5.     КАНАЛЫ СВЯЗИ МЕЖДУ УК И КОРПУСОМ РАДИОСПЕЦИАЛЬНОСТИ

На данный момент существует 3 основных способа соединения отдельно стоящих зданий. Самый старый способ соединения по телефонной линии. Стоимость такого подключения минимальна. Для этого необходимо в лучшем случае выделить канал телефонной сети, по которому организуется связь. С обоих концов устанавливается по модему. Оба модема настраиваются на максимальную скорость. Преимущества такого подключения заключаются в том, что стоимость такого соединения включает только стоимость двух модемов и сервера подсети,  т.к.  линии уже проложены. Основные недостатки такого соединения заключаются в том,  что телефонные линии прокладывались для передачи речи, и абсолютно не предназначены для передачи данных. На некоторых участках телефонной линии изоляция нарушена, за счет чего даже передача речи затруднена, поэтому скорость передачи данных  в  таком  соединении не превышает 33,6 кБит/с при условии выделения отдельной линии. Кроме того возможны частые сбои. Расчет соединения таким  способом  представлен в пункте 5.1.2. Еще большее улучшение качества связи и увеличение скорости передачи данных без прокладки новых линий таким способом невозможно.

Улучшение качества связи и увеличение скорости передачи без прокладки новых линий, при отсутствии прямой видимости между объектами возможно осуществить с помощью радиомостов. Радиомодемы работают по протоколу Ethernet с единственным отличием, что скорость передачи меньше - 2МБит/сек. Радиомосты работают на СВЧ частотах, что дает возможность передавать данные через железобетонные конструкции, внутри строений. Т.к.  мощность помех на таких частотах мала, то и для передачи не требуется  большой мощности. Использование направленной антенны увеличивает   дальность передачи до 40 км., повышает защищенность передаваемой  информации. Расчет соединения с помощью радиомостов представлен в пункте 5.2.2.

 Прокладка же новой линии стоит дороже чем стоимость кабеля, поэтому если прокладывать кабель,  то прокладывать не телефонную пару, а сразу высокоскоростной кабель,  с  запасом  по  пропускной способности.  При расстоянии менее 100 метров между зданиями есть смысл прокладывать витую пару,  но при увеличении расстояния к стоимости кабеля добавляется стоимость UTP трансиверов, которые требуют источников питания, и в таком случае есть смысл соединять отдельно стоящие здания с помощью оптоволокна, т.к. скорость передачи по оптоволокну ограничивается только  аппаратными  возможностями , количество каналов,  которое  можно организовать по одной паре волокна очень велико,  срок службы такого кабеля составляет 25 лет, он не подвержен электромагнитным помехам, коррозии. Соотношении скорость/стоимость при таком соединении намного выше,  чем при соединении по  витой паре. Расчет соединения по оптоволокну представлен в пункте 5.3.2.

5.1     Соединение корпуса радиоспециальности ДВГМА по телефонной линии

5.1.1     Стандарты на модемы

Стандарты протоколов обмена для модемов установили фирма Веll и Комитет СС1ТТ. Под протоколом подразумевается способ организации связи между двумя устройствами. Фирма Bell.Она больше не разрабатывает стандартов для модемов, но некоторые из ее старых стандартов используются до сих пор. Большинство новых модемов удовлетворяет стандартам CC1TT. Этот Комитет представляет из себя международный совет экспертов, существующий под эгидой ООН, и в него входят представители как крупнейших компаний в области связи (например, АТ&Т), так и государственных организаций.

CC1TT разрабатывает самые разнообразные стандарты и протоколы, поэтому один и тот же модем, в зависимости от его возможностей и предназначения, часто должен удовлетворять сразу нескольким стандартам CC1TT. Стандарты на модемы можно разделить на три группы.

• Стандарты модуляции:

Ве11 103, Ве11 212А, СС1ТТ V.21, СС1ТТ V.22bis, CC1TTV.29, CC1TTV.32,CC1TT V.32bis.

• Стандарты на коррекцию ошибок: CC1TTV.42.

• Стандарты на компрессию (сжатие) данных: CC1TTV.42bis.

Существуют и стандарты, разработанные другими фирмами; их обычно называют фирменными стандартами, хотя в большинстве случаев полные описания таких протоколов опубликованы, и другие фирмы-изготовители могут выпускать модемы в соответствии с ними. Наиболее популярны следующие фирменные стандарты.

• Модуляция: НSТ, РЕР, ВIS.

• Коррекция ошибок: Hayes

• Компрессия данных: ММР 5, СSР.

Почти все современные модемы называются Hayes-совместимыми, но это относится не к протоколам обмена, а к командам управления. Так как почти каждый модем использует систему команд фирмы Hayes, совместимость в этом отношении обеспечивается автоматически, и при выборе модема об этом можно не задумываться.

Стандарты модуляции

Для передачи данных с помощью модемов используется модуляция (само слово модем — это сокращение от модулятор-демодулятор). Чтобы передающее и приемное устройство "понимали" друг друга, в них должен использоваться один и тот же способ модуляции. При разных скоростях передачи данных используются свои методы модуляции, но иногда и пере­дача с одной и той же скоростью может осуществляться различными способами.

Наиболее распространены следующие способы модуляции: частотная манипуляция (ЧМ), фазовая манипуляция (ФМ) и амплитудно-фазовая модуляция (АЧМ). ЧМ является разновидностью частотной модуляции. При этом способе частота несущей сигнала, передаваемого по телефонной линии, изменяется определенным образом, и эти изменения декодируются принимающим устройством. ФАМ — это разновидность фазовой модуляции, при которой изменяется фаза сигнала, а его частота остается постоянной. Наконец, при АЧМ одновременно изменяются и фаза, и амплитуда сигнала, что позволяет передавать больше информации, чем первыми двумя способами.

V103. Стандарт со скоростью передачи данных 300 бит/с, принят в США и Канаде, Тип модуляции — ФМ, каждому состоянию сигнала соответствует один бит. В большинстве быстродействующих модемов этот протокол предусмотрен, хотя он и устарел.

V 12. Стандарт со скоростью передачи данных 1200 бит/с, принят в США и Канаде. В нем используется дифференциальная фазовая манипуляция (ДФМ), скорость передачи — 600 бод, в каждом состоянии сигнала кодируются два бита данных.

V.21. Международный стандарт передачи данных со скоростью 300 бит/с, подобный Ве11 103. Из-за различий в используемых частотах модемы V103 несовместимы с модемами V.21. Этот стандарт используется, в основном, за пределами США.

V.22. Международный стандарт передачи данных со скоростью 1200 бит/с. Он подобен V21, но не совместим с ним, в частности, по способу ответа на вызов. Этот стандарт используется, в основном, за пределами США.

V.22bis. Международный стандарт передачи данных со скоростью 2400 бит/с. (Слово bis означает "второй", т.е. улучшенный вариант стандарта V.22.) Он используется как в США, так и в других странах. В .нем применяется амплитудно-фазовая модуляция (ФАМ), скорость передачи 600 бод, в каждом состоянии сигнала кодируются четыре бита.

V.23. В этом стандарте предусмотрена передача данных со скоростью 1200 бит/с в одном направлении и 75 бит/с — в обратном. В результате модем оказывается псевдодуплексным, т.е. он может обмениваться данными в обоих направлениях, но с разными скоростями. Стандарт V23 был разработан для того, чтобы снизить стоимость модемов со скоростью передачи данных 1200 бит/с, которые в начале 80-х годов были довольно дорогими. Он используется, в основном, в Европе.

V.29. В этом стандарте определяется полудуплексный (однонаправленный) способ передачи данных со скоростью 9600 бит/с. Обычно он используется в факсимильных аппаратах (факсах) так называемой группы III и очень редко — в модемах. Поскольку указанный стандарт полудуплексный, соответствующие устройства оказываются существенно проще, чем те, что работают в дуплексных высокоскоростных режимах. В стандарте V.29 определены не все требования к модемам, поэтому устройства разных серий редко оказываются совместимыми друг с другом. Однако параметры факсимильных аппаратов в нем определены полностью.

V.32. Это стандарт дуплексной (двунаправленной) передачи данных  со  скоростью 9600 бит/с. В нем определены методы коррекции ошибок и способы установления связи. Модуляция — амплитудно-фазовая с так называемым ячеистым кодированием, скорость передачи 2400 бод, каждому состоянию сигнала соответствуют четыре бита. При ячеистом кодировании вместе с каждой группой из четырех бит передается дополнительный контрольный бит. Это позволяет оперативно производить. коррекцию ошибок в приемном устройстве что, в свою очередь, повышает устойчивость модемов, работающих в стандарте V.32, к шумам в линиях передач. Так как даже при однонаправленной передаче данных со скоростью 4600 бит с используется практически вся полоса пропускания телефонной линии, в модемах V.32 реализуется сложная процедура прослушивания ответного сигнала, т.е. собственные передаваемые сигналы периодически отключаются, и принимаются ответные сигналы модема -"корреспондента". До последнего времени распространение модемов, работающих в стандарте V.32, сдерживалось их сложностью и высокой стоимостью. Однако недавно появились дешевые комплекты микросхем, разработанные специально для этих целей, и V.32 постепенно превращается в общепринятый стандарт передачи данных со скоростью 9600 бит/с.

V32.bis. Стандарт V32bis — это относительно недавно появившееся расширение V.32 со скоростью передачи данных 14 400 бит/с. В нем применяется модуляция АФМ (2400 бод, шесть бит в каждом состоянии). Благодаря ячеистому кодированию связь получается весьма надежной. Протокол V32bis обеспечивает дуплексную связь. Если качество телефонной линии невысокое, модемы переключаются в обычный режим V.32. Несмотря на свою новизну, этот стандарт, благодаря своей высокой производительности и помехоустойчивости, уже становится общепринятым при работе в современных высококачественных телефонных сетях.

Протоколы коррекции ошибок

Под коррекцией ошибок подразумевается способность некоторых модемов обнаруживать ошибки, возникшие при передаче, и самостоятельно повторять передачу тех данных, которые были повреждены. Для того, чтобы это было возможно, оба модема должны работать в одном стандарте, К счастью, большинство изготовителеи модемов придерживаются одних и тех же протоколов.

V.42. Протокол коррекции ошибок V.42 построен на основе 4-й версии ММР, который рассматривается далее. Так как в стандарте V.42 предусмотрена совместимость с МMР, все работающие в стандарте ММР 4 устройства могут устанавливать связь с модемами V.42. В рассматриваемом стандарте используется процедура LАРМ. Этой процедурой, как и протоколом ММР, предусмотрена автоматическая повторная передача испорченных данных, что гарантирует прохождение через модемы только достоверной информации. Стандарт V.42 превосходит ММР 4, так как обеспечивает за счет интеллектуальных алгоритмов более высокую (на 20%) скорость передачи данных.

Стандарты компрессии данных

В некоторых модемах данные перед передачей "упаковываются", что позволяет сэкономить время и деньги на оплате услуг междугородней связи. В зависимости от типов передаваемых файлов, их размер может уменьшиться в два раза по сравнению с первоначальным, что фактически удваивает быстродействие модема.

V.42bis. Стандарт компрессии данных V42bis, разработанный СС1ТТ,  аналогичен ММР 5, но степень сжатия при его использовании примерно на 35% выше. Стандарт V42bis несовместим с ММР, но почти во всех модемах V42bis предусмотрен режим работы в стандарте MMP.

В зависимости от способа компрессии, реальная скорость передачи данных может увеличиться в четыре раза. Этот факт часто становится основой для недобросовестной рекламы: например, утверждают, что    пропускная способность модема — 9600 бит/с, хотя на самом деле это устройство со скоростью передачи данных 2400 бит/с, работающее в стандарте V42bis, и такая пропускная способность реально достижима только при передаче текстовых файлов, сжать которые можно очень существенно. Сейчас изготовители модемов V.42bis-9600 бит/с аналогичным образом заявляют о том,  что их пропускная способность — 38,4 кбит/с, ни слова не говоря о компрессии данных.

Стандарт V42bis  лучше, чем ММР 5, в том смысле, что в нем сначала производится анализ данных и определяется, нужно ли их компрессировать. После этого производится сжатие только тех данных, для которых это необходимо. Некоторые файлы уже бывают "упакованы" (программами ARJ, PKZIP и др.), и попытка компрессировать их еще раз приводит к увелиению их размеров. По протоколу MMP 5 попытки сжать данные предпринимаются всегда, что уменьшает реальную пропускную способность при передаче ранее упакованных файлов. В стандарте V.42bis компрессия производится только в том случае, когда она дает выигрыш.

Для связи в стандарте V.42bis должен быть использован протокол V.42. Поэтому в модемах с компрессией данных в стандарте V.42bis, естественно, предполагается коррекция ошибок в соответствии со стандартом V.42. В результате совместного использования обоих протоколов обеспечивается безошибочная передача данных с максимальной компрессией.

Фирменные стандарты

Наряду с протоколами модуляции, исправления ошибок и компрессии данных, являющимися промышленными стандартами и признанными или введенными CC1TT, некоторые фирмы разработали свои протоколы и используют их без официального одобрения. Некоторые из этих протоколов получили широкое распространение и стали в каком-то смысле "псевдостандартами".

Наибольшим успехом пользуются протоколы МХР фирмы М1сгосот. Эти протоколы исправления ошибок и компрессии данных используют и другие изготовители модемов. Пользуются известностью также протоколы модуляции НSТ фирмы US Roboticks, Благодаря активной пропаганде своих изделий, упомянутые фирмы сумели завоевать значительную часть рынка сбыта. Мы рассмотрим сейчас эти и некоторые другие фирменные стандарты.

НSТ. Этот модифицированный полудуплексный протокол модуляции со скоростями передачи данных 14 400 и 9600 бит/с разработан фирмой. US Roboticks Хотя сейчас он довольно широко распространен, по-видимому, вскоре он "сойдет со сцены" по мере все более широкого внедрения стандарта V.32. В модемах НSТ передача данных в одном направлении производится со скоростью 9600 или 14 400 бит/с, а в обратном — 300 или 450 бит/с. Такой протокол очень удобен для интерактивных обменов. Так как схемы подавления эха при этом не используются, стоимость модемов не слишком высока.

Фирма US Roboticks выпускает также модемы со стандартными протоколами и модемы, работающие в двух стандартах — V32bis и

НSТ. Такие модемы позволяют соединяться практически с любым "партнером" и передавать данные с максимально возможной в данной ситуации скоростью.

DIS. В устройствах, использующих этот про­токол модуляции (9600 бит/с) фирмы Сотри-Сот, применяется так называемая динамическая стабилизация импеданса. благодаря которой удается повысить помехозащищенность системы, по сравнению со стандартом V.32 (речь идет, по-видимому, об оперативной подстройке согласования передатчика и приемника с линией связи). Сами модемы довольно дешевые, но их, так же, как HST, производит только одна фирма. По-видимому, по мере снижения стоимости модемов V.32 и V32bis этот фирменный стандарт исчезнет.

MMP. Протокол ММР позволяет обнаруживать и исправлять ошибки по всему тракту прохождения сигналов, т.е. модемы замечают возникающие при передаче сбои и запрашивают повторную передачу испорченных данных. В стандартах ММР некоторых уровней предусматривается компрессия данных.

При разработке МMР были определены различные классы устройств, различающихся тем, какие из возможностей полного протокола ММР в них реализованы. Большинство современных модемов относятся к классам 1 - 5. Обычно к более высоким классам относятся устройства, производимые самой фирмой Megosot, поскольку характерные для них возможности реализуются только в рамках фирменного протокола.

Преимущество протокола МMР заключается в его способности исправлять ошибки, но устройства, относящиеся к классам 4 и 5, отличаются еще и повышенной производительностью, а в классе 5, кроме того, предусмотрена компрессия данных в реальном времени. Низшие классы стандарта не представляют особого интереса для владельцев модемов.

• МMР класс 4. К нему относятся устройства с повышенной производительностью, которая достигается за счет использования специальных приемов кодирования. Благодаря этому пропускная способность повышается примерно на 5%, хотя реальное ее увеличение зависит от типа связи и может достигать 25 - 50%.

• МMР класс 5. В устройствах этого класса используется адаптивный алгоритм компрессии данных в реальном времени. Производительность может быть увеличена в два раза, но фактическое ее повышение зависит от типа передаваемых данных. Наилучшие результаты достигаются при передаче текстовых файлов, программные файлы сжимаются хуже. Однако при работе с уже упакованными файлами (например, программами ARJ, РКZIР и др.) производительность снижается, поэтому в системах типа ВВЗ этот стандарт обычно не используется.

V29bis. Протокол Hayes используется фирмой Hayes в некоторых своих устройствах. По мере распространения дешевых модемов, работающих в стандартах V.32 и V.32bis (той же фирмы Hayes), протокол V29bis используется все реже. Он представляет из себя модифициро­ванный протокол V. 29, который иногда называют "протоколом игры в пинг-понг", так как при трансляции сигналов в двух направлениях поочередно организуются два канала передачи данных: один высокоскоростной, а другой — "медленный".

СSР. Протокол СSР  фирмы СоmриСоm обеспечивает коррекцию ошибок и компрессию данных в модемах 018 фирмы СоmриСоm.

Рекомендации по выбору модема

Сейчас стоимость модемов со скоростью передачи данных 9600 бит/с снизилась примерно до 100 долларов. Вполне приличный модем со скоростью передачи данных 14 400 бит/с может стоить меньше 200 долларов.

В большинстве устройств сейчас предусматривается несколько способов коррекции ошибок и компрессии данных. Основываясь на полученных ранее сведениях, можно подобрать модем с оптимальным сочетанием быстродействия, надежности исправления ошибок и компрессии данных. По-видимому, наиболее универсальным является модем Соиrier фирмы US Roboticks, который может работать как в соответствии с протоколом V32bis, так и в собственном стандарте фирмы. Более того, предусмотрена возможность переключения в стандартV42bis со скоростью передачи данных 38,4 кбит/с. Это означает, что данный модем может работать практически с любым "партнером", причем последний сможет полностью реализовать все свои возможности, и эффективность связи будет зависеть только от последнего. Единственный недостаток указанного модема — его высокая стоимость (которая, правда, постепенно снижается), но большие возможности устройства оправдывают дополнительные расходы.

5.1.2     Связь с помощью модемов

Состояние телефонных  линий на сегодняшний день в Академии оставляет желать лучшего. Чтоб по возможности улучшить качество связи (повысить скорость  передачи) необходимы  каналы по которым будут связываться корпуса выделить на АТС,  освободив их таким образом от дребезжания реле и шумов усилителей. После этих преобразований на канал связи будет влиять только наводимые помехи на линию.

По исследованиям журнала PC Magazine из всех модемов ,которые присутствуют на рынке на данный момент, соотношение цена/производительность самая высокая у модема US Robotics Courier 33.600. Этот модем поддерживает все существующие на сегодняшний день протоколы. Дополнительно в этом модеме присутствует фирменный US Robotics протокол,V2. Если на линии связывается два таких модема, то используя этот протокол возможна скорость до 56,6 кБит/сек. Желательно использование модемов во внешнем исполнении, т.к. при зависании встроенного модема, необходимо перегружать весь компьютер, что останавливает работу сети. При зависании внешнего модема,  необходимо перегружать только сам модем. В связи с тем, что модем может работать только с компьютером, необходимо в каждой точке доступа установить компьютер-сервер связи.  Для этих целей подойдет компьютер с минимальной конфигурацией,  которая предлагается фирмами по продаже компьютеров на данный момент. Т.к. всего 4 точки доступа, то необходимо 4 компьютера. (рис.5)

      Рис. 5.

Сервер связи, который располагается в УК-1 должен поддерживать 4 модема, т.к. компьютер обычной конфигурации поддерживает только 2 COM порта, то необходимо еще плату расширения COM портов. Каждый компьютер снабжается сетевой платой. Компьютеры находящиеся в 8 экипаже и УК-1 работают с обоими вертуальными сетями, следовательно им необходимо по 2 сетевые платы.

Для того, чтобы серверы связи могли разделять данные между модемами и сетевыми платами по сетевым адресам, необходимой операционной системой является OC Windows NT Server. Данная ОС хорошо зарекомендовала себя как сетевая операционная система. Кроме этого данная ОС осуществляет поддержку большого количества встроенного и внешнего оборудования на сервере, является мультизадачной  операционной системой, использующей защищенный режим работы процессора.

В последующем при объединении корпусов каким-нибудь другим способом эти точки доступа можно использовать для решений задачи удаленной связи в сеть Академии.

5.2     Соединение корпуса радиоспециальности ДВГМА по радиоканалу

5.2.1     Радиомодемы и виды передачи радио-Ethernrt

Передача цифровых потоков по радиоканалу не является новейшим достижением науки и техники, однако раньше применение соответствующих систем ограничивалось их высокой стоимостью и ориентацией на стационарных пользователей и большие объемы трафика. В начале 90 гг. произошел технологический прорыв в области производства компонентов СВЧ- оборудования и обработки цифровых сигналов, что привело к перевороту на рынке средств радиосвязи. Принятие международных стандартов, выделение новых частотных диапазонов, а также обвальное падение цен на аппаратуру способствовали интенсивному развитию этой отрасли за рубежом.

В последнее время объединение территориально-распределенных компьютеров в единую радиосеть с целью решения коммерческих задач стало не только технически целесообразным, но и экономически выгодным. Всплеск спроса на сетевое радиооборудование - это не временное явление, поскольку современные хозяйственные механизмы нуждаются в эффективной и мобильной связи для большого числа пользователей, а эту возможность предоставляет только радио.

Обширная номенклатура радиооборудования, предлагаемого различными компаниями, может быть разделена на следующие категории.

Компактные радиорелейные системы с пропускной способностью 2-20 Мбит/с. Дальность связи более 100 км обеспечивается за счет сегментирования линии по 15-30 км. Полный комплект оборудования для одного сегмента стоит не менее 30 тыс. дол.

Радиомодемы производительностью 0,1-2 Мбит/с используются для быстрого построения персональных линий связи длиной до 100 км. Могут применяться в режиме радиорелейных линий. Пара модемов и сопутствующее оборудование стоят около 10-20 тыс. дол.

Сетевое радиооборудование предназначено для беспроводного объединения множества пользователей, которые распределены на площади до 1 км², в общую сеть, подобную кабельной. Это оборудование также позволяет объединять ЛС, разнесенные на расстояния до 15 км. Пропускная способность - до 10 Мбит/с. Стоимость пары мостов, необходимых для связи двух сетей, составляет приблизительно 5 тыс. дол.

Технология ШПС

Возможность одновременной работы, осуществляемой в асинхронном режиме, независимых многопользовательских радиосистем в общей частотной полосе наиболее эффективно обеспечивается кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access, CDMA). Этот метод множественного доступа к каналу связи основан на применении широкополосных (или шумоподобных) сигналов (ШПС), которые часто обозначают и термином Spread Spectrum ("распределенный спектр"). В системах связи используются, в основном, два метода получения широкополосной несущей: кодовая фазовая модуляция, или метод прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS), и кодовая перестройка частоты, или метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS).

Следует отметить, что термин ШПС не вполне приемлем при описании коммерческих систем связи, поскольку в них относительная ширина спектра сигналов не превышает 3% . Это приводит к неполному использованию преимуществ ШПС (база - более 10 тыс., относительная полоса - свыше 20%). К сожалению, ШПС с большой базой недоступны для коммерческих систем связи, поскольку национальные стандарты для гражданских систем связи ограничивают ширину спектра сигналов. Всеми "достоинствами" такого вида сигналов пользуются только военные. Однако системы FSSS для диапазона 900 МГц, использующие 3% полосы частот, имеют некоторое преимущество перед другими системами с точки зрения интерференционных замираний.

ШПС получил свое название в связи с тем, что его энергия равномерно распределена в широкой полосе, а это характерно для шумовых процессов. Спектр ШПС должен быть много шире передаваемого информационного сигнала. Следует подчеркнуть, что, в отличие от шума, ШПС является периодическим сигналом. Его период определяется длиной образующего кода, которая в большинстве случаев весьма невелика. В качестве образующего кода DSSS обычно используются бинарные псевдослучайные последовательности. Чем длиннее код, тем вероятнее появление блоков различной длительности и "шумоподобнее ШПС". Большинство систем DSSS применяют для кодирования 11-символьную последовательность Баркера. Ширина спектра DSSS определяется длительностью одного элемента кода. В случае формирования ШПС по методу частотных скачков каждому элементу кода соответствует конкретная частота. При этом спектр ШПС характеризуется большей равномерностью в полосе частот и, следовательно, большей шумоподобностью.

При передаче информации с помощью ШПС длительность каждого информационного символа соответствует периоду кодовой последовательности. Для наложения информационного сигнала на широкополосную несущую используются стандартные приемы амплитудной, частотной или фазовой модуляции. Отношение ширины спектров шумоподобной несущей и информационного сигнала, называемое базой ШПС (processing gain), определяет коэффициент подавления помех по мощности (примерно квадратный корень из величины базы ШПС ). Для систем DSSS база ШПС соответствует числу элементов образующего кода. Если частоты несущих не повторяются и их спектры не перекрываются, то база сигнала FHSS равна количеству парциальных переключаемых несущих.

При передаче информации с помощью ШПС требуется синхронизация приемной и передающей сторон по несущей частоте, по тактовым частотам кода и информационного сигнала. Абоненты беспроводной сети должны быть синхронизированы по этим параметрам при вхождении в связь. Протоколы работы радиосети обязательно включают в себя передачу специальных синхронизирующих последовательностей при пересылке каждого пакета, что ограничивает пропускную способность сети. Инициирующие последовательности содержат также идентификационные коды, которые призваны сделать "взаимоневидимыми" сети, работающие в одном диапазоне.

Идентификаторы не изолируют две (или более) независимые системы связи на физическом уровне. До тех пор, пока базы используемых ШПС малы, корреляционная обработка не способна "подавить" мешающие ШПС. Во избежание коллизий пакетов требуется, чтобы протокол обеспечивал "молчание" всех устройств, находящихся в пределах радиовидимости, пока хоть одно из них работает в режиме передачи. Практически, при одновременной работе нескольких территориально перекрывающихся независимых сетей пересылка пакета в любой из них приводит к переводу в режим ожидания всех устройств в остальных сетях. Это неизбежно n-кратно снижает пропускную способность каждой из них (n - число таких систем). Ухудшение пропускной способности связано и с задержками распространения сигнала. Так, при дальности связи 3 км протокол доступа в сети Radio-Ethernet должен обеспечивать защитные интервалы не менее 10 мкс, а при 30 км - 100 мкс; отсюда - необходимость накопления пакетов и более продолжительное использование радиоканала.

Пропускная способность радиоканала ограничивается его шумовыми характеристиками и полосой пропускания. В диапазонах 900 МГц и 2,4 ГГц ширина канала не превышает 22 МГц. С учетом распределения энергии информационного сигнала по широкополосной несущей (база ШПС не менее 11) его реальная ширина составляет не более 2 МГц, что соответствует пропускной способности порядка 1-2 Мбит/с . Когда применяются более сложные виды модуляции и достигнуто хорошее отношение сигнал/шум в радиоканале, можно увеличить пропускную способность до 8-16 Мбит/с. Для построения систем с пропускной способностью до 10 Мбит/с требуется использование более высоких диапазонов (например, 5,8 ГГц), которые позволяют обеспечить информационную полосу более 20 МГц.

Независимые системы, расположенные на одной территории и одновременно работающие в общей полосе частот, являются основным источником помех друг для друга. В беспроводных систем Radio-Ethernet, ограничения помехоустойчивости связаны с желанием разработчиков максимально увеличить пропускную способность: большинство таких систем используют ШПС с минимальной разрешенной стандартом базой (11 для систем DSSS и около 50 для систем FHSS). После корреляционной обработки выигрыш в соотношении сигнал/помеха составляет не более 10-16 дБ. Поэтому задача разделения независимых пользователей в беспроводных компьютерных сетях решается, в основном, за счет ограничения величины эффективно излучаемой мощности. Благодаря применению специальных сетевых протоколов взаимовлияние близко расположенных передатчиков приводит лишь к ухудшению эффективной пропускной способности канала, но не к срыву связи.

Для сравнения характеристик аппаратуры различных производителей удобно использовать классификацию компании Aironet, поскольку оборудование этой фирмы получило широкое распространение в России:

сетевые адаптеры или карты (Client Card) обеспечивают соединение компьютеров по радиоканалу как между собой, так и с устройствами доступа к сети или сетевыми мостами. Устанавливаются в слот расширения (MCA, ISA, PCMCIA) или на параллельный порт компьютера; устройства доступа (Access Point) служат для того, чтобы подключать по радиоканалу к кабельной сети (Ethernet или Token Ring) компьютеры, оснащенные сетевыми радиокартами  (рис. 6) ; беспроводные мосты (Bridge) (рис 7)предназначены для объединения территориально разнесенных компьютерных сетей; подключаются к сетевому кабелю. Отдельные компьютеры, оборудованные сетевыми радиоадаптерами, могут подключаться к ним по радиоканалу; ретрансляторы (репетиры) применяются, если требуется повысить дальность связи или преодолеть влияние препятствий; специальное антенно-фидерное оборудование используется при необходимости увеличить энергетику радиолинии или обеспечить требуемую диаграмму направленности антенн.

       Сетевые радиокарты

         Рис.  5

        Беспроводный мост

          Рис. 6

Характеристики оборудования разных фирм удобно сравнивать по техническим параметрам беспроводных мостов - самых критичных устройств в составе беспроводных сетей наиболее распространенных конфигураций. Такие устройства являются сложными радиосистемами, включающими в себя приемопередатчик для СВЧ-диапазона с устройствами синхронизации и антенно-фидерным трактом; корреляционный приемник; сетевой и системный контроллеры; блок питания. Сравнительная характеристика используемых в России беспроводных мостов приведена в таблице 5.

Дальность связи в пределах прямой видимости ограничивается только энергетикой радиоканала. Для увеличения дальности и "обхода" препятствий на трассе применяются ретрансляторы. Метеоусловия (дождь, снег, туман и др.) в диапазонах частот менее 6 ГГц не оказывают заметного влияния на характеристики радиоканала, однако лед и снег ухудшают параметры антенны. Надежность и дальность связи сильнее всего страдают от амплитудных замираний, которые возникают в связи с интерференцией радиоволн, отраженных от препятствий и поверхности Земли. В России широко используется наращивание энергетики радиоканала за счет мощного передатчика (500 мВт = 27 дБ/м) и антенн с большим усилением (24 дБ), поскольку эффективно излучаемая мощность (до 50 дБ/м) не ограничена стандартом (36 дБ/м), принятым в США.

Значения дальности связи, приведенные в таблице, определялись при помощи штатных антенн. Дальность связи внутри помещения (офиса или склада) зависит от его размеров, загруженности мебелью, наличия перегородок, а также расположения антенн. Оптимальным считается размещение антенн на высоте 2 м от пола. При связи между зданиями применение вынесенных высоконаправленных антенн позволяет увеличивать дальность пропорционально корню квадратному из коэффициента усиления антенны. Так, две параболические антенны (коэффициент усиления 23 дБ = в 200 раз) обеспечивают максимальную дальность связи до 20 км. Однако неизбежные потери в антенных кабелях (10-15 м; 0,2 дБ/м) сокращают дистанцию надежной связи. При отсутствии прямой видимости между антеннами, связь практически невозможна.

В рассматриваемых системах в основном применяются следующие типы антенн:всенаправленные штыревые (диполи) с усилением около 2 дБ (могут быть установлены прямо на карты и мосты); всенаправленные с усилением около 11 дБ используются для организации зоны устойчивого доступа; директорные со средними коэффициентами усиления (8-16 дБ) могут применяться с любым типом оборудования; апертурные (усиление 20-30 дБ) используются для обеспечения максимальной дальности связи (обычно устанавливаются на мачтах).

Мы не рассматриваем сетевое радиооборудование диапазона 900 Мгц, поскольку в России этот диапазон лицензирован для радиотелефонии и оборудование диапазона 2,4 ГГц здесь более популярно. Следует отметить, что в Северной Америке оборудование беспроводных компьютерных сетей разрабатывалось с учетом возможности безлицензионного использования частот в диапазонах ISM. В Российской Федерации подобные системы в обязательном порядке должны быть зарегистрированы в органах государственного надзора, что приводит к значительным дополнительным расходам и непредсказуемым увеличениям сроков развертывания систем.

Радиочастотные параметры беспроводного сетевого оборудования, выпускаемого всеми производителями, определяются американским стандартом FCC'94. Требования этого стандарта призваны минимизировать взаимные помехи пользователей, что достигается в основном за счет ограничения излучаемой мощности и спектральной плотности сигналов. Эффективно излучаемая мощность сигнала (EIRP) аппаратуры, включающая в себя коэффициент усиления антенны, не должна превышать +36 дБ/м, а спектральная плотность излучаемого сигнала +8 дБ/м (6 мВт) в полосе 3 кГц. Действует также ряд других ограничений, например база сигнала систем DSSS не может быть менее 11. Для систем FHSS использование одной частоты ограничено временем 400 мс в интервале 20 с, что соответствует базе около 50. Фиксируя минимальную базу сигналов FHSS, стандарт предопределяет их лучшую помехозащищенность.

Деление диапазона на несколько частотных полос, обусловлено желанием производителей снизить уровень взаимных помех, создаваемых независимыми радиосетями, которые работают на одной территории. Однако в целях удешевления аппаратуры каналообразующие устройства (канальные фильтры) не применяются, а соответственно, близкое расположение работающего на другой частоте источника помех приводит к ухудшению функционирования системы связи. Несмотря на то, что широкополосные несущие сигналы (обозначенные в таблице как FHSS и DSSS) обеспечивают подавление узкополосных и импульсных помех, проблема помехоустойчивости каналов связи стоит весьма остро, поскольку диапазон 2,4 ГГц широко используется индустриальными и бытовыми СВЧ-устройствами.

Беспроводные мосты большинства производителей обеспечивают подключение только к кабельным сетям Ethernet. Часть производителей выпускает несколько модификаций мостов, допускающих подключение к сетям Token Ring, Arcnet и LocalTalk. При этом сетевой протокол радиосегмента является прозрачным для протоколов, применяемых в кабельных частях сети. Для управления сетевым оборудованием многие производители используют стандартный протокол SNMP.

Довольно большую область беспроводной передачи данных можно разделить на три подобласти: мобильная связь, передача данных внутри зданий и между зданиями. Конечно, эта классификация достаточно условна, однако нам кажется, что она верно отражает основные виды задач, решаемых средствами беспроводной связи. Технические решения, применяемые в этих областях, значительно отличаются друг от друга.

Внутри зданий к беспроводным технологиям прибегают прежде всего тогда, когда кабельные работы невозможны (по техническим, организационным или экономическим причинам) либо когда необходимо обеспечить обмен данными с пользователями, перемещающимися в пределах зданий. Последнее не следует путать с мобильной связью: речь идет не о реализации обмена информацией непосредственно в процессе движения, а о возможности работать в сети из любой точки помещения (здания). Для таких применений имеется специальный термин - "роуминг" (от английского "roam" - слоняться, блуждать). Беспроводные сети передачи данных внутри зданий весьма широко распространены на Западе - именно это и есть та самая область для применения новых технологий, о которой говорилось выше. Наиболее типичными примерами применения этой технологии являются:разнообразные складские системы и системы автоматизированного учета для крупных предприятий розничной торговли (сотрудники перемещаются по большому залу, не теряя связи с центральной базой данных и диспетчерской; в базу данных немедленно заносится вся информация о движении товаров, а сам сотрудник может получать из диспетчерской очередные задания); большие больницы (медицинский персонал перемещается из палаты в палату, и все изменения в историях болезни немедленно попадают в информационную систему больницы); биржи (маклеры передвигаются по залу с ноутбуками в руках, не теряя при этом связи с сетью); производственные предприятия (прокладка кабелей к рабочим местам понизу затруднена наличием бетонного пола, а поверху - разнообразным подвесным оборудованием); различные временные инсталляции - вроде сетей на промышленных выставках и семинарах.

Как видно из этого перечня, на Западе беспроводные технологии часто применяются в пределах здания - прежде всего для того, чтобы обеспечить некоторые дополнительные удобства. В конце концов, склады, больницы, биржи и супермаркеты отлично функционировали и до изобретения средств передачи данных по радио. В России же, наоборот, беспроводные технологии передачи данных используются преимущественно вне зданий. Первое и главное, для чего они нужны в нашей стране, - это организация информационного обмена на сравнительно большом расстоянии. Причин тут две.

Первая из них - отсутствие разветвленной кабельной инфраструктуры, точнее заметное отставание этой инфраструктуры от требований интенсивно развивающегося российского рынка. Эта ситуация характерна для всех стран, в экономике которых происходят быстрые изменения. Качественная связь нужна немедленно, а развертывание кабельных систем может занять значительное время. Поэтому часто бывает полезно в качестве временного решения установить оборудование для беспроводной передачи данных - пока будет создаваться достаточно развитая кабельная система, это относительно недорогое оборудование успеет окупиться.

Вторая причина -низкая плотность населения и частое отсутствие вообще какой-либо инфраструктуры. Для того чтобы обеспечить связь с небольшим поселком или, скажем, буровой вышкой, нецелесообразно прокладывать кабельную линию. Куда удобнее установить радиомост и "прокачивать" данные по нему. Подчеркнем, что справедливость этого соображения не напрямую зависит от уровня развития экономики страны - в любом случае, тянуть кабельную линию на десять километров для обслуживания дюжины человек экономически неоправданно.

В ряде крупных городов России уже развернуты опорные сети с беспроводным доступом. Они, во-первых, расширяют возможности использования крупных информационных ресурсов и Internet, а во-вторых, позволяют организовывать корпоративные сети примерно так же, как это делается с помощью кабельных сетей. В тех городах (а таких пока большинство), где нет городских опорных сетей, организация может создать свою собственную беспроводную сеть, объединив радиомостом две удаленные друг от друга ЛС.

Обратимся к технологиям передачи данных на радиочастотах. Для полноты картины скажем, что беспроводную связь можно организовать и в инфракрасном диапазоне (соответствующее оборудование выпускает, например, компания Transformation Techniques). При этом обеспечивается очень высокая скорость обмена данными (до 155 Мбит/с), однако дистанция связи ограничена пределами прямой видимости; к тому же на работу в данном диапазоне частот оказывают очень сильное влияние различные атмосферные явления (в дождь и снег канал связи может вообще перестать работать). Дальность такой связи не слишком высока, а цены на оборудование (особенно скоростное и "дальнобойное") могут составлять более сотни тысяч долларов. Поэтому в дальнейшем мы сосредоточимся на технологиях передачи данных в СВЧ-диапазоне.

Широкополосная модуляция сигнала

Все способы передачи данных по беспроводным (как, впрочем, и по кабельным) сетям можно разделить на две большие группы - с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов. В первом случае между обменивающимися информацией устройствами устанавливается постоянное соединение, поддерживаемое в течение всего сеанса связи независимо от того, передаются данные или нет. В результате пропускная способность канала связи расходуется довольно неэкономно, но зато прием и передача информации происходят практически синхронно (с поправкой на время распространения сигнала по каналу).

Напротив, при передаче информации с коммутацией пакетов канал связи загружается только в тот момент, когда есть что передавать. Данные упаковываются в пакеты, в заголовках которых указывается адрес назначения, а коммутационная аппаратура сети обеспечивает доставку пакетов по адресу. Поскольку адрес присутствует в каждом пакете, то можно использовать один и тот же канал для передачи пакетов с разными пунктами назначения. Таким образом достигается значительная экономия пропускной способности канала, но зато передача и прием информации происходят неодновременно, причем разные фрагменты одного и того же массива данных могут достигать адресата с неодинаковыми по величине задержками.

Специфически "беспроводной" характеристикой технологии передачи данных является то, в какой полосе радиоспектра передается сигнал. Обычный "узкополосный" сигнал передается в узкой полосе радиоспектра, окружающего его несущую частоту. Недостаток этого метода заключается в том, что узкополосный сигнал должен обладать значительной энергией, поэтому он становится довольно сильным источником помех и, наоборот, сам оказывается уязвимым для внешних шумов.

Эти проблемы удается решать, используя широкополосный сигнал (ШПС, в английской литературе именуется "spread spectrum"). Под данным термином подразумеваются две достаточно далекие друг от друга технологии, общим свойстаом которых является то, что сигнал занимает значительно более широкий, по сравнению со своим узкополосным собратом, спектр частот. Обе технологии используя псевдослучайное (или, как его еще называют, шумоподобное) кодирование сигнала позволяют многим передатчикам, применяющим ортогональное кодирование, работать в одной полосе радиоспектра, не мешая друг другу. Кроме того, эти технологии позволяют значительно повысить помехоустойчивость. В настоящее время они используются в основном в трех диапазонах частот - 913 Мгц, 2,4 и 5,7 Ггц. Пропускная способность - от 1 до 4 Мбит./с.

Одним из способов формирования широкополосного сигнала является метод частотных скачков (frequency hopping spread spectrum - FHSS). В упрощенном виде (рис. 7) его можно представить следующим образом: каждый из последующих бит информации "перескакивает" на другую несущую частоту (одну из 79, определенных стандартом 802.11 для FHSS). Порядок чередования поднесущих определяется псевдослучайной последовательностью. Ясно, что не зная ее, принять передачу невозможно. Каждая пара приемник-передатчик работает с одной и той же последовательностью. Очевидно, что если в непосредственной близости друг от друга работают несколько таких пар, использующих разные последовательности скачков частоты, то они друг другу не мешают. Если же в некоторый момент чьи-то несущие случайно совпадут и соответствующие данные будут испорчены, то эту ошибку можно выявить (например, с помощью протоколов более высоких уровней), и необходимый фрагмент (очень небольшой) будет передан еще раз. Точно таким же образом обеспечивается и помехозащищенность передачи по отношению к узкополосным помехам - если помехи случайно совпадут по частоте с одной из несущих, придется повторно передать очень небольшую часть общего объема данных. Отметим (сейчас станет ясно, почему это так важно), что по интенсивности радиосигнал, передаваемый по методу FHSS, не уступает узкополосному сигналу, и поэтому активно работающие ШПС-средства вполне могут служить источником помех для других устройств.

Частотные скачки при формировании сигнала по методу FHSS.

                   Рис. 7

Еще дальше от традиционной узкополосной модуляции находится метод прямой последовательности (direct sequence spread spectrum - DSSS). Здесь передаваемый сигнал вначале преобразуется в псевдослучайную последовательность более коротких и менее энергоемких импульсов, называемых чипами, каждый из которых передается на своей несущей (по стандарту 802.11 их всего 11). Как видно на рис. 8, получается широкополосный сигнал с распределенной энергией, для приема которого нужно соответствующим образом декодировать самую псевдослучайную последовательность чипов. В результате даже если интенсивность полезного сигнала на каждой несущей составляет тот же порядок, что и интенсивность фона, приемник все равно сможет выделить полезный сигнал. Именно поэтому для обозначения ШПС, передаваемого по методу прямой последовательности, часто используют термин "шумоподобный сигнал" (иногда его используют для определения ШПС-технологии как таковой, имея при этом в виду, что если попытаться принять такой сигнал, не зная кодовой последовательности, то он ничем не будет отличаться от шума). Однако благодаря низкой интенсивности DSSS-сигнал, в отличие от FHSS-сигнала, не может быть источником помех для прочих радиопередающих устройств (рис.9).

Формирование широкополосного сигнала по методу DSSS.

Рис. 8.

Соотношение уровня шума и полезного сигнала

 Рис. 9.

Еще одно большое достоинство широкополосных технологий - относительно низкая стоимость соответствующих устройств. Дело в том, что все преобразования сигнала осуществляются на уровне одной микросхемы (которая при массовом производстве оказывается очень дешевой), а радиочастотная часть также не особенно дорогая - в первую очередь, потому, что здесь не нужны большие мощности. Устройства с модуляцией по методу FHSS выпускаются большим числом компаний, и стоят дешевле, чем DSSS-устройства. Однако DSSS обеспечивает более высокую пропускную способность и обладает большим радиусом действия.

У каждой из беспроводных технологий - своя ниша. Системы на базе коммутации каналов (например, выпускаемые компанией Cylink относительно недорогие радиомодемы, работающие по технологии широкополосной модуляции сигнала) - отличное средство для создания беспроводных каналов связи между удаленными ЛС. Для организации же разветвленной информационной инфраструктуры в масштабах города наиболее разумно использовать ШПС-технологию передачи данных с коммутацией пакетов. Мы сосредоточимся именно на последней задаче.

Целый ряд компаний (в частности, Aironet, Lucent Technologies, RadioLAN, Solectek и др.) выпускает беспроводные устройства, позволяющие строить беспроводные сегменты Ethernet. Большинство российских беспроводных сетей, развернутых вне зданий, построено с использованием устройств, производимых Aironet и Lucent. Беспроводной Ethernet (или, как его иногда называют в России, Radio-Ethernet), по существу, ничем, кроме физической среды передачи информации, не отличается от кабельного. Имеется также небольшое отличие в том, как обрабатываются коллизии при доступе к среде: если протокол CSMA/CD, используемый при работе в кабельной сети, ориентирован на преодоление уже возникших коллизий (Collision Detection), то беспроводной протокол CSMA/CA (Collision Avoidance) позволяет избегать их возникновения вообще. Делается это следующим образом: перед началом передачи содержательных данных станция в течение определенного времени (достаточного для обнаружения коллизии) передает последовательность битов, не несущих никакой информации. Если в течение этого времени обнаруживается коллизия, то включается в действие механизм, известный нам по CSMA/CD. Если же коллизия не возникает, то станция переходит к передаче содержательных данных.

Ассортиментный перечень

Все активные устройства, используемые при построении беспроводных сетей, можно разделить на несколько основных типов: сетевые адаптеры для настольных и переносных компьютеров, беспроводные мосты, устройства доступа в кабельную сеть. Кроме того, некоторые компании (например, Aironet) выпускают так называемые радиомодули, т. е. электронные блоки, в которых реализуется ШПС-технология. Эти изделия поставляются производителям сетевого оборудования, которые могут "навесить" на вход модуля электронные схемы, на аппаратном уровне реализующие любой протокол второго уровня, Таким образом производитель может избавиться от "привязки" к протоколу, на который рассчитана готовая продукция компании - производителя беспроводного оборудования.

Беспроводные сетевые адаптеры нужны для того же, для чего используются их кабельные аналоги, - они обеспечивают доступ к среде передачи данных. Беспроводные мосты реализуют передачу информации между двумя кабельными сегментами. Устройства доступа в кабельную сеть используются для связи беспроводных сегментов (организуемых с помощью беспроводных сетевых адаптеров) с кабельными сетями. Применяя различные сочетания этих элементов, можно строить сети сложной топологии.

Используемое в России беспроводное оборудование чаще всего работает в диапазоне частот 2,4 ГГц. Пропускная способность устройств компаний Aironet и Lucent составляет 2 Мбит/с; впрочем, не так давно у Aironet появился беспроводной мост с пропускной способностью 4 Мбит/с. Дальность связи определяется не столько самим устройством, сколько характеристиками применяемой антенны и наличием или отсутствием дополнительного усилителя. В настоящее время максимальная дальность связи при работе со всенаправленной антенной составляет 8 км, с направленной - до 50 км (с использованием усилителей). Выходная мощность устройств - 30-50 мВт.

До недавнего времени беспроводные устройства разных производителей не могли обмениваться данными. В результате покупатель оказывался "привязанным" к тому производителю, чье устройство он приобрел первым. По инициативе ряда компаний был разработан стандарт 802.11 (в настоящий момент он находится на стадии утверждения), в котором описываются все протоколы обмена данными в сети Ethernet на радиочастотах. Принятие этого стандарта обеспечит полную совместимость между разными беспроводными устройствами, и тогда в общей картине останется только одна "дыра" - устройства доступа к кабельной сети, выпускаемые разными производителями, не могут обмениваться данными через кабельную сеть. Преодолеть данную проблему должен протокол IAPP (Inter-Access Point Protocol), разрабатываемый в настоящее время все теми же Lucent и Aironet.

Почти все предлагаемое на рынке оборудование поддерживает мобильных пользователей (принцип роуминга). Как правило, эта функция реализуется программными средствами и сводится к исключению возможных кольцевых пересылок пакетов. Некоторые производители предусматривают более сложный аппаратный алгоритм, включающий в себя измерение уровня принимаемого сигнала и поиск оптимальной соты.

Информация, передаваемая по радиоканалу, легко доступна, поэтому проблема защиты данных становится особенно важной для коммерческих приложений. Считается, что первичная защита осуществляется за счет образующего кода, используемого при формировании широкополосной несущей. Поскольку для систем DSSS этот код единственный, а в системах FHSS алгоритм перебора частот задается идентификационным номером, то первичное кодирование не представляет сложности, а соответственно, несложно и преодолеть такую защиту. Однако системы FHSS считаются несколько более устойчивыми к несанкционированному доступу. Аппаратное скремблирование, самый эффективный способ контроля за доступом к передаваемой информации, редко применяется в сетевом радиооборудовании, так как это значительно удорожает аппаратуру.

Конструктивное исполнение радиомоста может сильно меняться в зависимости от предполагаемой конфигурации сети. Так, мосты, предназначенные для внутриофисной связи, чаще всего размещаются в одном корпусе с плоской антенной и питаются от компьютера. Оборудование для линий связи, прокладываемых на большие расстояния, выполняется в отдельном корпусе с собственным источником питания и предполагает применение направленных антенн, размещаемых на наружных радиомачтах. Большая часть сетевого радиооборудования конструктивно рассчитана на использование в закрытом помещении с искусственным климатом.

В настоящее время на рынке предлагается весьма широкий спектр сетевого радиооборудования. Пользователь может подобрать эффективное решение практически для любой задачи, ориентируясь на цену аппаратуры, пропускную способность сети, диапазон частот, дальность связи, возможность связи с подвижными станциями, наличие скремблирования и другие параметры.

Таблица 6.

Основные характеристики беспроводных мостов, доступных на российском рынке

Таблица 6

Продолжение

Таблица 6

Продолжение

5.2.2     Топология соединения. по радиоканалу.

 На основании вышеизложенного, самым оптимальным радиомостом является ARLAN BR-2040-EE. Т.к. прямая видимость по всем направлениям отсутствует, то на крыше нового общежития, мост используется как ретранслятор. Все другие точки имеют прямую видимость на новое общежитие. Передатчик в УК2 устанавливается в торце УК2, правого крыла. Информация к мосту поступает по витой паре от Advancestack Switch 2000. На новом общежитии устанавливается мачта с двумя антеннами. Одна антенна направлена в сторону УК2, другая в сторону ВМУ. Обе антенны, через антенный разветвитель подключаются к радиомосту общежития. В сторону ВМУ достаточно одной антенны, т.к. диаграмма направленности такой антенны в вертикальной плоскости 30 градусов, в горизонтальной 40 градусов. Радиомосты расположенные в ВМУ, устанавливаются на южной стороне здания, возле окна, за счет чего обеспечивается прямая видимость на передающую антенну.

Соединение по радиомодему.

Рис. 7.

Для обеспечения связи по сети TECHNET установка ретрансляторного радиомоста на крыше нового общежития нецелесообразна, поэтому при прямой видимости, радиомосты оснащенные такими модемами имеют возможность связаться на расстоянии до 40 км. По карте выбирается направление, с наименьшим количеством препятствий на пути. Это прямая между торцом правого крыла УК1 и самая правая точка 8 корпуса.

На этом направлении радиолучу не придется преодолевать новое общежитие в котором предполагается наличие двух лифтов, являющихся источником сильных радиопомех. Диаграмма направленности выбираемых для этого соединения антенн близка к игольчатой, следовательно и мощность передачи больше. Обе антенны смотрят друг на друга сквозь 7 общежитие. Такое расположение радиомостов исключает взаимные помехи между радиоканалами (рис.7).

 В дальнейшем, при изменении вида соединения с 8 корпусом, данные радиомосты можно использовать для организации связи с отдаленными подразделениями Академии, прокладка физических линий к которым будет происходить позже.

5.3     Соединение по оптоволокну.

5.3.1     Оптические системы связи.

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Физические особенности.

1. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (Fo=10**14 Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10**12 бит/с или Терабит/с. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут.

2. Очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы волокна имеют затухание 0.22 дБ/км на длине волны 1.55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

Технические особенности.

1.Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.

2. Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм., то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

3. Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

4. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

5.Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Есть в волоконной технологии и свои недостатки:

1. При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.

2. Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.

3. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.

2. Оптическое волокно

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2.

Рис. 8

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).

Рис. 9

Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания, так как в них распространяется только один луч. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое волокно труднее ввести излучение из-за малых размеров световодной жилы, по этой же причине одномодовые волокна сложно сращивать с малыми потерями. Оконцевание одномодовых кабелей оптическими разъемами также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как в них размер световодной жилы в несколько раз больше, чем в одномодовых волокнах. Многомодовый кабель проще оконцевать оптическими разъемами с малыми потерями (до 0.3 dB) в стыке. На многомодовое волокно расчитаны излучатели на длину волны 0.85 мкм - самые доступные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортименте. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон находится в пределах 3-4 dB/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГц*км, что приемлемо для локальных сетей связи, но не достаточно для магистральных линий.

3. Волоконно-оптический кабель

Вторым важнейшим компонентом, определяющим надежность и долговечность ВОЛС, является волоконно-оптический кабель (ВОК). На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них: AT&T, General Cable Company (США); Siecor (ФРГ); BICC Cable (Великобритания); Les cables de Lion (Франция); Nokia (Финляндия); NTT, Sumitomo (Япония), Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

По условиям эксплуатации кабели подразделяют на:

•монтажные •станционные •зоновые •магистральные

Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений. Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину.

Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабельных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух километров.

•конструкции со свободным перемещением элементов •конструкции с жесткой связью между элементами

По видам конструкций различают кабели повивной скрутки, пучковой скрутки, кабели с профильным сердечником, а также ленточные кабели. Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, которые в сочетании большим ассортиментом применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетворяющее всем условиям проекта, в том числе - стоимостным.

4. Оптические соединители

   Рис. 9.

После того, как оптический кабель проложен, необходимо соединить его с приемо-передающей аппаратурой. Сделать это можно с помощью оптических коннекторов (соединителей). В системах связи используются коннекторы многих видов. Сегодня мы рассмотрим лишь основные виды, получившие наибольшее распространение в мире. Внешний вид разъемов показан на рис. 9.

5. Электронные компоненты систем оптической связи

Рис. 10.

Теперь коснемся проблемы передачи и приема оптических сигналов. Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме.

В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм.

В 1982 году родилось третье поколение передатчиков - диодные лазеры, работающие на длине волны 1.55 мкм.

Исследования продолжались и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам,в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2.48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2.5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Появление оптических усилителей на основе световодов, легированных эрбием, способных усиливать проходящие по световоду сигналы на 30 dB, дало начало пятому поколению систем оптической связи. В настоящее время быстрыми темпами развиваются системы дальней оптической связи на расстояния в тысячи километров. Успешно эксплуатируются трансатлантические линии связи США-Европа ТАТ-8 и ТАТ-9, Тихоокеанская линия США-Гавайские острова-Япония ТРС-3. Ведутся работы по завершению строительства глобального оптического кольца связи Япония-Сингапур-Индия-Саудовская Аравия-Египет-Италия.

6. Применение ВОЛС в вычислительных сетях.

Наряду со строительством глобальных сетей связи оптическое волокно широко используется при создании локальных вычислительных сетей (ЛВС).

ВОЛС между зданиями строится с прокладкой ВОК либо по колодцам кабельных коммуникаций, либо путем подвеса ВОК между опорами. В этом случае необходимо обеспечить сопряжение толстого многоволоконного кабеля с оптическими трансиверами. Для этого используют кабельные муфты, в которых производится разделка концов ВОК, идентификация волокон и оконцевание волокон коннекторами, соответствующими выбранным трансиверам. Эту работу можно выполнить несколькими способами.

1. Можно заказать ВОК в специальном исполнении Break-Out. Это более дорогой вариант, зато кабель можно сразу оконцевать оптическими коннекторами, вывести из муфты оконцованные модули (шнуры, подобные монтажным проводам) и подключить их к приемо-передающей аппаратуре.

2. Можно приварить к разделанным в кабельной муфте волокнам оптические шнуры с коннекторами на одном конце (pig tail). Длина pig tail выбирается из соображений удобства для пользователя (например, 3 м).

3. Можно оконцевать волокна коннекторами и воткнуть коннекторы изнутри в оптические розетки (coupling), вмонтированные в стенку кабельной муфты. Снаружи в coupling втыкается коннектор оптического шнура, ведущего к приемо-передающей аппаратуре.

Возможны и другие способы стыковки ВОК с оптическими трансиверами. У каждого способа есть свои достоинства и недостатки. В практике получил распространение третий способ, так как он экономичен, надежен, обеспечивает малые вносимые оптические потери за счет применения розеток и коннекторов с керамическими элементами, а также удобен для пользователей.

Особо следует сказать о необходимости оптического кросс-коннекта.

Для быстрого соединения волокон сейчас используются специально разработанные фирмой 3М механические "сплайсы" (splice). Это пластиковые устройства размерами 40x7x4 мм, состоящие из двух частей: корпуса и крышки. Внутри корпуса находится специальный желоб, в который с разных сторон вставляются соединяемые волокна. Затем надевается крышка, являющаяся одновременно замком. Особая конструкция "сплайса" надежно центрирует волокна. Получается герметичное и качественное соединение волокон с потерями на стыке ~ 0.1 dB. Такие "сплайсы" особенно удобны при быстром восстановлении повреждений ВОЛС. Время на соединение двух волокон не превышает 30 секунд после того как волокна подготовлены (снято защитное покрытие, сделан строго перпендикулярный скол). Монтаж ведется без применения клея и специального оборудования, что очень удобно при работе в труднодоступном месте (например, в кабельном колодце).

Фирма SIECOR предлагает другую технологию сращивания волокон, при которой волокна вводятся в прецизионную втулку. В месте стыка волокон внутри втулки помещен гель на основе силикона высокой прозрачности с показателем преломления, близким к показателю преломления оптического волокна. Этот гель обеспечивает оптический контакт между торцами сращиваемых волокон и одновременно герметизирует место стыка.

5.3.2     Описание соединения.

Для объединения сети корпуса радиоспециальности с сетью УК1,  УК2 используется многомодовый волоконно-оптический кабель уличногоисполнения содержащий четыре жилы. Такое количество жил обусловленотем, что для создания одного канала необходимо две жилы (RX-прием,TX-передача). На две требуется два физических канала, следовательно четыре жилы. Прокладка кабеля под землей нереальна по   стоимости, поэтому предлагается использовать так называемую "воздушку". Оптоволокно натягивается вдоль тросса идущего через крыши всех включенных в проект зданий. На крышах нового общежития и  7-го экипажа жилы предназначены для сети FESMA разрываются, и подключаются к HUB-у поддерживающему стандарт 100VG и поддерживающие оптоволоконные трансиверы(рис. 12).

     Рис. 12.

Каждый HUB должен иметь два трансивера для оптоволокна . Жилы идущие со стороны УК входят в HUB-7M и продолжение сети через другой трансивер которые работает на передачу в сторону восьмого экипажа. Соединение представляет так называемое последовательное соединение (рис. 13) . Корпус радиоспециальности является конечной точкой, и там разводка оптического кабеля не имеет особенностей. В УК2 для  подключения оптического кабеля необходимо в Advancestack Switch 2000 докупить модуль 100VG-ANY-LAN, т.к. на данный момент там имеется только один свободный трансиверный слот. В модуль 100VG необходимо дополнительно два оптоволоконных трансивера. Если будет использоваться вариант соединения по оптоволокну, то вероятно в восьмом экипаже оконечным устройством будет Advancestack Switch 16. Он также как и Advancestack Switch 2000 поддерживает модули 100VG-ANY-LAN в который подсоединяется два трансивера для оптоволокна.

В качестве аппаратных (оконечных) устройств в 7 экипаже и новом общежитии есть смысл использовать более дешевое устройство Advancestack Switch HUB-7 (рис.12). Это устройство имеет 7 слотов расширения, к которым подсоединяются трансиверы 100Мбит/сек, такие как оптоволоконный, витая пара пятой категории и экранированная витая пара.

 Использование устройств  серии  Advancestack  Switch  обусловлено несколькими факторами. Во-первых - компания Hewlett Packard совместно с T&T являлась основоположником стандарта IEEE 802.12 100VG, и самой первой приступила к выпуску устройств этого стандарта. Во-вторых - использование устройств этой серии обеспечивает полную совместимость с концентратором в УК2 Advancestack Switch 2000.

Рис. 13.