Методические указания по выполнению практической работы на тему: «Расчет основных характеристик каналов связи»

Кафедра математики и информатики

Методические указания

по выполнению практической работы на тему:
«расчет основных характеристик каналов связи»

дисциплина: «Компьютерные сети»

специальности:

230106 «Техническое обслуживание средств
вычислительной техники и компьютерных сетей»

080802 « Прикладная информатика (по отраслям)

Мценск 2011

Данные методические указания являются руководством для выполнения практической работы по дисциплине «Компьютерные сети». Целью работы является приобретение практических навыков построения структурных схем информационных сетей и расчета характеристик каналов связи.

Предназначены для студентов технических специальностей:

230106 «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей»

080802 « Прикладная информатика (по отраслям)

.

Практическая работа №2

Тема: Изучение структурных схем построения информационных сетей и расчет основных характеристик каналов связи

Цель работы: Получить практические навыки построения структурных схем информационных сетей и расчета характеристик каналов связи.

Содержание

1.	Цель работы……………………………………………..	2
2.	Классификация информационных сетей и каналов связи	2
3.	Показатели эффективности каналов связи информационных сетей……………………………………….	3
4.	Производительность сети………………………………	6
5.	Основные параметры и характеристики физических каналов связи………………………………………….	8
6.	Расчетные соотношения параметров сигналов в физических каналах связи…………………………………	10
7.	Порядок выполнения работы………………………...	12
8.	Отчет должен содержать:…………………………….	12
9.	Таблица вариантов расчетного задания……………..	13
10.	Список литературы…………………………………...	23

2.  Классификация информационных сетей и каналов связи

Современные информационные сети, включающие как сети электросвязи, так и различные вычислительные центры и банки данных, обеспечивают не только быструю и эффективную доставку информации, но и при необходимости и ее накопление, хранение, обработку, а также предста­вление пользователям ряда дополнительных “информационных” услуг.

Информационная сеть является совокупностью:

1)  пользователей (абонентов) - источников и потребителей информации, определяющих требования по доставке и обработке информации, вы­бору вида связи и получению различных услуг;

2)  пунктов связи: а) оконечных пунктов (ОП), в том числе абонентских пунктов (АП), содержащих аппаратуру ввода-вывода, б) узлов связи (УС) с коммутационными и распределительными устройствами для рас­пределения пучков каналов, в) вычислительных центров (ВЦ) и банков данных (БД), осуществляющих обработку и хранение информации;

3)  каналов связи, объединенных в линии между отдельными пунктами сети для передачи информации в пространстве;

4)  систем управления различных уровней с набором соответствующих средств эксплуатации, восстановления и алгоритмов.

Структурная схема информационной сети определяется топологией связей и режимом обмена по линии связи. По топологии связей раз­личают четыре основных структуры интерфейсов каналов: радиальную, цепочечную, магистральную, смешанную, представляющую собой комби­нацию первых трех структур. Радиальный интерфейс соответствует топологии связи “звезда” (или одной из ее разновидностей “дерево”) цепочечный - топологии “кольцо”, магистральный – топологии “шина” (рисунок 1).

Следует отметить, что цепочечная и магистральная структуры интерфейсов предполагают временную или частотную коммутацию и не пригодны для пространственной коммутации, но они могут применяться в системах с малой пропускной способностью, где первостепенными требованиями будут экономия длины физического канала и легкость подключения абонентов к системе. Радиальная структура интерфейса предполагает наличие центрального коммутатора. При большом числе абонентов и необходимости экономии длины Физического канала приме­нение радиальной структуры более целесообразно, несмотря на то, что она содержит сложный элемент - центральный коммутатор (ЦК), в котором может использоваться либо электрическая коммутация, либо оптическая.

В каналах связи информационных сетей различают следующие ре­жимы обмена информацией: симплексный, дуплексный, полудуплексный и мультиплексный. В симплексном режиме возможна передача лишь от одного АП (например, в топологии “кольцо”).

Для случая связи двух АП в дуплексном режиме каждый АП может передавать информацию в любой момент времени (например, связь “точка-точка”). В полудуплексном режиме любой из АП может начать передачу, если линия связи при этом окажется свободной (например, в топологии “звезда”). При связи нескольких АП в мультиплексном режиме (“шина”) в каждый момент времени связь может быть осуществлена между одним АП - источником информации и одним или несколькими АП - приемниками по общему каналу передачи со связью “многоточка”. Каналы симплексно­го, дуплексного, полудуплексного режима передачи имеют структуру "точка-точка". При связи нескольких АП в мультиплексном режиме (“шина”) в каждый момент времени связь может быть осуществлена между одним АП - источником информации и одним или несколькими АП - приемниками по общему каналу передачи со структурой связи “многоточка”.

Обобщенные характеристики сетей с различными типами интерфейсов представлены в таблице 1.

Таблица I - Обобщенные характеристики сетей с различными типами интерфейсов

Топология системы обмена	Тип интерфейса	Структура линий связи, режимы обме­на	Расширяемость	Задержка в передаче сообщений
“Звезда” (“Дерево”)	Радиальный	“Точка-точка”, симплексный, дуплексный, полудуплекс­ный	Средняя (высокая)	Средняя (большая)
“Кольцо”	Цепочечный	“Точка-точка”, симплексный	Высокая	Большая
“Шина”	Магистральный	“Многоточка”, полудуплек­сный	Высокая	Малая

3. Показатели эффективности каналов связи информационных сетей

По принципу передачи информации интерфейсы делятся на последова­тельные и параллельные. На рис. 2а, б представлены структурные схемы последовательного и параллельного каналов связи. Основными парамет­рами, позволяющими оптимизировать каналы связи являются: длина ка­нала связи, скорость передачи информации, суммарная стоимость канала связи. Комплексным параметром, определяющим эффективность канала связи, является показатель удельной стоимости передачи информации, определяемый, общей формулой:

Где - суммарная стоимость канала связи,

L - длина канала связи,

V –скорость передачи информации.

В формуле (3.1) величина складывается из стоимости передатчи­ка, приемника (Cп, Спр), регенерационных устройств (Ср), осуществляющих промежуточное усиление сигналов информации в канале связи, физичес­кой среды линии связи (Сф), а также стоимости затрат, связанных с изготовлением (Си), монтажом (Cм), эксплуатацией (Сэ) канала связи

СS = Сп + Спр + Np ×Cp + Cф + Cи + См + Сэ, (3.2)

где Np - число регенерационных устройств.

Величина произведения L×V в знаменателе формулы (3.1) характеризует добротность (D) канала связи. Существует два пути снижения показателя Суд канала связи: уменьшение CS и повышение D.

Общая добротность последовательного канала связи Dпосл определяется суммарной добротностью его регенерационных участков

где ln - длина n-го регенерационного участка, определяемая типом используемой среды передачи (витая пара, коаксиаль­ный или волоконно-оптический кабель и т. д.).

Выражение для показателя удельной стоимости передачи информа­ции в таком канале с учетом (3. 3) имеет вид

На рисунке 3 представлена зависимость Суд. посл.=f(ln) для двух скоростей передачи информации V1 , V2 (V1<V2).

При больших объемах передаваемой информации применяется как временное, так и пространственное ее уплотнение. Для каналов большой протяженности (более 100м) целесообразно временное уплотне­ние информации, при этом, чем больше информации необходимо передать, тем выше должно быть быстродействие (скорость передачи) канала свя­зи. Применение устройств уплотнения и разуплотнения информации в таких каналах связи повышает их суммарную стоимость. Поэтому для каналов малой протяженности наиболее оптимальным является исполь­зование параллельной передачи информации - пространственное уплот­нение. Добротность параллельного канала связи определяется суммар­ной добротностью параллельных проводников канала связи.

где \/n - скорость передачи информации по n-му проводнику.

Если скорость передачи информации по всем проводникам парал­лельного канала связи одинакова (V1=V2=…=Vn), то добротность Dпар будет иметь вид

Dпар= Nп× L×Vп, (3.5¢)

где Nп - число параллельных проводников.

Показатель удельной стоимости передачи информации по параллель­ному каналу связи с учетом (3.5) будет определяться выражением

где С¢S - суммарная стоимость параллельного канала, определяемая из формулы (3.2) без учета стоимости регенерационных устройств (NрCр).

При стоимости Ср =0,01СΣ величина С¢Σ будет равна

Тогда с учетом (3.7) показатель удельной стоимости передачи информации по параллельному каналу будет иметь вид

На рисунке 4 представлена зависимость Суд. пар=f(Nп), из которой следует, что по мере роста числа параллельных проводников Суд. пар, уменьшается и тем больше, чем выше скорость передачи информации.

Таким образом, на начальном этапе проектирования каналов связи информационной сети проводится анализ показателей их удельной стоимости. Если в результате расчетов Суд. посл <Суд. пар, то оптималь­ным является тракт передачи на основе последовательного канала связи, если Суд. посл> Суд. пар , то оптимальным является параллельный канал связи.

Очевидно, что удельная стоимость сети в целом будет опре­деляться выражением

Суд. сети = ΣСуд. посл +ΣСуд. пар, (3.9)

где Суд. посл - суммарная удельная стоимость последовательных каналов сети,

Суд. пар - суммарная удельная стоимость параллельных каналов сети.

4. Производительность сети.

Одной из важнейших характеристик сети является степень использова­ния каналов и другого оборудования, которая зависит как от построения сети и ее исправной работы, так и от загрузки каналов передаваемыми сообщениями. В настоящее время существует несколько подходов к оценке полезного использования канала, под которым понимают время:

t1 - в течение которого предоставлен канал пользователю (занят або­нентом или сдан в аренду) независимо от того, загружен он или нет,

t2 - то же, но оплачиваемое пользователем,

t3- в течение которого канал “активен”, т. е. по нему передаются сообщения,

t4- в течение которого передается полезная информация для пользователя (исключается адресная и служебная информация). При этом t4<t3<t2 ≤t1<tи, где tи - время исправного состояния канала. Под коэффициентом использования канала чаще всего понимают отношение

где Т - полное время эксплуатации канала.

Другой важной характеристикой сети является способность ее достав­лять сообщения или мощность сети по пропускной способности

где i - коэффициент использования i - го канала,

Vi - номинальная пропускная способность i - го канала,

li - длина i - го канала.

Обобщенная характеристика - производительность сети рассчитывается по формуле

где Qi - объем переданных за время Т сообщений (в битах или часо - занятиях)по i - му каналу,

li - длина кратчайшего пути между узлами обмена информации в i - ом канале.

Отношение П /Dp показывает, насколько хорошо используется мощность сети - её каналы.

Например. В сети типа “кольцо” с числом АП равным 200, макси­мальным расстоянием между узлами связи 200м и непрерывной передачей информации со скоростью, 20Мбит/с в течение 1 часа производительность будет равна

5. Основные параметры и характеристики физических каналов связи

Характеристики каналов физического уровня представляют совокуп­ность параметров непосредственно физической среды передачи данных и преобразователей, обеспечивающих работу среды передачи информации.

К ним относятся:

1)  число подключаемых к каналу приемопередатчиков,

2)  тип носителя среды передачи данных (кабель, световод),

3)  максимальная скорость передачи сигналов в канале,

4)  допустимая вероятность ошибки при приеме сигнала,

5)  полоса частот, пропускаемая каналом,

6)  соотношение сигнал - шум при приеме сигнала,

7)  длина канала связи или максимальная длина составляющих частей передающей среды (сегментов, шлейфовых и радиальных ответвителей и т. д.), соединяющих АП,

8)  задержка распространения сигнала в физической среде канала,

9)  задержка передачи сигнала в канале,

10)  число ретрансляторов в канале,

11)  добротность канала связи,

12)  параметры сигналов на входе, выходе канала,

13)  производительность канала связи сети,

14)  габаритные размеры и конструктивно-технологические характеристики составных частей передающей среды (приемопередатчиков, стыковоч­ных элементов).

В качестве физической среды распространения сигналов в каналах связи используется: витая пара проводников, кабель коаксиальный (узкополосный, широкополосный), волоконно-оптический (световодный) кабель, открытый радиоволновый ВЧ и СВЧ - канал.

В таблице 2 представлены качественные характеристики сред физи­ческих каналов.

Таблица 2 - Качественные характеристики сред физических каналов

Типы каналов	Параметры каналов
Ширина полосы частот, МГц	Длина линии, км	Число подключенных абонентов, шт	Помехозащищенность	Стоимость
Витая пара проводов	3..5	0,1	50	Средняя	Низкая
Коаксиальный кабель:
узкополосный	10..20	0,3	100	Высокая	Средняя
широкополосный	200…300	1,0	1000	Высокая	Средняя и высокая
Волоконно-оптический кабель	300	2..10	30	Очень высокая	Высокая

Тип используемой среды очень важен, поскольку он определяет мак­симальную скорость передачи информации. Так, например, двухпровод­ная открытая линия является простейшим типом среды передачи для соединения двух элементов аппаратуры, имеет скорость передачи мень­ше 19,2 Кбит/с при длине канала L≤50м, а емкостная связь между двумя проводами обуславливает ее низкую помехозащищенность, как от внешних помех, так и внутренних, вызванных взаимными наводка­ми (рисунке 5).

Витая пара проводников, в отличие от двухпроводной линии, зна­чительно лучше защищена от ложных сигналов (помех), поскольку всякое внешнее воздействие влияет на оба провода и поэтому иска­жения (или изменения разности сигналов) снижается (рисунок 6).

Витая пара проводников, используемая совместно со схемами приема и передачи, применяется для скоростей до 1Мбит/с при длине канала L<100 м, а с защитным экраном может иметь скорость 3....5Мбит/с.

Основной фактор, сдерживающий увеличение скорости передачи информации по витой паре проводов, это “скин-эффект”, когда при увели­чении скорости битов (частоты передачи) ток перераспределяется так, что большая его часть протекает по наружной поверхности, что приводит к повышению электрического сопротивления проводов и за­туханию полезного сигнала.

Коаксиальный кабель, где один проводник - центральная жила, про­ходит концентрически соосно внутри сплошного (или плетеного вне­шнего кругового проводника) предназначен для скоростей более 1Мбит/с. Пространство между проводниками заполняется диэлектриком - изоли­рующим материалом. Благодаря такой структуре внутренний проводник эффективно защищен от внешних помех (рисунок 7). Скорость передачи в коаксиальном кабеле 10...20 Мбит/с при длине канала L до 1км.

Волоконно-оптический кабель отличается от среды передачи описан­ных выше типов, тем, что в нем носителем информации является пуль­сирующий световой луч, распространяемый по стекловолокну. Световые лучи имеют значительно большую полосу частот, чем электрические волны, и скорость передачи информации может достигать сотен Мбит/с, а теоретический предел скорости передачи световодных каналов - десятки триллионов бит/с. Волоконно-оптический кабель (рисунок 8) состоит из отдельного стекловолокна, содержащего жилу световода и оболочку с разными показателями преломления n1 и n2. Кроме того, этот кабель имеет еще защитную внешнюю оболочку, которая экраниру­ет световод от внешних (фоновых) засветок.

Основная характеристика световода – апертура (А), которая определяется согласно выражению

где Qmax_-максимально допустимый угол ввода излучения в свето­вод,

n0, n1, n2 - показатели преломления внешней среды - воздуха, жилы, оболочки световода.

Апертура световода является основным параметром, характеризующим эффективность вводимой оптической мощности сигнала. Простейшим волоконно-оптическим кабелем является кабель, имеющий одну световодную жилу, однако он может быть и многожильным или с пучком волокон (жгутом).

Открытые радиоволневые каналы в качестве физической среды пере­дачи используют электромагнитные волны в диапазоне 330....1010 Гц. Длина такого канала определяется мощностью передающего устройства, чувствительностью приемника, уровнем воздействия электромагнитных помех и может достигать десятков и сотен км.

6. Расчетные соотношения параметров сигналов в физических каналах связи

Максимальная скорость передачи информации

В реальных условиях сигнал в канале связи состоит из компонент различной частоты, а в приемник поступают только те компоненты, частоты которых находятся внутри полосы пропускания. С ростом час­тоты амплитуда каждой компоненты частот уменьшается. Поэтому чем шире полоса пропускания среды передачи, тем больше высокочастотных компонент проходит в канале связи, тем надежнее сигнал, полученный в приемном устройстве, воспроизводит исходный сигнал. Так, если сис­тема или канал связи обладает полосой пропускания, равной В Герц, то согласно формуле Найквиста максимальная скорость передачи ин­формации равна 2В, в предположении, что каждый сигнальный элемент имеет два уровня. При М-уровнях максимальная скорость определяется общей формулой

Например. Для сигнала с 8- ю уровнями модуляции на каждый элемент, и при полосе частот, равной 3100 Гц, макси­мальная скорость передачи равна

Шумы в канале связи

В отсутствии передачи сигналов по линии связи в ней наблюдаются случайные всплески. Эти всплески называют уровнем шумов в линии, которые при большом затухании становятся соизмеримы с принимае­мым полезным сигналом. В зависимости от физической природы воз­никновения в каналах связи различают три основных типа шумов:

1)  наведенные (фоновые) шумы в открытых каналах и каналах из ви­той пары проводников. Примером фоновых шумов является слышимость другого (фонового) разговора в телефонной связи,

2)  импульсные шумы связаны с влиянием на канал связи электрических явлений в атмосфере или внешних силовых установок, аппаратуры в виде щелчков длительностью полсекунды. При скорости передачи ин­формации, равной 2400 бит/с, такие помехи могут привести к иска­жению 1200 бит,

3)  тепловые шумы имеются во всех средах передачи. Они вызваны тепловым возбуждением электронов атомов среды передачи. Тепловые шумы образованы из компонент со случайными частотами и непрерывно меняющимися амплитудами, поэтому называются белым шумом.

Для оценки качества принимаемого сигнала информации по каналу связи весьма важным параметром является отношение сигнал-шум, который обычно измеряется в дБ согласно формуле

где S - мощность полезного сигнала,

N - мощность уровня шумов.

Чем больше отношение сигнал-шум, тем сигнал лучшего качества и наоборот. Теоретически максимальная скорость связана с отноше­нием сигнал-шум формулой Шеннона-Хартли

где B - ширина полосы пропускания (Гц),

S - мощность сигнала (Вт),

N - мощность случайных шумов (Вт).

Например. Сигнал имеет полосу частот шириной 3000 Гц, отно­шение сигнал - шум равно 20 дБ, требуется найти максимальную скорость передачи информации.

Согласно формуле (6.2) запишем: получим Далее, подставляя в формулу (6.3), найдем:

Задержка распространения и задержка передачи сигналов

Для каждого вида среды передачи характерна конечная задержка времени, требуемая сигналу для распространения от одного конца передающей среды до другого. В свободном пространстве электри­ческие сигналы имеют скорость света 3×108 м/с.

В физической среде, т. е. в витой паре проводников или коаксиаль­ном кабеле, скорость распространения составляет 2×108 м/с, т. е. сигналу требуется 0,5×10-8 с, чтобы пройти 1м среды.

В каналах связи данные передаются в виде блоков или кадров и при поступлении блока отправителю возвращается извещение о правильном или неправильном получении блока. Время, протекающее между отправлением первого бита блока и получением последнего бита соответствующего извещения, определяется как задержка об­ращения. Очевидно, что эта задержка зависит не только от времени передачи кадра со скоростью битов, но и задержки распространения.

Относительное влияние этих двух факторов будет различным для различных физических каналов, вследствие чего эти факторы связаны соотношением

где Тр - задержка распространения ( l - рас­стояние (м), Vр - скорость распространения (м/с)),

Tп - задержка передачи ( N – число бит в блоке, Vп -.скорость передачи (бит/ с)).

Пример. Блок из 1000 бит должен быть передан между двумя уст­ройствами аппаратуры. Определить Тр, Tп, а для следу­ющих типов каналов связи:

а) витая пара проводников с l=100 м, Vп =10 Кбит/с,

б) коаксиальный кабель с l=10 км, Vп =1 Мбит/с,

в) открытый канал с l=60000 км, Vп =10 Мбит/с (спутниковая связь).

С учетом формулы (6.4) получим:

а) Тр = 5×10-7 с, Tп = 0,1с, а =5×10-6;

б) Тр = 5×10-5 с, Tп =1×10-3 с, а =5×10-2;

в) Тр = 2×10-1 с, Tп = 1×10-4 с, а =2×103;

7. Порядок выполнения работы

В соответствии с таблицей вариантов (п.9) каждый студент инди­видуально по указанию преподавателя выполняет свой вариант зада­ния в следующей последовательности.

1.  Нарисовать структурную схему своего варианта сети, описать особенности ее функционирования,

2.  Дать краткое описание физической среды передачи, конструктивные особенности, ограничения на скорость передачи и протяженность канала связи,

3.  Найти максимальную скорость передачи информации по каналу связи при заданной ширине полосы частот и отношении сигнал-шум,

4.  Определить добротность канала связи сети при максимальной скорости передачи информации,

5.  Найти время задержки распространения и передачи сигналов в канале связи своего варианта сети. Оценить их вклад в общую задержку сигналов при поблочной передаче информа­ции,

6.  Определить производительность сети в течение 6 часов непрерывной работы в сутки,

7.  Построить для своего варианта зависимость удельной стоимости сети от топологии каналов связи, условно приняв стоимость всей сети за единицу ее относительного значения.

8. Отчет должен содержать:

а) титульный лист с названием работы и номером варианта, шифр группы, Ф. И.О. студента, выполнившего работу;

б) результаты расчетов по пунктам индивидуального задания;

в) графический материал на отдельных листах, поясняющий ответы на вопросы задания.

9. Таблица вариантов расчетного задания

Таблица 3

Варианты №№ п/п	Параметры и характеристики сети
Топология сети	Среда передачи	Ширина полосы частот, МГц	Отношение сигнал-шум, дБ	Число бит в блоке, шт	Количество абонентов, шт	Максимальная протяженность канала между АП, м
1	К	КК	18	10	1000	800	200
2	К	ВП	0,25	20	300	25	15
3	Ш	КК	20	10	500	1000	100
4	Ш	КК	50	10	2000	160	400
5	Ш	КК	20	10	4000	200	1000
6	З	КК	120	20	800	100	250
7	К	ВОК	64	18	4000	10	2000
8	К	ВП	2	20	300	25	20
9	К	ВОК	100	8	1500	25	2000
10	К	ВП	1	20	1000	50	30
11	Ш	ВОК	128	16	1000	12	1500
12	З	КК	25	40	800	256	1000
13	З	КК	16	30	1200	16	700
14	К	ВОК	240	10	1500	24	3000
15	Ш	ВП	36	20	1800	10	30
16	Ш	ВП	2	20	1200	32	100
17	К	ВП	2	20	240	48	50
18	З	КК	300	10	800	150	300
19	З	КК	40	20	1400	640	900
20	К	КК	3	18	200	40	400
21	К	ВП	4	10	1400	12	50
22	Ш	ВОК	64	32	120	30	2000
23	К	ВОК	32	20	3000	16	1500
24	З	КК	48	18	1000	60	300
25	Ш	ВП	40	16	1500	20	100

Условные обозначения:  К - “кольцо”,

Ш - “шина”,

З - “звезда”,

ВП - витая пара,

КК - коаксиальный кабель,

ВОК - волоконно-оптический кабель

10.Список литературы

1.  и др. Теория сетей связи.- М.: Радио и связь, 1981.

2.  , , . Оценка эффективности оптоэлектронных каналов в системах связи. // Электронная про­мышленность, вып. 9/127/, 1984.

3.  , , . Организация последовательных мультиплексных каналов систем автоматического управления. Ленинград; Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989.

4.  Фред Халсалл. Передача данных сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем. М.: Радио и связь,1995.