3.3. Беспроводные (радио) каналы и сети

Семёнов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ), book.itep.ru

Применение электромагнитных волн для телекоммуникаций имеет уже столетнюю историю. Спектр используемых волн делится на ряд диапазонов, приведенных в таблице 3.3.1.

Таблица 3.3.1.

Номер	Название диапазона	Частота	Длина волны
1	Высокочастотный	3 – 30 МГц	100 – 10 м
2	VHF	50 - 100 Мгц	6 - 3 м
3	УВЧ (UHF)	400-1000 МГц	75-30 см
4	Микроволновый	3 109 – 1011 Гц	10 см – 3 мм
5	Миллиметровый	1011 – 1013Гц	3 мм – 0,3 мм
6	Инфракрасный	1012 – 6 1014	0,3 мм – 0,5 m

Далее следуют диапазоны видимого света, ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей. Диапазоны часто, используемые различными каналами связи показаны на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1. Диапазоны частот различных телекоммуникационных каналов.

Если не используется направленная антенна и на пути нет препятствий, радиоволны распространяются по всем направлениям равномерно и сигнал падает пропорционально квадрату расстояния между передатчиком и приемником (удвоение расстояния приводит к потерям 6дБ). Радио каналы для целей передачи информации используют частотные диапазоны 902-928 МГц (расстояния до 10 км, пропускная способность до 64кбит/с), 2,4 ГГц и 12 ГГц (до 50 км, до 8 Мбит/с). Они используются там, где не существует кабельных или оптоволоконных каналов или их создание по каким-то причинам невозможно или слишком дорого. Более низкие частоты (например, 300 МГц) мало привлекательны из-за ограничений пропускной способности, а большие частоты (>30 ГГц) работоспособны для расстояний не более или порядка 5км из-за поглощения радиоволн в атмосфере. При использовании диапазонов 4, 5 и 6 следует иметь в виду, что любые препятствия на пути волн приведут к их практически полному поглощению. Для этих диапазонов заметное влияние оказывает и поглощение в атмосфере. Зависимость поглощения от длины волны радиоволн показана на рис. 3.3.1а.

Рис. 3.3.1а. Зависимость поглощающей способности земной атмосферы от длины волны

Из рисунка видно, что заметную роль в поглощении радиоволн играет вода. По этой причине сильный дождь, град или снег могут привести к прерыванию связи. Поглощение в атмосфере ограничивает использование частот более 30 ГГц. Атмосферные шумы, связанные в основном с грозовыми разрядами, доминируют при низких частотах вплоть до 2 МГц. Галактический шум, приходящий из-за пределов солнечной системы дает существенный вклад вплоть до 200 ГГц. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты показана на рис. 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Зависимость поглощения радиоволн в тумане и дожде от частоты

Мощность передатчика обычно лежит в диапазоне 50 мВт - 2 Вт. Модемы, как правило, используют шумоподобный метод передачи SST (spread spectrum transmission). Для устройств на частоты 2.4 ГГц и выше, как правило, используются направленные антенны и необходима прямая видимость между приемником и передатчиком. Такие каналы чаще работают по схеме точка-точка, но возможна реализация и многоточечного соединения. На аппаратном уровне здесь могут использоваться радиорелейное оборудование радиомодемы или радио-бриджи. Схема этих устройств имеет много общего. Отличаются они лишь сетевым интерфейсом (см. рис. 3.3.3). Антенна служит как для приема, так и для передачи. Трансивер (приемопередатчик) может соединяться с антенной через специальные усилители. Между трансивером и модемом может включаться преобразователь частот. Модемы подключаются к локальной сети через последовательные интерфейсы типа RS-232 или v.35 (RS-249), для многих из них такие интерфейсы являются встроенными. Отечественное радиорелейное оборудование имеет в качестве выходного интерфейс типа G.703 и по этой причине нуждается в адаптере. Радио-бриджи имеют встроенный Ethernet-интерфейс. Длина кабеля от модема до трансивера лежит в пределах 30-70м, а соединительный кабель между модемом и ЭВМ может иметь длину 100-150м. Трансивер располагается обычно рядом с антенной.

Рис. 3.3.3. Схема оборудования радиоканала передачи данных

Схемы соединения радиомодемов и традиционных модемов совершенно идентичны (см. рис. 3.3.4).

Рис. 3.3.4. Схема подключения радио-модемов

Кроме уже указанных примеров перспективным полем применения радиомодемов могут стать “подвижные ЭВМ”. Сюда следует отнести и ЭВМ бизнесменов, клиентов сотовых телефонных сетей, и все случаи, когда ЭВМ по характеру своего применения подвижна, например, медицинская диагностика на выезде, оперативная диагностика сложного электронного оборудования, когда необходима связь с базовым отделением фирмы, геологические или геофизические исследования и т.д. Радиомодемы позволяют сформировать сеть быстрее (если не считать времени на аттестацию оборудования, получение разрешения на выбранную частоту и лицензии на использование данного направления канала). В этом случае могут стать доступными точки, лишенные телефонной связи (что весьма привлекательно для условий России). Подключение объектов к центральному узлу осуществляется по звездообразной схеме. Заметное влияние на конфигурацию сети оказывает ожидаемое распределение потоков информации. Если все объекты, подключенные к узлу, примерно эквивалентны, а ожидаемые информационные потоки не велики, можно в центральном узле обойтись простым маршрутизатором, имеющим достаточное число последовательных интерфейсов.

Применение радио-бриджей особенно выигрышно для организаций, имеющих здания, отстоящие друг от друга на несколько километров. Возможно использование этих средств связи и для подключения к сервис-провайдеру, когда нужны информационные потоки до 2 Мбит/с (например, для проведения видео конференций). Если расстояния не велики (<5км), можно воспользоваться всенаправленной антенной (см. рис. 3.3.5).

Рис. 3.3.5. Схема подключения объектов через радио-бриджи с помощью всенаправленной антенны

Все соединяемые объекты (А, Б, В, и Г) должны быть оснащены радио-бриджами. Такая схема подключения эквивалентна с одной стороны кабельному сегменту ethernet, так как в любой момент времени возможен обмен лишь между двумя объектами; с другой стороны радио-бриджи А, Б, В и Г логически образуют много портовый бридж (или переключатель), что исключает загрузку локальных сетей объектов “чужими” пакетами. Модификации таких схем связи позволяют строить телекоммуникационные системы по схеме сотовых телефонных сетей.

При построении каналов на основе радиорелейных систем или радио-бриджей следует учитывать возможность их взаимного влияния (см. рис. 3.3.6). Проектируя такие каналы в городе и используя направленные параболические антенны, нужно учитывать возможные помехи от зданий и профиля местности. Направленная антенна с площадью А обеспечивает усиление сигнала:

, где l длина волны несущей.

Угол излучения q такой антенны с радиусом R равен 0,61 l/R. Отсюда видно, что чем больше радиус, тем больше усиления и уже угол излучения и чувствительности.

Предельные расстояния для радио каналов приводятся поставщиками в предположении, что в пределах первой зоны Френеля каких-либо физических помех нет. При звездообразной схеме каналов (как на рис. 3.6.) нужно по возможности выполнить требования на минимальное расстояние между принимающими антеннами d (оно должно быть больше определенного значения, зависящего от апертуры антенны и расстояния между передатчиком и приемником).

Рис. 3.3.6.

Это расстояние определяется расходимостью (a) радиолуча и используемой длиной волны. Если это требование не выполнимо, следует в смежных каналах использовать разные длины волн. Диаграмма излучения направленной антенны показана на рис. 3.3.7 (стрелкой отмечено основное направление излучения). Эту диаграмму следует учитывать при выборе места установки антенны, особенно при использовании большой мощности излучения. Иначе один из лепестков излучения может прийтись на места постоянного пребывания людей (например, жилье). Учитывая эти обстоятельства, проектирование такого рода каналов целесообразно поручить профессионалам.

Рис. 3.3.7. Диаграмма излучения параболической антенны

Стоимость антенного комплекса обычно пропорциональна кубу диаметра антенны. Стандартная антенна intelsat имеет диаметр 30 м и угол излучения 0,01⁰.

Спутниковые каналы используют диапазоны перечисленные в таблице 3.3.2.

Таблица 3.3.2. Частотные диапазоны, используемые для спутниковых телекоммуникаций

Диапазон	Канал снижения (downlink)[ГГц]	Канал подъема (uplink)[ГГц]	Источники помех
С	3,7-4,2	5,925-6,425	Наземные помехи
ku	11,7-12,2	14,0-14,5	Дождь
ka	17,7-21,7	27,5-30,5	Дождь

Из таблицы видно, что передача ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи vsat (very small aperure terminals). Такие терминалы используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. При этом канал к спутнику имеет пропускную способность 19,2 кбит/с, а со спутника более 512 кбит/c. Непосредственно такие терминалы не могут работать друг с другом, разумеется через телекоммуникационный спутник. Для решения этой проблемы используются промежуточные наземные антенны с большим усилением, что, правда увеличивает задержку. Схема связей в технологии VSAT.

Рис. 3.3.8. Схема спутниковой связи VSAT

Терминальные антены vsat имеют диаметр 1-1,5 м и излучаемую мощность 1-4 Вт, обеспечивая широкополосность до 64 кбит/с. Такие небольшие антенны не позволяют таким терминалам общаться непосредственно. На рис. 3.3.8. станции А и Б не могут непосредственно друг с другом. Для передачи данных используется промежуточная станция с большой антенной и мощностью (на рис. антенна В). Для создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, висящие над экватором на высоте около 36000 км.

Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность земли (см. рис. 3.3.9.). Спутники, работающие на одной и той же частоте должны быть разнесены по углу на 2^o. Это означет что число таких спутников не может быть больше 180. В противном случае они должны работать в разных частотных диапазонах. При работе в ku-диапазоне угловое расстояние между спутниками можно сократить до 1^o. Влияние дождя можно минимизировать, используя далеко отстоящие наземные станции (размеры урагана конечны!).

Рис. 3.3.9.

Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которым они висят. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей вид цифры 8. Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (это особенно существенно для широт более 70⁰), а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, отстоящих друг от друга более чем на 400-500 км (при условии что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.

Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низколетящих спутников (<1000 км; период обращения ~1 час). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме “запомнить и передать”). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость. Смотри также S.Bhatti.

Типичный спутник имеет 12-20 транспондеров, каждый из которых имеет полосу 36-50 МГц. Один транспондер может обеспечить информационный поток в 50 Мбит/с или 800 64-килобитных каналов цифровой телефонии. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала и по этой причине работать на одной и той жк частоте. Каждый телекоммуникационный спутник снабжен несколькими антеннами. Низходящий луч может быть сфокусирован на достаточно ограниченную область на земле (с диаметром несколько сот км). Что также упрощает осуществление двунаправленного обмена.

Существует несколько способов работы совокупности наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте (FDM), по времени (TDM), CDMA (Code Division Multiple Access), ALOHA или метод запросов.

Схема запросов предполагает, что наземные станции образуют логическое кольцо, вдоль которого двигается маркер. Наземная станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.

Простая система ALOHA (разработана группой Нормана Абрамсона из Гавайского университета в 70-х годах) позволяет каждой станции начинать передачу тогда, когда она этого захочет. Такая схема с неизбежностью приводит к столкновениям. Связано это отчасти с тем, что передающая сторона узнает о столкновении лишь спустя ~270 мсек. После столкновения станция ожидает некоторое псевдослучайное время и совершает повторную попытку передачи еще раз. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне около 18%, что совершенно недопустимо для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы ALOHA, которая удваивает эффективность. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации. Если длина временного домена равна DT, тогда домен с номером k начинается в момент времени kDT по отношению к упомянутому выше сигналу. Так как часы разных станций работают немного по разному, необходима периодическая ресинхронизация. Другой проблемой является разброс времени распространения сигнала для разных станций.

Метод мультиплекcирования по частоте (FDM) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может использован для получения 500 64кбит/с ИКМ-каналов, каждый из которых работает со своей уникальной частотой, чтобы исключить интерференцию с другими. Соседние каналы должны отстоять на достаточном расстоянии друг от друга. Кроме того, должен контролироваться уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехо в соседнем канале. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. Но при переменном числе терминалов или при заметной флуктуации загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов. Одним из механизмов такого распределение имеет название SPADE, он использовался в первых версиях систем связи на базе INTELSAT. Каждый транспондер системы SPADE содержит 794 симплексных ИКМ-каналов по 64-кбит/c и один сигнальный канал с полосой 128 кбит/c. ИКМ-каналы используются попарно для обеспечения полнодуплексной связи. При этом восходящий и ниcходящий каналы имеют полосу по 50 Мбит/с. Сигнальный канал делится на 50 доменов по 1 мсек (128 бит). Каждый домен принадлежит одной из наземной станции, число которых не превышает 50. Когда станция готова к передаче, она произвольным образом выбирает неиспользуемый канал и записывает номер этого канала в очередной свой 128 битный домен. Если один и тот же канал попытаются занять две или более станции происходит столкновение и они вынуждены будут повторить попытку позднее.

Метод мультиплекирования по времени сходен с FDM и довольно широко применяется на практике. Здесь также необходима синхронизация для доменов. Это делается как и в доменной системе ALOHA c помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизовано или децентрализовано. Рассмотрим систему ACTS (Advanced Communication Technology Satellite). Система имеет 4 независимых канала (TDM) по 110 Мбит/c (два восходящих и два ниcходящих). Каждый из каналов структурированы в виде 1-милисекундных кадров, каждый из которых имеет по 1728 временных доменов. Каждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 кбит/c. Управление временными доменами с целью минимизации времени на перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций. Управление временными доменами осуществляется одной из наземных станций (MCS - Master Control Station). Работа системы ACTS представляет собой трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник получает кадр и запоминает его в 1728-ячеечном буфере. На втором - бортовая ЭВМ копирует каждую входную запись в выходной буфер (возможно для другой антенны). И, наконец, выходная запись передается наземной станции.

В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос MCS. Для этих целей выделяется специальный управляющий канал емкостью 13 запросов в сек. Существуют и динамические методы распределения ресурсов в TDM (методы Кроузера [Crowther], Биндера [Binder] и Робертса [Roberts]).

Метод CDMA (Code Division Multiple Access) не требует синхронизации и является полностью децентрализованным. Как и другие методы он не лишен недостатков. Во-первых, емкость канала CDMA в присутствии шума и отсутствии координации между станциями обычно ниже, чем в случае TDM. Во-вторых, система требует быстродействующего и более дорогого оборудования.

Назад: 3.2. Оптоволоконные каналы
Оглавление: Телекоммуникационные технологии
Вперёд: 3.4. Протокол SLIP