3.3 Бездротові (радіо) канали та мережі

Мал. 3.3.1а. Залежність поглинання земної атмосфери від довжини хвилі

З малюнка видно, що помітну роль в поглинанні радіохвиль грає вода. З цієї причини сильний дощ, град або сніг можуть привести до переривання зв'язку. Поглинання в атмосфері обмежує використання частот понад 30 ГГц. Атмосферні шуми, пов'язані в основному з грозовими розрядами, домінують при низьких частотах аж до 2 МГц. Галактичний шум, що приходить з-за меж сонячної системи дає істотний внесок аж до 200 ГГц. Залежність поглинання радіохвиль в тумані і дощі від частоти показана на рис. 3.3.2.

Мал. 3.3.2. Залежність поглинання радіохвиль в тумані і дощі від частоти

Потужність передавача зазвічай лежить в діапазоні 50 мВт - 2 Вт. Модеми, як правило, Використовують шумоподібній метод передачі SST (spread spectrum transmission). Для прістроїв на частоти 2.4 ГГц и вищє, як правило, Використовують спрямовані антени и необхідна пряма відімість между приймачем и передавача. Такі канали Частіше Працюють за схемою точка-точка, но можлива реалізація и многоточечного з'єднання. На апаратному Рівні тут могут використовуват радіорелейне обладнання радіомодемі або радіо-бріджі. Схема ціх прістроїв має много Спільного. Відрізняються смороду лишь мережевий інтерфейсом (див. Рис. 3.3.3). Антена служити як для прийому, так и для передачі. Трансівер (приймач) может з'єднуватися з антеною через СПЕЦІАЛЬНІ підсилювачі. Між трансівером и модемом может включать перетворювач частот. Модеми підключаються до локальної мережі через послідовні інтерфейси типу RS-232 або v.35 (RS-249), для багатьох з них такі інтерфейси є вбудованими. Вітчизняне радіорелейне обладнання має в якості вихідного інтерфейс типу G.703 і з цієї причини потребує адаптер. Радіо-бриджі мають вбудований Ethernet-інтерфейс. Довжина кабелю від модему до трансивера лежить в межах 30-70м, а з'єднувальний кабель між модемом і ЕОМ може мати довжину 100-150м. Трансівер розташовується зазвичай поряд з антеною.

Мал. 3.3.3. Схема обладнання радіоканалу передачі даних

Радіомодеми та бриджі. Схеми з'єднання радіомодемів і традиційних модемів абсолютно ідентичні (див. Рис. 3.3.4).

Мал. 3.3.4. Схема підключення радіо-модемів

Крім уже зазначених прикладів перспективним полем застосування радіомодемів можуть стати "рухливі ЕОМ". Сюди слід віднести і ЕОМ бізнесменів, клієнтів стільникових телефонних мереж, і всі випадки, коли ЕОМ за характером свого застосування рухлива, наприклад, медична діагностика на виїзді, оперативна діагностика складного електронного обладнання, коли потрібен зв'язок з базовим відділенням фірми, геологічні або геофізичні дослідження і т.д.

Радіомодеми дозволяють сформувати мережу швидше (якщо не брати до уваги часу на атестацію обладнання, отримання дозволу на обрану частоту і ліцензії на використання даного напрямку каналу). В цьому випадку можуть стати доступними точки, позбавлені телефонного зв'язку (що вельми привабливо для умов Росії). Підключення об'єктів до центрального вузла здійснюється по зіркоподібною схемою. Помітний вплив на конфігурацію мережі надає очікуване розподіл потоків інформації. Якщо всі об'єкти, підключені до вузла, приблизно еквівалентні, а очікувані інформаційні потоки не великі, можна в центральному вузлі обійтися простим маршрутизатором, які мають достатню кількість послідовних інтерфейсів.

Застосування радіо-бриджів особливо виграшно для організацій, що мають будівлі, віддалені один від одного на кілька кілометрів. Можливе використання цих засобів зв'язку і для підключення до сервіс-провайдеру, коли потрібні інформаційні потоки до 2 Мбіт / с (наприклад, для проведення відео конференцій). Якщо відстані не великі (

Мал. 3.3.5. Схема підключення об'єктів через радіо-бриджі з допомогою всенаправленной антени

Все що з'єднуються об'єкти (А, Б, В, і Г) повинні бути оснащені радіо-бриджами. Така схема підключення еквівалентна з одного боку кабельного сегменту Ethernet, так як в будь-який момент часу можливий обмін лише між двома об'єктами; з іншого боку радіо-бриджі А, Б, В і Г логічно утворюють багато портовий бридж (або перемикач), що виключає завантаження локальних мереж об'єктів "чужими" пакетами. Модифікації таких схем зв'язку дозволяють будувати телекомунікаційні системи за схемою стільникових телефонних мереж.

Ku діапазон поки ще "заселений" не дуже щільно, крім того, для цього діапазону супутники можуть відстояти один від одного на 10. Чутливість до перешкод від дощів може бути обійдена використанням двох наземних приймальних станцій, рознесених на досить велику відстань (розмір ураганів обмежений) . Супутник може мати багато антен, спрямованих на різні регіони на поверхні землі. Розмір плями "засвітки" такої антени на землі може мати розмір кілька сот кілометрів. Звичайний супутник володіє 12-20 транспондерами (прийомопередавачами), кожен з яких має смугу 36-50МГц, що дозволяє сформувати потік даних 50 Мбіт / с. Така пропускна здатність достатня для отримання 1600 високоякісних телефонних каналів (32кбіт / c). Сучасні супутники використовують узкоапертурную технологію передачі VSAT (very small aperure terminals). Такі термінали використовують антени діаметром 1 метр і вихідну потужність близько 1 Вт. При цьому канал до супутника має пропускну здатність 19,2 кбіт / с, а з супутника більше 512 кбіт / c. Безпосередньо такі термінали не можуть працювати один з одним, зрозуміло через телекомунікаційний супутник. Для вирішення цієї проблеми використовуються проміжні наземні антени з великим посиленням, що, правда збільшує затримку. Схема зв'язків в технології VSAT.

Мал. 3.3.9. Схема супутникового зв'язку VSAT

Термінальні наземні антени vsat мають діаметр 1-1,5 м і випромінюється потужність 1-4 Вт, забезпечуючи широкополосность до 64 кбіт / с. Такі невеликі антени не дозволяють таким терміналів спілкуватися безпосередньо. На рис. 3.3.9. станції А і Б не можуть безпосередньо один з одним. Для передачі даних використовується проміжна станція з великою антеною і потужністю (на рис. Антена В). Для створення постійних каналів телекомунікацій служать геостаціонарні супутники, що висять над екватором на висоті близько 36000 км.

Теоретично три таких супутника могли б забезпечити зв'язком практично всю населену поверхню землі (див. Рис. 3.3.10.). Супутники, що працюють на одній і тій же частоті повинні бути рознесені по куту на 2o. Це означає що число таких супутників не може бути більше 180. В іншому випадку вони повинні працювати в різних частотних діапазонах. При роботі в Q-діапазоні кутова відстань між супутниками можна скоротити до 1o. Вплив дощу можна мінімізувати, використовуючи далеко віддалені наземні станції (розміри урагану кінцеві!).

Мал. 3.3.10.

Реально геостаціонарна орбіта переповнена супутниками різного призначення і національної приналежності. Зазвичай супутники позначаються географічної довготою місць, над яким вони висять. На практиці геостаціонарній супутник не стоїть на місці, а виконує рух по траєкторії, що має вигляд цифри 8. Кутовий розмір цієї вісімки повинен укладатися в робочу апертуру антени, в іншому випадку антена повинна мати сервопривід, що забезпечує автоматичне стеження за супутником. Через енергетичних проблем телекомунікаційний супутник не може забезпечити високого рівня сигналу. З цієї причини наземна антена повинна мати великий діаметр, а приймальне обладнання низький рівень шуму. Це особливо важливо для північних областей, для яких кутове положення супутника над горизонтом невисоко (це особливо істотно для широт понад 700), а сигнал проходить досить товстий шар атмосфери і помітно послаблюється. Супутникові канали можуть бути рентабельними для областей, віддалених один від одного більш ніж на 400-500 км (за умови що інших засобів не існує). Правильний вибір супутника (його довготи) може помітно знизити вартість каналу.

Система геостаціонарних супутників виглядає як намисто, нанизане на невидиму оку орбіту. Один кутовий градус для такої орбіти відповідає ~ 600 км. Може здатися, що це величезна відстань. Щільність супутників на орбіті нерівномірна - на довготі Європи і США їх багато, а над Тихим океаном - мало, там вони просто не потрібні. Супутники не вічні, час життя зазвичай не перевищує 10 років, вони виходять з ладу головним чином не через відмов обладнання, а через брак пального для стабілізації їх положення на орбіті. Після виходу з ладу супутники залишаються на своїх місцях, перетворюючись в космічне сміття. Таких супутників вже зараз чимало, з часом їх стане ще більше. Звичайно, можна припустити, що точність виведення на орбіту з часом стане вище, і люди навчаться виводити їх з точністю в 100 м. Це дозволить розміщувати в одній "ніші" 500-1000 супутників (що сьогодні видається майже неймовірним, адже потрібно залишити простір для їх маневрів). Людство може таким чином створити щось схоже на штучне кільце Сатурна, що складається цілком з мертвих телекомунікаційних супутників. До цього справа навряд чи дійде, тому що буде знайдено спосіб видалення або відновлення непрацюючих супутників, хоча з неминучістю це суттєво збільшить вартість послуги таких комунікаційних систем.

Слід також мати на увазі, що через обертання Землі навколо своєї осі, потрібно обертати геостаціонарній супутник, щоб його сонячні батареї були орієнтовані на Сонце.

На щастя супутники, які використовують різні частотні діапазони, не конкурують один з одним. З цієї причини в одній і тій же позиції на орбіті може перебувати кілька супутників з різними робочими частотами. На практиці геостаціонарній супутник не стоїть на місці, а виконує рух по траєкторії, що має (при спостереженні з землі) вид цифри 8. Кутовий розмір цієї вісімки повинен укладатися в робочу апертуру антени, в іншому випадку антена повинна мати сервопривід, що забезпечує автоматичне стеження за супутником .

Число позицій для розміщення геостаціонарних супутників обмежена. Останнім часом для телекомунікацій планується застосування так званих низькоорбітальних супутників (S.Bhatti

Типовий супутник має 12-20 транспондерів, кожен з яких має смугу 36-50 МГц. Один транспондер може забезпечити інформаційний потік в 50 Мбіт / с або 800 64-кілобітних каналів цифрової телефонії. Два транспондера можуть використовувати різну поляризацію сигналу і з цієї причини працювати на одній і тій жк частоті. Кожен телекомунікаційний супутник забезпечений декількома антенами. Нізходящая промінь може бути сфокусований на досить обмежену область на землі (з діаметром кілька сот км). Що також спрощує здійснення двонаправленого обміну.

Існує кілька способів роботи сукупності наземних терміналів із супутником. При цьому може використовуватися мультиплексування по частоті (FDM), за часом (TDM), CDMA (Code Division Multiple Access), ALOHA або метод запитів.

Схема запитів передбачає, що наземні станції утворюють логічне кільце, уздовж якого рухається маркер. Наземна станція може почати передачу на супутник, лише отримавши цей маркер.

DVB-RCS. У зв'язку з широким впровадженням цифрового телебачення розроблені деякі нові технології, наприклад, DVB-RCS (ETSI EN 301.790 - Digital Video Broadcasting - Return Channel via Satellite - цифрове широковещательное відео зі зворотним каналом через супутник). Максимальна пропускна здатність - 8Мбіт / с, що досить для HDTV. При передачі використовується протокол MPEG-2. DVB-RCS є відкритим стандартом для супутникових мереж з двостороннім обміном, цей стандарт підтримується більшістю VSAT-систем і підтримує просунутий механізм QoS і забезпечує повну сумісність з Інтернет. Стандарт допускає топологію зірки і сітки з числом VSAT до 10000. Дивись DVB - SCENE . У такому варіанті телевізор підключається через супутниковий модем, з'єднаний з параболічною антеною. Значення RTT тут буде лежати в інтервалі 1-2 сек. Втім у великих містах цифрове ТБ буде використовувати систему оптоволоконних кабелів. У РФ почалося впровадження цифрового ТБ із залученням схеми ЦТБ поверх IP.

Ще одним цікавим видом сервісу є iDirect . Це супутникова технологія (VSAT) для підключення до Інтернет машин індивідуальних і групових користувачів в районах, де інші способи доступу до Інтернет утруднені. Алгоритм доступу - TDM / D-TDMA і TDM / MF-TDMA. iDirect широко використовується в Іраку і Афганістані для надання широкого спектра телекомунікаційних послуг військовослужбовцям США. Смуга пропускання спадного каналу лежить в діапазоні 512-4096 кбіт / с, а висхідного - 128-768 кбіт / с. Можливий і широкосмуговий доступ 18 Мбіт / c (спадний) і 4.2 Мбіт / c (висхідний)

Останнім часом все частіше використовуються варіанти, які використовують кілька частот. Прикладом може служити пропозиція компанії Motorola. Дивись A Versatile and Reliable Network Alternative .

Рішення компанії Motorola для бездротового обміну даними точка-точка

PTP100 PTP200 PTP300 PTP500 PTP600 Радіочастота 2.4, 5.2,
5.4, ​​5.8 ГГц 5.4 ГГц 5.4, 5.8 ГГц 5.4, 5.8 ГГц 2.5, 4.5,
5.4, ​​5.8 ГГц Пропускна здатність Ethernet (макс) 14 Мбіт / c 21 Мбіт / c 25 Мбіт / c 105 Мбіт / c 300 Мбіт / c Затримка (RTT) 2.5мсек 5-7мсек <6мсек <6мсек 5.4 <1мСек
5.8 <1мСек
2.5 2-4мсек
4.5 2-4мсек Дистанція при прямої видимості
макс. при зовнішній антені 56 км 8 км 250 км 250 км 200 км Дистанція без прямої видимості
макс. при зовнішній антені - 8 км 32 км 32 км 32 км Смуга 20 МГц 10 МГц 15 МГц 15 МГц регулюється
5,10,15,30 МГц Посилення системи 30 дБ 27 дБ 123 дБ 167 дБ 5.4 - 162 дБ
5.8 - 162 дБ
2.5 - 154 дБ
4.5 - 165 дБ Безпека 56-біт DES
128-біт AES 56-біт DES
128-біт AES скремблінг або опційно
128-біт AES
256-біт AES скремблінг або опційно
128-біт AES
256-біт AES скремблінг або опційно
128-біт AES
256-біт AES

Нижче на рис. 3.3.11 представлено нинішній стан беcпроводних технологій і прогноз до 2015 року.

Мал. 3.3.11. Прогноз розвитку бездротових технологій до 2015 року.

HSPA - High-Speed Packet Access; BGAN - Broadband Global Area Network; LTE - Long Term Evolution;

З'явилися версії LTE-U (Unlicensed) (США, Китай, Індія) і LTE-LAA (License Assiated Access (Європа і Японія). Техніка LTE використовує частотні діапазони 2,4 і 5 ГГц. В діапазоні 5ГГц LTE конкурує з мережами WLAN. в ЄС і Японії в частотному діапазоні 5ГГц діє принцип LBT (Listen before talk). Маршрутизатор, що реалізують цей алгоритм, сканують канали та чекають, коли потрібний діапазон звільниться. в діапазоні 5ГГц досить місця для декількох маршрутизаторів WLAN, що працюють з різними каналами з смугою від 20 до 160 МГц. Для перевірки активності в каналі LAA в LTE застосовується механізм CCA (Clear Ch annel Assessment). Дивись Chip 01/2016, стор. 31. Слідом за LTE з'явився новий стандарт LTE Advanced Pro (300-450 Мбіт / с - 32х20МГц), який поглине багато діючих бездротові технології, наприклад, GSM. Така тенденція диктується зростанням Інтернет -трафік на 74% в рік, а також перспективою все широкого використання Інтернету речей. у 2017 році компанія Vodafone розраховує перейти на гігабітні швидкості обміну.

Бездротові технології зробили безглуздою традиційну техніку Firewall. Для вирішення проблем безпеки бездротових комунікацій останнім часом поряд з криптозащитой переданих даних стали застосовуватися WIDS (бездротові системи детектування вторгнень) і WIPS (бездротові системи запобігання вторгнень).

Компанії Samsung Electronics і мобільний оператор Південної Кореї SK Telecom намір випробувати в лютому-березні 2015 року безпровідний канал зі смугою 7,55 Гбіт / с (див. "Samsung, SKT to demonstrate 7.5Gbps wireless data next week", Martyn Williams, IDG News Service, Feb 24, 2015). Ці компанії сподіваються створити до 2018 року 5G-мережу (Олімпіада в Токіо).

Альянс Next Generation Mobile Networks представив план розвитку технології 5G (швидкість обміну даних до 1 Гбіт / сек). Практична реалізація плану намічена на 2020 рік.

У NASA обговорюються перспективи Інтернет в космосі. Експерти очікують там менший рівень BER (див. "NASA says first space Internet test 'beyond expectations'", Sharon Gaudin, October 22, 2013). Серед комунікаційних технологій розглядаються високопродуктивні лазерні канали. Лазерний канал Земля-Місяць може мати пропускну здатність 20Мбіт / c, канал космічний корабель - Земля може забезпечити швидкість 622 Мбіт / с (в 6 разів більше, ніж може дати радіоканал луна-земля). Лазерні комунікації придатні і для Марса і гарантують кращі експлуатаційні характеристики в порівнянні з радіоканалами. Для радіо каналу найбільша швидкість передачі може бути 6 Мбіт / c (при мінімальній відстані між Марсом і Землею). NASA має намір випробувати космічний лазерний канал у 2017 році (для навколоземної орбіти). Модуль LADEE для аналізу атмосфери місяця і пилу повинен був провести тестування каналу минулого тижня.

Сплеск інтересу до бездротових методам передачі інформації виник у зв'язку широким використанням BYOD (iPhone - 7млрд, iPad і т.д.). Наступним стимулом і джерелом проблем стане Інтернет речей (IoT). На рис. 3.3.12 показані значення смуги на клієнта в різних провайдерських компаніях в першій половині 2015 року (див. "The IoT needs more wireless spectrum", Bret Swanson, Computerworld, June 4, 2015).

Мал. 3.3.12. Середнє значення смуги на клієнта в різних компаніях