extracted_text:
тема 4 вопрос 8
волоконнооптические линии связи
История развития волоконнооптических линий связи началась в 19651967 гг., когда появились опытные
волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные
сверхпроводящие кабельные линии с малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по
созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения
оптического диапазона волн. Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации
полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконнооптической связи. К
началу 80х годов были разработаны и испытаны волоконнооптические системы связи. Основные сферы
применения таких систем телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, система
контроля и управления технологическими процессами и т. д.
Различают 3 основных типа ЛС: кабельные, воздушные, волоконнооптические. Кабельные и воздушные
линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами
проводникдиэлектрик. А волоконнооптические линии представляют собой диэлектрические
волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями
преломления, в которых осуществляется передача световых сигналов микроволнового диапазона волн от
0,8 до 1,6 мкм.
Оптический кабель (ОК) состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из
кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости, кабель
может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы. Существующие ОК по своему
назначению могут быть классифицированы на 3 группы: магистральные, зоновые и городские. В
отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ОК.
Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное
число каналов. Они должны обладать малыми: затуханием и дисперсией и большой информационно
пропускной способностью. В таких кабелях используется одномодовое волокно с размерами сердцевины
и оболочки 8/125 мкм. Длина волны лежит в диапазоне от 1,3...1,55 мкм.
Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с
дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны
1,3 мкм.
Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они
рассчитаны на короткие расстояния (до 10 км) и большое число каналов. Волокна градиентные (50/125
мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных
регенераторов.
Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они
должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие
покрытия. Для подводной связи важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных
участков.
Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и
видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные
системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).
Монтажные ОК используются для внутреннего и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в
виде жгутов или плоских лент.
Волоконная оптика сегодня получила широкое развитие и применяется в различных областях науки и
производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос,
машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и т. д.). Темпы роста волоконной
оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все другие отрасли техники и составляют 40%
в год. В ряде стран (Англия, Япония, Франция, Италия и др.) уже сейчас при строительстве сооружений
связи используют, в основном, оптические кабели. О масштабах развития волоконнооптических систем
передачи (ВОСП) свидетельствуют объемы производства оптических волокон в США. За последнее
время ими изготовлено около 10 млн. км волокна. Такое количество позволило бы сделать 250 витков
вокруг всего земного шара.
Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате
разработки в начале 70х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значительной 






мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта
ВОСП.
В России активно ведется строительство ВОЛС различного назначения: городских, зоновых,
магистральных. В 86 городах (Москва, Нижний Новгород, Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев,
Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные линии между АТС с
цифровыми системами передачи ИКМ120. Построен ряд зоновых линий внутриобластного назначения,
например, Петербург Сосновый бор, Уфа Стерлитамак, Тула Щекино, Воронеж Павловск, Рязань
Мосолово, Майкоп Краснодар, Клин Солнечногорск, Ростов Азов, Курская обл., Минск Смолевичи, Рига
Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль Петербург Минск протяженностью 1000 км на
большое число каналов.
В России с участием инофирм осуществляется строительство транссибирской линии (ТСЛ), которая
свяжет Японию, Россию, Европу. Общее число каналов составит 30 000. Половина из них предназначена
для России; в крупных городах, расположенных по трассе, часть этих каналов будет выделяться, вторая
половина каналов пройдет транзитом на Европу. Транссибирская линия после включения в мировую
межнациональную сеть связи замкнет глобальное волоконнооптическое кольцо, которое охватит 4
континента (Европу, Америку, Азию, Австралию) и пройдет через 3 океана (Атлантический, Тихий,
Индийский). Оптические кабели обладают следующими достоинствами:
широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько
тысяч каналов);
км);
малые потери и, соответственно, большая длина трансляционных участков (30...70 и 100
малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических кабелей);
высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;
надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).
К недостаткам ОК относятся:
подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна
затемнения и возрастает затухание;
водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его
свойств.
Для систем связи существенными являются показатели 1 5, для автоматизированных систем управления
и ЭВМпоказатели 1, 2, 3. Мобильные подвижные системы требуют выполнения, в первую очередь,
показателей 1, 2, 6. Изготовляемые в настоящее время ОК имеют 2 разновидности: ОКм кабель с
металлическими элементами (оболочки, жилы дистанционного питания, силовые проводники) и ОКд
кабели полностью диэлектрические, без металла. Первые, как и электрические кабели, подвержены всем
видам влияний (гроза, коррозия, ЛЭП и т. д.), поэтому повреждения у них аналогичные. Вторые
свободны от этих влияний, но их конструкции, не имеющие металлических оболочек, менее стойки к
внешним механическим воздействиям (повреждения, стихийные бедствия, просадка грунта, мерзлотные
явления, грызуны и т. д.). Установлено, что плотность механических повреждений ОКд, примерно, в 1,3
раза больше, чем ОКм.
С учетом этих особенностей в таблице приведены данные плотности повреждений (m) и времени
восстановления (Tв) электрических, оптических с металлом (ОКм) и оптических, полностью
диэлектрических (ОКд) кабелей. Для ОКд рассмотрены 2 варианта: ОКд1 учтено увеличение
механических повреждений в 1,3 раза; ОКд2 без учета этого коэффициента. Такой кабель должен иметь
надежную механическую защиту из неметаллических оболочек (стеклопластик, полиэтиленовая труба).
Данные в таблице показывают,  что наибольший удельный вес составляют механические повреждения
(48,8%), велико также влияние стихийных бедствий (22%). Удельный вес агрессии молнии составляет
17,4%. Для устранения повреждений наибольшего времени требуют стихийные воздействия (мерзлотные
трещины, удары молнии, паводки и др.).
Из таблицы видно, что общее время восстановления повреждений для электрических и оптических
кабелей с металлом составляет 511 ч, а у диэлектрических кабелей ОК1 452 ч (с учетом увеличения
механических повреждений в 1,3 раза) и ОКд2 359 ч (без учета). Тогда, имея ввиду, что для
электрических кабелей гарантированный срок службы составляет 25 лет, получим ОКд1=28,2 года,
ОКд2=36,5 лет. Для повышения надежности и срока службы ОК рекомендуется: защищать кабель от воды и механических повреждений, прокладывать его в полимерных трубах и ставить их под газовое
давление, использовать традиционные методы повышения надежности, состоящие в увеличении глубины
прокладки кабеля и применении грозозащитных тросов (для ОКм).
Область возможных применений ВОЛС широка от линии городской и сельской связи и бортовых
комплексов (самолеты, ракеты, корабли) до систем связи на большие расстояния с высокой
информационной емкостью. На основе оптической волоконной связи могут быть созданы новые системы
передачи информации. Перспективным направлением является применение оптических систем в
кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет
возможности информационного обслуживания абонентов.
В оптических системах передачи применяются те же методы образования многоканальной связи, что и в
обычных системах передачи по электрическому кабелю, т. е. частотный и временной методы разделения
каналов. Во всех случаях оптической передачи электрический канал, создаваемый частотным или
временным методом, модулирует оптическую несущую. В модулированном виде световой сигнал
передается по ОК. В основном, используется способ модуляции интенсивности оптической несущей, при
которой от амплитуды электрического сигнала зависит мощность излучения, подаваемая в кабель.
В оптических системах передачи применяется цифровая (импульсная) передача. Это обусловлено тем,
что аналоговая передача требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую
трудно обеспечить в оптических системах.
Таким образом, более распространенной волоконнооптической системой связи является цифровая
система с временным разделением каналов и импульснокодовой модуляцией, использующая модуляцию
интенсивности излучения источника. Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам,
каждый из которых предназначен для передачи информации в одном направлении. В оптических
системах связи используются преимущественно цифровые системы передачиИКМ на 30, 120, 480 и 1920
каналов.
Волоконная оптика развивается по 6 направлениям:
1. многоканальные системы передачи информации;
2. кабельное телевидение;
3. локальные вычислительные сети;
4. датчики и системы сбора обработки и передачи информации;
5. связь и телемеханика на высоковольтных линиях;
6. оборудование и монтаж мобильных объектов.
Многоканальные ВОСП начинают широко использоваться на магистральных и зоновых сетях связи
страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это
большой информационной способностью ОК и их высокой помехозащищенностью. Особенно
эффективны и экономичны подводные оптические магистрали.
Применение оптических систем в кабельном телевидении обеспечивает высокое качество изображения и
существенно расширяет возможности информационного обслуживания индивидуальных абонентов. В
этом случае реализуется заказная система приема и предоставляется возможность абонентам получать
на экране своих телевизоров изображения газетных полос, журнальных страниц и справочных данных из
библиотеки и учебных центров.
На основе ОК создаются локальные вычислительные сети различной топологии (кольцевые, звездные и
др.). Такие сети позволяют объединять вычислительные центры в единую информационную систему с
большой пропускной способностью, повышенным качеством и защищенностью от несанкционированного
допуска.
Волоконнооптические датчики способны работать в агрессивных средах, надежны, малогабаритны и не
подвержены электромагнитным воздействиям. Они позволяют оценивать на расстоянии различные
физические величины (температуру, давление, ток и др.). Датчики используются в нефтегазовой
промышленности, системах охранной и пожарной сигнализации, автомобильной технике и др.
Перспективным направлением является применение ОК на высоковольтных линиях электропередачи
(ЛЭП) для организации технологической связи и телемеханики. Оптические волокна встраиваются в
фазу или трос. Здесь реализуется высокая защищенность каналов от электромагнитных воздействий ЛЭП
и грозы. В последнее время появилось новое направление в развитии волоконнооптической техники
использование среднего инфракрасного диапазона волн 2...10 мкм. Ожидается, что потери в этом
диапазоне не будут превышать 0,02 дБ/км. Это позволит осуществить связь на большие расстояния с
участками регенерации до 1000 км. Исследование фтористых и халькогенидных стекол с добавками
циркония, бария и других соединений, обладающих сверхпрозрачностью в инфракрасном диапазоне волн,
дает возможность еще больше увеличить длину регенерационного участка.
Другим перспективным направлением развития ВОЛС является использование метода частотного
разделения каналов, который заключается в том, что в световод одновременно вводится излучение от
нескольких источников, работающих на разных частотах, а на приемном конце с помощью оптических
фильтров происходит разделение сигналов. Такой метод разделения каналов в ВОЛС получил название
спектрального уплотнения или мультиплексирования.
В перспективе, в ВОЛС предполагается использовать преобразование речевых сигналов в оптические
непосредственно с помощью акустических преобразователей. Уже разработан оптический телефон и
проводятся работы по созданию новых АТС, коммутирующих световые, а не электрические сигналы.
Имеются примеры создания многопозиционных быстродействующих оптических переключателей,
которые могут использоваться для оптической коммутации.
На базе ОК и цифровых систем передачи создается интегральная сеть многоцелевого назначения,
включающая различные виды передачи информации (телефонирование, телевидение, передача данных
ЭВМ и АСУ, видеотелефон, фототелеграф, передача полос газет, сообщений из банков и т. д.). В
качестве унифицированного принят цифровой канал ИКМ со скоростью передачи 64 Мбит/с (или 32
Мбит/с).
Волоконнооптическая линия связи (ВОЛС)
ГК «ITBERRY» предлагает воспользоваться понастоящему быстрым и надежным способом доступа в
сеть Интернет и объединения локальных сетей: через волоконнооптический канал на скоростях 10
Мбит/с или 100 Мбит/с.
Строительстве ВОЛС
Дизайн сайта  цены
Новые технологии при строительстве ВОЛС в зданиях и
между ними.
Разработаем дизайн сайта  цены смотрите тут.
accenttelecom.ru
Реклама
design.trilan.ru
Волоконнооптическая линия связи (ВОЛС) представляет собой волоконнооптическую систему,
состоящую из пассивных и активных элементов, предназначенных для передачи светового потока по
оптоволоконному кабелю.
ВОЛС могут как образовывать новую сеть, так и служить для объединения уже существующих сетей —
участков магистралей оптических волокон, объединённых физически — на уровне световода, либо
логически — на уровнях протоколов передачи данных.
В случае объединения на физическом уровне используется сварка волокна или механическое соединение,
позволяющее создать физическое соединение между отправителем и получателем сигнала, что даёт
высокий уровень безопасности отправляемым данным.
В случае объединения на логическом уровне применяются протоколы маршрутизации, реализованные в
соответствии со стандартами (разработками) вычисляемых векторов коммутации пакетов данных.
ВОЛС целесообразно использовать при объединении локальных сетей в разных зданиях, в многоэтажных
и протяжённых зданиях, а также в сетях, где предъявляются особо высокие требования к
информационной безопасности и защите от электромагнитных помех. В настоящее время ВОЛС
считаются самой совершенной физической средой для передачи информации. Клиенты:
Области применения и классификация волоконнооптических кабелей (ВОК)
Волоконнооптические кабели, применяемые в СКС, предназначены для передачи оптических сигналов
внутри зданий и между ними. На их основе могут быть реализованы все три подсистемы СКС, хотя в
горизонтальной подсистеме волоконная оптика пока находит ограниченное применение для обеспечения
функционирования ЛВС. В подсистеме внутренних магистралей оптические кабели применяются
одинаково часто с кабелями из витых пар, а в подсистеме внешних магистралей они играют
доминирующую роль.
В зависимости от основной области применения волоконнооптические кабели подразделяются на три
основных вида:
кабели внешней прокладки (outdoor cables);
кабели внутренней прокладки (indoor cables);
кабели для шнуров.
Кабели внешней прокладки используются при создании подсистемы внешних магистралей и связывают
между собой отдельные здания. Основной областью использования кабелей внутренней прокладки
является организация внутренней магистрали здания, тогда как кабели для шнуров предназначены в
основном для изготовления соединительных и коммутационных шнуров, а также для выполнения
горизонтальной разводки при реализации проектов класса «fiber to the desk» (волокно до рабочего места)
и «fiber to the room» (волокно до комнаты). Общую классификацию оптических кабелей СКС можно
представить в виде как показано на рисунке.
Преимущества ВОЛС
Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю.
Стремительное внедрение в информационные сети Волс является следствием преимуществ, вытекающих
из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.
Широкая полоса пропускания  обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает
потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько
терабит в секунду. Большая полоса пропускания  это одно из наиболее важных преимуществ
оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и
зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,20,3 дБ на длине
волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить
участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.
Низкий уровень шумов в волоконнооптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем
передачи различной модуляции сигналов с малой ибыточностью кода.
Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно
невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и
электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии
электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не
возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным
медным кабелям.
Клиенты:
Малый вес и объем. Волоконнооптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с
медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900парный
телефонный кабель диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0,1 см. Если
волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого
ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля. Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в
радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема
передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи,
используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый"
канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты
распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень
высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно
необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других
специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его
изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут
возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным
кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например на разных этажах. При этом может
возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна
этой проблемы просто нет.
Взрыво и пожаробезопасность. Изза отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает
безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании
технологических процессов повышенного риска.
Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния,
широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время
стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет
передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на
протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем
передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических
усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.
Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что
затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных
технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК
составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо
передающих систем.
Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла
информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в
этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель
оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за
рубежом.

file_name: тема 4 вопрос 8.docx

intro:
К началу 80-х годов были разработаны и испытаны волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.
Различают 3 основных типа ЛС: кабельные, воздушные, волоконно-оптические. Кабельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами проводник-диэлектрик. А волоконно-оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления, в которых осуществляется передача световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0,8 до 1,6 мкм.

title: Лекция "Волоконно-оптические линии связи"


extracted_text:
тема 4 вопрос 9
беспроводные каналы связи

Выделяют три основных типа беспроводных сетей:
1)   радиосети   свободного   радиочастотного   диапазона   (сигнал   передаётся   сразу   по   нескольким
частотам);
2) микроволновые (дальняя и спутниковая связь),
3) инфракрасные (лазерные, передаваемые когерентными пучками света). Последние являются
высокопроизводительными   (высокоскоростными)   системами.   Их   широкое   применение   порой
ограничивается изза невысокой устойчивости к таким природным явлениям как дождь и туман. Предел
дальности такой связи равен 5 км, устойчивой связи – 1–1,5 км.

По способу организации используются системы одночастотной, двухчастотной и многочастотной
радиосвязи.   Обычно   одночастотная   связь   применяется   в   режиме   радиальной   радиосвязи,   то   есть
предоставляет   возможность   всем   абонентам   сети   слышать   вызывающего   абонента   и   отвечать   ему
(симплексный   режим).   Для   организации   прямой   связи   между   двумя   удалёнными   абонентами
используется   также   одноканальная   двухчастотная   (полудуплексная)   радиосвязь   –  двухчастотный
симплекс,   то   есть   на   одной   частоте   осуществляется   передача,   а   на   другой   –   приём   сообщений.
Многоканальные   системы   полудуплексной   радиосвязи   формируются   на   основе   транковых   и
радиорелейных систем.
Транкинговая(англ.   «trunking»)или  транковая  (англ.   «trunked»)  связь  –   (ствол,   канал   связи)
означает   соединительную   линию,   организуемую   между   двумя   станциями   или   узлами   сети   и
предназначенную для организации передачи информации группы пользователей в одном радиостволе (до
50 и более абонентов) с радиусом действия от 20 до 35, 70 и 100 км. Это профессиональная мобильная
радиосвязь   (ПМР)   с   автоматическим   распределением   ограниченного   количества   свободных   каналов
среди большого числа подвижных абонентов, позволяющая эффективно использовать частотные каналы,
существенно повышая пропускную способность системы.
Радиорелейная   связь  образуется   путём   строительства   протяжённых   линий   с   приёмо
передающими   станциями   и   антеннами.   Она   обеспечивает   узкополосную   высокочастотную   передачу
данных на расстоянии между ближайшими антеннами в пределах прямой видимости (примерно 50 км).
Скорость передачи данных в такой сети достигает 155 Мбит/с.
Рассмотрим особенности видов связи.
Телеграфная связь является одним из старейших видов связи. Она изобретена в России в 1832
году П.Л. Шиллингом. Она считается исключительно надёжной, но характеризуется низкой скоростью
передачи и не предназначена для широкого, особенно частного, использования.
Телефонная   связь  –   самый   распространённый   вид   оперативноуправленческой   связи.
Официально она появилась 14 февраля 1876 года, когда А. Белл (Александр Грейам, 1847–1922, США)
зарегистрировал   изобретение   первого   телефонного   аппарата.   Спустя   два   часа   другой   изобретатель
Иоайш Грей подал заявку на аналогичный аппарат. Первая телефонная станция появилась также в США
(НьюХейвен) в 1878 году.
Принцип телефонной связи заключается в следующем. Телефонный микрофон, в который говорит
абонент, преобразует колебания звука в аналоговый электрический сигнал. Сигнал передаётся по линиям
связи на телефонный аппарат абонента, принимающего голосовую информацию, с помощью индуктивных
катушек и мембраны, расположенных в телефонной трубке. Этот сигнал преобразуется в колебания
звука. Диапазон передаваемых частот по отечественным телефонным каналам – 300 Гц–3,4 кГц.
Телефонная связь представляет разветвлённую структуру, объединяющую аппараты абонентов с
ближайшими автоматическими телефонными станциями (АТС), которые соединяются между собой в
единую  телефонную сеть. Любой аппарат абонента  соединяется  абонентской линией  с  ближайшей
АТС, удаленной от него на расстояние до 10 км. На телефонной станции производится подключение
телефонных   каналов   абонентских   и   соединительных   линий   (между   АТС)   на   время   телефонных
переговоров и их разъединение по окончании переговоров.
Широкое применение в организациях находят  офисные телефонные системы  (УАТС, ОАТС,
ЭУАТС и др.). Сотовая радиотелефонная связь  (сотовая подвижная связь, СПС) появилась в конце 1970х
годов. Её также называют мобильной. Промышленно системы СПС начинают эксплуатироваться в США
с 1983 года, а в России – с 1993 года. В 1998 году Япония первой в мире обеспечила доступ мобильных
телефонов в Интернет.
Принцип организации СПС заключается в создании сети равноудалённых антенн с собственным
радиооборудованием, каждая из которых обеспечивает вокруг себя зону устойчивой радиосвязи (англ.
«cell» – сота). Каждая сота работает в диапазоне частот, отличном от соседних сот. В каждой соте
действует   своя   базовая   станция   (BaseTransceiverStation,   BTS),   контроллер   (BaseStationController)
которой следит за качеством приёма сигналов мобильных аппаратов. Когда качество сигнала аппарата
пользователя   с  этой   станцией   становится   хуже,   чем   с   соседней   –  эта  базовая   станция   переключает
аппарат пользователя на работу с лучшей соседней базовой станцией.
При этом сотовый телефон автоматически связывается с тем передатчиком, в зону обслуживания
которого он перешёл, и разговор абонента продолжается при его любом перемещении в зоне действия
«сот».
Расстояние   между   антеннами   зависит   от   мощности,   частоты   их   приёмопередающего
оборудования и топологии местности. Чем выше полоса частот работы системы, тем меньше радиус
действия антенн, а значит, и расстояние между ними, то есть размер соты. Но в этом случае улучшается
проникающая способность сигнала сквозь различные препятствия (окна, двери и стены), а также можно
уменьшить размеры индивидуальных аппаратов и увеличить число абонентских радиоканалов.
Мобильные телефоны используют следующие стандарты:
GSM  (GlobalSystemforMobileCommunications  –  глобальная   система   для   мобильной   связи),
рассчитан на работу с частотами 900/1800 МГц. Обеспечивающий скорость обмена данными до 270
Кбит/с, GPRS – до 115,2 Кбит/с. GSM получил наибольшее распространение в нашей стране;
CDMA  (CodeDivisionMultipleAccess) в России появился позже GSM и работает на частоте 450
МГц.   Специалисты   утверждают,   что   стандарт   CDMA450   обеспечивает   более   качественную,   чем
GSM/GPRS голосовую связь. Предполагается, что он составит конкуренцию стандарту GSM/GPRS и
даже может его заменить;
UMTS (UniversalMobileTelecommunicationsSystem) с полосой частот 1885–2025 и 2110–2200 МГц
и скоростью от 144 Кбит/с. В отношение этого стандарта высказывается более категоричное мнение, что
он должен заменить стандарты GSM и GPRS.
Одной   из   современных   услуг,   предоставляемых   операторами   сотовой   связи,   является   SMS
(ShortMessageService)   –   служба   коротких   сообщений.   Эта   услуга,   позволяет   осуществлять   между
сотовыми телефонами обмен короткими буквенноцифровыми сообщениями.
Способом обмена данными в беспроводных системах на радиочастоте около 2,4 ГГц и расстоянии
до   100   м   является  Bluetooth.  Его   использование   позволяет   связывать   различные   электроприборы,
например, для получения удалённого беспроводного доступа к Интернету и мобильному телефону, а
также к компьютеру. Технология Bluetooth позволяет соединяться с Интернетом со скоростью до 1
Мбит/с.
Спутниковая связь образуется между специальными наземными станциями спутниковой связи и
спутником с антеннами и приёмопередающим оборудованием. Она позволяет охватывать территории со
слабо   развитой   инфраструктурой   связи,   расширить   сферу   и   набор   услуг,   в   т.ч.   мультимедийных,
радионавигационных и др. Принцип работы систем спутниковой связи (ССС) заключается в том, что от
абонента   сигнал   поступает   (в   т.ч.  по   радиоканалу),   как   правило,   на   ближайшую   наземную   станцию,
которая переадресовывает его на станцию спутниковой связи. Оттуда этот сигнал с помощью мощной
антенны отправляется на спутник. К абоненту сигнал поступает аналогично, в обратном порядке. расположенный   на
Спутники располагаются на одной из трёх орбит (Рис. 143).
Спутник,
геостационарной   орбите
(GeostationaryEarthOrbit,  GEO),  находится  на высоте 36 тыс.  км и
является  неподвижным  для  наблюдателя. Он  способен охватывать
значительные области (территории) планеты.

Средние орбиты (MeanEarthOrbit, MEO) обитания спутников
характеризуются высотой 5–15 тыс. км.
На низких орбитах (LowEarthOrbit, LEO) высота размещения
спутников не превышает 1,5 тыс. км. В этом случае они охватывают
небольшие, локальные территории.
Станции   спутниковой   связи
(ССС)   делятся   на:
стационарные, переносные (перевозимые) и портативные.
Они обеспечивают:
1)   телевидение   и   радиовещание   для   коллективных   и
индивидуальных пользователей;
2) национальные и цифровые телефонные сети связи;
3)   поддержку   системы   коммерческой   связи   SMS
(SatelliteMultiservicesSystem)   для   высокоскоростной   передачи
данных, проведения видеоконференций и межкомпьютерного обмена
информацией;
4) предоставление связи наземным подвижным объектам и др.

Персональная   спутниковая   радиосвязь  или  спутниковая
индивидуальная   связь  ориентирована   на   использовании   систем
персональной   спутниковой   связи   (СПСС).   Портативные   станции
спутниковой связи вместе с антенной умещаются в кейсе и имеют
массу до 8,5 кг.
Современные   средства   связи   всё   больше   ориентируются   на   обеспечение   передачи   различных
видов данных. Для этого создаются сети передачи данных, использующие специальные каналы связи и
методы передачи данных, предоставляющие пользователям различные виды передачи данных.
В беспроводных каналах передача информации осуществляется на основе распространения радиоволн. В
табл. 4.1 приведены сведения о диапазонах электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных
и оптических каналах связи.
Таблица 4.1 – диапазоны электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных
и оптических каналах связи.
Диапазон
Длины волн, м Частоты, ГГц
Применение
Дециметровый
Сантиметровый
0,1..0,01
Сотовые радиотелефоны, ТВ,
спутниковая связь, РК в ЛВС*
Радиорелейные линии, РК в ЛВС,
спутниковая связь
Миллиметровый
0,01..0,001
РК в ЛВС
Инфракрасный
0,001..7,5*107
3*102..4*105
ВОЛС, WDМ** Видимый свет
(7,5...4,0)*107
(4,0...7,5)*105
*) РК в ЛВС  радиоканалы в локальных сетях и системах связи;
**) WDM  мультиплексирование с разделением каналов по длинам волн.
Для организации канала ПД в диапазонах дециметровых волн (902...928 МГц и 2,4...2,5 ГГц) требуется
регистрация в Госсвязьнадзоре. Работа в диапазоне 5,725...5,85 ГГц пока лицензирования не требует.
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 и при объединении сетей отдельных
офисов и предприятий в корпоративные сети. Во многих случаях применение радиоканалов оказывается
более дешевым решением по сравнению с другими вариантами.
В территориальных сетях на региональном уровне 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.
Радиосвязь используется в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других
каналов связи. Радиоканал либо выполняет роль моста между подсетями (двухточечное соединение),
либо является общей средой передачи данных в ЛВС по излагаемому далее методу МДКН/ОК (см. гл. 4),
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 1520 км с расположением антенн на крышах
зданий). Мост имеет два адаптера: один для формирования сигналов для радиоканала, другой  для
кабельной подсети.
В случае использования радиоканала в качестве общей среды передачи данных в ЛВС сеть называют
RadioЕthernet (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
11 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. Так, в аппаратуре фирмы Aironet в диапазоне 2,4 ГГц имеются 4 канала
шириной в 22 МГц.
Второй способ  метод частотных скачков (FHSS  Frequency Hopping Spread Spectrum). В этом методе
полоса пропускания делится на 79 поддиапазонов. Передатчик через каждые 20 мс переключается на
новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может
изменяться, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным.
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 системе RoomAbout связь на частоте 920 МГц гарантируется на расстоянии в 120 метров,
предусмотрена защита от перехвата информации.
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.
Поставкой оборудования для организации корпоративных и локальных беспроводных сетей занимается
ряд фирм, в том числе известные фирмы Lucent Technologies, Aironet, Multipoint Network.
В оборудование беспроводных каналов ПД входят:
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 сторны
порта данных интерфейс RS232C, RS449 или V.35, скорости до 128 кбит/с; со стороны радиопорта
частоты 400...512 или 820...960 МГц, ширина радиоканала 25...200 кГц.
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. Например, мост ARLAN 640 (Aironet) взаимодействует с сетями
Ethernet, обеспечивает 2 Мбит/с.
Направленные и ненаправленные антенны, антенные усилители, и вспомогательное оборудование типа
кабелей, полосовых фильтров, грозозащитников и т.п.

file_name: тема 4 вопрос 9.docx

intro:
Выделяют три основных типа беспроводных сетей:
1) радиосети свободного радиочастотного диапазона (сигнал передаётся сразу по нескольким частотам);
2) микроволновые (дальняя и спутниковая связь),
3) инфракрасные (лазерные, передаваемые когерентными пучками света). Последние являются высокопроизводительными (высокоскоростными) системами. Их широкое применение порой ограничивается из-за невысокой устойчивости к таким природным явлениям как дождь и туман. Предел дальности такой связи равен 5 км, устойчивой связи – 1–1,5 км.

По способу организации используются системы одночастотной, двухчастотной и многочастотной радиосвязи. Обычно одночастотная связь применяется в режиме радиальной радиосвязи, то есть предоставляет возможность всем абонентам сети слышать вызывающего абонента и отвечать ему (симплексный режим).

информатика

group: Дисциплины

title: Лекция "Беспроводные каналы связи"


extracted_text:
тема 4 вопрос 10
методы доступа к среде в беспроводных сетях fdm tdm cdm ofdm
Одна из основных проблем построения беспроводных систем — это решение задачи доступа многих
пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов
доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении
между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача уплотнения —
выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех
и максимальным использованием характеристик передающей среды.
Уплотнение с пространственным разделением основано на разделении сигналов в пространстве, когда
передатчик посылает сигнал, используя код с, время t и частоту f в области Si. То есть каждое
беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной
территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.
К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней
территории, а какаялибо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте,
то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое
дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой
радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что
исключает их наложение друг на друга.
Еще недавно данный метод считался малоэффективным — до тех пор, пока не получили промышленное
развитие системы, обеспечивающие достаточно точную локализацию зон действия отдельных
передатчиков. С появлением аппаратуры (и соответствующих стандартов), обеспечивающей
адаптивную перестройку мощности передатчиков абонентских и базовых станций, а также систем на
основе секторных антенн (или антенн с перестраиваемой диаграммой направленности) данный метод
получил широкое распространение. Характерный пример — системы сотовой телефонной связи.
В схемах уплотнения с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing, FDM) каждое
устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести
передачу данных на одной территории. Это один из наиболее известных методов, так или иначе
используемый в самых современных системах беспроводной связи.
Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения — функционирование в одном городе
нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их
рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить
взаимные помехи.
Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по
себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку
требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.
Уплотнение с частотным разделением (Frequency Division Multiplexing  FDM)
Каждое устройство работает на определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут
вести передачу данных на одной территории (рис. 1.8). Это один из наиболее известных методов, так
или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи. Рис. 1.8. Принцип частотного разделения каналов
Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения  функционирование в одном городе нескольких
радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие
частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, который позволяет исключить
взаимные помехи.
Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по
себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку
требует выделения своей частоты для каждого беспроводного устройства.
Более гибкой схемой является уплотнение с временным разделением (Time Division Multiplexing,
TDM). В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует
сигнал на одной и той же частоте / в области s, но в различные промежутки времени U (как правило,
циклически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи.
Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично
перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более
длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.
Однако метод временного уплотнения не может использоваться в чисто аналоговых сетях — даже если
исходные данные аналоговые (например, речь), он требует их оцифровки и разбиения на пакеты.
Скорость передачи отдельного пакета, как правило, существенно превосходит скорость передачи
исходных оцифрованных данных. Характерный пример применения временного уплотнения (в
проводных сетях) — это метод магистральной передачи телефонного трафика посредством каналов Е1.
На узловой АТС каждый аналоговый телефонный канал преобразуется в поток данных со скоростью 64
кбит/с (8 разрядов оцифровки х8кГц частоты выборок). Фрагменты по 8 бит из 32 каналов (30
телефонных и 2 служебных) образуют цикл. Длительность каждого цикла — 125 мкс, соответственно,
скорость передачи данных — (32 х 8бит)/125мкс = 2048кбит/с (т.е. 2048000бит/с). Данный поток
транслируется по магистральным каналам и восстанавливается (демультиплексируется) на приемном
конце.
Основной недостаток систем с временным уплотнением — это мгновенная потеря информации при
срыве синхронизации в канале, например, изза сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако
успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDMсистем, как сотовые телефонные сети стандарта
GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.
Уплотнение с временным разделением (Time Division Multiplexing  TDM)
В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на
одной и той же частоте  области s, но в различные промежутки времени
повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи (рис. 1.9).
Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично
перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более
длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.
Основной недостаток систем с временным уплотнением  это мгновенная потеря информации при срыве
синхронизации в канале, например изза сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако
успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDMсистем, как сотовые телефонные сети стандарта
GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.
(как правило, циклически
Рис. 1.9. Принцип временного разделения каналов
Последний тип мультиплексирования — это уплотнение с кодовым разделением (Code Division
Multiplexing, CDM). Первоначально, изза сложности реализации, данная схема использовалась в
военных целях, но со временем прочно заняла свое место в гражданских системах. Именем основанного
на CDM механизма разделения каналов (CDMA — CDM Access) даже назван стандарт сотовой
телефонной связи IS95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем связи (cdma2000,
WCDMA и др.). В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте / в области s во время t, но с разными кодами с;.
Принцип кодового уплотнения иллюстрирует ситуация, когда много людей в одной комнате
разговаривают на разных языках. При этом каждый человек понимает только один определенный язык.
Для каждого речь на непонятном языке будет восприниматься как ничего не значащий шум, лишенный
полезной информации. А на фоне этого шума он будет воспринимать поток информации на понятном
ему языке.
В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDMсимвол —
кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая
последовательность уникальна для каждого передатчика, причем их подбирают так, чтобы корреляция
двух любых CDMкодов была минимальна (а в ряде случаев — чтобы автокорреляция CDMкода при
фазовом сдвиге была максимально возможной). Как правило, если для замены «1» в исходном потоке
данных используют некий CDMкод, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.
Приемник знает CDMкод передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно
принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе) производит
операцию свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнал с известным ему CDM
кодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция скалярного
произведения вектора входного сигнала и вектора с CDMкодом. Если сигнал на выходе коррелятора
превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для
увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз.
При этом сигналы других передатчиков с другими CDMкодами приемник воспринимает как
аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками
чипов) мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума.
Похожести CDMсигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDMкоды,
порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Такие кодовые последовательности
называют шумоподобными, соответственно, модулированные ими сигналы — шумоподобными
сигналами сигналов (ШПС). Очевидно, что при передаче посредством ШПС спектр исходного
сообщения расширяется во много раз. Поэтому данный метод еще называют методом расширения
спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS — Direct Sequence Spread Spectrum).
Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности
передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев — и обнаружить его
присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с
частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику
свой индивидуальный код. Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени
являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной
синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.
.
Уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing  CDM)
В данной схеме все передатчики транслируют сигналы на одной и той же частоте
время t, но с разными кодами
Именем основанного на CDM механизме разделения каналов (CDMA  CDM Access) даже назван
стандарт сотовой телефонной связи IS95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем
связи (cdma2000, WCDMA и др.).
В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDMсимвол
кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т. п. бит (их называют чипами). Кодовая
последовательность уникальна для каждого передатчика. Как правило, если для замены "1" в исходном
потоке данных используют некий CDMкод, то для замены "0" применяют тот же код, но
инвертированный.
Приемник знает CDMкод передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно
принимает все сигналы и оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе)
, в области s и во производится операция свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнала с
известным ему CDMкодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция
скалярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDMкодом. Если сигнал на выходе
коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или
0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько
раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDMкодами приемник воспринимает как
аддитивный шум. Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками
чипов), мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума.
Сходства CDMсигналов со случайным (гауссовым) шумом добиваются, используя CDMкоды,
порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Поэтому данный метод еще
называют методом расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum); о расширении спектра будет рассказано ниже.
Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности
передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев  и обнаружить его
присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с
частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику
свой индивидуальный код. Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени
являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной
синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.
Отметим,  что  уплотнение  с  кодовым  разделением  —  метод   синтетический,  т.  е.  он  базируется  на
частотном либо временном методе уплотнения. В наиболее «чистом» виде метод кодового уплотнения
реализуется   в   случае   DSSS.   Кроме   того,   известны   и   используются   методы   расширения   спектра
посредством   частотных   и   временных   скачков   (соответственно   FHSS   —   Frequency   Hoping   Spread
Spectrum   и   THSS   —   Time   Hoping   Spread   Spectrum).   В   случае   расширения   спектра   посредством
частотных (‘качков в заданном частотном диапазоне F одновременно работает несколько передатчиков,
каждый в узкой полосе, во много раз меньшей F. Центральная частота каждого передатчика в ходе
работы   дискретно   изменяется   по   закону,   задаваемому   уникальной   для   него   кодовой
последовательностью. Приемник знает эту кодовую последовательность и перестраивается по частоте
приема синхронно с передатчиком. Кодовые последовательности выбирают так, чтобы минимизировать
вероятность   одновременной   работы   двух   передатчиков.   Тем   самым   обеспечивается   определенная
защита от прослушивания и помех. Данный метод в ряде случаев оказывается достаточно эффективным
и   применяется,   в   частности,   в   такой   популярной   сегодня   технологии   БСПИ,   как   Bluetooth.
Если   метод   частотных   скачков   представляет   из   себя   метод   частотного   уплотнения   с   изменением
частотной полосы, то метод временных скачков аналогичен временному уплотнению, только моменты
начала трансляции пакетов передатчика не строго периодичны, а изменяются по псевдослучайному
закону. Как правило, кодовая последовательность определяет время отклонения начала трансляции
очередного пакета от заданного периода. Подобный механизм, в частности, реализован в системах связи
со
  Domain.
сверхширокой
спектральной
компании
полосой
Time

Еще   одна   важная   производная   методов   кодового   и   частотного   уплотнения   —   механизм
мультиплексирования посредством ортогональных несущих (OFDM — Orthogonal Frequency Division
Multiplexing).   Его   суть:   весь   доступный   частотный   диапазон   разбивается   на   достаточно   много
поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают
для   передачи   несколько   таких   несущих,  выбранных   из   всего   множества   по   определенному  закону.
Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток
данных разбивается на N субпотоков, где N — число поднесущих, назначенных данному передатчику.
Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм
не
уплотнения.
временного
гибким,
метод
менее
чем

До   недавнего   времени   распространение   технологии   OFDM   сдерживала   сложность   его   аппаратной реализации.   Однако   сегодня,   с   развитием   полупроводниковой   технологии,   это   уже   не   является
преградой. В результате, сегодня метод OFDM приобретает все большее распространение, в частности
используется в системах связи таких популярных стандартов, как IEEE 802.16 a/g и DVB, а также
является одним из основных механизмов стандарта широкополосных региональных БСПИ IEEE 802.16
2004.
Как   правило,   описанные   схемы   в   беспроводных   сетях   используются   в   сочетании   друг   с   другом.
Например, для мобильных сетей GSM одновременно используются схемы уплотнения SDM, TDM и
FDM, в системах стандарта IEEE 802.16 эффективно сочетаются технологии OFDM, CDM, FDM/TDM
и
SDM.

Рассмотренные   выше   механизмы   —   это   способы   разделения   единого   ресурса   на   каналы   передачи.
Однако   эти   каналы   надо   еще   назначить   конкретным   устройствам.   Рассмотрим   несколько   наиболее
популярных схем распределения канальных ресурсов на базе технологии TDM (аналогичные механизмы
уплотнения).
возможны
методах
других
при
и

Простейший алгоритм для схемы уплотнения TDM — это фиксированное распределение временных
интервалов   между   различными   устройствами.   Распределением   занимается   базовая   станция
(центральное   устройство),   которая   сообщает   каждому   абонентскому   устройству   время   начала
передачи. Подобная схема идеально подходит для беспроводных сетей, которые имеют фиксированную
пропускную способность. Однако она не оптимальна в случае нерегулярной передачи, поскольку во
время   молчания   устройства   его   пустой   интервал   не   может   быть   использован   другим   терминалом.
Поэтому   число   абонентских   станций   (либо   допустимая   скорость   передачи)   принципиально   и
существенно
ограничено.

Противоположностью   данной   схемы   является   механизм   полностью   случайного   доступа   или
классическая схема Aloha. В ней при передаче данных мобильным устройством не используется какой
либо алгоритм, который позволял бы избежать коллизий (одновременной работы двух передатчиков в
одно время на одной частоте). Это означает, что любое устройство может передавать данные в любое
время и нет никакой гарантии, что эти данные будут успешно доставлены получателю. Данная схема —
один из самых первых механизмов доступа для систем беспроводной связи. Она была разработана в 70
х годах в Гавайском университете и применялась в сети ALOHANET для беспроводного соединения
нескольких   станций   (университетских   зданий,   располагавшихся   на   разных   островах   Гавайского
архипелага). Данная схема хорошо работает в сетях со слабой загрузкой, т. е. в сетях, имеющих малое
число   устройств   или   передающих   небольшое   количество   информации   в   единицу   времени.   При
пуассоновском   распределении   интенсивности   генерации   пакетов   устройствами   максимальная
пропускная
загрузке.
способность
достигается
системы
18%
уже
при

Усовершенствованием   основной   схемы   Aloha   явился   метод   множественного   доступа   с
детектированием несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA).  Детектирование несущей частоты
означает  лишь  то,  что канал  прослушивается  устройством.  Если  он  занят, т.  е. другое  устройство
передает данные, то передатчик переходит в ждущий режим до того момента, когда канал станет
свободным. Этот’ метод позволяет значительно улучшить пропускную способность системы. Как и в
методе случайного доступа, в данной схеме не требуется наличия центрального устройства, т.е. каждое
устройство принимает  решение о передаче самостоятельно. Поскольку фактически доступ к среде
получает   та   станция,   которая   первой   начала   передачу,   данный   механизм   еще   называют   методом
конкурентного
доступа.

Существует несколько версий схемы CSMA. При использовании неустойчивой схемы CSMA станции
слушают канал и, если канал свободен, немедленно начинают передачу. Если канал занят, станция перед
повторным   определением   состояния   канала   выжидает   случайный   промежуток   времени,   после   чего
опять слушает канал. Если канал свободен, то терминал передает данные. В рнастойчивых схемах
CSMA узлы тоже определяют состояние канала, но данные передаются с вероятностью р. Устройство может   отложить   передачу   до   следующего   временного   интервала   с   вероятностью   1   —   р,   т.   е.
осуществляется  дополнительное разделение доступа  к среде.  В /настойчивых  системах CSMA все
станции, которым необходимо передавать данные, одновременно получают доступ к среде, как только
она
освобождается.

Другой вариацией данного метода является CSMA/CA (СА — Collision Avoidance, с предотвращением
конфликтов), использующаяся в беспроводных ЛВС стандарта IEEE 802.11. Здесь после определения
незанятости   канала   время   ожидания   выбирается   случайно   в   некотором   временном   промежутке.   В
спецификации HIPERLAN 1 используется схожая схема — бесприоритетный множественный доступ с
исключением   (Elimination   Yield   —   NonPreemptive   Multiple   Access,
  EY   —   NPMA).
Схема   с   цифровым   детектированием   (DSMA,   Digital   Sense   Multiple   Access)   использует   схожий   с
CSMA/CA принцип работы. Этот метод также называют множественным доступом с детектированием
подавления (Inhibit Sense Multiple Access, ISMA). Различие заключается в том, что занятость канала
определяется не путем прослушивания, а посредством посылки базовой станцией пакета, в котором
определяется   статус   канала.   В   данной   схеме   базовая   станция   должна   быть   синхронизирована   с
передатчиками так, чтобы передатчики не передавали данные во время передачи статуса канала. Если
канал занят, то станции ждут случайного промежутка времени для последующей передачи. Поскольку
несколько   станций   могут   одновременно   передать   данные,   центральная   станция   посылает   пакет   с
подтверждением
данных.
получении
пакета
о

В современных БСПИ, как правило, используют сочетание механизмов централизованного назначения
временных интервалов и методов конкурентного доступа. По сути, работа этих систем происходит в
два этапа. Первый этап — резервирование ресурсов (временных интервалов) для будущей передачи. На
этом этапе все станции заявляют (пытаются заявить) о своих потребностях в канальных ресурсах. На
втором этапе происходит непосредственная передача данных в отведенном временном интервале. В
этих схемах используется центральный терминал, с помощью которого производится синхронизация
передач   и   осуществляется   резервирование.   Как   правило,   механизмы   резервирования   приводят   к
увеличению   времени   задержки   получения   пакетов   при   слабой   загрузке   системы,   но   при   этом
обеспечивают
способность.
пропускную
высокую
более
ей

Примером подобного механизма является схема множественного доступа с распределением по запросу
(Demand Assigned Multiple Access, DAMA), называемая также схемой Aloha с резервированием. Она, в
частности,   применяется   в   спутниковых   системах   связи.   В   течение   определенного   временного
интервала, разбитого на миниинтервалы, все станции пытаются зарезервировать для себя будущие
временные   интервалы   для   передачи   данных.   Поскольку   на   стадии   резервирования   происходят
конфликты, некоторые станции не резервируют для себя временные интервалы. Если станции удалось
зарезервировать временной интервал, то ни одна другая станция не сможет в это время осуществлять
передачу. Таким образом, базовая станция собирает все успешные запросы (остальные игнорируются) и
посылает назад список с указанием прав доступа к последующим временным интервалам. Этому списку
подчиняются все станции. Схема DAMA относится к схемам с явным резервированием, когда каждый
интервал
явно.
резервируется
передачи
для

Схема   TDMA   с   резервированием   отличается   от   предыдущей   схемы   тем,   что   этап   резервирования
происходит   не   на   основании   конкурентного   доступа,   а   по   обычной   фиксированной   схеме   TDMA.
Каждому устройству назначается временной миниинтервал, в течение которого оно сообщает, будет ли
передавать   данные.   Поэтому   в   начале   каждого   цикла   передачи   базовая   станция   передает   пакет,
разбитый на N интервалов, в каждом их которых указано, зарезервирован канал или нет. Затем следуют
N * к интервалов для данных. Данный метод гарантирует каждой зарезервировавшей канал станции
определенную   пропускную   способность.   Остальные   станции   могут   пересылать   данные   в   течение
интервалов,   которые   никто   не   зарезервировал,   но   уже   на   принципах   конкурентного   доступа   и   без
гарантии
пакетов.
доставки Схема с резервированием пакетов (PRMA, Packet Reservation Multiple Access) является примером со
скрытым   резервированием,   поскольку   интервалы   резервируются   неявно.   Центральное   устройство   в
начале   каждого   цикла   рассылает   список   с   распределением   временных   интервалов.   Само   же
резервирование происходит по другой схеме. Представим, что какомулибо устройству необходимо
передать данные, но при этом он не зарезервировал временной интервал. Это устройство регулярно
получает список с зарезервированными интервалами. К примеру, в полученном списке указано, что
третий, пятый и восьмой интервалы не зарезервированы, т. е. свободны. Устройство случайным образом
принимает   решение   о   том,   в   каком   интервале   можно   попытаться   передавать   данные.   Например,
устройство   передает   сообщение   в   пятый   интервал.   Если   передача   прошла   успешно,   устройство
получает об этом подтверждение. Базовая станция резервирует этот канал для нового устройства и
включает его в свой список. Если запрос не дошел до базовой станции, устройство должно попробовать
вновь послать данные в один из свободных интервалов.

file_name: тема 4 вопрос 10.docx

intro:
Уплотнение с пространственным разделением основано на разделении сигналов в пространстве, когда передатчик посылает сигнал, используя код с, время t и частоту f в области Si. То есть каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.

К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга

title: Лекция "Методы доступа к среде в беспроводных сетях "