УДК 621.397.13.681.3.02
Институт проблем регистрации информации НАН Украины,
ул. Шпака, 2, 252113 Киев, Украина
Использование широковещательных телевизионных сетей и широкополосных радиоканалов для систем передачи данных
В статье рассматриваются варианты использования широковещательных телевизионных сетей и широкополосных радиоканалов для построения систем передачи данных и, в частности, систем массового распространения компьютерной информации.
Ключевые слова: передача данных, пропускная способность, полоса пропускания, телекоммуникации, широковещательные телевизионные сети.
Введение
В последние годы, в связи с развитием информационных технологий, систем, сетей, изменением общей структуры мирового информационного потока, наметилась тенденция гигантского возрастания объемов генерируемой информации в электронном виде. Например, если 5 лет назад база данных в 100 Гбайт считалась достаточно большой, то в данное время эта граница возросла до 1 Тбайт. Это привело к созданию сверхбольших баз данных, которые получили название информационных хранилищ. Для того, чтобы такие массивы информации не стали мертвым грузом, потребовалось создать средства передачи данных конечным пользователям с большой пропускной способностью: 107 – 109 бит/с и больше.
Быстрыми темпами происходит развитие технологий в микроэлектронике. Благодаря этому производители персональных компьютеров достигли такого уровня, что мощные мультимедиа-станции производятся в настольном варианте и стали доступными персональным пользователям. Разработка приложений на этих станциях (а это графика, анимации, мультимедиа) сопровождается обработкой больших объемов информации. Например, полноэкранное цветное графическое изображение высокого разрешения может занимать объем памяти от сотен килобайт до нескольких мегабайт, трехмерные изображения требуют еще большего объема памяти. Если же речь идет об анимации и мультимедийных приложениях, то это уже сотни и даже тысячи мегабайт. И здесь возникает проблема
взаимного обмена данными для максимального использования возможностей таких станций.
Все это порождает новые требования к транспортным средствам передачи данных как между сетями, так и для доставки информации конечным пользователям в отдельных сетях. К этому следует добавить, что имеется и всегда будет существовать огромная армия пользователей, не подключенных к каким-либо сетям. Однако проблема информационного обмена для них в такой же мере актуальна, как и для других групп пользователей. Оценивая требования к транспортным средствам передачи данных, следует отметить, что наиболее жесткие из них предъявляются к пропускной способности и надежности передачи данных.
Очевидно, проблема может быть решена при условии активного использования высокоскоростных систем передачи данных на основе широкополосных сетей и каналов. В настоящем материале речь будет идти о широкополосных радиоканалах. Для дальнейшего изложения имеет смысл сделать краткое техническое отступление, которое проясняет некоторые особенности различных диапазонов частот и связанных с ними принципов построения радиосетей, а также взаимосвязь полосы пропускания радиоканала и скорости передачи информации.
Весь радиоспектр разделен на участки (частотные диапазоны), отведенные самым различным применениям. Радиосвязь является одним из этих применений. Каждый из этих участков нарезан на каналы одинаковой ширины, при этом скорость передачи данных в конкретном канале будет зависеть только от его ширины, а не от диапазона, в котором он находится. Это значит, что в более высокочастотном диапазоне частот уложится больше каналов равной ширины. Таким образом, чем выше частоты, тем больше общая емкость диапазона в смысле возможности одновременных передач. Частотная ширина радиоканала называется его полосой пропускания или шириной полосы пропускания. Пример для сравнения: широкополосность сетей кабельного телевидения составляет 50 – 870 МГц для нисходящего потока и 5 – 40 МГц для восходящего, а для сетей сотовой телефонии — 25 кГц.
Максимально возможная информационная скорость V в канале связана с полосой пропускания F канала связи формулой Хартли-Шеннона:
V = F*log2(1+Pc/Pш), бит/с,
здесь Pc/Pш — отношение сигнал/шум.
Из формулы видно, что скорость передачи информации в канале ограничивается двумя величинами: шириной полосы пропускания канала и мощностью шума.
К этому следует добавить, что максимальная скорость передачи зависит и от эффективности кодирования исходных данных. Поэтому на практике обычно говорят о реальной, а не потенциальной скорости передачи при определенном виде модуляции. Установлено, что наибольшая эффективность передачи достигается при фазовой дискретной модуляции, но даже при этом скорость передачи в три раза меньше потенциально достижимой [1]. С этим связано, например, ограничение максимальной скорости передачи данных по телевизионным каналам на уровне 6,94 Мбит/с. Во всех существующих системах телетекста и системах передачи данных по способу VBI установлены стандартные значения скоростей от 5,73 до 6,94 Мбит/с [2].
Пути решения проблемы доставки информации конечному пользователю
Вообще проблема информационного обеспечения сегодня решается двумя способами. К первому относится такой, когда пользователю предоставляется возможность производить поиск информации в существующих сетях и информационных базах самостоятельно. Для этого он использует информационно-поисковые системы, каталоги, браузеры и другие возможные средства. Второй способ состоит в так называемом информационном обслуживании, когда информация с информационного центра передается в широковещательные сети и в автоматическом режиме записывается в компьютер пользователя. Сегодня этот способ базируется, как на использовании существующей инфраструктуры телекоммуникаций (push-технологии), так и на создании новейших систем массового распространения компьютерной информации. Рush-технологии фактически являются одной из сетевых услуг, широко распространены в глобальной компьютерной сети Интернет. Что касается систем массового распространения компьютерной информации то они строятся на существующих сетях широкополосных радио - и телевизионных каналов. Наметилась тенденция интеграции этих систем (на основе стандартных протоколов) в инфраструктуру глобальных компьютерных сетей [3-5].
Особенно активно изучают возможности использования телевизионных сетей для высокоскоростной передачи данных на домашние персональные компьютеры большие широковещательные корпорации, а также фирмы-производители компьютеров, бытовой электроники и программного обеспечения. Эти компании применяют современные спутники, кабельные и традиционные широковещательные телевизионные системы для создания коммуникационных каналов завтрашнего дня. Сегодня можно назвать несколько систем массового распространения информации в электронном виде, которые имеют глобальный масштаб. Известнейшие из них — системы передачи данных по технологии VBI, Direc PC. В Украине — это автоматизированная система массового распространения компьютерной информации и действующая на ее основе электронная компьютерная газета «ВСЕ–ВСЕМ» [6,7].
Широкое применение в системах передачи данных находят радиосредства. Правда, применения в организации классических структур систем массового распространения компьютерной информации (типа: Информационный центр — массовые пользователи) без обратной связи радиосредства не нашли, тем не менее в различное время такие попытки были. В настоящее время они, в основном, ориентированы на использование в цифровых телекоммуникациях, например, в городских сетях, где проблема «последней мили» является особенно острой. Учитывая то, что уровень потребностей в телекоммуникациях непрерывно возрастает, радиосредства для сетей передачи данных в масштабах города будут внедряться все больше и больше. Следует сразу отметить, что передача цифровых данных в городских условиях, с использованием каналов сотовой и транкинговой связи, имеет высокую стоимость и, к тому же, не обеспечивает достаточных скоростей. В связи с этим такие средства не находят широкого применения. В целом же все радиосредства, применяемые в городских радиосетях для передачи данных, по способу формирования радиосигнала разделяются на два класса: narrow band — узкополосные и spread spectrum — с «размытым» спектром [8]. Узкополосные радиосредства, относящиеся к первому классу в данном материале не рассматриваются. Что касается вторых, то здесь чаще используются так называемые системы ШПС — широкополосные или, что одно и то же, шумоподобные системы. Наиболее освоенным является диапазон 2,4 ГГц. Но дальнейшее развитие ШПС-технологий идет по пути продвижения в сторону более высоких и менее загруженных участков спектра. Прежде всего это диапазон занимающий полосу в 150 МГц от 5,725 до 5,875 ГГц.
Выделен еще один участок в диапазоне 5 ГГц для этих систем: (5,15 – 5,35 ГГц) и производители уже приступают к созданию компонентов беспроводных СВЧ-сетей с пропускной способностью порядка 20 Мбит/с. В дальнейшем диапазон 5 ГГц позволит на небольших расстояниях добиться скорости передачи, сопоставимой со 155 Мбит/с ATM [9].
В ШПС-системах используются, в основном, два метода получения широкополосной несущей: кодовая фазовая модуляция, или метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS), и кодовая перестройка частоты, или метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод прямой последовательности основывается на кодировании перед модуляцией каждого бита полезных данных псевдошумовой последовательностью (11-символьная последовательность Баркера). В результате этого возрастает избыточность данных, спектр сигнала «размывается», а сам радиосигнал принимает вид шума. Именно поэтому эти системы получили название ШПС-системы (шумоподобный сигнал).
ШПС-системы работают на сигнале с широкой относительной полосой, которая определяется длиной псевдошумовой последовательности. Благодаря этому в диапазоне 2,4 ГГц можно передавать данные со скоростью от 2 до 10 Мбит/с. Кроме того, кодирование дает возможность использовать один и тот же диапазон многим однотипным радиосредствам, не мешая один одному, то есть эффективнее используется радиочастотный спектр. Эти радиосредства не боятся узкополосных помех. Их работоспособность сохраняется при соотношении сигнал/шум 10 – 15 дБ. При этом они обеспечивают качество передачи данных 10-8 BER (Bit Error Rate) и выше. Но им присущий и недостаток — они достаточно чувствительны к мощным широкополосным помехам. В этом отношении, более защищенным от широкополосных помех является способ формирования ШПС-сигнала, основанный на псевдослучайном изменении несущей частоты — Frequency Hopping (прыгающая частота).
Системы массового распространения компьютерной информации – альтернативный способ глобальной передачи данных
Говоря о системах массового распространения информации в электронном виде, следует отметить, что характерным для этих систем является то, что в них используются широковещательные телевизионные сети и каналы всех видов: спутниковые, наземные эфирные, кабельные. Это вытекает из того, что ТВ-сети имеют относительно широкую полосу яркостного канала, используемого для транспорта данных. Сегодня известно много компаний, создающих такие системы.
Например, компания Motorola создает сеть низкоорбитальных и геостационарных спутников для предоставления широковещательным компаниям высокоскоростных каналов передачи данных и видео. Всего в этой сети будет использоваться 63 низкоорбитальных спутника и один или несколько геостационарных. Диапазон скоростей — от 64 Кбит/с до 155 Мбит/с. Начало эксплуатации — 2002 год [10].
Недавно начала работать служба доставки Интернет — содержимого в интервале гашения обратного хода луча кадровой развертки телевизора (vertical blanking interval, VBI) американской компании WavePhore. Она представляет собой однонаправленную службу доставки информации из Internet домашним пользователям. По соглашению между WavePhore и вещательной компанией Public Broadcasting System (PBS) служба осуществляет вещание по ее телевизионным каналам содержимое крупнейших Web-узлов. 264 станции PBS охватывают более 99 % американских домов [11].
Способ передачи данных на участке VBI по системам телевещания (известный ранее как телетекст) разработан в начале 1980-х с целью использования строк участка VBI для передачи вместе с телевизионным сигналом цифровых данных различных дополнительных служб. С разработкой в последнее время дешевой аппаратуры VBI и взрывным ростом систем электронной обработки информации и наступила эра технологий передачи данных по системам телевещания. Так как данные кодируются как видеосигнал, они становятся единой частью телевизионного сигнала. Эти данные передаются в любую точку, куда доходит телевизионный сигнал, и свободно проходят по любым средствам передачи сигнала (VHF, UHF, кабели, спутники, радиоканалы, сети коммерческого телевидения, оптоволоконные кабели, и т. п.). В настоящее время способ передачи данных на участке VBI быстро развивается как альтернативный способ глобальной передачи данных [12-13].
В Украине работы по использованию телевизионных каналов для создания Автоматизированной системы массового распространения компьютерной информации (АСМРКИ) впервые были начаты в 1988 году Институтом проблем регистрации информации Национальной академии наук Украины. Эта работа на то время была пионерской в том смысле, что система предназначалась для передачи данных непосредственно в компьютер конечного пользователя (тогда еще ПЭВМ ХТ/AT отечественного и зарубежного производства). В этом состоит отличие от существовавшей системы Телетекст, где данные передавались в составе телевизионного сигнала и выводились на экран телевизионного приемника пользователя в виде знако-графической информации.
В АСМРКИ для передачи данных используются все строки телевизионного кадра в том числе и относящиеся к межкадровому промежутку. Структурно система состоит из передающего и принимающего программно-аппаратных комплексов, передача данных между которыми осуществляется средствами широковещательнй телевизионной сети (рис.1.).
Особенностью формата передачи данных по телевизионному каналу является обязательное наличие строчных синхронизирующих импульсов (ССИ) периодом 64 мксек. Поток передаваемых данных разделяется на кадры длительностью 6208 мксек. Формат кадра представлен на рис.2. Здесь К означает синхросимвол командного слова, Д — синхросимвол слова данных, Ч — бит четности. Один кадр занимает 97 телевизионных строк. В первой строке кадра находится командное слово. В следующих 96 строках помещаются по два 40-разрядных слова данных. Для канального кодирования используется манчестерский код, в соответствии с которым логический ноль кодируется двумя битами канального кода вида 10, а логическая единица — двумя битами канального кода вида 01.
| Д | ОН | ОН | ОН | ОН | 1 | К | 10101 | ||||
ССИ | Д | 14,0 | 14,1 | 14,2 | 14,3 | Ч | Д | 14,4 | 14,5 | 14,6 | 14,7 | Ч |
ССИ | Д | 14,8 | 14,9 | 14,10 | 14,11 | Ч | Д | 14,12 | 14,13 | 14,14 | 14,15 | Ч |
ССИ | Д | 14,16 | 14,17 | 14,18 | 14,19 | Ч | Д | 14,20 | 14,21 | 14,22 | 14,23 | Ч |
ССИ | Д | 14,24 | 14,25 | 14,26 | 14,27 | Ч | Д | 14,28 | 14,29 | 14,30 | 14,31 | Ч |
| .. . | |||||||||||
ССИ | Д | 4,40 | 4,41 | 4,42 | 4,43 | Ч | Д | 4,44 | 4,45 | 4,46 | 4,47 | Ч |
ССИ | Д | 3,0 | 3,1 | 3,2 | 3,3 | Ч | Д | 3,4 | 3,5 | 3,6 | 3,7 | Ч |
.. . | ||||||||||||
ССИ | Д | 0,40 | 0,41 | 0,42 | 0,43 | Ч | Д | 0,44 | 0,45 | 0,46 | 0,47 | Ч |
Рис.2. Формат кадра данных АСМРКИ
Скорость передачи — 1 Мбит/с. Информация в системе передается одновременно всем пользователям, а средства адресации и селекции позволяют отбирать из всего потока только заказанные разделы. Для защиты данных от ошибок, вызванных атмосферными и индустриальными помехами в аппаратуре передачи-приема применяется мощная система помехоустойчивого кодирования с использованием кодов Рида-Соломона. Корректирующая способность — 10-9. Позже на основе этой системы была создана первая в мире электронная компьютерная газета «ВСЕ–ВСЕМ». Данная газета представляет собой политематическое информационное издание. Основные информационные разделы — научно-техническая, нормативно-правовая, общественно-политическая информация. Выходит в эфир пять раз в неделю. Всего с момента создания газеты осуществлено почти 2000 выпусков. Суммарный объем информации, переданный в этих выпусках на всю территорию Украины составляет около 18 Гбайт. Являясь наиболее дешевым способом доставки информации конечному пользователю, электронная компьютерная газета дает возможность решать проблемы информационного обеспечения научных, образовательных учреждений, строить на ее основе информационные системы для государственных, ведомственных структур.
Заключение
Использование возможностей радио - и телевизионных сетей и каналов для передачи данных находится еще только в начале своего пути. Неограниченность географического охвата телевизионных сетей и переход их на стандарты цифрового телевидения в дальнейшем будет приводить к созданию все новых широковещательных служб передачи данных. Стремительное развитие сети Интернет стимулирует создание новых технологий доступа к информационным ресурсам. И использование для этих целей телевизионных каналов является весьма перспективным. Примером этого может быть использование кабельных модемов и технологии ассиметричного доступа к ресурсам Интернет — Direc PC, в последнее время получившую название спутниковый турбо-Интернет.
1. Модемные протоколы физического уровня // Мир ПК. — 1995. — №7-8.
2. Системы телетекста. Рекомендация 653. МККР. — 1986.
3. Операторы кабельного ТВ выходят на рынок услуг передачи данных // Computer World. — 1996. — №17.
4. Lawton George. Модемы для «последней мили» Информационной супермагистрали // ComputerWeekly. — 1998. — №32 — С.1,16,45.
5. Беспроводной доступ в Internet: слышны шаги Командора // ComputerWeekly —1998. — № 44. — С.10.
6. , Автоматизированные системы массового распространения компьютерной информации. — К.: Наук. думка, 1993. — 132 с.
7. Petrov V. V., Monastyretsky N. G. Information systems for a wide international cooperation between cities and countries // Dororecht — The Netherlands, Kluwer Academic Publishers. — 1997. — C. 115-123.
8. Радиосети масштаба города. — http://add. optima. ru.
9. Беспроводные сети передачи данных: Аналитическая записка. — http://www. ii. ru/~wes/wer/wer. html.:
10. Спутниковая сеть компании Motorola // Infoart News Agency. — http://infoart. .
11. Internet по телевизору от WavePhore // — Infoart computer news 15/12/1997.http//infoart. almaty/it/news/97/12/15_14.html
12. Марджори Костелло. Широковещательные системы передачи данных домашним ПК // ЕМ Magazine. — 1995, Nov. — С.64.
13. , Передача данных по каналам телевещания // Сети и системы связи Online. — 1998, 03.— С. 98-102.
Поступило в редакцию 10.08.99
