3.3 Бездротові (радіо) канали та мережі

  1. Рішення компанії Motorola для бездротового обміну даними точка-точка

Застосування електромагнітних хвиль для телекомунікацій має вже столітню історію. У 1864 році Дж. Максвелл теоретично показав, що навколо провідника зі змінним струмом повинно виникати змінне електромагнітне поле, що розповсюджується зі швидкістю світла. У 1886-89 роках Г. Герц експериментально показав існування електромагнітних хвиль. А. С. Попов розвинув ідеї Герца і в 1895 році продемонстрував свій грозоотметчик. Перші радіопередавачі були побудовані і запатентовані Марконі і Слабі. Так з'явилася радіозв'язок. На початку для радіозв'язку використовувалися схеми на основі азбуки Морзе. Пізніше паралельно з удосконаленням техніки і поліпшення виборчої здатності приймачів з'явилася можливість голосового зв'язку. Цей винахід став основою радіолокації, мобільного зв'язку, телебачення, радіорелейних і супутникових (перший геостаціонарній комунікаційний супутник заробив в 1965 році) комунікацій. Вражаючі успіхи тут досягнуті в зв'язку із застосуванням цифрових методів, наприклад, методики мультиплексування CDMA (Code Division Multiple Access). У перспективі тільки радіо (з числа сучасних технологій) може забезпечити міжпланетні зв'язку. Лазерні методи придатні поки для обмежених відстаней, максимум до Місяця.

Число осциляцій електромагнітного поля в секунду називається частотою f і вимірюється в герцах (в честь Генріха Герца). Відстань, на яке поширюється електромагнітна хвиля за час свого періоду, називається довжиною хвилі λ. У вакуумі будь електромагнітні хвилі поширюються зі швидкістю світла с, який сам має ту ж саму природу. Має місце фундаментальне співвідношення f і λ: λ × f = c. З цього співвідношення випливає, що:

(df / dλ) = - (c / λ2) і Δf = cΔλ / λ2.

Що дозволяє зв'язати ширину частотного діапазону з частотою і діапазоном довжин хвиль. Для більшості каналів передачі даних характерно співвідношення Δλ / λ << 1, яке забезпечує найкращі умови прийому (Вт / Гц).

Телебачення. Перші спроби передачі і відтворення зображення за допомогою диска Ніпкова (Німеччина) відносяться до 1884 року. У 1907 році Б. Г. Розінгом було запропоновано використовувати для прийому зображення електронно-променеву трубку (ЕПТ), прототип відіконов і ОРТІКОН. Пристрій відображення на приймаючій стороні також передбачало застосування ЕПТ. Електронне телебачення виникло в 30-х роках двадцятого століття (зусиллями В. К. Зворикіна і Ф. Франсуорт). Число елементів N в одному кадрі, на яке розкладається зображення в чинному в РФ стандарті (625 рядків і 25 кадрів / сек) визначається за формулою:


N = 4/3 × S2


де S - число рядків, а 4/3 - відношення ширини кадру до його висоти (для широкоформатного варіанти ставлення буде іншим). Звідси випливає, що верхня частота відеосигналу.


F = N × K / 2 = 2S2 × K / 3 = 6,5 МГц


де K - число кадрів в сек. Тут слід трохи додати смуги для звукового супроводу, передачі кольору і різних службових цілей, наприклад, для синхронізації передавача і приймача. Саме це визначає необхідну смугу для кожного з телевізійних каналів, число яких може досягати вже сьогодні 20-60, що вимагає смугу при традиційній схемі більш 130-390 мегагерц.

Частота рядкової розгортки при цьому становить 625 × 25 = 15,625 КГц. Несуча частота повинна бути в раз 8-10 більше 6,5 МГц, тобто перевищувати 48 МГц. Реально більшість каналів працюють на частотах від 100 до 900 МГц. Радіохвилі в цьому діапазоні не здатні огинати перешкоди і з цієї причини гарантують надійний прийом лише при безпосередній видимості між антенами передавача і приймача. Кривизна землі є природним обмежувачем максимального радіуса надійного прийому телевізійного сигналу. Телебачення високої роздільної здатності, що йде на зміну традиційному, вимагає ще більшої смуги і частот. На підході також і стерео телебачення. Телебачення стало основою і відео-телефонії. У містах телевізійний сигнал частіше передається по оптоволоконним кабелях.

Вже більше десяти років існує система стерео телебачення з проектуванням зображення безпосередньо на очне дно людини. Ця система використовується в шоломах пристроїв віртуальної реальності.

У 50-х роках минулого століття почався розвиток обчислювальної техніки і мікроелектроніки, якісно змінили всі напрямки телекомунікацій. Щоб збільшити пропускну здатність каналу зв'язку можна розширювати його смугу або покращувати відношення сигналу до шуму (див. Вище теорему Шеннона). Перше, що спадає на думку, це збільшення амплітуди сигналу (згадайте 40-120 вольтні сигнали в перших телеграфу). Поки в електроніці панували вакуумні лампи такі і навіть великі амплітуди були з технічної точки зору цілком можливі, хоча навряд чи раціональні. Але після впровадження напівпровідникових приладів такі рівні сигналів стали абсолютно неприпустимі. Це можна зрозуміти з вольтамперної характеристики такого приладу (див. Рис. 1.2).


Застосування електромагнітних хвиль для телекомунікацій має вже столітню історію

Мал. 3.3.0. Вольтамперная характеристика np переходу для кремнію


Великі амплітуди небажані, через пробивної напруги (Vпр) при зворотному зміщенні переходу. Можна звичайно збільшити товщину переходу або зробити перехід багатошаровим, але це погіршить швидкодію приладу. Рівні сигналу обрані з цієї причини рівними ~ ± 2,5 В.

Сфера телекомунікацій завжди сильно залежала від рівня розвитку технологій. Починалося все з електромеханічних пристроїв, але сучасне цифрове телебачення та Інтернет немислимі без використання новітніх досягнень мікроелектроніки.

Телетекст. У 1970 році в Брітіш Телеком були розроблені основні принципи ще одного виду передачі графічної інформації - телетексту, перші досліди по його впровадженню відносяться до 1979 року. Стандарт на мозаїчне уявлення символів був прийнятий CEPT в 1983 році. Кожному символу ставиться у відповідність код довжиною в 7-8 біт. На екрані такий символ відображається за допомогою спеціального знакового генератора, що використовує таблицю.

Повному екрану відео тексту, який містить 24 рядки по 40 символів, відповідає 960 байт, для передачі яких по комутованої телефонної мережі потрібно 6,4 секунди. D-канал ISDN може пропустити цю інформацію за 1 секунду, а B-канал швидше - за 0,1 сек. Телетекст дозволяє більш ефективно використовувати канали зв'язку і не накладає надмірних вимог на пристрої відображення.

Багато сучасні проблеми телекомунікацій, наприклад, безпеку каналів зв'язку, проявили себе з самого початку. Досить згадати, як граф Монте-Крісто розорив банкіра барона Данглара, пославши з іспано-французького кордону фальсифіковане телеграфне повідомлення. Так що мережеві атаки тип "man-in-the-middle" мають майже двохсотлітню історію. Я вже не кажу про витончених методах підсушування телефонних переговорів. Розвиток електронної пошти зробило здійсненною мрію всіх керівників чорних кабінетів (термін, використовуваний для структур, що займаються нелегальним розкриттям і прочитанням чужих листів), доставку їм листів самим відправником. Досить згадати російську систему СОРМ. Моральна сторона цієї справи ніколи і нікого не зупиняла - державні структури в усі часи були аморальні.

Слід зауважити, що вражаючий прогрес в області телекомунікацій протягом 20-го століття мало що змінив у сфері віддаленого управління. Може здатися, що можливість передавати сигнал в будь-яку точку земної кулі за частки секунди, дозволяють вирішити будь-яку проблему віддаленого управління. Це зовсім не так. Будь-який складний об'єкт видає досить великий обсяг даних, якщо додати сюди інформацію про навколишнє середовище, то обсяг даних, що підлягають обробці стає дуже великий. У пресі ви, ймовірно, читали твердження про те, що водій авто не впорався з керуванням (при цьому зовсім необов'язково, щоб він був нетверезий). Зазвичай це означає, що він відволікся, обсяг сприймається і переробляється скоротився, з результатом розбираються в кращому випадку медики ...

Тепер розглянемо випадок віддаленого об'єкта. Людина, як уже зазначалося, може переробити обмежений обсяг даних в одиницю часу. Для вирішення цієї проблеми людство успішно навчилося використовувати комп'ютери. Але і можливості ЕОМ не безмежні. Зазвичай при управлінні віддаленим об'єктом частина рішень все одно треба приймати локально. Якщо передоручати це віддаленого центру, рано чи пізно одне з повідомлень буде спотворено або втрачено під час передачі. Повторна пересилання даних призведе до великої затримки в ухваленні рішення і катастрофа може стати неминучою. Незважаючи на сенсаційний успіх посадки безпілотного космічного корабля "Буран", мені видається неймовірним, щоб пасажирські літаки стали літати без пілотів. А адже на Бурані велика частина рішень приймалося локально, а не в центральному пункті управління.

Як складними об'єктами, так і мережами ЕОМ вкрай неефективно керувати віддалено, тут, як і в людському суспільстві слід поєднувати дистанційне керування з локальним. Спільність проблем полягає в єдності принципів збору, транспортування та обробки інформації. Інтернет з самого початку не мав єдиного центру управління, саме цим пояснюється його висока живучість.

Людство в усі часи використовувало не дуже надійну техніку, не дуже високоякісні засоби телекомунікацій і досить недосконалі процедури. В даний час обчислювальні машини у багато разів надійніше, ніж 40 років тому, канали зв'язку помітно скоротили частоту помилок при передачі, тільки питомий число помилок на одну програму, схоже залишилося незмінним.

Але ніколи життя людини не залежала так сильно від не надто надійної техніки та програм, як сьогодні. Все, починаючи з мобільного телефону, систем життєзабезпечення в лікарні, платіжних засобів, управління транспортними потоками і закінчуючи Інтернетом, використовує витончені обчислювальні засоби і програми, пов'язані один з одним за допомогою каналів зв'язку кінцевої надійності.

Зараз, як ніколи, потрібно навчитися, працюючи з ненадійною технікою, з програмами, що містять помилки, і з каналами, які регулярно допускають помилки, домагатися досить надійного і достовірного результату, щоб вижити.

Люди накопичили великий досвід в цій області. Якщо ви щось не розчули через шум, ви просите повторити сказане (сучасні телекомунікаційні засоби використовують аналогічний алгоритм). Для підвищення надійності в каналах використовується контроль по парності і надлишкові коди для корекції помилок. Там де потрібна підвищена надійність обчислень, застосовуються два обчислювача. Результат сприймається лише при ідентичних результатах розрахунку. Але це не допоможе, якщо на обох обчислювачах використовуються програми, що містять ідентичні помилки. Можна, звичайно, доручити написання програм двом різним фірмам, але це занадто дорого і не завжди можливо.


Таким чином, прийдешньому поколінню людей потрібно знайти підходи до проблеми, як при ненадійних компонентах створити надійну ЕОМ, і як, отримавши від програмістів, програму, що має сотні і навіть тисячі помилок, тим не менш, завжди мати коректний результат.

Це пов'язано не з тим, що компоненти стануть менш надійні, зовсім навпаки - їх надійність помітно зросте. Але число використовуваних складових багаторазово збільшиться.

А ось в області підвищення коректності програмного забезпечення, в тому числі того, яке вбудовано в обладнання (маршрутизатори, комутатори, мобільні телефони, кабельні модеми, системи цифрового ТБ і т.д.), прогрес не очевидний. Досить згадати історію еволюції ОС Windows. Тут слід заради справедливості врахувати, що складність системного програмного забезпечення зростає лавиноподібно. Створюється воно великими колективами людей, частина з яких навіть незнайома один з одним. Наприклад, вихідний код ядра системи LINUX містить зараз близько мільйона рядків програми. Вимагати, щоб всі ці рядки були бездоганні і взаємоузгоджені, можна, але добитися цього практично нереально.

Потрібно шукати і розробляти нові принципи для створення складного програмного забезпечення, які б гарантували більш високий стандарт якості.

Зараз людство перебуває у фазі початку формування інформаційного суспільства. При цьому мають місце суперечливі процеси. З одно боку створюється безліч обладнання та програм з однієї і тієї ж функціональністю. Це добре, так як за рахунок конкуренції сприяє прогресу і зниження ціни. Але з іншого боку це різноманіття змушує створювати безліч засобів взаємоузгодження (інтерфейсів), як апаратних, так і програмних.

У такій ситуації час від часу виникає думка виробити єдиний стандарт, якому б дотримувалися всі розробки (обладнання та програм), щоб вони могли працювати один з одним. При цьому може приводитися приклад мережі Інтернет. Саме завдяки стандартизації протоколів ця мережа стала всесвітньою.

На цьому шляху нас чекає небезпечна пастка. Тотальна уніфікація (також як і тотальна централізація) зробить систему вразливою для збоїв або цілеспрямованих атак.

Уніфікація (ОС, додатків та ін.) Особливо небезпечна, так як уніфікована система може бути зруйнована одним хробаком або вірусом за лічені хвилини. Творець був досить мудрий, щоб не зробити людей клонами і забезпечив їх різними наборами генів.

Спектр використовуваних хвиль ділиться на ряд діапазонів, наведених в таблиці 3.3.1.

Таблиця 3.3.1.

НомерНазва діапазонуЧастотаДовжина хвилі

1 Високочастотний 3 - 30 МГц 100 - 10 м 2 VHF 50 - 100 Мгц 6 - 3 м 3 УВЧ (UHF) 400-1000 МГц 75-30 см 4 Мікрохвильовий 3 109 - 1011 Гц 10 см - 3 мм 5 Міліметровий 1011 - 1013Гц 3 мм - 0,3 мм 6 Інфрачервоний 1012 - 6 1014 0,3 мм - 0,5 μ>

Щоб уникнути загального хаосу, було укладено міжнародну угоду, що регламентує використання частот різними країнами для певних цілей. У 1991 році ITU-R (Міжнародний Телекомунікаційний Союз) розподілив частоти для переносних переговорних пристроїв. Але в США на той час вже використовувалося досить велике число таких приладів, і їх господарі не погодилися витрачатися на їх перенастроювання. З тих пір такі пристрої, виготовлені в США, не працюють в Європі чи Азії і навпаки.

Далі йдуть діапазони видимого світла, ультрафіолету, рентгенівських і гамма-променів. Діапазони часто, що використовуються різними каналами зв'язку показані на рис. 3.3.1.

1

Мал. 3.3.1. Діапазони частот різних телекомунікаційних каналів.

Поглинання радіохвиль і шуми. Якщо не використовується спрямована антена і на шляху немає перешкод, радіохвилі поширюються в усіх напрямках рівномірно і сигнал падає пропорційно квадрату відстані між передавачем і приймачем (подвоєння відстані призводить до втрат 6дБ). Радіо канали для цілей передачі інформації використовують частотні діапазони 902-928 МГц (відстані до 10 км, пропускна здатність до 64кбіт / с), 2,4 ГГц і 12 ГГц (до 50 км, до 8 Мбіт / с). Вони використовуються там, де не існує кабельних або оптоволоконних каналів або їх створення з якихось причин неможливо або занадто дорого. Більш низькі частоти (наприклад, 300 МГц) мало привабливі через обмеження пропускної здатності, а великі частоти (> 30 ГГц) працездатні для відстаней не більше або порядку 5км через поглинання радіохвиль в атмосфері. При використанні діапазонів 4, 5 і 6 слід мати на увазі, що будь-які перешкоди на шляху хвиль приведуть до їх практично повного поглинання. Для цих діапазонів помітний вплив робить і поглинання в атмосфері. Залежність поглинання від довжини хвилі радіохвиль показана на рис. 3.3.1а.

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.

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

Параметр

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