Сети и средства коммуникации

www.etu1621.narod.ru “Сети и средства коммуникации” Преподаватель: Шавыкин

Конспект лекций

Любой процесс передачи информации включает:

Передатчик информации преобразует информацию в некоторый физический процесс, обеспечивающий ее передачу на расстояние.

Канал связи – некоторая физическая среда, в котором распространяется физический процесс, переносящий информацию.

Приемник преобразует физический процесс, переносящий информацию, в информацию, доступную получателю.

Источник помех – воздействует на канал связи и искажает информацию (одна из основных проблем в процессе передачи информации)

Требования:

1. обеспечение достоверности

2. обеспечение заданного времени доставки информации

Источники информации.

Виды информации:

1. аналоговая или непрерывная информация

2. дискретная информация (приобретает дискретное количество значений)

На рисунке: типичная непрерывная функция, существующая во все моменты времени.

На рисунке:

Будет походить или не походить на исходную ось, в зависимости от того, насколько квантированно мы ее поделим. Чем больше, тем лучше.

Если функция имеет непрерывное значение, значит ее спектр ограничен.

Характеристики, описывающие аналоговую информацию:

Объем информации:

Где: A- максимальное значение входной информации

F- полоса спектра входной информации

T- время существования входной информации

Каналы связи:

1. аналоговые

2. дискретные

1. физический процесс, переносящий инфомацию, существующий в каждый момент времени и может приобретать бесконечное количество значений.

2. Физический процесс, имеющий конечное количество значений и может существовать только в дискретные моменты времени

Классификация на дискретные и непрерывные справедлива только для входа, на выходе – всегда непрерывна.

Где, k-канал

Сигналы и модуляции.

Сигнал – физический процесс, допускающий однозначные преобразования входной информации в те или иные параметры этого физического процесса

Модуляция – изменения параметров физического процесса.

Виды сигналов:

1. синусоидальные колебания

Где: A- амплитуда

А) амплитудная модуляция A = Ф (I)

U(t)

Достоинства: простота преобразования информации в сигнал и обратно

Недостаток: низкая помехоустойчивость

Б) частотная модуляция (ЧМ, FM)

Амплитуда постоянная, но будет меняться частота

Преимущества: большая помехоустойчивость

Недостатки: более сложная техническая реализация

В) фазовая модуляция (ФМ, РМ)

U(t)

Возможно комбинирование и одновременное использование всех 3-х видов синусоидальных колебаний фазовой модуляции.

2. импульсные сигналы

а) амплитудно-импульсная модуляция

U(t)

Б) широтно-импульсная модуляция

В) время-импульсная модуляция

Опорный и импульсный сигнал: меняется время между опорным и импульсным

Г) частотно-импульсная модуляция

Д) позиционно-импульсная

Расстояние несет информацию

Е) число-импульсная

Ж) кодово-импульсная модуляция W

Все виды импульсной модуляции могут использоваться только в проводных каналах

1. АМ

2. ЧМ

3. ФМ

Количество информации в дискретном наборе сообщений и дискретном сигнале. Оптимальная длина кода.

Сигнал, который передает информацию, может передавать k-дискретных значений

3) оптимальная длина

Виды линий связи

Линия – физическое понятие

Канал – иногда, как синоним линии, либо как часть ресурсов, выдел. в линию связи для передачи информации между двумя абонентами.

Виды линий связи:

1. проводные линии

2. оптоволоконные линии

3. радиолинии

4. акустические линии

5. инфракрасные линии

6. другие

1. телефонные линии (кабель)

характеристика: аническое сопротивление (сопротивление по постоянному току)

2. витая пара (скрутка)

применяется для уменьшения помех в канале связи.

До 100 мбит/сек

Широко используется в локальных вычислительных сетях (ЛВС).

3. коаксиальный кабель

основные характеристики: волновое сопротивление, которое по стандарту имеет значение

1 Гбит/сек

Достоинство - относительно низкая стоимость. Не сложен в монтаже.

2. практически невосприимчивы к внешним помехам

Недостатки:

- сложность монтажа

- на морозе ломается

3. – низкая стоимость начальных капитальных вложений

- возможность легкого конфигурирования сети и связи с подвижными объектами

А) частотный диапазон

Б) сверхдлинноволновый диапазон

В) длинноволновый диапазон

Километровый

Г) средневолновый диапазон (MF)

Гектометровый

Методы разделений линий связи на каналы.

Д) коротковолновый диапазон (HF) – дециметровый (UHF)

Доходит до верхних конц. слоев атмосферы, создается зеркало для радиоволн

Затухает не очень быстро

Может распространятся на большие расстояния

4 МГц – 25 МГц

Связь зависит от времени суток

Различные меридианы и широты

Меридианная связь: с – ю.

Е) Ультраметровый (UMF) – (метровый)

30-160-180 МГц

В приближении считают, что радиоволны распространяются по прямой.

Расстояние определяется высотой приемной антенны и высотой передающей.

В сл. вторых 12 каналов

Дециметр

Сантиметр

Миллиметр

Уменьшают размеры антенн (соты). Чем меньше длина волны, тем меньше размер антены (около ¼ длины волны). Это позволяет, например в сантиметровом и миллемитровом диапазонах, использовать для радиолокации.

С увеличением частоты передающих радиосредств, распространение радиоволн становится прямолинейным.

Частота связана с длиной волны.

Длина волны связана с оптимальным размером антенны.

Диаграмма направленности антенны:

Антенна

1. круговой диаграммы направленности

2. направленная антенна

Круговые антенны оптимальны тогда, когда направление на абонента неизвестно, меняется в широких пределах, абоненты расположены во всех направлениях.

Недостаток: полезная мощность, излучаемая на абонента/принимаемая от абонента составляет лишь малую часть общей излучаемой мощности.

Направленную антенну целесообразно применять для связи со стационарными объектами или абонентами в одном районе, если направление на них известно.

Достоинство: большая мощность, направленная/получаемая от абонента.

Способ создания направленной антенны:

1. создание специального экрана

Размер экрана зависит от:

- требуемой ширины диаграммы направленности

- используемого частотного диапазона

Чем уже диаграмма направленности и ниже частотный диапазон, тем больше размер антенны.

2. Специальное расположение излучающих антенн

В случае, отдельные антенны распологаются так, чтобы отдельные излучатели в пространстве имели различные фазы сигнала, тогда это приводит к тому, что в определенных направлениях эти сигналы будут суммироваться и уменьшаться по ширине пучка сигнала (радиолокация, направленная связь, радиоастрономия и т.д.)

Проблема: электомагнитной совместимости

Два эффекта:

Насколько понятна речь

Полезность речи

Симплексный канал связи (канал связи только в одну сторону – принять можно, а ответить – нет)

Дуплексный канал связи – в остальные моменты времени могжет и принять и ответить.(одновременно)

Полудуплексный – и принять и отдавать но не одновременно.

Спутниковые радиосистемы связи.

Отличаются друг от друга видом используемых спутников.

Различают три вида:

1. низкоорбитные, которые находятся на высоте 300-1000 км; находятся в зоне действия маломощных наземных передающих станций, связь может осуществляться с ними с помощью ненаправленных антенн.

2. недостатка:

- небольшая зона охвата связи 1 спутником

- период обращения небольшой 1,2 часа

Основная проблема:

- высокая стоимость

Большая скорость космического сегмента, большое количество спутников

Время жизни спутника относительно невилеко.

Системы:

1. комплекс сар-сар (русское космическое спасение)

2. система Глонас-Новотрар

Применяется не для связи, а для навигации

Применяет информацию с низколетящих спутников

3. Гоестационарные спутники, расположенные в плоскости экватора

Период обращения вокруг Земли – 1 сутки

Недостатки:

1. заметная задержка сигнала

2. желательно устанавливать направленные антенны

3. проблема связи в районах высоких широт

Интерференция волн – складывание (суммирование) волн, приводит к эффекту пропадания/усиления сигнала.

Инморсат (морское международное акционерное общество, на коммерческой основе)

Создано для обеспечения безопасности на море.

2. вида сервиса:

- речевой телефонный разговор

- передача данных - 1 минута разговора $ 1075 – передача данных через спутниковые терминалы (они достаточно дешевые)

Global star

Услуг меньше, но стоимость почти как в интернете.

Спутники на высоких эллиптических орбитах

Позволяют лучше принимать сигналы.

Акустические каналы связи

Используют колебания звуковых частот в воздушной, водной и иных средах.

Воздушная среда: использует систему связи ультразвуков диапаз. (до 10 Кгерц), но они себя не оправдывают (много посторонних шумов).

Показатели помехоустойчивости систем передачи информации.

1. вероятность правильного приема Pпр

вероятность правильного приема – вероятность того, что мы примим тоже сообщение, что и было отправлено.

2. вероятность обнаружения ошибки защитного отказа

вероятность того, что мы передали сообщение и обнаружили в нем ошибку и отказались от него

3. вероятность необнаружения ошибки (трансформация)

Рпр+Ртр+Рзо=1

Рзо=0 – возможно

Ртр=0 – невозможно

4. вероятность воспроизведения сообщения ложной тревоги за интервал времени

Позиция этих двух вероятностей зависит от 2-х условий:

1. характеристика помех в каналах связи

Меры разделения линии связи на каналы:

1. частотное разделение

Частота канала зависит от скорости связи. Чем ниже U передачи данных, тем уже полоса.

Проблемы:

1. выделение полосы с достаточно хорошей добротностью (не задевая другой канал)

2. обеспечение стабильности передачи

2)временное разделение

А) приводн. к всемирному времени

Б) привод. к маркерам

3. кодовое разделение

Классификация сетей

1. глобальные

2. локальные

сети с коммутацей (объединением) каналов/сети с коммутацией данных

Достоинства:

Возможность соединения в реальном масштабе времени

Накладываются слабые ограничения на передаваемый сигнал

Недостатки:

Вероятные подключения участка с некачественными параметрами, нестабильными характеристиками в канале связи.

Наличие коммутационных элементов с малой надежностью.

Электронное реле – переключают каналы

Достоинства: методы коммутации данных:

1) Легко реализуется цифровая обработка сообщения

2) стабильно гарантируется качество канала при прямом подключении

3) простота обращения в глобальные сети

Недостатки:

Жесткие ограничения на передаваемые сигналы

Топология сетей

Создаваемый характер соединения внутри сети

2. вида топологий:

1. физический (описываются физические соединения абонентов)

2. логический (описывает логику их взаимодействий)

Одна и та же сеть может иметь различные топологии на физическом и логическом уровне.

Типология:

1. звезда

Основные преимущества: простота реализации управления процессами

Недостатки: слабая модифицируемость

2. общая шина

На физическом уровне пассивная звезда

На логическом – общая шина

3. кольцо

Каждый абонент соединен только с индивидуальным абонентом

Такого рода сеть обладает большой пропусконой способностью

Недостатки: критичен и отказ. отдельных абонентов

Главная проблема топология – конфликты.

А)Предотвратить столкновения в активной звезде, можно 2-мя путями:

1) активный центр (опрос, Polling)

Активный центр по кругу опрашивает всех абонентов

Если 1-му абоненту не надо передать информацию – нет ее или молчит, получив этот ответ запрашивает второго абонента.

Центр, получая сообщения, передает ее абоненту, и начинает опрос дальше и т.д., пока все не переберет и не пойдет по кольцу.

Здесь один хозяин, он распределяет время, строит стратегию опроса, следовательно, исключает конфликты.

2)Пассивный центр

Инициатива отдана абоненту

Получает запрос от нескольких абонентов, центр выбирает кому отдать предпочтение (например, превому)

Предает сигнал, что обработка завершина всем абонентам

Коллизия исключена, если допущена параллельная обработка всех запросов.

Преимущества:

При большой производительности центра возможна параллельная обработка информации от нескольких абонентов.

Б) пассивная звезда = общая шина (по логике работы):

1) централизованное управление

один из абонентов выполняет роль некоторого логического диспетчера и работает по стратегии активизации центра, и общая шина привращается в активную звезду.

2)децентрализованное управление

Стольконовение неизбежно, но мы можем уменьшать их тяжесть

Варианты решений:

- контроль несущей (CSDA)

Несущая – некоторый признак, позволяющий передать некоторую фактическую информацию о передачи

Если у абонентов появляется заявка, он прослушивает общую шину, если там свой, начинает передачу

второй прослушивает общую шину, пока не услышит, что передача закончена.

Мгновенно обнаружить факт передачи невозможно.

Если второй не услышит сигнал, что идет передача и тоже начинает говорить, то следует сбой. Узнают они об этом только тогда, когда не приходит подтверждение, начинается повторный запрос.

- контроль несущей с усилением столконвения

Сами передаем, сами слушаем, что идет в канале связи (то или не то).

После окончания, второй начинает передачу, и превый решил начать снова, но так как они оба сами себя прослушивают, следовательно слышат столкновения, тогда они продолжают говорить, усиливая солкноваения и прекращают (обрыв); выдерживается некоторая τ (время задержки; оно у каждого свое); после этого начинаем опрашивать общую шину снова; у кого τ короче, тот получает доступ.

- контроль несущей с усилением столконвения и запросом.

Разница с предыдущей лиш в том, что после истечения времени τ мы посылаем запрос с тем, что хотим начать передачу, чтобы остальные молчали.

В) кольцевая топология

1. маркерный метод

А

B

2. метод слотов

маркер меняем на слот

они запускаются с небольшим интервалами времени, рассчитанными на передачу коротких сообщений

большой блок информации разделяется на пакеты, которые помещаются в свободных слотах.

3. метод вставки регистров

целостность кольца обспечивается автоматически, нет надзирателя

Идея: у каждого абонента 2 регистра: приемный и передающий

Если в приемнике ничего нет, отключаем выход, доносим информацию до передающего и там включаем выход; при этом информация (*) не теряется, а накапливается в приемнике и мы ее выдаем вслед за нашей.

(*) – получается в процессе передачи.

Недостаток: нобходимо иметь большую емкость входящего приемного регистра, обеспечивающего буферизацию информации во время передачи.

Теоретически, возможна потеря информации из-за переполнения буфера.

Это самый эффективный метод борьбы с топологией в сети.

Компоненты вычислительных сетей.

1. адаптеры (сетевая карта) – устройство, всталяемое внутрь компьютера и служащее для сопряжения его с вычислительной сетью.

Функции:

А) сопряжение внутренней шины машины с аппаратурой самого адаптера