1.3. Передача и оценка информации

Системы передачи информации

Обычно поступающие от источника информации сообщения преоб­разуются в электрический, электромагнитный или оптический сигнал, а затем по каналу связи передаются к получателю информации. Например, при разговоре по телефону звуковые волны, создаваемые голосовыми связками человека, преобразу­ются с помощью микрофона в электрические сигналы, которые затем усиливаются и передаются абоненту по телефонной линии. После приема сигнала осуществляет­ся обратное преобразование электрических сигналов в звуковые. При этом с целью повышения помехоустойчивости, дальности передачи и др. может выполняться преобразование этого сигнала из аналоговой в дискретную форму и наоборот. Такое преобразование осуществляют устройства, называемые аналого-цифровыми и циф­ро-аналоговыми преобразователями (АЦП и ЦАП) соответственно.

Процесс передачи информации предполагает наличие некоторых техничес­ких средств (рис. 1.5):

• передатчик - устройство, формирующее и усиливающее сигналы, перено­сящие информационный сигнал (в процессе подготовки информации к передаче производится преобразование исходных сигналов, например из сигналов цифро­вых в аналоговые, кодирование с целью повышения помехоустойчивости и др.);

• линия связи - физическая передающая среда, по которой с помощью пере­датчика (другого специального оборудования) перемещается информация от источника к ее потребителю;

• приемник - устройство, осуществляющее преобразование, декодирова­ние поступающих по линии связи сигналов в форму, удобную для восприятия человеком (если получатель - человек) или ЭВМ (если информация поступает в ЭВМ для обработки).

Источник		Передатчик		Канал		Приемник		Получатель
информации				связи				информации

Рис. 1.5. Компоненты системы передачи информации

Различают проводные или беспроводные линии связи: в первых сигналы (име­ющие электрическую или оптическую природу) передаются по кабелям из металлических или оптоволоконных проводников; во вторых переносчиком информации являются механические колебания (ультразвуковые, звуковые и др.) либо электро­магнитные волны (радиоволны, волны оптического или инфракрасного диапазона).

По одной линии связи может передаваться одновременно несколько теле­фонных переговоров. В этом случае в линии связи организуются несколько каналов связи - отдельно под каждый разговор.

26

Каналы (линии связи) могут быть выделенные, которые сдаются в аренду, и, кроме арендатора, никто не может пользоваться этим каналом, или коммутируемые, к которым подключается новый абонент, как только канал освободится.

Связь между абонентами может осуществляться в следующих режимах:

симплексный - передача данных только в одном направлении;

дуплексный - передача и прием происходят одновременно и независимо друг от друга;

полудуплексный - передача и прием данных происходят попеременно. В момент приема передача не производится и наоборот.

Чтобы абоненты, находящиеся в различных географических пунктах страны, могли обмениваться информацией, создаются сети связи.

Любая сеть связи строится с использованием определенных принципов [15, 16, 26, 45]. Абоненты передают и принимают сообщения с помощью око­нечных (абонентских) устройств. Таким устройством может быть телефонный аппарат, ЭВМ, факс и т.д. Каждое абонентское устройство подключается к узлу коммутации. В них информация концентрируется, а затем направляется далее. Узлы коммутации соединяются между собой линиями связи с каналообразующим оборудованием. Это оборудование обеспечивает преобразование и усиле­ние сигналов, создание каналов связи. С его помощью осуществляется доставка сообщений по линиям связи. Доставка сообщения абоненту может проходить через промежуточные узлы коммутации. Совокупность оконечных абонентских устройств и узлов коммутации, соединяющих их линии связи с каналообразующим оборудованием, называют сетью связи.

Сети связи для передачи разных видов информации зачастую используют одни и те же линии связи, но, как правило, принципиально разные абонентские устройства. В зависимости от вида, формы представления и средств передачи информации выделяют сети для передачи телефонных и телеграфных сообщений, программ звукового вещания и телевидения, сотовой связи, передачи газет, фототелеграмм, компьютерных данных и др.

Для организации удаленного обмена данными используются сети передачи данных. При этом сообщения и файлы для передачи первоначально формиру­ются ЭВМ, затем часто с помощью модема направляются получателю. При этом модем может выполнять функции аналого-цифрового и цифро-аналогового пре­образователя, осуществляя как передачу, так и прием. Модемы позволяют двум ЭВМ обмениваться двоичными кодами, обычно по телефонной линии или по радиолинии [13, 26, 45, 55].

27

Термин МОДЕМ представляет собой сокращение двух слов МОДулятор/ ДЕМодулятор. От ЭВМ данные в виде импульсных цифровых сигналов (битов) поступают на модем, который преобразует (модулирует) их в аналоговый сиг­нал и посылает по телефонной линии на другой компьютер¹. Модулирование позволяет повысить помехозащищенность и дальность передачи, организовать

в одной линии связи несколько каналов связи. Модем другого компьютера при­нимает аналоговые сигналы из телефонной линии и преобразует (демодулиру-ет) их в исходные цифровые коды (рис. 1.6).

При трудностях использования проводных линий связи применяют радио­модемы, передающие данные с помощью радиосигналов. Есть модемы, работаю-

щие с сигналами в инфра­красном и оптическом диапазонах электромаг­нитных волн.

Модемы разделяют также по функционально­му назначению, например, голосовые или сотовые.

Цифровые Общедоступная телефонная сигналы сеть

Голосовые модемы на­зывают еще SVD. Они могут передавать не толь­ко обычные данные, но и голосовые сообщения.

Для этого они снабжаются микрофоном и динамиком. С их помощью могут реа-лизовываться функции автоответчика.

Сотовые модемы используются для организации связи телефона и ЭВМ.

Заметим также, что существуют так называемые цифровые модемы, предназначенные для передачи сигналов по цифровым каналам связи с помощью разнополярных импульсных посылок тока.

По конструктивному исполнению различают встроенные (внутренние) и внешние модемы.

Встроенный модем выполняется в виде печатной платы, которая устанавли­вается внутри системного блока компьютера. При этом ЭВМ необходимо под­ключить к линии передачи данных. Внутренние модемы обычно дешевле, чем внешние модемы.

Внешний модем представляет собой небольшую коробку, которая специаль­ными кабелями подключается к сети электропитания и разъему телефонной линии на задней стенке системного блока ЭВМ.

Существуют различные способы преобразования (модулирования) последо­вательности цифровых сигналов с выхода ЭВМ в аналоговые сигналы.

В теории связи различают: частотную, амплитудную и фазовую модуляцию. Возможны также их комбинации: амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная и др. [15,45,55,57].

Обычно модуляция осуществляется переменным напряжением синусои­дальной формы.

Синусоидальное (гармоническое) колебание характеризуется амплитудой А, периодом Т, частотой f и фазой ф (рис. 1.7). Период Т - время одного полного колебания.

Частота f - число совершаемых за одну секунду полных колебаний сигнала.

28

Частоту колебаний измеряют в герцах (Гц). Один герц соответс­твует колебательному процессу, при котором в одну секунду соверша­ется одно полное колебание. Если, например, в одну секунду происходит 1000 полных колебаний, то часто­та этих колебаний равна 1000 Гц. Частоту колебаний измеряют также в килогерцах (кГц) и в мегагерцах (МГц): 1 кГц = 1000 Гц, 1 МГц - 1000 кГц = 1000000 Гц.

Чем больше частота f колебаний, тем меньше их период: f = 1 /Т. Например, при частоте 1000 Гц получим Т = 1/1000 (сек), или 0,001 сек. Иными словами, при частоте в 1000 Гц одно полное колебание совершается за 0,001 сек.

>• со

Синусоидальные (гармонические) сигналы характеризуются не только амплитудой и частотой, но и фазой. Если взять некоторый момент времени за начальную точку отсчета, то фазу можно определить по времени (относи­тельно начальной точки), когда амплитуда сигнала примет нулевое значение. На рис. 1.8 показаны два гармонических колебания, одно из которых имеет фазу 0°, другое - фазу ф. Обычно фаза А , в пределах одного колебания опреде­ляется в градусах (от 0 до 360°) или в радианах (от 0 до 2л). Так, если сиг­налы 1 и 2 (см. рис. 1.8) имеют оди­наковую частоту и амплитуда первой нулевой точки сигнала 2 отстает от 1 на 1/4 Т, то фаза сигнала 2 по отноше­нию к 1 составляет ф = - 90°.

На рис. 1.9 приведены графики частотной и амплитудной модуляции цифро­вого сигнала. При демодуляции происходит обратное преобразование.

При частотной модуляции исходные биты данных, которые на выходе ком­пьютера, по сути, представляют собой импульсы постоянного тока (напряже­ния) одного из двух уровней «0» или «1», преобразуются в посылки переменного напряжения двух разных частот.

Если посылки переменного напряжения, которыми модулируются уровни «О» и «1», имеют одну частоту, но разные значения (амплитуды), то такая модуляция называется амплитудной.

В первых модемах применялась только частотная модуляция, которая при использовании в качестве линий связи обычных телефонных каналов не поз­воляет обеспечить высокую скорость передачи данных. Однако она обладает высокой помехоустойчивостью, так как обычно помехи влияют на амплитуду передаваемого сигнала, а не на частоту. Современные модемы используют час­тотную модуляцию только в начале работы, когда они в автоматическом режиме согласовывают параметры протоколов дальнейшей работы.

29

Суть фазовой модуляции состоит в том, что при передаче бита данных циф­ровому сигналу «О» или «1» сопоставляется сдвинутый по фазе на определен­ную величину синусоидальный сигнал [26, 56J.

Фазу полученного сигнала принимающий модем оценивает относительно предыдущего сигнала и по ней определяет значение передаваемого цифрового сигнала. Поэтому систему фазовой модуляции, реализуемой в модемах, зачастую называют фазоразностной модуляцией. Этим подчеркивается, что измеряется именно разность фаз между «соседними» сигналами. Система фазовой модуля­ции современных модемов позволяет сопоставлять каждой фазе, как правило, несколько бит. Так, если модем может различать фазы через каждые 45°, то каж­дому передаваемому сигналу можно сопоставить трехбитовый код (например, ООО - фаза 0°, 001 - фаза 45°, 010 - фаза 90° т.д.). Иными словами, тогда одним сигналом можно передать сразу 3 бита информации. Поэтому фазовая модуля­ция позволяет существенно повысить скорость передачи данных.

В современных модемах широко используется амплитудно-фазовый способ модуляции, представляющий собой комбинацию амплитудного и фазового спо­собов модуляции.

Для модемов существует ряд стандартных протоколов, регламентирующих их технические параметры и правила работы. Общепризнанными являются стан­дарты, выпускаемые МСТ (ITU) - Международным союзом телекоммуникаций (ранее МККТТ- Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии). Так, одним из последних протоколов V.92 возможная скорость приема данных определена - 56 Кбит/с, а скорость передачи - 48 Кбит/с.

14

Наиболее разветвленной сетью связи является Общегосударственная авто­матическая коммутируемая телефонная сеть (ОАКТС) [26]. Она представляет собой совокупность автоматических телефонных станций, специальных узлов коммутации каналов, линий телефонной сети и оконечных абонентских устройств. Эта сеть предназначена для удовлетворения потребностей населения, учреждений и организаций в передаче телефонных сообщений в пределах страны. Кроме того, ее каналы связи широко используются для передачи других видов сообщений: телеграфных, факсимильных и др., в том числе компьютерных данных. Заметим, что при передаче информации на большие расстоянии зачастую использует­ся несколько видов линий связи. Так, компьютерные файлы из Москвы могут направляться по каналам ОАКТС в Хабаровск, а затем уже по радиоканалу спут­никовой сети связи передаваться в Петропавловск-Камчатскую таможню. При информационном обмене через сеть Интернет, как правило, на некотором этапе приема-передачи электронных сообщений используется ОАКТС.

ОАКТС построена по определенным принципам. Вся территория страны разделена на зоны [26]. Зона - это часть территории, на которой все абоненты телефонной сети охватываются единой семизначной нумерацией. Территория зоны, как правило, совпадает с территорией административной области, края или республики. Каждой зоне присвоен трехзначный код. Внутри зоны абонентские аппараты (телефоны) имеют семизначные номера. В зоне могут использоваться шестизначные номера. Тогда перед ним добавляется цифра, обычно 0. Таких зон в бывшем СССР насчитывалось около 170, и до сих пор в странах СНГ сохраня­ется введенная ранее нумерация.

В свою очередь, зона может быть разделена на подзоны, которые обычно сов­падают с территориальными образованиями внутри зоны. В них пятизначная нумерация абонентских устройств. Для вызова абонента набирается код зоны (подзоны) из трех чисел, а затем номер абонента.

Зоновая телефонная сеть состоит из местных телефонных сетей, располо­женных на территории зоны. Местные телефонные сети подразделяются на городские, обслуживающие город и ближайшие пригороды, и сельские - обеспе­чивающие связь в пределах сельского административного района. Существуют также офисные автоматические телефонные сети, которые служат для внутренней связи предприятий, учреждений, организаций и могут соединяться с телефонной сетью общего пользования либо быть автономными.

Дальнейшее развитие сетей общего пользования связано с созданием цифро­вой сети связи России. Она формируется как самостоятельная сеть связи общего пользования и предусматривает выход в существующие сети общего пользова­ния на местном и международном уровнях. Существующая концепция поэтап­ного создания цифровой сети России в значительной мере базируется на вновь строящихся оптических и радиорелейных линиях связи. Для взаимодействия с существующими аналоговыми линиями она оснащается преобразователями.

На территории каждой зоны устанавливаются одна или несколько оконеч­ных автоматических междугородных телефонных станций (АМТС), которые соединяются между собой каналами по принципу «каждая с каждой». Для связи АМТС между собой и объединения зоновых телефонных сетей страны в единую общегосударственную сеть служит междугородная телефонная сеть. При этом сами АМТС являются оконечными станциями этой сети. Для их соединения между собой предусмотрены узлы автоматической коммутации первого класса (УАК-1) и второго класса (УАК-2).

Узлы УАК-1 соединяются между собой по принципу «каждый с каждым», обслуживают определенные территориальные районы (в СССР их было 12) и являются центрами сети радиально-узлового построения. Узлы автоматичес­кой коммутации УАК-1, являющиеся узлами высшего класса, объединяют УАК-2 и АМТС. Все АМТС, расположенные в зоновых сетях, являются оконечными станциями междугородней сети, а УАК - транзитными. При большой нагрузке между АМТС устанавливается непосредственная связь.

В зоновую телефонную сеть входят расположенные в пределах зоны город­ские телефонные сети (ГТС), сельские телефонные сети (СТС), а также внут­ризоновая телефонная сеть (рис. 1.10).

ГТС позволяет вес­ти переговоры с каж­дым абонентом своей сети, а также с абонен­тами учрежденческих телефонных станций и службами специаль­ного назначения (мили­цией, скорой помощью и др.) путем набора сокращенного номера.

При большом числе обрабатываемых сооб­щений в ГТС могут быть включены район­ные АТС (РАТС), узлы входящих сообщений (УВС) и (или) узлы исходящих сообщений (УИС). РАТС связаны между собой соединительными линиями также по принципу «каждая с каждой» либо через УВС своего района.

Каждая РАТС телефонной сети соединяется с УВС других узловых райо­нов сети исходящими, а со своим УВС - входящими соединительными лини­ями (СЛ). Нумерация абонентских линий на ГТС без узлов сообщений пяти­значная, причем первая цифра номера является кодом РАТС. На районных ГТС с УВС применяют шестизначную нумерацию, при этом первая цифра является кодом узлового района, а вторая - кодом РАТС.

При емкости телефонной сети более 500 тысяч номеров число пучков СЛ на сети с УВС становится очень большим, емкость их уменьшается, а эффек­тивность использования линий в них падает. Улучшение использования СЛ осуществляется путем укрупнения пучков, когда кроме УВС в районированную сеть вводят УИС. Территория города при этом делится на миллионные зоны, каждая из которых может включать до десяти узловых районов емкостью до 100 тысяч номеров каждый.

Концентрируемая на УИС исходящая телефонная нагрузка по крупным пуч­кам С Л поступает к УВС других узловых районов. В пределах узлового района РАТС соединяются между собой либо по принципу «каждая с каждой» либо через УВС, а с РАТС других узловых районов - через УИС и УВС. На ГТС с УИС и УВС применяют семизначную нумерацию: первая цифра номера опреде­ляет код миллионной зоны, вторая - код узлового района, а третья - код РАТС.

В заключение отметим, что абонентские линии являются линиями двухсто­роннего действия; СЛ между РАТС - линии одностороннего действия, поэтому для каждой РАТС необходимо иметь два вида пучков СЛ: один для исходящей связи, второй - для входящей.

Сельские телефонные сети охватывают более обширные территории, чем городские, но плотность телефонных аппаратов в них значительно меньше. Поэтому емкость АТС в сельских местностях значительно меньше, чем в городах.

Используют одно- и двухступенчатое построение СТС. При одноступенча­том построении, кроме центральной станции (ЦС), которая устанавливается в районном центре и является коммутационным узлом, выполняющим одновре­менно функции городской телефонной станции районного центра, имеются око­нечные станции (ОС). К ним, собственно, и подключаются абоненты сети.

На СТС из экономических соображений применяют двухступенчатое пос­троение сети, в которой кроме ЦС, ОС используют узловые станции (УС). В этом случае на СТС устанавливают ЦС, ОС и узловые станции (УС). Послед­ние служат для промежуточной коммутации ОС (см. рис. 1.10).

Характер деятельности таможенных органов предполагает широкое исполь­зование средств радиосвязи, особенно подвижной. Радиостанциями и радио­телефонами обеспечиваются сотрудники оперативных служб, принадлежащие таможенным органам автомобили, катера, вертолеты.

В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радио­связи занимают:

- системы бесшнуровых (беспроводных) телефонов (Cordless Telephony);

- системы персонального радиовызова - пейджинговые системы (Paging Systems);

• системы сотовой подвижной радиосвязи (Cellular Radio Systems);

• системы транковой связи;

- профессиональные (частные) системы подвижной радиосвязи. Общими тенденциями развития современных стандартов и систем подвиж­ной радиосвязи являются:

- переход на цифровые методы передачи речевых сообщений;

- внедрение методов разделения каналов связи и временного дуплексного разделения каналов передачи и приема;

33

• исключение прослушивания передаваемых сообщений, в том числе с при­менением методов шифрования сообщений;

• исключение несанкционированного доступа к передаваемым сообщениям и системе в целом;

• обеспечение автоматического роуминга абонентов;

• обеспечение возможности взаимодействия с Интернет;

• обмен видео и аудио данными;

- интеграция и взаимодействие сетей различных стандартов . Бесшнуровой телефон - это, по сути, обычный телефон, в котором нет шнура

между трубкой и базой телефона. Через его радиотрубку можно вести разгово­ры, находясь на расстоянии от нескольких сот метров до нескольких километров от базы. Пейджерные системы позволяют обмениваться короткими сообщения­ми, которые отображаются на специальном небольшом жидкокристаллическом дисплее.

Среди систем подвижной связи сегодня наиболее востребованы системы сотовой связи, а у спецслужб - системы транкинговой связи.

В 1947 г. BELL LABORATORIES представила сотовую концепцию, поз­волявшую повторно использовать частоты. Вся покрываемая территория разбивалась на небольшие участки - соты, в каждой из которых устанавливалась базовая станция с собственным набором частот, достаточным для обслуживания расчетного трафика. Абоненты системы имели радиотелефоны и поддерживали связь между собой через базовые станции. При этом в смежных сотах исполь­зовались различные частоты во избежание взаимных помех, но в отдаленных могли применяться одинаковые частоты (способ разделения каналов получил название FDMA - частотный). В последующем для увеличения числа каналов в сотовых системах стали применять временной (TDMA) и кодовый (CDMA) способы разделения каналов.

Сотовая концепция включает идею «переброски» сигнала (hang off) от соты к соте, благодаря чему абонент может свободно пересекать их границы, пере­ключаясь с одной базовой станции на другую. Поскольку каждой базовой стан­ции нужно обслуживать небольшую территорию, то и ее мощность (так же, как и мощность мобильных станций) не должна быть небольшой. Это, помимо все­го прочего, позволяет обходиться аккумуляторами (батарейками) сравнительно небольшой емкости.

Система сотовой связи строится в виде совокупности ячеек, или сот, пок­рывающих обслуживаемую территорию, например, территорию города с пригородами. Каждой ячейке ставится в соответствие некоторый участок территории и базовая станция. На схемах, поясняющих структуру и принцип действия сис­темы сотовой связи, ячейки обычно изображают в виде равновеликих, правиль­ных шестиугольников, что по сходству с пчелиными сотами и послужило пово­дом назвать систему сотовой [26, 57, 60].

В центре каждой ячейки находится базовая станция, обслуживающая все подвижные станции (абонентские радиотелефоны) в пределах своей ячейки (рис. 1.11). При перемещении абонента из одной ячейки в другую происходит

34

передача его обслуживания от одной базовой станции к другой. Все базовые станции системы, в свою очередь, замыкаются на центр коммутации, с кото­рого имеется выход во Взаимоувязанную сеть связи (ВСС) России, например, в городскую телефонную сеть общего пользования.

В реальной действительности ячейки никогда не бывают правильной гео­метрической формы. Они имеют неправильную форму, зависящую от условий распространения и затухания радиоволн (рельефа местности, характера и плот­ности застройки и т.п.). Более того, границы к вcс ячеек вообще не явля­ются четко определен­ными, так как рубеж передачи на обслужива­ние подвижной станции (носимого телефона) одной ячейки в сосед­нюю может в некоторых пределах смещаться с изменением условий распространения ра­диоволн и в зависи­мости от направления

движения подвижной станции. Точно так же и положение базовой станции лишь приближенно совпадает с центром ячейки. Если же на базовых станциях использу­ются направленные антенны, то эти станции могут оказаться на границах ячеек.

Система сотовой связи может включать более одного центра коммутации, что обусловлено, в частности, эволюцией развития системы или ограниченнос­тью емкости коммутатора. Возможна структура с несколькими центрами комму­тации, один из которых условно можно назвать «головным», или «ведущим».

Вызов может поступить из телефонной сети общего пользования (от або­нента, который набирает код доступа к сотовой сети и номер абонента сотовой сети), а также от другого абонента сотовой сети. Центр коммутации по принято­му номеру осуществляет идентификацию абонента (наличие регистрации або­нента, средств оплаты и т.д.). При успешной идентификации центр коммутации (центральная станция) передает избирательный вызов по всем вызывным кана­лам для всех базовых станций в зоне обслуживания.

Если вызываемый подвижный абонент свободен, его абонентская станция (радиотелефон) автоматически закрепляется за каналом вызова в одной из сот и, таким образом, становится готовой к приему вызова. При получении вызова абонентская станция автоматически передает подтверждение на частоте вызыв­ного канала и тем самым определяется местоположение абонентской станции относительно действующей базовой станции.

Далее центральная станция выбирает имеющийся в данной ячейке свобод­ный канал передачи и передает номер этого канала на абонентскую станцию.

35

Приняв номер, абонентская станция автоматически переключает номер на пре­доставленный канал передачи, по которому осуществляется обычная процедура вхождения в связь.

Во время разговора подвижный абонент обычно перемещается по зоне обслу­живания. Каждое соединение в процессе разговора контролируется с помощью специального (на особой частоте) сигнала. При этом аппаратура базовой стан­ции производит оценку отношения сигнал/шум этого контрольного сигнала и принимает решение о необходимости передачи обслуживания соединения другой базовой станции, находящейся в «лучшем положении». Для этого осу­ществляется ряд процедур поиска других базовых станций, которые могут обес­печить нужное качество разговора, закрепление выбранной новой базовой стан­ции за данным разговором, поиск нужного свободного канала в зоне действия этой станции, предоставление соединения через центральную станцию. Такая процедура называется перебросом вызова, который для абонента не заметен и его разговора не прерывает. В случае занятости всех каналов связи передача соединений на новые базовые станции не производится.

В своем развитии системы сотовой связи прошли три этапа (три поколе­ния). Современные сотовые аппараты могут работать в режиме передачи корот­ких SMS-сообщений (выполнять функцию пейджера), поддерживать связь с Интернет, работать с видео- и аудиоданными.

Если различные территории обслуживаются разными компаниями-операто­рами, они могут вступить в соглашение и создать единую сеть для обслуживания своих клиентов, т.е. обеспечить роуминг. Всякий раз, когда подвижный абонент выезжает за пределы своей зоны обслуживания, другая сотовая сеть автомати­чески примет переброс вызова и продолжит его обслуживать. Роуминг - фун­кция или процедура предоставления услуг сотовой связи абоненту одного опе­ратора в системе другого оператора. Там, где две местности обслуживаются различными операторами, соседствующими одна с другой, сотовая сеть может быть непрерывной.

Сотрудники МВД, таможенных органов, железнодорожники и специалис­ты других отраслей в своей деятельности давно и активно используют средства так называемой профессиональной радиосвязи. Абоненты такой системы имеют персональные радиостанции и с их помощью на выделенной частоте устанавли­вают связь между собой. Со временем этот вид связи получил развитие в виде транкинговых систем [16, 60].

Название «транкинговая» связь происходит от английского слова trunk (ствол) и подразумевает, что он в такой системе содержит несколько физических (как правило, частотных) каналов, каждый из которых может быть предоставлен любому из абонентов системы. Ранее транкинговой связи предшествовали сис­темы двусторонней радиосвязи, в которых каждая пара абонентов должна была иметь возможность доступа лишь к одному-двум конкретным каналам.

По принципу организации связи транкинговая частично похожа на сотовую. Как и в сотовой системе, в ней есть базовая станция, а пользователи имеют або­нентские аппараты - радиостанции. В простейшем случае система транкинговой

36

связи - это одна или несколько сот, но при несколько специфическом наборе услуг и большем радиусе действия соты. Базовая станция работает с некоторым набором частот, причем за абонентом нет жестко закрепленной частоты. Абоненту выделяется та частота, которая в данный момент свободна.

В системе транкинговой связи радиус соты может достигать 5-100 км (в зави­симости от того, ручные, передвижные или стационарные рации используются). Отсюда с неизбежностью вытекает большая, по сравнению с сотовой связью, мощность передатчика, больший расход энергии источника питания, габариты и масса абонентских аппаратов. При необходимости абоненты могут связывать­ся между собой не только через базовую станцию, но и непосредственно.

Число абонентов в транкинговой связи гораздо меньше, чем в сотовой, и ее основная функция - оперативная связь между двумя абонентами или группой абонентов с временем соединения от долей секунды до 1,0 с. При этом пользова­телю достаточно нажать одну кнопку на радиостанции и связь будет установле­на. Сотовые системы связи в отличие от транкинговых не обеспечивают такого быстрого соединения в силу специфики их построения. Следует также отметить, что надежность абонентской транкинговой радиостанции соответствует военно­му стандарту и позволяет использовать ее в экстремальных условиях достаточ­но длительное время. Именно эти два основных условия определяют область применения пользователем систем транкинговой связи. Они составляют основу оперативной связи специальных служб.

Даже если система транкинговой связи строится в виде нескольких ячеек (многозоновая система), что делается, в первую очередь? для расширения зоны действия, а не для повышения емкости, причем размеры зон остаются достаточ­но большими, централизованное управление совокупностью зон остается при этом ограниченным, равно как и передача обслуживания из зоны в зону.

К особенностям транкинговой связи относят также возможность группового режима связи, когда нескольких абонентов объединяют в группу, присваивая им единый номер. По этому номеру можно работать одновременно со всей группой. В рациях есть кнопки мгновенного аварийного вызова, через базовую станцию можно выходить в другие сети связи.

При передаче сообщений на большие расстояния или трудностях создания наземных станций для их пересылки используют спутниковую связь, которая нередко является частью канала, создаваемого абоненту для передачи сообщения.

Для организации информационного обмена на спутнике устанавливается специальная антенна - ретранслятор. По способу ретрансляции сигнала спутни­ковые системы делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией.

При пассивной ретрансляции бортовой ретранслятор представляет собой надувную металлизированную сферу, от которой сигнал наземной станции отра­жается и поступает к приемной антенне корреспондента. Отсутствие бортовой аппаратуры существенно уменьшает стоимость линии связи, однако к наземной станции приходит только слабый отраженный сигнал.

При активной ретрансляции на борту спутника устанавливают приемопе­редающую ретрансляционную станцию, обеспечивающую требуемый уровень сигнала.

37

При мощности бортового ретранслятора 10 Вт обеспечивается при­ем в полосе пропускания наземного приемника 20 МГц и более. Такая полоса достаточна для передачи сигналов многоканальной телефонии или телевидения. Таким образом, для магистральной телефонной связи и сети телевизионного вещания пригодны только активные спутники-ретрансляторы.

По типам используемых орбит ИСЗ спутниковые связи классифицируются следующим образом:

• высокоорбитальные, или геостационарные (GEO - Geostationary Earth Orbit) - с круговыми экваториальными орбитами высот около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 ч, т.е. спутник стано­вится неподвижным относительно Земли: он постоянно «висит» над одной и той же точкой экватора;

• среднеорбитальные (МЕО - Medium Earth Orbit) - с круговыми орбитами высотой порядка 10 тыс. км;

• низкоорбитальные (LEO - Low Earth Orbit) - с круговыми орбитами высотой 700-2000 км);

• высокоэллиптические (НЕО - Highly Elliptical Orbit) - с вытянутыми эллиптическими орбитами, имеющими радиус перигея порядка тысячи километ­ров и радиус апогея порядка одного или нескольких десятков тысяч километров.

Для повышения надежности работы спутниковой связи создаются наземные станции обслуживания, через которые обеспечивается, в частности, возможность перенаправления (при необходимости) сигнала на другой спутник.

Системы GEO имеют ряд преимуществ в организации глобальной связи. Чем выше находится спутник, тем больше зона уверенной ретрансляции на поверх­ности Земли, тем меньше нужно спутников для обеспечения охвата территории Земли. В системе GEO достаточно трех спутников, чтобы иметь зону, составля­ющую около 95% поверхности Земли.

С другой стороны, чем больше высоты, тем большую мощность должш иметь ретранслятор и абонентский аппарат, а чем ниже орбита, тем больше надо спут­ников. Так, спутниковая GEO-система «Ямал-100» имеет 3 спутника, МЕО-сис-тема «Odissey» - 12, LEO-система «Iridium» - 66, LEO-система «Globalstar» - 48. В то же время при низких орбитах спутников абоненты могут пользоваться абонентскими аппаратами, по размерам сопоставимыми с обычными сотовыми телефонами.

Количественная оценка информации

Оценка количества информации является очень важным показателем и зависит от многих факторов, зачастую трудно формализуемых. Одни и те же сведения для разных людей могут нести совершенно разное количество информа­ции. То, что одному давно известно, для другого может быть совершенно новым. Простая концентрация внимания позволяет получать больше информации. Существуют разные аспекты оценки количества информации [13, 31].

38

Возможна оценка информации по смысловому содержанию (ценности). При этом важно правильно определить критерий ценности. Например, для измерения смыслового содержания информации можно использовать тезаурусную меру, отражающую способность получателя информации воспринимать поступающее сообщение [12]. Тогда количество получаемой информации будет представлять собой некоторую функцию:

J=f(S*,Sn ),

где S* - смысловое содержание информации в сообщении;

Sn - тезаурус пользователя, измеряемый количеством воспринимаемой им информации.

Если информация используется для управления решением некоторой зада­чи, то ее ценность можно оценить по разности экономического эффекта, полу­ченного без учета и с учетом поступившего сообщения.

Впервые глубоко исследовали вопросы оценки количества информации Р. Хартли и К.Э. Шеннон.

Допустим, что в школе восемь классов (1, 2, 8) и нужно узнать, в каком учится Саша Иванов, задавая вопросы о номере класса и получая ответы типа «да» или «нет». Нетрудно показать, что минимальное число вопросов равно трем. Например, сначала можно спросить: номер класса больше 4? При ответе «нет», надо спросить: номер класса больше 2? После ответа достаточно задать еще один вопрос и задача будет решена. Таким образом, можно предложить оценить объем информации о номере класса, в котором учится Саша Иванов, по минимальному числу заданных вопросов (в данном случае это значение 3).

Подобную идею использовал американский инженер Р. Хартли, предложив­ший в 1928 г. оценивать количество информации по формуле:

J = log₂N,

где J - количество информации в одном из N равновероятных сообщений. Нетрудно заметить, что при подстановке в формулу Хартли N=8 (N - число классов) получится значение 3. Фактически в данном случае количество инфор­мации равно числу бит, необходимых для кодирования двоичным числом мак­симального номера класса (значения N).

При работе с ИС часто получаемая информация измеряется объемом памяти ЭВМ, необходимой для ее хранения. В этом случае находит применение форму­ла Хартли.

Более общую и строгую теорию количественной оценки информации дал американский ученый Клод Элвуд Шеннон в 1948 г.

Он предложил оценивать количество информации числовой характеристи­кой, отражающей неопределенность (неполноту знаний), которая исчезает после получения сообщения. Меру неопределенности, которая снижается при переда­че информации, Шеннон предложил называть энтропией (этот термин первона­чально появился в термодинамике; в статистической физике энтропия рассмат­ривается в качестве меры вероятности пребывания системы в данном состоянии).

39

Очевидно, количество информации зависит от вероятности получения сообщения о том или ином событии. Так, если бы мы знали возраст Саши Иванова, то вполне возможно потребовалось бы меньше вопросов для определения класса.

Если в результате получения сообщения достигается полная ясность об объ­екте, то энтропия становится равной нулю.

Допустим, передается сообщение со сведениями о некоторой системе X. Пусть неопределенность знаний получателя о системе X (до получения сооб­щения) определяется энтропией Н(Х). После получения сообщения энтропия стала Н*(Х). Тогда количество полученной при этом информации

J(X) = Н(Х) - Н'(Х).

Если же после получения сообщения достигнута полная ясность о системе X, то Н*(Х) = 0 и соответственно J(X) = Н(Х).

Передачу дискретных сообщений всегда можно свести к передаче соответс­твующих чисел. Даже если информация отражает качественно разные состояния (явления), то, пронумеровав их, можно передачу сообщений свести к передаче соответствующих чисел. Так, при передаче текста можно пронумеровать буквы алфавита и передавать числа. Любая информация, находящаяся в памяти ком­пьютера, также представляет собой набор двоичных чисел.

При выводе формул для оценки количества информации и меры неопреде­ленности Шеннон исходил из следующих соображений.

Пусть источник дискретных сообщений выдает последовательность элемен­тарных сообщений-чисел {х,, х₂,... ,х_т}, каждое из которых соответствует одному из возможных состояний системы X. Тогда совокупность этих элементарных сообщений можно назвать алфавитом, а число m - объемом алфавита. При пере­даче текста элементарное сообщение - это буква обычного алфавита; при пере­даче команд алфавитом будет перечень возможных команд; при передаче сооб­щения о состоянии системы - перечень возможных состояний системы и т.п.

Допустим, что при получении символа х. однозначно определяется состоя­ние источника сообщения (системы X) в момент передачи. Чем меньше вероят­ность Р_: состояния х., тем больше информации получится при приеме символа х.

Если ранее уже было известно состояние источника, то полу­чение символа х., не дает никакой дополнительной информации (полученная информация равна нулю). Иными словами, количество информации, которую несет символ х. должно быть функцией от априорной (известной до передачи) информации о вероятности Р. того, что источник в момент его передачи нахо­дился в состоянии х..

К. Шеннон изменение энтропии при получении символа х. предложил вычис­лять по формуле

J(_Xi) = -K₀logP,

где коэффициент К₀ и основание логарифма а определяют единицу измерения количества информации. Чтобы энтропия была положительной, перед форму­лой проставлен знак «-» (логарифм отрицателен для чисел <1).

40

В общем случае символы имеют разную вероятность. Поэтому теория веро­ятностей предлагает для оценок использовать усредненную величину, которая определяется как сумма произведений значений отдельных параметров на их вероятность. Поэтому итоговая формула К. Шеннона для энтропии источника сообщений имеет вид

Если принять все состояния системы X равновероятными (т.е. Р. = то энтропия

Нетрудно показать, что в формуле Шеннона всегда величина Н(Х) < log_am. Она равна log_a m только в том случае, когда все вероятности Р. одинаковы (Р. =1/ш). С точки зрения теории вероятностей последнее утверждение объяс­няется тем, что знание вероятностей дает нам некоторые дополнительные апри­орные знания об информации, получаемой с символом. Незнание вероятностей заставляет предположить, что все символы равновероятны, т.е. максимальная энтропия (максимальное незнание) имеет место при P. =1/т.

Формулы для оценки количества информации и энтропии вводились аксио­матически в предположении следующих допущений:

а) энтропия Н непрерывна относительно своих аргументов;

б) при Р. - 1 значение J(x.) = 0;

в) если все события равновероятны, то энтропия максимальна и определяет- ся формулой

где п - число возможных исходов (событий);

г) если выбор распадается на два последовательных этапа, то исходное зна- чение энтропии Н будет взвешенной суммой отдельных значений. Это означает, что при последовательной передаче символов х. и х_к количество информации, вносимое этой парой символов, равно сумме количеств информации, вносимой х. и добавляемой х_к.

Примем за единицу количество информации, содержащееся в сообщении о том, что произошло одно из двух равновероятных и независимых событий. Тог­да, очевидно, Р; = l/2(i = 1,2), и достаточно одного сообщения, чтобы иметь полную информацию о состоянии объекта. Причем при поступлении сообщения х. энтро­пия станет равной нулю, т.е. количество поступившей информации J(x.) = Н(Х).

41

Будем считать, что при представленных выше условиях поступившее сооб­щение приносит единицу информации. Тогда

Вышеприведенное равенство выполняется при а=2 и К₀=1. Если же систе­ма будет иметь m равновероятных состояний, то получим J(X) = log₂m = Н_макс. Последний частный результат есть не что иное, как формула Р. Хартли.

Формула J=log₉ m фактически позволяет оценить максимально возможное количество информации, полученной при передаче одного символа (одного сообщения).

Если известна энтропия Н max и от источника сообщений получено N симво-

^г *

лов, то максимально возможное количество информации, переданное с сообще­ниями, равно NxH_max.

При передаче цифровой информации в качестве единицы измерения энтро­пии используют двоичную единицу - бит.

Пусть с помощью двоичного кода передаются буквы алфавита, содержащего п = 32 символа, и при приеме сообщения необходимо однозначно определить букву. Тогда, если вероятности появления символов одинаковы, максимум энт­ропии при передаче-приеме одного символа

Эта средняя информация на символполучена в предположении «абсолютно хаотического текста», когда порядок следования букв при передаче независим.

Допустим, в алфавите из А символов пересылаются сообщения в виде слов длиной L (обычно данные пересылаются с помощью равномерных цифровых кодов, т.е. кодов одинаковой длины). При этом возможно N = A^L разных слов. Поэтому при передаче одного слова получатель будет иметь информацию в объеме

J = log₂N = Llog₂A(6n_T).

Если вероятности появления двоичных символов различны, то среднее изме­нение энтропии при получении одного символа:

Следова­тельно, источник сообщений на основе русского алфавита имеет коэффициент избыточности:

R «1-1,5/5 = 0,7.

Заметим, что в общем случае для обеспечения достоверной передачи данных по каналам связи избыточность необходима, так как в процессе передачи сооб­щения могут искажаться. Наличие избыточности позволяет даже при наличии искажений понимать смысл сообщения.

На практике часто последующая информация зависит от предыдущей, поэтому существует вероятность появления символа х_к после символа х..

42

Тогда при получении очередной буквы некоторого текста можно предугадать последующие.

Рассмотрим определение энтропии в случае, если символы имеют не только разные вероятности P(x_s ), но и зависят один от другого. Обозначим Р(х_к/х.) условную вероятность появления символа х_к, если предшествующим был х.. Тогда количество информации, получаемой с символом х., определится как условная энтропия

символы которой имеют разную вероятность. Тогда среднее количество инфор­мации, или энтропия источника с взаимозависимыми и неравновероятными символами, определяется выражением

Наконец, для равновероятных, но взаимозависимых символов получим: Энтропия источника и объем информации, получаемой с одним символом, достигает максимума, если символы независимы и равновероятны.

Если при передаче данных на канал связи воздействуют помехи, то под их воз­действием символ х. может измениться наложный символ х. Обозначим вероят­ность такой замены через Р(х./ х.), а энтропию ложных символов - Н(Х/Х*).

В таком случае количество получаемой информации с учетом ошибок пере­дачи определяется формулой

J(X/X*) -Н(Х) - Н(Х/Х*), а значение Н(Х/Х*) находится по аналогии с источником сообщений, выдаю­щим взаимозависимые и неравновероятные символы.

При сильных помехах вероятность ошибки, определяемая переходными вероятностями Р(х_; / х. ), может достигать значений Р_пш - 0,5, что равнозначно обрыву канала.

Выше рассматривались формулы вычисления количества информации для случая, когда передача сообщений осуществлялась в дискретной форме. Сущест­вуют особые формулы для источников непрерывных сообщений, которые харак­теризуются тем, что в каждый момент времени t сообщение x(t) может прини­мать бесконечное множество значений с бесконечно малой вероятностью каж­дого из них.

Важно отметить, что количественная оценка информации до сих пор явля­ется не до конца решенной проблемой, хотя имеются и широко применяются способы оценки пропускной способности сетей передачи данных, вычислитель­ных сетей, оценки помехозащищенности сетей связи, расчета характеристик БД и методов кодирования и т.д.

43

Скорость передачи информации и полоса пропускания линии связи

Количество информации, передаваемой по каналу в единицу времени, называют скоростью передачи информации. Скорость передачи информации по каналам связи оценивается числом бит информации, передаваемых к ее получателю в течение одной секунды (бит/с).

Заметим, что на первых этапах развития электросвязи каждое изменешк информационного параметра, несущего сигнал, давало получателю один бит информации, а скорость передачи оценивалась в бодах (оценивалась скорость передачи телеграфных данных, когда каждый «элементарный» сигнал перено сил один бит информации). В настоящее время скорость передачи оцениваю i в бит/с, поскольку каждое изменение информационного параметра сигна­ла современных средств передачи данных может переносить информацию в несколько бит.

Если от некоторого источника В по каналу связи передается s символов в еди­ницу времени, а среднее количество информации на один символ равно Н(В). то скорость передачи информации определяется выражением С = s Н(В).

При передаче сообщений цифровыми сигналами (при условии их равной вероятности и независимости) максимум энтропии для источника В с числом символов алфавита m определяется формулой H(B)_max - log₂ m.

Максимально возможную скорость передачи информации называют про­пускной способностью канала связи. Она определяется соотношением

Переменные в формуле пропускной способности зависят от ряда физических характеристик линии связи, мощности источника сообщений и шумов в канале связи.

Пропускная способность определяется не только физическими характерис­тиками проводящей среды (симметричные, коаксиальные или волоконно-опти­ческие кабели, витая пара и др.), но и спектром передаваемых сигналов. К числу наиболее важных физических характеристик линий связи относят затухание и полосу пропускания [26, 50].

Параметры линий связи обычно оценивают применительно к сигналам сину­соидальной формы. Если на один конец линии связи, не имеющей усилителей, подать синусоидальный сигнал фиксированной частоты и амплитуды, то на дру­гом конце получится ослабленный сигнал, имеющий меньшую амплитуду.

Затухание характеризует уменьшение амплитуды или мощности сигнала при прохождении по линии связи сигнала определенной частоты или диапазо­на частот. Для проводных кабелей затухание измеряется в децибелах на метр и вычисляется как

где Рвых и Рвх - соответственно мощность сигнала на входе и выходе линии

Ныл Ил

длиной 1 м.

21

Затухание зависит от частоты сигнала. На рис. 1.12 показана типичная форма амплитудно-частотной характеристики, характеризующей затухание сигналов разной частоты. Из графика, изображенного на рисунке, следует, что чем ниже модуль затухания, тем более качественной является линия связи (логарифм числа меньше 1 - всегда отрицательное число).

Затухание - важнейший параметр для линий связи в вычислительных сетях, причем стандарты устанавливают определенные значения величины затухания

0,5

Частота, Гц

для различных типов кабе­лей, применяемых при созда­нии вычислительных сетей. Так, линия соединения в ви­де витой пары 5 категории для внутренней проводки должна иметь затухание не ниже 23,6 дБ, а 6 категории -не ниже 20,6 дБ при часто­те 100 мГц и длине линии 100 м. Типичные значения величины затухания кабелей на основе оптоволокна будут 0,15-3 дБ на 1000 м.

Полоса пропускания представляет собой непрерывный диапазон частот, для каждой из которых отношение амплитуды выходного сигнала к амплитуде входно­го должно быть не меньше некоторой величины. Часто это соотношение принима­ют равным 0,5 (рис. 1.12). Полоса пропускания измеряется в герцах (Гц). Разность значений крайних частот диапазона называют шириной полосы пропускания.

Фактически полоса пропускания - это интервал частот, используемый отде­льным каналом связи для передачи сигналов. При проведении различных расче­тов важно знать максимальное значение частоты данной полосы (v_m), поскольку именно она определяет возможную скорость передачи информации по каналу.

Передатчики, посылающие сигналы в линию связи (адаптер или модем) характеризуются мощностью, уровень которой определяется в децибелах на милливатт (дБм) по формуле:

P=101gP (дБм),

где Р - мощность в мВт.

Важной характеристикой проводных линий связи (витой пары, коаксиаль­ного кабеля и др.) является волновое сопротивление. Это полное (комплекс­ное) сопротивление, измеряемое в омах, которое встречает распространяющаяся по кабелю электромагнитная волна определенной частоты. Для снижения зату­хания необходимо добиться соответствия выходного волнового сопротивления передатчика волновому сопротивлению линии связи.

Поскольку сигнал любой формы можно получить, просуммировав несколь­ко сигналов синусоидальной формы с разной частотой и амплитудой, то набор частот, которые надо просуммировать, чтобы получить требуемый сигнал, назы­вают спектром сигнала.

45

Если какие-то частоты из спектра сильно затухают, то это отражается на форме сигнала. Очевидно, качество передачи сигналов существенно зависит от полосы пропускания. Так, согласно стандартам для качественной передачи телефонных разговоров линия связи должна иметь поло­су пропускания не менее 3400 Гц.

Существует корреляция между полосой пропускания и мак-симальной про­пускной способностью, которую установил К. Шеннон:

G -F log, (1 + Р_с/Р,„) бит/сек, где G - максимальная пропускная способность; F - ширина полосы пропускания, Гц ; Р - мощность сигнала; Р - мощность шума.

Определение мощности сигнала и шума - достаточно сложная задача. Одна­ко существует другая формула, полученная Найквистом, для случая дискретных сигналов, которую можно применить при известном числе состояний информа­ционного параметра:

G =2 F log₂ М (бит/сек),

где F - ширина полосы пропускания, Гц;

М - число возможных состояний информационного параметра.

Из этой формулы следует, что при М=2 (когда каждое изменение параметра сигнала несет один бит информации) пропускная способность равна удвоенно­му значению полосы пропускания.

При влиянии помех (шумов) на передаваемые символы некоторые из них могут искажаться. Тогда с учетом ранее приведенных формул для энтропии количество получаемой информации и пропускная способность канала связи уменьшатся.

Для случая передачи равновероятных цифровых символов и одинаковых вероятностей замены при передаче значений 1(0) на ложные 0(1) максиматьная пропускная способность определяется выражением

График, иллюстрирующий зави­симость отношения С /s (количест-во передаваемой информации, поделен­ное на число символов) от Р , представ­лен на рис. 1.13.

22