Беспроводные каналы

Беспроводные каналы

В беспроводных каналах передача информации осуществляется на основе распространения электромагнитных колебаний в эфире. В табл. 1 приведены сведения о диапазонах частот электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных и оптических каналах связи.

Чем выше рабочая  частота, тем больше емкость (число  каналов) системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретрансляторов. Первая из причин и порождает тенденцию к освоению новых более высокочастотных диапазонов.

Радиоканалы входят необходимой составной частью в спутниковые и радиорелейные системы связи, применяемые в территориальных сетях, в сотовые системы мобильной связи, они используются в качестве альтернативы кабельным системам в локальных сетях, при объединении сетей отдельных офисов и предприятий в корпоративные сети, в качестве соединений "последней мили". Во многих случаях применение радиоканалов оказывается более дешевым решением по сравнению с другими вариантами.

В качестве магистральных  каналов в территориальных сетях  часто используются радиорелейные линии связи (коммутация каналов, диапазон частот 15...23 ГГц, связь в пределах прямой видимости, что ограничивает дальность между соседними станциями — до 50 км при условии размещения антенн на строениях типа башен). Последовательность станций, являющихся ретрансляторами, позволяет передавать информацию на значительные расстояния.

Таблица 1    

Радиосвязь используется в корпоративных и локальных  сетях, если затруднена прокладка других каналов связи. Радиоканал либо выполняет  роль "последней мили" (двухточечное соединение), либо является общей средой передачи данных в ЛВС, либо служит соединением между центральным и терминальными узлами в сети с централизованным управлением.

В первом случае (связь двух сетей) имеем двухточечное соединение с направленными антеннами, дальность  в пределах прямой видимости (обычно до 15-20 км с расположением антенн на крышах зданий). Мост имеет два адаптера: один для формирования сигналов для радиоканала, другой — для кабельной подсети.

В последнее время все  чаще подключение корпоративных  заказчиков к магистральным каналам  при интегрированном обслуживании (передача данных, телефония, телевидение, доступ в Internet) осуществляют с помощью технологии широкополосного беспроводного доступа BWA. Например, в крупных городах Европы для этого осваивают диапазон 40,5...43,5 ГГц. Здесь богатый частотный ресурс, малый уровень помех, пониженные требования к мощности передатчиков, миниатюрные антенны, но меньше предельные расстояния связи. Рассматриваются также комбинированные варианты такие, как кабельная сеть — BWA, спутниковые каналы — BWA.

В случае использования радиоканала в качестве общей среды передачи данных в ЛВС сеть называют RadioEthernet (стандарт IEEE 802.11), она обычно используется внутри зданий. В состав аппаратуры входят приемопередатчики и антенны. Связь осуществляется на частотах от одного до нескольких гигагерц. Расстояния между узлами — несколько десятков метров.

В соответствии со стандартом IEEE 802.11 возможны два способа передачи двоичной информации в ЛВС, оба они  имеют целью обеспечить защиту информации от нежелательного доступа.

Первый способ называется методом прямой последовательности (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum). В нем вводится избыточность — каждый бит данных представляется последовательностью из нескольких элементов ("чипов"). Эта последовательность создается по алгоритму, известному участникам связи, и потому может быть дешифрирована при приеме. Избыточность повышает помехоустойчивость, что позволяет снизить требования к мощности передатчика, а для сохранения высокой скорости нужно расширять полосу пропускания. В одной и той же расширенной полосе пропускания может быть несколько каналов связи за счет использования методов ортогонального кодирования. Метод DSSS лежит в основе стандарта CDMA сотовой связи.

Второй способ — метод частотных скачков (FHSS — Frequency Hopping Spread Spectrum). В этом методе полоса пропускания делится на 79 поддиапазонов. Передатчик периодически (с шагом 20...400 мс) переключается на новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может изменяться, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным.

Метод DSSS имеет  определенные преимущества перед методом FHSS. В нем снижены требования к  мощности передатчика, менее существенны  помехи, создаваемые для других источников сигналов.

В варианте использования  радиоканалов для связи центрального и периферийного узлов центральный пункт имеет ненаправленную антенну, а терминальные пункты при этом используют направленные антенны. Дальность связи составляет также десятки метров, а вне помещений — сотни метров. Пример многоточечной системы: ненаправленная антенна по горизонтали, угол 30 градусов по вертикали, 5,8 ГГц — к терминалам, 2,4 ГГц — к центральному узлу, до 62 терминалов, дальность — 80 м без прямой видимости.

В условиях высоких  уровней электромагнитных помех  иногда используют инфракрасные каналы связи. В последнее время их стали применять не только в цехах, но и в офисах, где лучи можно направлять над перегородками помещения.

В оборудование беспроводных каналов передачи данных входят:

1. Сетевые адаптеры и радиомодемы, поставляемые вместе с комнатными антеннами и драйверами. Различаются способами обработки сигналов, характеризуются частотой передачи, пропускной способностью, дальностью связи. Сетевой адаптер вставляется в свободный разъем шины компьютера. Например, адаптер WaveLAN (Lucent Technologies) подключается к шине ISA, работает на частоте 915 МГц, пропускная способность 2 Мбит/с. Радиомодем подключается к цифровому ООД через стандартный интерфейс. Например, радиомодемы серии RAN (Multipoint Networks) могут работать в дуплексном или полудуплексном режимах; со стороны порта данных используют интерфейс RS-232C, RS-449 или V.35, скорости до 128 кбит/с; со стороны радиопорта — частоты 400...512 или 820...960 МГц, ширина радиоканала 25...200 кГц.
2. Радиомосты используются для объединения между собой кабельных сегментов и отдельных ЛВС в пределах прямой видимости и для организации магистральных каналов в опорных сетях, выполняют ретрансляцию и фильтрацию пакетов.
3. Направленные и ненаправленные антенны, антенные усилители, и вспомогательное оборудование типа кабелей, полосовых фильтров, грозозащитников и т.п.
4. Каналы ISDN
5. В современных условиях цифровые сети все чаще используют для передачи информации разного типа, а именно не только данных, но и голоса, видео, имеющих первоначально аналоговую форму. Такие сети называют сетями интегрального обслуживания. Сети ISDN (Integreted Service Digital Network), являющиеся сетями интегрального обслуживания, могут быть коммутируемыми и некоммутируемыми. Различают обычные узкополосные ISDN со скоростями от 56 кбит/с до 1,54 Мбит/с и широкополосные ISDN (Broadband ISDN, или B-ISDN) со скоростями 155...2048 Мбит/с. Более перспективны B-ISDN, в настоящее время технология B-ISDN активно осваивается.
6. Применяют два варианта обычных сетей ISDN — базовый и специальный. В базовом варианте имеются два канала по 64 кбит/с (эти каналы называют B-каналами) и один служебный канал с 16 кбит/с (D-канал). В специальном варианте — 30 каналов B по 64 кбит/с и один служебный канал D с 64 кбит/с. Каналы B можно использовать как для передачи закодированной голосовой информации (коммутация каналов), так и для передачи пакетов. Служебные каналы используются для сигнализации — передачи команд, в частности, для запроса соединения.
7. Схема сети ISDN показана на рис. 1. Здесь S-соединение представляет собой четырехпроводную витую пару. Если оконечное оборудование не имеет интерфейса ISDN, то его подключают к S через специальный адаптер TA. Устройство NT2 объединяет S-линии в одну T-шину, которая имеет два провода от передатчика и два — к приемнику. Устройство NT1 реализует схему эхо-компенсации и служит для интерфейса T-шины с обычной телефонной двухпроводной абонентской линией U.

8. Рис. 1.  Схема сети ISDN

Абонентские линии

Для подключения  клиентов к узлам магистральной  сети с применением на "последней  миле" обычного телефонного кабеля применяют цифровые абонентские линии (xDSL) (наряду с каналами узкополосной ISDN, при этом ISDN рассматривают, как разновидность xDSL).

В цифровых абонентских линиях используется только телефонный кабель (медь), но не телефонная аппаратура. Значительно большие скорости передачи данных по сравнению с телефонными технологиями достигаются благодаря применению специальных методов модуляции сигналов. К этим методам относятся метод амплитудно-фазовой модуляции без несущей (CAP — Carrierless Amplitude Phase Modulation) и метод дискретной многотоновой модуляции (DMT — Discrete Multitone Modulation).

В случае CAP амплитудно-фазовая  модуляция без несущей означает представление одним перепадом сигнала нескольких бит информации (например, один бод соответствует трем битам). В случае DMT имеющаяся полоса частот делится на 256 подканалов по 4 кГц каждый. Проводится тестирование подканалов и в зависимости от его результатов подканалы загружаются в разной степени. В свою очередь, в подканалах используется квадратурно-амплитудная модуляция.

К числу xDSL относят HDSL (High-bit-rate Digital Subcriber Line), SDSL (Single Pair Symmetrical Digital Subcriber Line), ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line) и др. Например, в линии HDSL используют две пары проводов, применен метод CAP, пропускная способность до 2 Мбит/с, расстояния до 5…7 км. В случае линии ADSL используется одна пара проводов, данные кодируются на основе методов CAP или DMT, достигаются скорости до 8 Мбит/с (в прямом направлении). При нестабильных условиях работы целесообразно использовать адаптивный вариант ADSL с DMT, в котором предварительно линия тестируется и выбирается соответствующая скорость.

Импульсно-кодовая модуляция

Для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи  применяют импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ или PCM — Pulse Code Modulation). Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на , и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Согласно теореме Котельникова величину определяют следующим образом: для неискаженной передачи должно быть не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала. Так, в телефонных каналах требуемую пропускную способность определяют, исходя из условия обеспечения передачи голоса с частотным диапазоном до 4 кГц при кодировании восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).

Каналы PDH

Различают несколько  технологий связи, основанных на цифровых каналах. Основными практически  используемыми являются технологии плезиохронной и синхронной цифровой иерархии.

К магистральным  каналам плезиохронной цифровой иерархии относятся каналы T1/T4, применяемые, в основном, в США и Японии, и каналы E1/E4, описанные в стандартах G.700 — G.706 и преимущественно распространенные в Европе.

Многоканальная система E1 (иначе DS-1 или канал E1) включает в себя 32 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). При этом 30 каналов используются для передачи информации (например, голосового трафика телефонных компаний), а 2 канала предназначены для передачи служебных данных. В системе T1/T4 в канал T1 входит 24 канала DS-0. В каждом канале применена импульсно-кодовая модуляция с частотой следования отсчетов 8 кГц и квантованием сигналов по 2⁸ = 256 уровням, что требует скорости передачи 64 кбит/с на один канал или 2048 кбит/с на аппаратуру E1 или 1544 Кбит/с на аппаратуру T1.

Следующие уровни в иерархии E1/E4 представлены каналами E2-E4 (DS-2, DS-3 и DS-4), причем канал каждого последующего уровня объединяет 4 канала предыдущего уровня, разделенных несколькими служебными битами. Поэтому требуемые в этих каналах скорости составляют 8488, 34368, 139264 Кбит/с соответственно. В иерархии T1/T4 канал T4 рассчитан на скорости около 260 кбит/с.

В каналах PDH использовано временное  мультиплексирование (TDM). Так, в канале T1 все 24 канала DS-0 передают в мультиплексор по одному байту, образуя 192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. Суперкадр канала DS-1 в T1 составляют 24 кадра. В нем имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация.

Сборку информации из нескольких линий предыдущего уровня и ее размещение в магистрали следующего уровня осуществляет мультиплексор. Канал DS-0 (один слот) соответствует одной из входных линий, т.е. реализуется коммутация каналов. Если какой-либо слот не используется из-за недогрузки канала, то возможно динамическое перераспределение слотов с помощью статистических мультиплексоров При этом временно весь канал DS-1 или его часть отдается одному соединению с интенсивным трафиком. Некоторые мультиплексоры позволяют маршрутизировать потоки данных, направляя их в другие мультиплексоры, связанные с другими каналами E1/T1, хотя собственно каналы E1/T1 называют некоммутируемыми.

Передача информации в  каналах PDH реализуется с помощью  четырехпроводного кабеля, каждая пара проводов предназначена для передачи в одном направлении. В случае E1/T1 обычно используют витую пару, для более высоких уровней иерархии применяют коаксиальный кабель или ВОЛС. Кодирование выполняют с помощью разновидностей кода AMI с заменой последовательностей из пяти подряд идущих нулей специальными комбинациями импульсов. Соединение каналов T1/E1 с ООД осуществляется посредством специальных устройств DSU (Data Service Unit) и CSU (Channel Service Unit), формирующих кадры T1/E1 и, кроме того, выполняющих мультиплексирование потоков.