлено несколько зон соты (зоны «А»

… «Д»). АС, находясь в конкретной зоне, получает сигнал ОКС, по которому она определяет дальность БС в соте (т.е. на каком расстоянии от БС находится АС). Таким образом, все активные АС в соте, регулируя мощности своих вы-

ходных сигналов, обеспечивают равность мощностей всех выходных сигналов

244

в точке приѐма БС, что также обеспечивает наибольшую эффективность

CDMA-системы при выделении сигналов АС.

Также с помощью ОКС решаются и другие технологические задачи, сре-

ди которых передача сигналов занятости, перегрузки канала, вызова и сброса соединения и др.

По оценкам некоторых экспертных компаний в области сотовой связи, в 2010 году число пользователей CDMA-систем сотовой связи достигло 500 млн.

чел. В процентном отношении наибольшее число пользователей таких систем приходится на США, Южную Корею и Китай.

246

Базовая СПД — совокупность средств для передачи данных между ЭВМ

— состоит из линий связи и узлов связи (УС). Узел связи — совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте — принимает данные,

поступающие по каналам связи, и передает данные в каналы, ведущие к або-

нентам. УС реализуется на основе коммутационной ЭВМ (КВМ, коммутаторы,

маршрутизаторы) и аппаратуры передачи данных. КВМ управляет приѐмом и передачей данных и, в частности, выбирает целесообразный путь передачи данных.

Базовая СПД — ядро вычислительной сети. Она обеспечивает физическое объединение ЭВМ и прочих устройств сеть ЭВМ, которая включает в себя главные и терминальные ЭВМ. Главные ЭВМ (ГВМ (a host computer), приклад-

ные серверы) выполняют задания абонентов сети (пользователей) по обработке и хранению информации. Терминальные ЭВМ (ТВМ, серверы доступа) предна-

значены для сопряжения терминалов с базовой СПД. Основная функция сопря-

жения сводится к преобразованию данных в форму, обеспечивающую их пере-

дачу средствами базовой сети и вывод данных на терминалы.

Терминальная сеть — совокупность терминалов и терминальной сети пе-

редачи данных. Терминалы — устройства, с помощью которых абоненты осу-

ществляют ввод и вывод данных. В терминальной сети могут использоваться интеллектуальные терминалы и абонентские пункты. В состав интеллектуаль-

ного терминала (персональный компьютер) входит процессор, обеспечиваю-

щий локальную обработку данных — редактирование текстов, отображение данных в специальной форме, хранение данных и манипуляции с ними и др.

Абонентский пункт состоит из взаимосвязанных устройств ввода-вывода,

обеспечивающих ввод данных от нескольких источников и вывод данных в различной форме — на экраны дисплеев, печатающие устройства, устройства вывода графической информации и др. Для подключения терминалов к сети ЭВМ используются линии связи и обслуживающие их удаленные мультиплек-

247

соры передачи данных (УМПД), в совокупности образующие терминальную сеть передачи данных.

Контроль состояния ИТС и управление ее функционированием обеспечи-

ваются административной системой, включающей в себя ЭВМ, терминальное оборудование и программные средства, с помощью которых производится включение и выключение сети и ее компонентов, контролируется ее работоспо-

собность, устанавливается режим функционирования компонентов, систем и сети в целом, учитывается объем услуг, предоставляемых абонентам сетью, и

др.

Отдельные ИТС могут быть связаны между собой с помощью линий свя-

зи, подключаемых к узлам межсетевой связи. В узле межсетевой связи исполь-

зуется ЭВМ, обеспечивающая согласование и преобразование данных при пе-

редаче их от одной сети к другой. Таким образом, под структурой ИТС понима-

ется вся совокупность входящих в нее элементов (УС, КВМ, ТВМ, ГВМ и др.) и

взаимосвязи между ними.

Рис. 17.1,б. Структура (1) и топология (2) фрагмента ИТС

Для понимания сущности термина «топология сети» рассмотрим два сле-

дующих рисунка (рис. 17.1,б). На них представлен один и тот же фрагмент ИТС

248

в двух формах: а) в форме неориентированного графа (Рис. 17.1,б-1); б) в форме ориентированного графа (рис. 17.1,б-2), дугам которого приписаны весовые ко-

эффициенты (последние могут иметь различную физическую природу: пропу-

скная способность, стоимость, величина задержки и др.). Очевидно, что рис.

17.1,б-1 представляет собой структуру фрагмента сети, то есть описывает со-

став этого фрагмента ИТС и связи между УС. Однако этот рисунок недостаточ-

но информативен и не позволяет провести достаточный анализ ИТС, например,

для решения задач маршрутизации, управления потоками и др.

Второй рисунок (рис. 17.1,б-2) «устраняет» недостатки предыдущего, то есть он достаточно информативен и позволяет более глубоко проанализировать ИТС (на нем показаны не только сами связи между элементами сети, но и их качественные и количественные характеристики). Вместе с этим связи между рассматриваемыми узлами сети являются односторонними, что чрезвычайно важно при решении задачи выбора маршрута передачи пакета через эти УС.

Теперь возникает справедливый вопрос: А откуда появился термин «то-

пология сети»? Под топологией в математике понимается раздел, изучающий топологические свойства фигур, то есть свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производимых без разрывов и склеивания (точнее при взаимно однозначных и непрерывных отображениях). Топологическое пространство

(математическое понятие, обобщающее понятие метрического пространства) —

множество элементов любой природы, в котором тем или иным способом опре-

делены предельные значения.

Таким образом, под топологией ИТС понимается еѐ структура с опреде-

ленными на ней предельными функциональными параметрами и направления-

ми информационных потоков.

Зачем нужны сети?

Основной эффект от объединения ЭВМ и терминалов в ИТС — полная доступность ресурсов сети для пользователей. Пользователи, подключенные к сети, имеют доступ ко всем главным ЭВМ, входящим в сеть, и, следовательно,

249

получают возможность использовать память этих ЭВМ для хранения данных и процессоры для их обработки. Пользователям доступны программное обеспе-

чение, имеющееся в сети, и базы данных в ЭВМ, что позволяет им оперативно их использовать. Как правило, сети предоставляют возможность параллельно обрабатывать данные сразу несколькими ЭВМ. Возможно построение распре-

деленных баз данных, размещенных в памяти нескольких ЭВМ, а за счет этого

— создание сложных информационных структур. Информационные связи меж-

ду пользователями позволяют группам пользователей решать задачи моделиро-

вания сложных систем, выполнять проектные и другие работы, опирающиеся на распределенные между многими ЭВМ программное обеспечение и базы данных. Таким образом, сетевая обработка и хранение данных — качественно новая организация обработки, при которой в значительной мере увеличиваются сложность и скорость решения задач, требующих участия большого числа пользователей.

ИТС позволяет повысить уровень загрузки ЭВМ, программного обеспе-

чения и баз данных. Это обусловлено двумя факторами. Во-первых, ИТС об-

служивает большое количество пользователей, поэтому нагрузка, создаваемая всеми пользователями, в меньшей степени подвержена колебаниям, чем на-

грузка, создаваемая отдельным пользователем или группой. Этот эффект имеет статистическую природу и оценивается дисперсией среднего значения нагруз-

ки, создаваемой пользователями. Так, если среднее квадратическое отклонение нагрузки, создаваемое одним пользователем, равно b, то n пользователей соз-

дают суммарную нагрузку, среднее квадратическое отклонение которой равно b/ n , т.е. колебания нагрузки, создаваемой, например 100 пользователями, в 10

раз меньше, чем у создаваемой одним пользователем. Следовательно, увеличи-

вается вероятность того, что в каждый момент времени существует работа для каждого компонента сети, т.е. увеличивается загрузка сети.

Во-вторых, стабилизируется загрузка сети, когда сеть охватывает терри-

торию, расположенную в нескольких часовых поясах. Эффект стабилизации особенно существен для эксплуатации специализированных и проблемно-ори-

250

ентированных ЭВМ, аналого-цифровых вычислительных комплексов, инфор-

мационно-справочных систем и др.

Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных и лучшей загрузки ресурсов стоимость обработки данных средствами сети снижается в полтора раза и более по сравнению с обработкой данных на несвязанных ЭВМ.

Характеристики ИТС

Основными характеристиками ИТС являются операционные возмож-

ности, время доставки сообщений, производительность и стоимость обработки данных.

Операционные возможности сети — перечень основных действий по обработке и хранению данных. Главные ЭВМ, входящие в состав сети, предос-

тавляют пользователям, как правило, следующие виды услуг:

передача файлов (наборов данных) между ЭВМ сети;

доступ к пакетам прикладных программ, базам данных и удаленным фай-

лам — обработку файлов, хранимых в удаленных ЭВМ;

передача текстовых и, возможно, речевых сообщений между терминала-

ми (пользователями);

распределенные базы данных, размещаемые в нескольких ЭВМ;

удаленный ввод заданий — выполнение заданий, поступающих с любых терминалов, на любой главной ЭВМ в пакетном или диалоговом режиме;

защита данных и ресурсов от несанкционированного доступа;

выдача справок об информационных и программных ресурсах;

автоматизация программирования и распределенная обработка — парал-

лельное выполнение задачи несколькими ЭВМ.