СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
Метровые и дециметровые волны используются в телевидении, радиовещании, для местной связи и навигации на аэродромах, для связи с подвижными объектами в городах. На сантиметровых волнах работают: радиорелейные линии, радиолокационные системы, системы связи с космическими объектами. Раздел 2. Средства телекоммуникаций 137 При построении компьютерных сетей используются высокочастотные радиоволны, начиная с дециметрового диапазона частот: сантиметровые и миллиметровые. 2.5.2. Наземная радиосвязь К техническим средствам наземной радиосвязи относятся: • радиостанции КВ- и УКВ-диапазонов; • терминальные сетевые контроллеры – радиомодемы. Радиомодем (РМ) предназначен для управления обмена данными по радиоканалу и включается между ЭВМ и радиостанцией (РС) (рис.2.50). РМ обычно предоставляет следующие возможности: • выбор скорости передачи; • установка адреса получателя; • регулировка чувствительности, предотвращающая прием фонового сигнала в отсутствие информативного. Для предотвращения приема фонового сигнала в отсутствие информативного в радиомодем встраивается регулятор чувствительности, который задает пороговое значение входного сигнала, при котором радиомодем включается на прием. Чувствительность – пороговое значение входного сигнала, при котором РМ включается на прием. Конструктивно РМ и РС обычно выполняются в виде одного устройства. Достоинства использования наземной радиосвязи: • сравнительно невысокая стоимость передачи данных, поскольку, несмотря на значительные начальные вложения по сравнению с телефонной связью, арендная плата за один радиоканал значительно ниже арендной платы за выделенный телефонный канал; • возможность работы на одном радиоканале нескольких абонентов; • возможность организации мобильной связи. Типичным примером беспроводной наземной радиосвязи может служить беспроводная телефония, получившая название сотовой связи, обеспечивающая передачу не только речи, но и других типов данных, включая мультимедийные, а также выход в Интернет и другие телекоммуникационные сети. В последнее десятилетие всё более широкое распространение получают беспроводные локальные вычислительные сети, реализуемые в рамках наземной радиосвязи. Отличительными особенностями таких сетей (по сравнению с «традиционной» наземной радиосвязью) являются: • используемые диапазоны частот 1 и более ГГц; ЭВМ РМ РС РС РМ ЭВМ ) ) ) ) ) ) ) ) 2.50 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 138 • сравнительно небольшой территориальный охват (до нескольких сотен метров); • специальные методы кодирования передаваемых данных. 2.5.3. Радиорелейные линии связи Радиорелейные линии связи (РРЛС) представляют собой цепочку приемно-передающих станций, антенны которых отстоят друг от друга на расстоянии прямой видимости. РРЛС использует принцип ретрансляции, когда каждая станция, входящая в РРЛС, принимает, усиливает и излучает сигнал в направлении соседней станции (рис.2.51). Полагая, что Земля – шар, расстояние r между двумя находящимися на прямой видимости антеннами в случае гладкой поверхности Земли (равнина без леса или водная поверхность) определяется из условия (см. рис.2.51): 2 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 1 2 2 ) ( ) ( h Rh h Rh R h R R h R r r r + + + = − + + − + = + = , где h 1 , h 2 – высота установки соответственно передающей и приемной антенн соседних станций; R – радиус земного шара. Учитывая, что 0 2 2 2 1 ≈ ≈ h h по сравнению с 1 2Rh и 2 2Rh , получим : ) ( 2 2 2 2 1 2 1 h h R Rh Rh r + = + ≈ Принимая , что 6400 ≈ R км = 6 400 000 м , получим : Таким образом , в случае абсолютно гладкой земной поверхности расстояние ( в километрах ), обеспечивающее прямую видимость между антеннами , может быть рассчитано по формуле : ) ( 6 , 3 2 1 h h r + ≈ [ км ], где h 1 , h 2 – высоты установки соответственно передающей и приемной антенн соседних станций ( в метрах ). При h 1 = h 2 = 100 м получим : 72 ≈ r км ]. [ ) ( 6 , 3 ] [ ) ( 1000 6 , 3 ] [ ) ( 000 000 13 2 1 2 1 2 1 км h h м h h м h h r + = + ⋅ = + ≈ 2.51 r 1 r 2 h 1 h 2 R Раздел 2. Средства телекоммуникаций 139 Для передачи сигналов по РРЛС применяются остронаправленные антенны с большим коэффициентом усиления 30-40 дБ (10 3 – 10 4 раз по мощности), что позволяет применять передатчики небольшой мощности (не более 10-20 Вт). Для работы РРЛС выделяются частоты в области от 1 до 30 ГГц. Достоинства этих диапазонов: 1) высокая пропускная способность; 2) высокая помехоустойчивость и надежность. Для увеличения пропускной способности РРЛС на каждой станции обычно устанавливается несколько комплектов приемно-передающей аппаратуры, подключаемых к одной общей антенне и использующих разные несущие (рабочие) частоты. Цепочка станций с одним комплектом однотипной высокочастотной приемно-передающей аппаратуры, установленной на каждой станции (без модуляторов и демодуляторов), образуют так называемый высокочастотный (ВЧ) ствол РРЛС или радиоствол Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРЛС) предназначены для передачи высокоскоростных потоков цифровых данных, которые характеризуются широким спектром частот и требуют широких полос пропускания приемно-передающей аппаратуры. ЦРРЛС работают на частотах более 10 ГГц и в миллиметровом диапазоне волн с частотой от 30 ГГц до 300 ГГц. ЦРРЛС используются в многоканальных цифровых сетях связи и характеризуются высокой скоростью передачи данных. 2.5.4. Спутниковые системы связи 2.5.4.1. Общие сведения В общем случае, под спутниковой связью понимают связь между земными станциями (ЗС) через космические станции (КС), представляющие собой пассивные искусственные спутники Земли (ИСЗ), реализующие функции ретранслятора. Организационно-техническая совокупность ЗС связи различного базирования, КС (спутники-ретрансляторы) и автоматизированной системы управления образуют спутниковую систему связи (ССС). Спутники могут обеспечивать прямые каналы между двумя точками в сетях связи, разделяя пропускную способность канала посредством частотного или временного уплотнения. Однако более эффективным является способ организации, при котором каждому пользователю для передачи данных предоставляется вся полоса пропускания. При этом на одной частоте 1 f формируется канал от земных станций к принимающей спутниковой станции, а на другой частоте 1 2 f f ≠ – широковещательный канал к земным станциям от спутника, который ретранслирует пакеты, используя также всю полосу пропускания. Эти пакеты принимаются всеми земными станциями, находящимися в радиусе действия антенны спутника. Анализируя адрес, содержащийся в заголовке пакета, земная станция Раздел 2. Средства телекоммуникаций 140 принимает те пакеты, которые предназначены непосредственно ей, и игнорирует остальные. На рис.2.52 показан принцип реализации спутниковой связи. Земная станция ЗС 1 передаёт пакет космической станции КС 1 на частоте 1 f , которая ретранслирует полученные данные на частоте 1 2 f f ≠ . Все станции (ЗС 1 , ЗС 2 , ЗС 3 ), находящиеся в зоне видимости КС 1 , включая станцию отправитель ЗС 1 , получают передаваемый пакет, то есть передача от КС 1 к земным станциям реализуется по схеме «точка-многоточка». Земная станция, адрес которой указан в передаваемом пакете как адрес назначения, заносит этот пакет в буфер. Остальные ЗС игнорируют этот пакет. Для передачи данных станции ЗС 4 , находящейся вне зоны видимости КС1, может использоваться ещё один спутник КС 2 , который на частоте 2 3 f f ≠ ретранслирует пакет, поступивший от КС 1 Описанный принцип работы имеет много общего с наземными радиосистемами. Самое большое различие между спутниковыми и наземными радиосистемами состоит во времени распространения передаваемых сигналов. При нахождении геостационарного спутника на высоте около 36 000 км общее время распространения сигнала (к спутнику и обратно) составляет от 240 мс до 270 мс в зависимости от того, находится ли спутник в зените или вблизи горизонта, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс. Благодаря высокой скорости передачи пакетов земная станция может успеть передать большое число пакетов, прежде чем первый из пакетов возвратится на Землю. Поэтому в спутниковых системах неприемлемы методы предотвращения столкновений пакетов с помощью контроля несущей, которые используются в наземных радиосистемах. В спутниковой системе не нужен механизм подтверждения правильности принятых данных с помощью квитанций, поскольку все земные станции принимают пакеты от КС (в том числе и станция-источник ЗС1 на рис.2.52). Если станция-источник принимает свой пакет в том же виде, в каком он был передан космической станции, то это с высокой степенью вероятности свидетельствует о том, что пакет правильно принят станцией назначения. В то же время, правильный прием пакета станцией- 1 f 1 2 f f ≠ ЗС 1 ЗС 2 ЗС 3 ЗС 4 КС 1 КС 2 2 3 f f ≠ 2.52 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 141 источником показывает, что столкновения пакетов в канале коллективного доступа не произошло. Конечно, ошибка может возникнуть в самой станции назначения. В этом случае она может запросить повторную передачу пакета. Спутники-ретрансляторы могут быть пассивными и активными (рис.2.53). Все современные спутники-ретрансляторы являются активными, которые в отличие от пассивных, представляющих собой простой отражатель радиосигнала, оборудованы аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала. Активные спутники могут быть нерегенеративными и регенеративными (рис.2.53). Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Регенеративный спутник производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода – сложность и, следовательно, более высокая стоимость, а также увеличенная задержка сигнала. Один и тот же спутник связи может использоваться несколькими системами связи, имеющими свои комплексы ЗС. Основные достоинства ССС: • высокая пропускная способность; • возможность перекрытия больших расстояний: • возможность обеспечения связью труднодоступных районов; • независимость стоимости и качества спутниковых каналов от их протяженности. 2.5.4.2. Классификация спутниковых систем по типу орбиты Орбита – траектория движения спутника связи. ССС могут быть классифицированы в зависимости от типа орбит (рис.2.54). Высокоорбитальные ССС используют высокие орбиты (диаметром десятки тысяч км), к которым относятся: • геостационарная орбита; • высокоэллиптическая орбита; • Низкоорбитальные ССС используют низкие круговые орбиты, имеющие сравнительно небольшой диаметр (от нескольких сотен до Спутники-ретрансляторы Пассивные Активные Нерегенерат ивные Регенеративные Нерегенеративные 2.53 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 142 нескольких тысяч км), наклоненные под некоторым углом относительно экватора. 2.5.4.3. Геостационарная орбита Геостационарная орбита или орбита геостационарного спутника – это круговая (эксцентриситет эллипса е = 0) экваториальная (наклонение – угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора – α = 0) синхронная орбита с периодом обращения 24 ч, с движением ИСЗ в восточном направлении (рис.2.55). Геостационарный спутник оказывается "зависшим", неподвижным относительно земной поверхности. Он располагается над экватором на высоте 35 875 км с неизменной долготой подспутниковой точки. N S КС КС N Т=240-270 мс КС КС 2.55 а) б) Классификация ССС по типу орбит Высокоорбитальные Низкоорбитальные Геостационарные Высокоэллиптические 2.54 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 143 Достоинствагеостационарных орбит: 1) связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов с одного ИСЗ на другой и без необходимости отслеживания антеннами положения спутника; 2) ослабление сигнала на трассе между ЗС и спутником является стабильным вследствие неизменности расстояния от ИСЗ до ЗС; 3) отсутствует или, по крайней мере, весьма мал сдвиг частоты сигнала со спутника связи, вызываемый его движением (эффект Доплера); 4) зона видимости геостационарного спутника – около трети земной поверхности, что обусловливает теоретическую достаточность трех ИСЗ для создания глобальной системы связи (см. рис.2.55,а). Благодаря указанным преимуществам геостационарную орбиту используют очень широко. Геостационарные спутники Земли стали использоваться для передачи информации на несколько лет раньше, чем возникли первые сети с коммутацией пакетов. Коммерческие спутники связи начали работать с 1965 г. Геостационарную орбиту используют спутниковые системы связи: ГОРИЗОНТ, ЭКРАН-М (Россия), INTELSAT; EUTELSAT и другие. Недостатки геостационарных орбит: 1) в высоких широтах (больше 75 градусов) геостационарный спутник практически не виден (см. рис.2.55,б); 2) углы места наведения антенны на спутник дополнительно уменьшаются с удалением по долготе точки приема от долготы ИСЗ. Все это приводит к необходимости использовать другие типы орбит для обеспечения спутниковой связью соответствующих районов Земного шара. 2.5.4.4. Высокоэлиптическая орбита Высокоэллиптическая орбита – эллипсообразная орбита (эксцентриситет эллипса не равен 0) с ненулевым наклонением (угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора отличен от 0) с периодом обращения 12 ч. Земля расположена в плоскости орбиты близко к одному из концов эллипса (рис.2.56). Апогей – наиболее удалённая точка орбиты; перигей – наименее удалённая точка орбиты. Высокоэллиптическая орбита используется с апреля 1965 года системами связи и вещания нашей страны при эксплуатации спутников связи типа "Молния". Обслуживание всей территории России возможно в N апогей перигей α≠0 N S а) б) 2.56 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 144 течение примерно 8 часов, поэтому трех-четырех ИСЗ, сменяющих друг друга, достаточно для организации круглосуточной радиосвязи. Основное достоинствовысокоэллиптической орбиты – организация связи для территорий, находящихся в высоких широтах. 2.5.4.5. Низкоорбитальные ССС Для обеспечения связью потребителей с небольшим трафиком используются две концепции построения низкоорбитальных ССС: 1) использование малых низкоорбитальных спутников связи; 2) технология малоапертурных спутниковых терминалов (VSAT- технология). Системы малых низкоорбитальных спутников связи представляют собой многоспутниковую (от десятка до нескольких сотен спутников) низкоорбитальную группу малых космических аппаратов, размещённых на круговых орбитах высотой от 600 до 2000 км и наклонением от 30 до 85 градусов. При этом для любой точки обслуживаемой области земной поверхности в зоне ее радиовидимости будет находиться хотя бы один космический аппарат. Достоинства системы малых низкоорбитальных спутников связи: 1) сравнительно небольшие расстояния от ЗС до спутников- ретрансляторов приводит к: • значительному энергетическому выигрышу по сравнению с системами связи через высокоорбитальные спутники связи; • возможности применения земных станций с малой мощностью передатчика; • упрощению конструкции ретранслятора; • снижению массогабаритных показателей космического аппарата; 2) стоимость системы связи примерно на порядок ниже, чем связь через геостационарные ИСЗ. Примеры систем малых низкоорбитальных спутников связи: IRIDIUM, GLOBALSTAR,TELEDESIC. Технология малоапертурных спутниковых терминалов (VSAT – Very Small Aperture Terminal) заключается в разработке и использовании земных станций с очень малыми размерами антенн (диаметром 0,9–2,4 м) и усилителем высокой частоты небольшой мощности (1–5 Вт), находящимися непосредственно у абонента. Это позволяет существенно уменьшить габариты и стоимость таких станций и делает их доступными мелким и средним фирмам и компаниям. С момента своего появления сети спутниковой связи наряду с проводными, радиорелейными, тропосферными и т.д. рассматривались в качестве так называемых |