Линии связи

Линии связи предназначены для образования каналов связи, используемых на различных участках компьютерных сетей. Они включают передатчик, приемник сигналов и среду передачи. Эта структура аналогична структуре канала связи, но отличается тем, что в одной линии связи может быть образовано от одного до нескольких тысяч каналов - все зависит от типа передающего и приемного устройств и среды передачи. Каналы в линии связи образуются путем частотного, временного или кодового уплотнения линии. Частотное уплотнение используется при передаче аналоговой информации, например, речевой в телефонных сетях связи. Для организации каналов методом частотного уплотнения всю доступную полосу пропускания линии разделяют на участки, выделяемые для одного канала. Между участками оставляют защитные разделительные полосы для исключения искажений. Для дискретных каналов связи используют метод временного уплотнения. Для этого каждому каналу поочередно выделяют определенный временной промежуток, в котором осуществляется передача сигналов от данного канала. При кодовом разделении каналов цифровые сигналы от каждого канала кодируются индивидуальным кодом, позволяющим разделить каналы на приемном конце линии. Для организации двусторонней передачи необходимо использовать две линии связи. В линии, содержащей один канал, уплотнение не производится, она по сути,

является и линией и каналом связи.

В зависимости от длины линии связи делятся на магистральные (5 км. и более) и местные.

Однако такое деление весьма условно, так как практически имеется потребность в линиях связи

(каналах) любой длины - от десятков метров до сотен и тысяч километров. Если линии связи необходимой длины не существует, создаются составные линии, содержащие аппаратуру переприема. Рассмотрим классификацию линий связи:

Кабельные линии Кабель состоит из свитых попарно медных проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также,

возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В магистральных линиях передачи используются специальные многожильные кабели, позволяющие организовать многоканальную телефонную связь и передачу данных на большие расстояния. В

компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой и оптоволоконные кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (рис.2.1). Витая пара существует в экранированном варианте, когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и

неэкранированном, когда экранирующая обертка отсутствует. Скручивание проводов позволяет компенсировать наводки от внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Рис.2

Радиорелейные линии связи.

Спутниковые линии связи.

Рис.3

Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции.

Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, отличающихся конструкцией и характеристиками и используемых в сетях различного типа - магистральных, локальных, в

радио и телевизионных системах.

Устройство:

1 - медная жила

2 - изоляция

3 - медная оплетка

4 - мягкая пластмасса

Рис.1

Особенности:

1.Широкая полоса пропускания, и, следовательно, высокая пропускная способность, эффективная работа на расстояниях 100 - 1000 м., хорошая защищенность от электромагнитных помех и низкий уровень радиоизлучения.

2.Коаксиальный кабель дешевле, чем оптоволоконный, но он сложнее в эксплуатации, поскольку:

oВходное и выходное сопротивления соединяемых устройств должны быть согласованы с волновым сопротивлением кабеля (равны).

oБольшое количество разъемов при последовательном соединении компьютеров в локальных сетях с шинной структурой приводит к частому нарушению контактов.

oЧувствительность к различным уровням напряжения заземления оплетки кабеля, что существенно при подключении аппаратуры, питающейся от разных электрических подстанций.

Оптоволоконный кабель состоит из тонких (5-60 микрон) волокон из высококачественного оптического стекла, по которым распространяются световые сигналы. Световой сигнал - это пучок света, формируемый лазером или другим устройством и промодулированный по яркости информационными битами. На приемном конце располагают фотоприемник, принимающий световой сигнал. Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше обеспечивает полную защиту данных от внешних помех и от перехвата.

Состоит кабель из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна,

окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки.

Конструкции оптического кабеля:

1 - источник сигнала,

2 - оболочка,

МОД - модулятор света по яркости,

ФП - фотоприемник (декодирование сигнала)

Рис.1

1- ОВ,

2- полиэтиленовая трубка,

3- силовой элемент,

4и 5 - соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

Рис.2

Взависимости от соотношения показателя преломления сердцевина/оболочка и от величины диаметра сердцевины различают:

многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления,

многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления,

одномодовое волокно.

Понятие "мода" описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля.

Водномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра - от 5 до

10 мкм. Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550 нм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. В волокно такого маленького диаметра достаточно сложно точно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях используются более толстые внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 мкм и 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике световой луч отражается от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим распространения каждой моды имеет более сложный характер. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания и обеспечивают скорость передачи от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы пропускания происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод. Для таких кабелей применяется свет с длиной волны 1330 нм и 840 нм.

Типы оптического кабеля

Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления.

Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления.

Одномодовое волокно.

Рис.2

В качестве источников излучения света в оптоволоконных кабелях применяются:

светодиоды,

полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только когерентные источники излучения - например,

полупроводниковые лазеры, по двум причинам. При таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Кроме того, светодиод создает световое излучение, содержащее свет с различными длинами волн. Поскольку скорость распространения световых сигналов с разными длинами волн неодинакова, на вход приемника составляющие светового пучка приходят с различным запаздыванием, в результате чего фронт принимаемого светового сигнала размывается, и при декодировании возникают ошибки. Соответственно, при этом снижается дальность передачи.

Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Светодиоды могут излучать свет с длиной волны 850 нм и 1300 нм. Лазерные излучатели работают на длинах волн 1300 и 1550 нм. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать световой поток с частотами 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счет чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока светодиодов.

Распространение света в проводнике:

Рис.3

На выходе размытый сигнал. Как бороться с размытым сигналом?

Используют тонкий оптоволоконный проводник

Источник сигнала берут таким, чтобы он излучал волны одной частоты и скорости распространения были одинаковыми (т.е. надо использовать монохромный излучатель)

Особенности оптоволоконного кабеля :

1.Высокая пропускная способность, небольшая величина погонного затухания и , следовательно,

большие расстояния передачи, отсутствие шумов, вызывающих ошибки при передаче,

невозможность перехвата передаваемой информации вследствие отсутствия внешних излучений.

2.Возможность создания многоканальной линии путем применения нескольких передающих лазерных пучков.

3.Невосприимчивость к электромагнитным помехам.

4.Кабели хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью.

5.Сложно выполнять ответвления (трудность соединения с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля).

6.Высокая стоимость кабеля, оборудования и монтажа.

Радиолинии наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн, размещаемых на Земле. Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью действия. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (КВ,СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции по типу используемого в них метода модуляции сигнала,

обеспечивают дальнюю связь, но мало пригодны для передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие в диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых наиболее часто используется частотная модуляция, а также в диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ). В

диапазонах УКВ и СВЧ сигналы не отражаются ионосферой Земли и не огибают Земной шар,

поэтому для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используются либо в спутниковых линиях, либо в радиорелейных, где это условие выполняется.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну,

проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

дифракция на сферической выпуклости Земли;

Напряженность поля в точке приема зависит также от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов. Радиолинии, используемые в компьютерных сетях, должны иметь достаточно высокую скорость передачи, т.е. занимать часть диапазона частот, обеспечивающую передачу спектра соответствующего сигнала. Потребная полоса частот радиолинии определяется энергетическими параметрами радиолинии, т.е.

мощностью передатчика, чувствительностью приемника, коэффициентами усиления приемной и передающей антенн, а также уровнем помех на трассе распространения сигнала.

Диапазон частот для сетей ЭВМ выбирают из следующих соображений:

1)Он должен иметь достаточный частотный ресурс для обеспечения создания высокоскоростных каналов,

2)Иметь необходимую дальность распространения,

3)Соответствовать требованиям "Регламента радиосвязи" - международного стандарта,

разрабатываемого Международным Союзом электросвязи. Регламент определяет распределение частот для различных служб, использующих радиочастоты, на всех континентах и в акваториях Земного шара.

С этой точки зрения для сетей ЭВМ подходят диапазоны волн с длинами от 1.0 метра и короче,

вплоть до миллиметровых волн. Они имеют достаточно высокую емкость и наименее подвержены промышленным и естественным помехам.

Радиолинии прямой видимости

Радиорелейные линии

Для организации спутниковой радиолинии необходимы две земные станции и спутник,

обращающийся на орбите вокруг Земли. Комплекс Земных станций, один или несколько спутников, обращающихся на околоземной орбите, и систему управления ими называют системой спутниковой связи (ССС). Принципиально возможны два пути организации связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ):

пассивного типа, имеющих большую отражающую поверхность для падающих радиоволн,

активного типа, имеющих на борту приемопередатчики соответствующего диапазона волн,

приемопередающие антенные устройства и устройства электропитания.

С системами пассивного типа эксперименты проводятся уже несколько десятков лет, но,

несмотря на использование пассивных спутников различного типа, пока не удалось получить на Земле устойчивого отраженного сигнала, достаточного для создания надежной радиолинии.

Системы активного типа обеспечивают устойчивый радиосигнал и ныне активно применяются для создания радиолиний дальней связи самого различного назначения, в том числе и для использования в компьютерных сетях. В сравнении с наземными линиями связи,

организуемыми по кабельным линиям, спутниковая связь обладает такими преимуществами,

как короткое время развертывания, возможность ее использования в труднодоступных районах,

мобильность. При достаточном энергетическом потенциале радиолинии может быть организован канал с широкой полосой пропускания, а значит и с высокой скоростью передачи.

К недостаткам спутниковых радиолиний следует отнести подверженность внешним помехам,

возможность постановки прицельных преднамеренных помех, что важно для военных и других радиолиний, требующих высокой надежности, возможность перехвата информации,

передаваемой по радиолинии, высокую стоимость эксплуатации. В ряде применений ограничительной является большая задержка сигнала, обусловленная большой длиной радиолинии земля - спутник - земля и обратно. Для ИСЗ с высокими орбитами она может достигать 0.3 с. при распространении сигнала в одном направлении, а с учетом обратного канала - до 0.6 с.

Типы используемых орбит.

По этому признаку все ССС делятся на

системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите,

системы с космическими аппаратами на высокоэллиптической орбите,

системы с космическими аппаратами на низких и средних высотах орбиты

Спутники на средних высотах перемещаются относительно земных станций, зоны взаимной радиовидимости через них меньше, поэтому требуется использование земной станции - шлюза,

либо межспутниковых линий связи, позволяющих передать сигнал на тот спутник, в зоне видимости которого находится приемная земная станция. Однако при этом число спутников,

находящихся в зоне видимости земной станции, может составлять 2 - 3 и более, что позволит выбрать для связи спутник, находящийся под большим углом к земной поверхности. Для

организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5 - 7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700 - 1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.

Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5 - 8 лет.

Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а,

следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников,

сложная система межспутниковых связей для ретрансляции сигналов, сложная система управления для поддержания постоянства орбитальной группировки. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо,

чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10 - 15 мин.

Эллиптические орбиты

Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В

настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом - Borealis, Archi-medes, "Молния", "Тундра" (табл. 2). Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, ИСЗ будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.