Контроль достовірності передачі

Контроль достовірності передачі

 

При передачі даних складними мережами, що мають лінії зв'язку в умовах перешкод, застосовують такі заходи для забезпечення і контролю достовірності інформації (відсутність помилок).

Контроль достовірності передачі вимагає введення деякої надмірності в передавану інформацію. Надмірність може вводитися як на рівні окремих передаваних символів або їх груп, так і на рівні передаваних кадрів. У надмірні поля передавач розміщує код, що обчислюється по певних правилах з корисної інформації. Приймач порівнює цей код з тим значенням, яке він обчислив сам. Невідповідність значень свідчить про спотворення інформації, збіг – про високу вірогідність правильної передачі. Вірогідність виявлення помилки залежить від схеми контролю і співвідношення розмірів інформаційного і контрольного полів. Найненадійніша схема – контроль паритету (проста схема). Найекономічніша – дублювання інформації. Найнадійніше виявлення дає CRC- контроль, реалізація якого дещо складніша, але накладні витрати менші (типові - 2 байти на 4 Кбайт даних). Між ними знаходиться схема з обчисленням контрольної суми.

Дублювання інформації зводиться до повторення одного й того ж елементу двічі. Приймач перевіряє збіг копій. Копія іноді представляється в інверсному вигляді. Дублювання застосовують лише для окремих коротких елементів кадру, для яких контроль іншими способами незручний. Дублювання приводить до 100-відсоткових накладних витрат. Застосовується, наприклад, в байті стану кадру Token Ring.

Контроль паритету (parity check) використовує контрольний біт, доповнюючий число одиничних біт контрольованого елементу до парного (even parity, контроль парності) або непарного (odd parity, контроль непарності) значення, залежно від прийнятої угоди. Контроль паритету дозволяє виявляти тільки помилки непарної кратності, а спотворення двох, чотирьох і так далі біт контрольованої області залишаться непоміченими. Контроль може бути «горизонтальним» або «вертикальним». При горизонтальному контролі біт паритету «р» вводиться в кожний передаваний символ, цей вид контролю широко використовується в послідовних інтерфейсах RS-232С і інших, накладні витрати – 1 біт на кожен байт.

Контрольні суми і CRC-коди застосовуються для контролю цілого кадру (або його декількох полів). Для них в кадрі визначається спеціальне поле для контрольного коду, зазвичай 1, 2 або 4 байти. Контрольна сума застосовується для кадрів довжиною кратних байту (слову).

Контрольна сума (checksum) зазвичай обчислюється як доповнення суми всіх байтів кадру до нуля (або FF – всіх двійкових одиниць). Підсумовування виконується по модулю, відповідному розрядності поля контрольного коду. При цьому приймач, підсумувавши по тому ж модулю всі байти або слова кадру, включаючи контрольні коди, повинен отримати те ж число (0 або FF). Контрольна сума - найпростіший спосіб контролю кадру, вірогідність виявлення помилок - до 99,6 %.

Надмірний циклічний контроль CRC (Cyclic Redundancy Check) використовує складніший алгоритм. Вибирається породжуючий поліном, розрядністю більшою, ніж поле контрольного коду. Для 16-бітового CRC рекомендується х¹⁶+х¹²+х⁵+1 (10001000000100001b). Кадр (як довге двійкове число) з обнуленим полем CRC ділиться на поліном, і залишок цього ділення (по модулю розрядності поля CRC) поміщується в поле CRC передаваних даних. Приймач ділить прийнятий кадр (разом з полем CRC) на той же поліном і порівнює залишок від ділення з деяким еталоном (нулем або іншим числом). Якщо вони співпали, ухвалюється рішення про коректність кадру. 16-бітовий CRC дозволяє виявляти помилки (спотворення групи сусідніх біт) з вірогідністю до 99,9984 %. 16-розрядний CRC застосовується в багатьох мережевих протоколах.

ЕСС-контроль ( Error Correction Code), дозволяє не тільки виявити, але і виправляти деякі помилки. У мережах ЕСС практично не застосовується, оскільки вимагає більшої надмірності (він застосовується в пристроях зберігання, де у разі помилки «перепитати» не буде в кого).

Управління потоком даних (data flow control) є засобом узгодження темпу передачі даних з можливостями приймача. Бітові швидкості приймачів і передавачів завжди повинні співпадати (інакше неможливе коректне декодування прийнятих даних), але можливі ситуації, коли передавач передає інформацію в темпі, неприйнятному для приймача. При цьому вхідний буфер приймача переповнюється і частина передаваної інформації втрачається. Засоби управління потоком дозволяють приймачу подати передавачу сигнал на припинення або продовження передачі. Ці засоби вимагають наявність зворотнього каналу передачі.

Для контролю отримання інформації приймачем застосовують квітування (handshaking– рукостискання) – відсилання повідомлення про отримання кадру (пакету). На кожний прийнятий кадр приймач відповідає коротким кадром-підтвердженням. У разі ухвалення коректного кадру посилається позитивне підтвердження АСК (ACKnowledge), у разі помилкового – негативне NACK (Negative ACKnowledge). При отриманні NACK передавач відразу повторно посилає кадр. За відсутності підтвердження протягом певного часу тайм-ауту (timeout) передавач також віконує повторну передачу, але на очікування втрачається час. Таке підтвердження можна використовувати і для управління потоком – відсилання підтвердження є і сигналом готовності. Недолік – темп відсилання кадрів обмежується часом оберту по мережі.

Пакетна передача (burst transfer), при якій передавач відсилає серію послідовних кадрів, на яку повинен отримати загальне підтвердження. Якщо в підтвердженні є місце для списку хороших і поганих кадрів, то відсилати вдруге можна тільки погані. При цьому з'являється необхідність в ідентифікації кадрів і підтверджень.

Метод «ковзаючого вікна», є гібридом індивідуальних підтверджень і пакетної передачі. Тут передавач посилає серію нумерованих кадрів, знаючи, що прихід підтвердження може затримуватися щодо свого кадру на час оберту по мережі. Цей час заздалегідь визначений, і ширина «вікна» визначається числом кадрів, які можна відіслати на вибраній швидкості передачі за час оберту. Підтвердження нумеруються відповідно до кадрів, ця нумерація може бути циклічною з модулем, зазначеним шириною вікна. Якщо передавач не отримує підтвердження на кадр, що виходить з вікна спостереження, він вважає його втраченим і повторює його передачу. У разі отримання NACK знову-таки передача повторюється тільки для цього кадру. На випадок повтору передавач повинен тримати в своєму буфері всі кадри вікна, заміщаючи ті, що виходять (підтверджені), новими. Метод дозволяє повністю використовувати пропускну спроможність каналу незалежно від дальності передачі.

Коди, що самовідновлюються

Одним із засобів боротьби з перешкодами є коди, що самовідновлюються(коректуючі), дозволяють не тільки виявити, але і виправити помилки при прийманні.

Хай використовується n-розрядний двійковий код. Помилка при прийомі кодової комбінації полягає в тому, що під впливом перешкоди переданий нуль був прийнятий як одиниця, або одиниця була прийнята як нуль. Якщо в кодовій комбінації помилка присутня тільки в одному розряді, то таку помилку називатимемо одиничною, якщо в двох розрядах – подвійною і так далі.

Якщо при передачі в якості інформаційних використовуються всі можливі кодові комбінації, помилки неможливо навіть виявити: будь-яка помилка перетворить кодову комбінацію в іншу допустиму кодову комбінацію. Для розпізнавання помилок необхідно частину кодових комбінацій зарезервувати для контролю помилок. Для того, щоб було можна виявити одиничну помилку, досить як інформаційні узяти такі кодові комбінації, які розрізнювалися би між собою не менш, ніж в двох знаках. Тоді одинична помилка в будь-якій інформаційній кодовій комбінації приводила б до появи забороненої кодової комбінації. Для виправлення одиничних помилок, можна використовувати код, інформаційні кодові комбінації якого розрізнюються не менш, ніж у трьох знаках. Тоді одинична помилка дасть заборонену кодову комбінацію, що відрізняється від початкової в одному знаку, але що відрізняється від будь-якої іншої дозволеної комбінації не менш, ніж в двох знаках. Відповідно, можна буде не тільки виявити помилку, але і знайти дійсну кодову комбінацію, що передавалася.

Аналогічним чином можна побудувати коди, що виявляють і виправляють помилки будь-якої кратності. Для цього потрібно лише зменшувати частку інформаційних кодових комбінацій серед усіх можливих.

При такому підході необхідно кожну прийняту кодову комбінацію порівнювати з усіма дозволеними комбінаціями і, в разі збігу, вважати, що помилки не було, а інакше вважати істинною дозволену комбінацію, що відрізняється від прийнятої у мінімальній кількості розрядів. Це – досить малоефективний метод виявлення і виправлення помилок.

 

Систематичні коди

Інший підхід до побудови кодів – розділення розрядів коду на інформаційні і контрольні. Такі коди називаються систематичними.

Хай всього в коді n розрядів, з них k – інформаційних і r – контрольних розрядів (n=k+r). Такий код може передавати N = 2k різних повідомлень. З r контрольних розрядів можна організувати 2r різних комбінацій. Для виявлення і виправлення одиничної помилки потрібно, по-перше, вказати наявність/відсутність помилки і, по-друге, вказати номер розряду, в якому відбулася помилка.

Щоб в контрольних розрядах можна було передавати інформацію для виправлення одиничних помилок, їх кількість повинна задовольняти нерівності 2^r≥n+1 або 2ⁿ/(n+1) ≥N. Якщо досягається рівність: 2ⁿ/(n+1) = N, тоді кількість контрольних розрядів, що доводяться на один інформаційний, буде найменшою. Наприклад, для N=4 різних повідомлень (k=2) найменше значення n рівне п'яти (24/(4+1)= 3,2 < 4, а 25/6 х 5,3 > 4). Отже, кількість контрольних розрядів, необхідна для виявлення і виправлення одиничних помилок r = n-k = 5-2 = 3.

 

Алгоритми стиснення даних

 

Стиснення даних - таке їх перетворення, що його результат займає менший об'єм пам'яті. При цьому (в порівнянні з початковим виглядом) економиться пам'ять для їх зберігання і скорочується час передачі стислих даних по каналах зв'язку. Синоніми терміну “стиснення” – пакування, компресія, архівація. Зворотний процес (отримання початкових даних по стислим) називається розпаковуванням, декомпресією, відновленням. Якість стиснення характеризується коефіцієнтом стиснення, рівним відношенню об'єму стислих даних до об'єму початкових даних.

Залежно від можливої точності відновлення початкових даних, розрізнюють стиснення без втрат(дані відновлюються точно в початковому вигляді) і стиснення з втратами(відновлені дані не ідентичні початковим, але їх відмінностями в тому контексті, в якому ці дані використовуються, можна нехтувати). Стиснення з втратами застосовується, наприклад, для пакування багатоколірних фотографічних зображень (алгоритм JPEG), звуку (алгоритм MP3), відео (група алгоритмів MPEG). При цьому використовуються особливості людського сприйняття: наприклад, око людини не може розрізнити два близькі відтінки кольору, закодованих 24 бітами, тому можна без наявних спотворень зменшити розрядність представлення кольору.

Для багатьох різновидів даних – текстів, виконуваних файлів і так далі – допустиме застосування тільки алгоритмів стиснення без втрат.

Стиснення без втрат, в основному, базується на двох групах методів: словникових і статистичних.

Словникові методи використовують наявність повторюваних груп даних і, наприклад, записують перше входження повторюваної ділянки безпосередньо, а всі подальші входження замінюють на посилання на перше входження. Інші словарні методи окремо зберігають словник в явній формі і замінюють всі входження словарних термінів на їх номер в словнику.

Статистичні методи використовують той факт, що частота появи в даних різних байтів (або груп байтів) неоднакова, отже, байти, що часто зустрічаються, можна закодувати коротшою бітовою послідовністю, а що рідко зустрічаються – довшою. Часто в одному алгоритмі використовують і словарні і статистичні методи.

Алгоритм RLE

 

Найпростіший із словарних методів – RLE (Run Length Encoding, кодування змінної довжини) уміє стискати дані, в яких є послідовності байтів, що повторюються. Упаковані RLE дані складаються з байтів що управляють та байтів даних.

Якщо старший біт байта, що управляє, рівний 0, то наступні байти (у кількості, записаній в семи молодших бітах байта, що управляє) при пакуванні не змінюються.

Якщо старший біт рівний 1, то наступний байт потрібно повторити стільки разів, яке число записане в решті розрядів байта, що управляє.

Наприклад, початкова послідовність 00000000 00000000 00000000 00000000 11001100 10111111 10111011 буде закодована в наступному вигляді (виділені байти, що управляють): 10000100 00000000 00000011 11001100 10111111 10111011.

А дані що складаються з сорока нульових байтів, будуть закодовані всього двома байтами: 1010 1000 00000000.

 

Алгоритм Лемпела –Зіва

 

Найширше використовуються словарні алгоритми з сімейства LZ, чия ідея була описана Лемпелом і Зівом в 1977 році. Існує безліч модифікацій цього алгоритму, що відрізняються способами зберігання словника, додавання слова в словник і пошуку слова в словнику.

Словом в цьому алгоритмі називається послідовність символів (не обов'язково співпадаюча зі словом природної мови). Слова зберігаються в словнику, а їх входження в початкові дані замінюються адресами (номерами) слів в словнику. Деякі різновиди алгоритму зберігають окремо словник і окремо упаковані дані у вигляді послідовності номерів слів. Інші вважають словником весь вже накопичений результат стиснення. Наприклад, стислий файл може складатися із записів вигляду [а,l,t], де а – адреса (номер позиції), з якої починається такий же рядок довжини l, що і поточний рядок. Якщо a>0, то запис прочитався посиланням на словник і поле t (текст) в ній – порожнє. Якщо а = 0, то в полі t записані l символів, які до цих пір в такій послідовності не зустрічалися.

Алгоритм стиснення полягає в постійному пошуку у вже упакованій частині даних максимальної послідовності символів, співпадаючої з послідовністю, що починається з поточної позиції. Якщо така послідовність (довжини > 3) знайдена, в результат записується її адреса і довжина. В іншому разі в результат записується 0, довжина послідовності і сама (нестиснута) послідовність.

 

Кодування Шеннона-Фано

 

Методи ефективного кодування повідомлень для передачі дискретним каналом без перешкод, запропоновані Шенноном і Фано, заклали основу статистичних методів стиснення даних.

Код Шеннона-Фано: символи алфавіту виписують в таблицю в порядку зменшення імовірності. Потім їх розділяють на дві групи так, щоб суми імовірностей в кожній з груп були максимально близькі (по можливості, рівні). У кодах символів верхньої групи перший біт встановлюється рівним 0, в нижній групі – 1. Потім кожну з груп розбивають на дві підгрупи з однаковими сумами імовірностей, і процес призначення бітів коду продовжується по аналогії з першим кроком. Кодування завершується, коли в кожній групі залишиться по одному символу.

Якість кодування по Шеннону-Фано залежить від вибору розбиття на підгрупи: чим більша різниця сум імовірностей підгруп, тим більш надмірним виявляється код. Для подальшого зменшення надмірності, використовують кодування великими блоками – як “символи” використовуються комбінації початкових символів повідомлення, але і цей підхід має ті ж обмеження. Від вказаного недоліку вільна методика кодування Хафмана.

 

Алгоритм Хаффмана

 

Алгоритм Хаффмана гарантує однозначну побудову коду з найменшим для даного розподілу імовірності середнім числом символів коду на символ повідомлення. На першому кроці підраховуються частоти всіх символів в початкових даних. На другому кроці будуються нові коди (бітові послідовності) для кожного символу, так, щоб ніякі дві різні послідовності не мали загального початку, наприклад, три послідовності 0, 10, 110. задовольняють цій вимозі. Хаффман запропонував будувати двійкове дерево символів, в корені якого знаходиться найбільш частий символ, на відстані 1 від кореня – наступні по частоті символи, і так далі. На основі такого дерева коди для символів виходять шляхом виконання простої процедури обходу дерева. Кодом є шлях від кореня до символу, в якому 1 означає перехід по лівій гілці, а 0 – по правій. Такий спосіб побудови гарантує потрібну властивість коду. Нарешті, на останньому кроці у вихідні дані записується побудоване дерево, а за ним надходять закодовані дані.

Алгоритм Хаффмана забезпечує високу швидкість пакування і розпаковування, але ступінь стиснення, що досягається при його використанні, досить невеликий. Одним з недоліків цього алгоритму є необхідність двох проходів по даним – на першому проході підраховуються частоти, будується дерево і формуються коди, а на другому виконується власне кодування. Цього недоліку позбавлений адаптивний алгоритм Хаффмана, такий, що перераховує частоти символів (і, відповідно, змінює коди) в міру надходження даних.

Резюме

 

Для підвищення корисної швидкості передавання даних у мережах застосована динамічна компресія даних на базі різних алгоритмів. Коефіцієнт стиснення залежить від типу даних та використаного алгоритму і може бути в межах від 1:2 до 1:8. Економічно вигідно стискати дані перед передаванням, щоб зменшити кількість бітів.Цього можна досягти за допомогою попереднього редагування інформації, але найчастіше для стиснення використовують алгоритми Лемпеля-Зива, оптимальне кодування кодами Хаффмана або Шеннона-Фано. Ступінь стиснення залежить від виду інформації, що передається (графічну стиснути важко, текстову- значно легше, на 30-40%)

 

Питання

1. Назвіть методи компресії, які найбільш прийнятні для текстової інформації. Чому вони не є ефективними для стиснення двійкових даних?

2. При використанні контролю по одиничному біту парності кожний біт парності:

а) має значення 0 або 1;

б) завжди має значення 0;

в) завжди має значення 1;

г) не використовується.

3. Перепускна здатність при використанні напівдуплексного протоколу:

а) більш, ніж при використанні дуплексного;

б) менш, ніж при використанні дуплексного;

в) така ж, як і дуплексного;

г) більш, ніж при використанні протоколів решти типів.

4. При змінних характеристиках ліній передач можна задати:

а) фіксований розмір блоку, який оптимально підходить для будь-яких з'єднань;

б) більший розмір блоку, оптимальний для зашумлених ліній;

в) змінний розмір блоку, оптимальний для використання на будь-яких лініях;

г) малий розмір блоку, оптимальний для ліній передавання з низьким рівнем шумів.

Лінії зв'язку

 

Лінія зв'язку (рисунок 6.1) складається з фізичного середовища, по якому передаються інформаційні сигнали, апаратури передачі даних і проміжної апаратури. Синонімом терміна "лінія зв'язку" (line) є термін "канал зв'язку" (channel). Фізичне середовище передачі даних (medium) може бути кабелем (набором проводів, ізоляційних і захисних оболонок, сполучних роз'ємів), а також земною атмосферою або космічним простором, через які розповсюджуються інформаційні сигнали.

 

Рисунок 6.1 – Склад лінії зв'язку

 

Класифікація ліній зв'язку(рисунок 6.2):

- дротові (повітряні);

- кабельні (мідні і волоконно-оптичні);

- радіоканали наземного і супутникового зв'язку.

Рисунок 6.2 – Типи ліній зв'язку

Застосовуються три основні (рисунок 6.3) типи кабелів: коаксіальні кабелі з мідною жилою,кабелі на основі скручених пар мідних проводів,волоконно-оптичні кабелі.

Рисунок 6.3 – Будова кабелів

Рисунок 6.4 – Коаксіальний кабель

Коаксіальний кабель складається з двох концентричних провідників, розділених шаром діелектрика. Зовнішній провідник при цьому екранує внутрішній. Найбільше застосування отримав кабель з маркуванням RG-58, (хвилевий опір 50 Ом), так званий "тонкий" коаксіальний кабель. "Товстий" (або звичайний) коаксіальний кабель з маркуванням RG-8.

Задля з'єднання коаксіальних кабелів використовуються N- роз’єми (“товстий” коаксіал) і BNC-роз’єми (на рисунку 6.5 ліворуч), Т- коннектор- посередині, праворуч – термінатор (заглушка).

 

Рисунок 6.5 – BNC- конектор, T-конектор і термінатор

 

6.2.2 Мідні кабелі: кабелі на основі скручених пар

 

Мідні кабелі: кабелі на основі скручених пар називаються симетричними кабелями через те, що вони складаються з двох однакових в конструктивному відношенні провідників. Симетричний кабель може бути як екранованим – на основі екранованої скрученої пари (Shielded Twisted Pair, STP), повний опір 150 Ом, застосовується в Token Ring, Fast Ethernet), так і неекранованим – на основі неекранованої скрученої пари (Unshielded Twisted Pair, UTP), хвильовий опір кабелю будь-якій категорії – 100 Ом). Симетричний кабель може складатися з декількох скручених пар.

Кабельні системи будівель найчастіше будуються на основі неекранованої скрученої пари UTP, категорій 3 (16 Мгц), 5 (100 Мгц), 5е (125 Мгц), 6, 6А (250 Мгц), 7 (600 Мгц).

Неекранована скручена пара UTP (Unshielded Twisted Pair) випускається переважно в 4-парному виконанні (рисунок 6.8, а), іноді зустрічаються 2-парні кабелі, зазвичай cat 3, і багатопарні кабелі – 25 пар і більше. Основні мережні технології – Ethernet і Token Ring – використовують тільки дві пари, але існують і технології (100 Base T4), де передача даних - по всіх чотирьох парах. Пари помічені кольором ізоляції: синій і біло-синій, оранжевий і біло-оранжевий, зелений і біло-зелений, коричневий і біло-коричневий. Для з'єднання кабелів і устаткування використовуються 8-контактні конектори RJ-45. Стандарт EIA/TIA-568A визначає два варіанти розкладки провідників по контактах: T568A і T568B.

Рисунок 6.6 – Кабель UTP, 4-парний

Рисунок 6.7.– Конектор RJ-45

У кожній локальній мережі може використовуватися будь-який варіант розкладки, але не обидва одразу.

Скручена пара використовуються для передачі даних на відстані до декількох сотень метрів. Стандарт Ethernet обмежує довжину сегменту на неекранованих скручених парах до 100 м. Основний недолік неекранованої скрученої пари – сильна чутливість до впливу електромагнітних перешкод.

 

Таблиця. 6.1		Таблиця. 6.2
Розкладка T568A		Розкладка T568B
Контакт	Колір	Пара		Контакт	Колір	Пара
	Біло-зелений				Біло-оранжевий
	Зелений				Оранжевий
	Біло-оранжевий				Біло-зелений
	Синій				Синій
	Біло-синій				Біло-синій
	Оранжевий				Зелений
	Біло-коричневий				Біло-коричньовий
	Коричневий				Коричньовий

 

Екранована скручена пара (STP, Shielded Twisted Pair) (рисунок 6.8, д) добре захищає передаваня сигналів від впливу зовнішніх електромагнітних полів, але вимагає заземлення екрану при монтажі, що ускладнює і здорожує кабельну систему.

а

б

в

г

д

е

Рисунок 6.8 – Кабелі скручена пара: а – UTP категорії 3-5; б – UTP категорії 6; в – ScTP, FTP; г – SFTP; д – STP Туре 1; е– PiMF(Pair in Metal Foil) категорії 7. 1 – дріт в ізоляції, 2 – зовнішня оболонка, 3 – сепаратор, 4 – екран з фольги, 5 – дренажний дріт, 6– екрануюча оболонка

Кабель STP в основному використовується фірмою IBM, яка фірмовим стандартом визначила дев'ять його категорій, – від Type 1 до Type 9. Кабель Type 1 складається з двох пар і по параметрах близький до UTP cat.5, за винятком хвильового опору – 150 Ом. Кабелі STP використовуються в мережах Token Ring, Fast Ethernet і 100VG-AnyLAN.

Фольгована скручена пара FTP (Foiled Twisted Pair) - кабель, в якому скручені пари (рисунок 6.8, в) обгорнуті загальним фольговим екраном для підвищення стійкості до перешкод.

 

Волоконно-оптичний кабель

 

При побудові мереж використовуються також і скляні (точніше, кварцові) – волоконно-оптичні кабелі, де носіями даних є світлові хвилі.

Серцевина такого кабелю є тонке кварцове волокно, яке поміщене в пластикову оболонку, що відбиває. Розповсюджуючись по серцевині, промені світла не виходять за її межі, відбиваючись від покриваючого шару оболонки.

Залежно від розподілу показника заломлення і від величини діаметру серцевини розрізняють:

· багатомодове (Multi Mode Fiber, MMF) волокно із ступінчастою зміною показника заломлення (рисунок 6.9.а );

· багатомодове волокно з плавною зміною показника заломлення (рисунок 6.9. б);

· одномодове волокно (Single Mode Fiber, SMF) (рисунок 6.9, в).

Рисунок 6.9 – Типи оптичного кабелю

 

У тонкому волокні (діаметр серцевини 5-15 мкм, що порівняно з довжиною світлової хвилі), може розповсюджуватися тільки один світловий промінь (одна мода). Такий кабель називають одномодовим(Single Mode Fiber, SMF). При цьому, за рахунок використання світлових хвиль різної довжини, можлива одночасна організація в одному волокні декількох високошвидкісних каналів. Смуга пропускання SMF- кабелю досягає 800 ТГц. Виробництво SMF-кабелю достатньо складне, крім того, для монтування такого кабелю потрібне використання прецизійного устаткування.

Тому поширеніший так званий багатомодовий (Multi Mode Fiber, MMF) волоконно-оптичний кабель, якому властива відносно велика товщина серцевини (40-110 мкм). При цьому світлові промені, що входять в кабель під різними кутами, відбиваються від стінок оболонки, проходять різні відстані і потрапляють до приймача в різний час, спотворюючи один одного. Існують способи зменшення спотворень, проте, в основному, за рахунок зменшення смуги пропускання. В результаті багатомодовий волоконно-оптичний кабель завдовжки 100 м може надати смугу пропускання в 1600 Мгц при довжині хвилі 0.85 мкм. Стандарт EIA/TIA-568A визначає два типорозміру багатомодового MMF -кабелю: 62,5/125 мкм і 50/125 мкм (перше число – діаметр внутрішнього провідника - серцевини, друге – діаметр оболонки).

Передачу сигналів по волокну в даний час здійснюють в трьох діапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм і 1.55 мкм. Ці діапазони названі вікнами прозорості. Параметр NA (Numberic Aperture)- числова апертура- дорівнює синусу кута вводу променя у світловоді визначається через показники заломлення шарів. В багатомодовому волокні апертура NA = 0,2-0,3 й кут вводу променю не перевищує 12-18^о від вісі. В одномодовому волокні апертура NA = 0,122 й кут не перевищує 7^о від вісі. Чим апертура більше, тим легше вводити промень у волокно, але тоді збільшується модова дісперсія та зменшується смуга пропускання. Як джерело світлових хвиль у волоконно-оптичних каналах використовують світлодіоди (LED, Light Emitting Diode) і лазерні діоди (ILD, Injection Laser Diode).

Перше покоління передавачів (1970 р.) будувалося на основі світлодіодів з довжиною хвилі 0.85 мкм в MMF-режимі. Друге покоління (кінець 1970-х) становили SMF-передавачі, що працюють на довжині хвилі 1.3 мкм. На початку 1980-х з'явилися передавачі третього покоління – лазерні діоди з довжиною хвилі 1.55 мкм. Четверте покоління оптичних передавачів (початок 1990-х) побудоване цілком на лазерних діодах і реалізує когерентні системи зв'язку з ЧМ або ФМ сигналу. П'яте покоління базується на використанні технології легування світловодів домішками ербію, які дозволяють підсилювати сигнали, що проходять по світлопроводу. Швидкість передавання в мережах SONET/SDH сягає 40 Гбіт/с.

Оптичні кабелі мають якнайкращі електромагнітні і механічні характеристики, не схильні до впливу електромагнітних перешкод, утрудняють перехоплення даних, але їх монтаж найбільш складний і трудомісткий, вимагає застосування спеціалізованого дорогого устаткування і кваліфікованого персоналу.

 

Супутниковий зв'язок

 

Системи супутникового зв’язку зображені на рисунку 6.10.

Залежно від висоти орбіти, супутники діляться на геостаціонарні і низькоорбітальні.

Cупутники, що знаходяться на висоті близько 36 тис. км. над екватором, за третім законом Кеплера, мають період обертання, рівний 24 годинам, і називаються геостаціонарними (нерухомими щодо Землі). Значно спрощені антенні системи (немає необхідності в приводі, що змінює орієнтацію антени).

 

Рисунок 6.10 – Системи супутникового зв’язку

Чотири геостаціонарних супутники (розташовані на кутовій відстані в 90 градусів один від одного) покривають всю поверхню Землі. До недоліків геостаціонарних супутників відноситься досить велика затримка проходження сигналу (250-300 мс). Кутова відстань між такими супутниками складає 2 градуси, тобто одночасно на орбіті може знаходитися не більше 180 супутників (частот, що працюють в загальному діапазоні). За рахунок використання декількох діапазонів це обмеження дещо пом’якшене. Використовуються частоти (приблизно) від 3 Ггц до 30 Ггц, що приводить до залежності якості передачі від погодних умов (дощ, сніг).

Супутник зв'язку має декілька приймачів (транспондерів), що працюють в різних частотних діапазонах, пропускна спроможність одного транспондеру – 50 Мбіт/с.

Низькоорбітальні (висота орбіти – від сотень до одиниць тисяч кілометрів) супутники постійно переміщуються щодо будь-якої точки поверхні Землі. Основний принцип низькоорбітальних систем – велика кількість (декілька десятків) супутників, що спільно охоплюють всю земну кулю. Тоді будь-яка наземна станція може перемикатися між супутниками у міру їх проходження.

Найвідоміший проект низькоорбітальної системи – Ірідіум – включає 66 супутників на висоті 750 км. Кожен супутник має по 48 променів по 174 дуплексних каналів кожен. Діапазон частот 1610-1626.5 Мгц (дозволяє використовувати живлення від акумуляторів).

Інший проект – Глобалстар – включає 48 супутників на висоті 1400 км., у кожного супутника по шість сфокусованих променів по 2800 каналів кожен. Наземна станція в кожен момент часу підтримує зв'язок з трьома найближчими супутниками.

 

6.3.5 Стільниковий зв'язок

 

Стільниковий зв'язок заснований на застосуванні кабельних і безпровідних каналів. Базова структура мережі створюється на основі високошвидкісних кабельних каналів зв'язку, а підключення абонентів проводиться по радіоканалах, що дозволяє забезпечити їх мобільність.

Системи стільникового зв'язку будуються у вигляді сукупностей комірок-сот (cell), що покривають обслуговувану територію. В центрі кожної комірки розташовується базова станція (БС), з якою (по радіоканалах) зв'язуються всі абоненти, що знаходяться в межах даної комірки. На базовій станції розташовані приймальна і передавальна антени (часто використовується пара приймальних антен), декілька приймачів і передавачів (частот, що працюють на різних піддіапазонах, в межах виділеної даної БС смузі частот), контролер і блок сполучення з лінією зв'язку. Якщо абонент переміщується в іншу комірку, його починає обслуговувати інша БС. Всі БС пов'язані з центром комутації, у якого є підключення до звичайної міської телефонної мережі. Якщо мережа достатньо велика, то в ній може бути присутніми декілька зв'язаних між собою центрів комутації.

Основним принципом стільникового зв'язку є принцип повторного використання частот (frequency reuse), що дозволяє необмежено нарощувати ємкість системи (реальне обмеження – потужність центру комутації). Суть його в наступному. У поряд розташованих комірках використовуються різні смуги частот, що дозволяє сусіднім БС не конкурувати за загальну смугу, а абонентському устаткуванню легко вибирати найближчу до нього БС (по сигналу максимальної потужності). В той же час, одну і ту ж смугу можна використовувати в несуміжних комірках. Групу комірок, в якій кожен частотний діапазон використовується тільки однією коміркою, називають кластером. В результаті, для мережі довільного розміру, виявляється достатньою наявність трьох непересічних частотних діапазонів, тобто мережа може бути розбита на 3-елементні кластери.

 

Резюме

 

Кабелі на основі скрученої пари поділені на неекрановані (UTP) та екрановані (STP). Кабелі UTP простіші у виготовленні та монтуванні, втім кабелі STP забезпечують більший рівень захисту. Оптичним кабелям притаманні відмінні електромагнитні та механічні характеристики, але вони складні у монтуванні.

Світло в багатомодовому волокні може поширюватися декількома траєкторіями, а в одномодовому- тільки однією. Відстань, на яку можна передавати інформацію оптичним волокном, обмежена розсіюванням, поглинанням, та втратами на стиках та вигинах кабелю. Генераторами випромінювання слугують світлодіоди або напівпровідникові інжекційні лазери, а приймачами є лавинні фотодіоди або р-і-n-фотодіоди.

В системах супутникового зв'язку використані три групи супутників: геостаціонарні, середньоорбітальні та низькоорбітальні.

Безпровідний зв'язок поділяється на мобільний та фіксований. Кожний вузол безпровідних мереж має антену, яка одночасно є передавачем та приймачем електромагнітних хвиль. Безпровідні системи передавання даних в залежності від використаного діапазону частот ділять на чотири групи: широкомовні (радіо), мікрохвильові, системи інфрачервоних хвиль, системи видимого світла. Через відбиття, діфракцію та розсіювання електромагнітних хвиль утворюється багатопроменеве поширення одного і того ж самого сигналу, і як наслідок до межсимвольної інтерференції.

Передавання даних в діапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц та 5 ГГц, які отримали назву ISM, не потребує ліцензування, якщо потужність передавача не перевищує 1 Вт.

Безпровідні лінії мобільного та фіксованого зв'язку з одним джерелом і декількома користувачами будовані на основі базової станції. Топологія з декількома джерелами та декількома приймачами притаманна для безпровідних локальних мереж.

 

Питання

 

1. Назвіть типи оптичного кабелю.

2. Яки недоліки має геостаціонарний супутниковий зв'язок?

3. В чому переваги та недоліки безпроводного передавання у порівнянні з дротовим?

4. Серцевина оптичного волокна має:

а) більш низький коефіциєнт заломлення світла, ніж повітря;

б) більш низький коефіциєнт заломлення світла, ніж оболонка;

в) більш високий коефіциєнт заломлення світла, ніж оболонка;

г) ничого з вищезгаданого.

5. Як названі різні траєкторії поширення світла в оптичному волокні, якщо диаметр серцевини в багато разів більш за довжину хвилі світла?

а) еміттерами;

б) модами;

в) сенсорами;

г) рефракторами.

6. Переплетення дротів у скрученій парі:

а) зменшує електромагнитні наведення;

б) підвищує швидкість передавання даних;

в) використовується замість пупінізації;

г) через велику вартість не застосовується.

ЛОКАЛЬНІ МЕРЕЖІ ETHERNET

&nbs