Каналы связи

Каналы связи

История связи

Мы с трудом представляем себе жизнь без этих современных средств связи - телефон, телеграф, факс, модем.... Что было бы, если бы во всем мире отключили все телефоны?. А ведь жили же люди когда-то без всех этих удобств, которые давно уже стали для нас вещами вполне привычными. А что стало бы с человеком из далекого прошлого, если бы он попал в современный мир? Вероятно, он был бы очень напуган всем происходящим, а в особенности способами общения людей друг с другом, ведь существовавший когда-то телефон (если его вообще можно так назвать) был совсем не похож на современный...

То, чем пользовались когда-то, можно, пожалуй, назвать "живым" телефоном. Применяли его в основном при военных действиях, когда сообщение нужно было передать максимально полно. В сотне метров друг от друга расставлялись люди, которые по очереди выкрикивали сообщения.

Эта технология была усовершенствована. Теперь сообщения не выкрикивались, а передавались при помощи барабанной дроби. Эту своеобразную барабанную азбуку придумали африканцы, а очевидцы утверждают, что и поныне некоторые племена в Африке общаются подобным образом. Австралийцы же использовали вместо барабанов выдолбленные из сухого дерева бутылки и били по ним палками. И даже в XIX веке подобная технология была использована в США. В 1825 году был открыт канал между Буффало и Олбени. В Нью-Йорк о первом пароходе, пущенном по этому каналу, сообщили "пушкограммой", которая пролетела расстояние 700 км за один час и двадцать минут.

Древнегреческий историк Полибий (ок. 200 – 120 гг. до н. э.) значительно усовершенствовал существовавшую уже до него факельную азбуку. Но все это было крайне неудобно, так как на каждом пункте необходимо было присутствие как минимум двух человек, работа продвигалась крайне медленно, в плохую погоду факелы разжечь было невозможно, в туман видны они не были, а в ясную погоду их мог заметить и противник, поэтому это изобретение не получило широкого распространения.

Первая почта, о существовании которой достоверно известно, появилась при персидском царе Кире в VI веке до н. э. При нем были построены великолепные дороги, ведущие от столицы Персии – города Суз во все концы страны. По этим дорогам день и ночь передвигались, а вероятнее всего, все-таки бегали гонцы-ангары, нагруженные корреспонденцией.

Голубиная почта была известна еще в Древнем Риме, а когда в 1099 году крестоносцы осадили Иерусалим, из осажденного города во все стороны помчались воздушные гонцы с призывом о помощи. Но помощи не последовало, и Иерусалим был почти полностью разрушен крестоносцами, уверенными, что они совершают богоугодное дело и что все их грехи будут отпущены после "похода на неверных".

В начале XIX века, после открытия электрического тока, был изобретен "стрельчатый" телеграф, главной частью которого являлась магнитная стрелка, на которую действовал ток. В 30-х гг. того же века русский ученый Павел Шиллинг изобрел "стрельчатый" телеграф, который мог передавать тридцать шесть условных сигналов букв и знаков.

В 1810 году девятнадцатилетнего американца по имени Самюэль Морзе посетила идея создания особого рода азбуки имени себя. Идея эта была воплощена в жизнь, и вскоре появилось то, что мы сейчас называем аппарат Морзе, действовавший с помощью той самой азбуки. Этот аппарат мог передавать всего знаков в минуту. Вскоре он был усовершенствован и смог передавать 300 – 400, а потом и до 600 знаков в минуту.

А потом были изобретены телефон и радио.

Основные определения

Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т. е. сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя. Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Канал связи — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

Канал передачи данных - средства двустороннего обмена данными, включающие аппаратуру канала данных и линию передачи данных.

В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных.

В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях). В зависимости от числа каналов связи различают одно - и многоканальные средства передачи данных (ПД). Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования). К передаче информации имеют прямое отношение телефонные сети, вычислительные сети передачи данных, спутниковые системы связи, системы сотовой радиосвязи.

Классификация

Коммуникационные каналы оказывают значительное влияние на производительность, надежность, стоимость и безопасность информационной системы. Поэтому необходимо понимать различия между ними и знать их основные характеристики.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой. Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном, когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. За счет такой изоляции коаксиальный кабель меньше подвержен внешним шумовым воздействиям, поэтому возможно его использование на более высоких скоростях передачи данных.

Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т. п.

По такому кабелю можно передавать как аналоговый, так и цифровой сигнал. Используется для междугородних телефонных линий и в локальных сетях.

Телефонные линии. Большинство телефонных линий используют два изолированных медных провода. Скрученные спирально, они называются витой парой. Большое количество таких пар сводятся в кабели, имеющие защитную оболочку. Телефонные линии удобны по той причине, что они проведены во многих местах и уже готовы к использованию. Витые пары используются и в локальных вычислительных сетях.

Оптоволоконные каналы связи

в 1880 году запатентовал фотофон - прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. В 1990 году Линн Моллинер продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5 Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала) В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9 км.

В 2000 году обшая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в раз.

Оптоволоконные линии передачи данных.

Это - как правило последовательные линии, но быстродействующие. На скорость передачи данных влияет качество волокна (его прозрачность), его толщина, мощность и тип передатчика (светодиод или лазерный диод), длина волны излучающего света, от которых в свою очередь зависит и длина канала связи.

При построении сетей используются многожильные кабели; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [a] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет вводится в оптоволокно с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем клэдинг, коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем (2А). Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс!) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Сечение оптоволоконного кабеля

Оптоволоконный канал связи всегда образуется двумя волокнами: одно - для приема, другое - для передачи. Кабель содержит от 2 до 144 волокон. Оптоволоконный абонентский канал обеспечивает полную помехозащищенность, невозможность доступа бесконтактным способом и широкую полосу пропускания. Главный сдерживающий момент внедрения централизованной кабельной системы для большинства потребителей - сложность монтажа и эксплуатации. Главный сдерживающий момент внедрения централизованной кабельной системы для большинства потребителей - сложность монтажа и эксплуатации.

Оптоволоконный кабель обеспечивает высокую скорость передачи данных на большом расстоянии. Они невосприимчивы к интерференции и подслушиванию. В оптоволоконном кабеле для передачи сигналов используется свет. Волокно, применяемое в качестве световода, позволяет передачу сигналов на большие расстояния с огромной скоростью, но оно дорого, и с ним трудно работать

Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем не только для связи на небольшие расстояния, но и на внутригородских и междугородных участках.

Такой кабель обладает намного большей пропускной способностью, чем коаксиальный. Он практически не подвержен внешним помехам и поэтому дает наименьший процент ошибок при передаче. Сообщения, передаваемые по такому кабелю практически невозможно перехватить, поэтому он обеспечивает высокий уровень безопасности передачи.

Микроволновая (радиорелейная) радиосвязь. Используется для передачи данных или голоса на большие расстояния. Каналы микроволновой связи состоят из сети радиорелейных (ретрансляционных) станций, отстоящих друг от друга на расстояние до 40 км. Каждая станция имеет вышку с гиперболическими антеннами, получает сигнал, усиливает его и передает на следующую станцию.

Спутниковая связь. Спутники связи работают как ретранслятор. В отличие от других каналов, стоимость передачи через спутник не зависит от расстояния, на которое передается сообщение.

Сотовая радиосвязь. Предназначена для обслуживания мобильных абонентов. Территория, обслуживаемая такой связью, делится на ячейки диаметром до 20 км. Каждую ячейку обслуживает специальная станция, соединенная с общим центром управления. При пересечении границы ячеек абонент автоматически переключается на новую станцию. Задача центра управления - координировать работу станций и управлять переключениями

Кабельные системы

Кабельная система — это система, элементами которой являются кабели и компоненты, которые связаны с кабелем. К кабельным компонентам относится все пассивное коммутационное оборудование, служащее для соединения или физического окончания кабеля — телекоммуникационные розетки на рабочих местах, кроссовые и коммутационные панели в телекоммуникационных помещениях, муфты и сплайсы (сплайс — конструкция для укладки и закрепления сращиваемых оптических волокон разных кабелей).

Структурированная кабельная система (СКС) — физическая основа инфраструктуры здания, позволяющая свести в единую систему множество сетевых информационных сервисов разного назначения: локальные вычислительные и телефонные сети, системы безопасности, видеонаблюдения и т. д.

Структура — это любой набор или комбинация связанных и зависимых составляющих частей. Термин «структурированная» означает, с одной стороны, способность системы поддерживать различные телекоммуникационные приложения (передачу речи, данных и видеоизображений), с другой — возможность применения различных компонентов и продукции различных производителей, и с третьей — способность к реализации так называемой мультимедийной среды, в которой используются несколько типов передающих сред — коаксиальный кабель, оптическое волокно и др. Структуру кабельной системы определяет инфраструктура информационных технологий, именно она диктует содержание конкретного проекта кабельной системы в соответствии с требованиями конечного пользователя, независимо от активного оборудования, которое может применяться впоследствии.

Радиолинии

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На Рисунке приведено упрощенное строение атмосферы Земли.

Строение атмосферы Земли

Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Типичный вид радиолинии показан на Рисунке. Линия может состоять из двух оконечных станций. Типичным примером таких радиолиний являются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и радиовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных приемо-передающих станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи.

Типичный вид радиорелейной линии

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в таблицах. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи.

Распределение электромагнитных волн по диапазонам

Диапазон	Длина волны в свободном пространстве, м	Частота, МГц	Область применения
Сверх длинные волны (СДВ)		3e-3 - 3e-2	Радионавигация, радиотелеграфная связь, метеослужба
Длинные волны (ДВ)		3e-2 - 3e-1	Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация
Средние волны (СВ)		3e-1 - 3	Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радионавигация
Короткие волны (КВ)	100-10	3 - 30	Радиотелеграфная и радиотелефонная связь, радиовещание, радиолюбительская связь
Ультракороткие волны (УКВ): метровые дециметровые сантиметровые миллиметровые	10-0.001 10-1 1-0.1 0.1-0.01 0.01-0.001	30 - 3e5 3 3e4 - 3e5	Радиовещание, телевидение, радиолокация, космическая радиосвязь, радиолюбительская связь Телевидение, радиолокация, радиорелейная связь, космическая радиосвязь Радиолокация, радиорелейная связь, космическая радиосвязь Радионавигация и т. д.
Волны оптического диапазона: инфракрасные видимые и световые ультрафиолетовые	1e-3 - 7,5e-7 7,5e-7 - 4e-7 4e-7 - 20e-10	3e5-4e8 4e8-7,5e8 7,5e8-15e10	Квантовая радиоэлектроника, пассивная и активная радиолокация

Классификация и способы распространения радиоволн

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов.

Основные из них:

· отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

· преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

· рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

· дифракция на сферической выпуклости Земли;

Также напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Спутниковые радиолинии

Для организации спутниковой радиолинии необходимы две земные станции и спутник, обращающийся на орбите вокруг Земли. Комплекс Земных станций, один или несколько спутников, обращающихся на околоземной орбите, и систему управления ими называют системой спутниковой связи (ССС). Принципиально возможны два пути организации связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ):

пассивного типа, имеющих большую отражающую поверхность для падающих радиоволн, активного типа, имеющих на борту приемопередатчики соответствующего диапазона волн, приемопередающие антенные устройства и устройства электропитания.

С системами первого типа эксперименты проводятся уже несколько десятков лет, но, несмотря на использование пассивных спутников различного типа, пока не удалось получить на Земле устойчивого отраженного сигнала, достаточного для создания надежной радиолинии. Системы второго типа обеспечивают устойчивый радиосигнал и ныне активно применяются для создания радиолиний дальней связи самого различного назначения, в том числе и для использования в компьютерных сетях. В сравнении с наземными линиями связи, организуемыми по кабельным линиям, спутниковая связь обладает такими преимуществами, как короткое время развертывания, возможность ее использования в труднодоступных районах, мобильность. При достаточном энергетическом потенциале радиолинии может быть организован канал с широкой полосой пропускания, а значит и с высокой скоростью передачи. К недостаткам спутниковых радиолиний следует отнести подверженность внешним помехам, возможность постановки прицельных преднамеренных помех, что важно для военных и других радиолиний, требующих высокой надежности, возможность перехвата информации, передаваемой по радиолинии, высокую стоимость эксплуатации. В ряде применений ограничительной является большая задержка сигнала, обусловленная большой длиной радиолинии земля - спутник - земля и обратно. Для ИСЗ с высокими орбитами она может достигать 0.3 с. при распространении сигнала в одном направлении, а с учетом обратного канала - до 0.6 с.