Разделение каналов по времени и частоте. Характеристики проводных линий связи

Биты данных могут передаваться в виде аналоговых или цифровых сигналов. Для передачи информации обычно используется одна из характеристик сигнала: амплитуда, частота, фаза. При использовании аналоговых сигналов, характеристика (например, амплитуда) может принимать любое значение из некоторого непрерывного интервала. При использовании цифровых сигналов, характеристика может принимать значения только из некоторого конечного набора (в простейшем случае, одно из двух значений).

На этом уровне вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорости изменения сигнала в линии или бодовой скорости (бод, baud). Эта скорость представляет собой число изменений различаемых состояний линии за единицу времени. В случае двухуровневого кодирования битовая и бодовая скорости совпадают, но с увеличением количества различимых уровней, битовая скорость растет, а бодовая остается постоянной.

Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной среде передачи и проводных линиях связи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасных, микроволн, радиоволн, – распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи, беспроводные линии связи).

Разделение каналов по времени и частоте

Коммутаторы должны обеспечивать использование соединяющих их каналов для одновременной передачи нескольких абонентских составных каналов. Для этого применяются разнообразные техники мультиплексирования абонентских каналов, среди которых частотное мультиплексирование (FDM, Frequency Division Multiplexing) и мультиплексирование с разделением времени (TDM, Time Division Multiplexing, или синхронный режим передачи – STM, Synchronous Transfer Mode).

Частотное мультиплексирование сводится к разделению диапазона частот на полосы, каждая из которых отведена для передачи данных одного абонентского канала. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в выделенную для него полосу (обычно путем модуляции высокочастотной несущей низкочастотным сигналом данных).

При мультиплексировании с разделением времени мультиплексор в каждый момент времени выдает в общий канал данные единственного абонентского канала, отдавая ему всю полосу пропускания, но чередуя абонентские каналы через равные промежутки времени. Мультиплексирование с разделением времени ориентировано на дискретный характер передаваемых данных и цифровые каналы.

Характеристики проводных линий связи

Для соединения компьютеров в локальную сеть обычно используют металлические (преимущественно медные) витые пары и коаксиальные кабели. Все более широкое распространение приобретают волоконно-оптические кабели.

Витая пара

В настоящее время среди сетевых кабелей наиболее распространена витая пара, представляющая собой пару переплетенных проводов. При этом вряд ли вы получите работающую витую пару, взяв два любых провода и несколько раз перекрутив их между собой. Для обеспечения требуемой скорости передачи данных по витой паре, она должна удовлетворять стандартам на площадь поперечного сечения провода, на количество витков на единицу длины и на расстояние от последнего витка до разъема.

Существует две разновидности витой пары: экранированная (STP, Shielded Twisted Pair) и неэкранированная (UTP, Unshielded Twisted Pair). В основном используется более удобная при монтаже и дешевая неэкранированная витая пара. В 1991 году был разработан стандарт EIA/TIA-568 (“Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий”) и близкий к нему международный стандарт ISO/IEC 11801, определяющие для кабелей UTP пять категорий (волновоесопротивление кабеля любой категории – 100 Ом):

- категория 1 (CAT 1) применяется для передачи голоса и низкоскоростной передачи данных (до нескольких десятков Кбит/с);

- категория 2 (CAT 2) использовалась в кабельных системах IBM и гарантировали полосу пропускания 1 МГц;

- категория 3 (CAT 3) применяется для передачи голоса и данных со скоростью до 16 Мбит/с (полоса пропускания 16 МГц);

- категория 4 (CAT 4) представляет собой улучшенный вариант CAT 3: повышена помехоустойчивость, уменьшено затухание сигнала, полоса пропускания расширена до 20 МГц;

- категория 5 (CAT 5) специально предназначена для высокоскоростной передачи данных (100 Мбит/с), обладает полосой пропускания 100 МГц.

Выпускаются кабели категорий, не входящих в стандарт: 6 и 7, обладающими полосами пропускания 200 МГц и 600 МГц. При прокладке новых кабельных систем обычно используют именно кабель CAT 5, даже в том случае, если переход к высокопроизводительным сетям пока не планируется.

Новая редакция стандарта EIA/TIA-568A не включает категории 1 и 2.

Кабели UTP выпускаются преимущественно в 4-х парном исполнении (рис. 1), иногда встречаются 2-х парные кабели, обычно CAT 3, и многопарные кабели – 25 пар и более. Основные сетевые технологии – Ethernet и Token Ring – используют только две пары, но существуют и технологии (100VGAnyLAN), передающие данные по всем все четырем парам. Пары помечены цветом изоляции: синий и бело-синий, оранжевый и бело-оранжевый, зеленый и бело-зеленый, коричневый и бело-коричневый.

Для соединения кабелей и оборудования используются 8-контактные разъемы RJ-45 (рис. 2). Стандарт EIA/TIA-568A определяет два варианта раскладки проводников по контактам: T568A (табл. 1) и T568B (табл. 2). В каждой локальной сети может использоваться любой вариант разводки, но не оба сразу.

Рис. 1. 4-х парный кабель UTP

Рис. 2. Разъем RJ-45

Табл. 1

Табл. 2

Витая пара используется для передачи данных на расстояния до нескольких сотен метров. Стандарт Ethernet ограничивает длину сегмента на неэкранированной витой паре до 100 м. (Некоторые фирмы, например 3COM, выпускают сетевое оборудование в этом стандарте, позволяющее увеличить длину сегмента почти до 200 м.)

Основной недостаток неэкранированной витой пары – сильная подверженность влиянию электромагнитных помех.

Экранированная витая пара (STP) хорошо защищает передаваемые сигналы от влияния внешних электромагнитных полей, но требует заземления экрана при проводке, что усложняет и удорожает кабельную систему. Кабель STP в основном используется фирмой IBM, которая фирменным стандартом определила девять его категорий – от Type 1 до Type 9. Кабель Type 1 состоит из двух пар и по параметрам близок к UTP CAT 5, за исключением волнового сопротивления – 150 Ом. Кабели STP преимущественно используются в сетях Token Ring, но могут применяться и в сетях Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN.

Рис. 3. Коаксиальный кабель

BNC-разъем, T-коннектор и терминатор

Волоконно-оптический кабель

Помимо металлических проводников, при построении сетей используются также и стеклянные (точнее, кварцевые) – волоконно-оптические кабели, передающие данные посредством световых волн. Сердечник такого кабеля представляет собой тонкое кварцевое волокно, заключенное в пластиковую отражающую оболочку. В достаточно тонком волокне (диаметр жилы порядка 5-15 мкм, что сравнимо с длиной световой волны) может распространяться только один световой луч (одна мода). Такой кабель называется одномодовым (Single Mode Fiber, SMF). Скорость передачи данных по одномодовому кабелю может достигать десятков гигабит в секунду. При этом, за счет использования световых волн разной длины, возможна одновременная организация в одном волокне нескольких высокоскоростных каналов. Типичная полоса пропускания одномодового кабеля достигает 900 ГГц.

Однако производство одномодового кабеля довольно сложно, кроме того, для монтажа такого кабеля требуется использование прецизионного оборудования. Поэтому более распространен так называемый многомодовый (Multi Mode Fiber, MMF) волоконно-оптический кабель, которому свойственна относительно большая толщина волокна (40-110 мкм). При этом световые лучи, входя в кабель под разными углами, отражаются от стенок волокна, проходят разные расстояния и попадают к приемнику в разное время, искажая друг друга. Существуют способы уменьшения искажений, однако, в основном, за счет уменьшения полосы пропускания. В результате многомодовый волоконно-оптический кабель длиной 100 м может предоставить полосу пропускания в 1600 МГц при длине волны 0.85 мкм.

Передачу сигналов по волокну в настоящее время осуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм и 1.55 мкм. В качестве источника световых волн в волоконно-оптических каналах используют светодиоды (LED, Light Emitting Diode) и лазерные диоды (ILD, Injection Laser Diode). Первое поколение передатчиков (середина 1970-х годов) строилось на основе светодиодов, работающих на длине волны 0.85 мкм в многомодовом режиме. Второе поколение (конец 1970-х) составили одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1.3 мкм. В начале 1980-х появились передатчики третьего поколения – лазерные диоды, работающие на длине волны 1.55 мкм. Четвертое поколение оптических передатчиков (начало 1990-х) базируется целиком на лазерных диодах и реализует когерентные системы связи с частотной или фазовой модуляцией сигнала. Пятое поколение базируется на использовании новой технологии легирования световодов, позволяющей значительно усиливать проходящие по световоду сигналы.

Скорость передачи с использованием светодиодов при длине кабеля до 1 км лежит в пределах 10-25 Мбит/с, а с использованием лазерных диодов – в пределах 25-100Мбит/с. В начале 1990-х годов была создана система связи со скоростью передачи данных в 2.5 Гбит/с на расстояние свыше 2200 км.

Стандарт EIA/TIA-568A определяет два типоразмера многомодового кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм (первое число – диаметр внутреннего проводника, второе – диаметр оболочки).

Волоконно-оптические кабели обладают наилучшими электромагнитными и механическими характеристиками, не подвержены влиянию электромагнитных помех, затрудняют перехват данных, но их монтаж наиболее сложен и трудоемок, требует применения специализированного дорогостоящего оборудования и квалифицированного персонала.

Беспроводные среды передачи данных

Если по каким-либо причинам соединить компьютеры кабелем не представляется возможным, или сильно затруднено, может оказаться полезным применение беспроводных технологий. Беспроводные сети в основном используют три технологии передачи данных: передача в инфракрасном диапазоне, передача данных с помощью широкополосных радиосигналов и передача данных с помощью обычных (“узкополосных”) радиосигналов.

Инфракрасные волны

Инфракрасные каналы работают в диапазоне высоких частот вплоть до 1000 ГГц, где сигналы мало подвержены влиянию электромагнитных помех, следовательно, передача данных может осуществляться на высокой скорости.

Существует три основных типа инфракрасных каналов: прямой видимости (приемопередатчики направлены друг на друга), рассеянного излучения (волны отражаются от пол, стен, потолка помещения) и отраженного излучения (приемопередатчики направлены на общий отражатель). Основная проблема таких каналов – поглощение и рассеивание инфракрасных волн в атмосфере, сильная зависимость от погодных условий. Даже лист бумаги, случайно оказавшийся между передатчиком и приемником, может полностью блокировать передачу данных.

Использование ненаправленной антенны и маломощного передатчика (100 мВт) ограничивает дальность связи до 30-50 м. Направленная антенна и более мощный передатчик (250 мВт) увеличивают возможную дальность связи до 10 км.

Выпускается оборудование для организации высокоскоростных инфракрасных каналов (до 155 Мбит/c) при дальности связи до 150 м.

Радиоволны, сигналы с узкополосным спектром

Обычный радиосигнал занимает узкую полосу радиоспектра вблизи несущей частоты. Для надежного приема такой сигнал должен обладать значительной энергией. Мощный сигнал, с одной стороны, является сильным источником помех, а с другой – сам сильно подвержен влиянию внешних помех.

В узкополосных системах связи используется полоса частот в диапазоне 18-19 ГГц. Сигнал на этой частоте не может проникать через стены (металлические и бетонные). Для организации компьютерных сетей узкополосные системы практически не применяются.

Радиоволны, широкополосные сигналы

Организация радиоканала, как правило, осуществляется в диапазонах частот около 900 МГц, 2.4 ГГц и 5.7 ГГц. Для работы в этих диапазонах в США не требуется никакого лицензирования (в России необходимо получить лицензию в Госсвязьнадзоре).

Широкополосный (spread spectrum) сигнал занимает значительно более широкий частотный диапазон, чем тот, что потребовался бы при обычной передаче. Для расширения спектра используются две основные технологии, основанные на использовании псевдослучайного (шумоподобного) кодирования сигнала. Обе технологии лежат в основе стандарта IEEE 802.11.

Первый способ формирования широкополосного сигнала – метод частотных скачков (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Весь выделенный диапазон частот разбивается на несколько поддиапазонов (IEEE 802.11 определяет для FHSS разбиение на 79 поддиапазонов). Передатчик постоянно переходит с одного поддиапазона на другой: например, первый бит передается в первом поддиапазоне, второй – в 12, третий – в 7, четвертый – в 53 и т.д. Ясно, что, не зная последовательности и частоты переключения диапазонов, сигнал принять невозможно. Каждая пара приемник – передатчик должна работать на согласованной последовательности поддиапазонов. Кроме того, если в одной полосе одновременно работают несколько передатчиков с разными последовательностями переключения поддиапазонов, то они практически не мешают друг другу. Вероятность случайного совпадения используемых поддиапазонов в некоторый момент времени (и, соответственно, порчи данных) достаточно невелика, так что такие ошибки могут обрабатываться протоколами более высокого уровня.

Второй способ называется методом прямой последовательности (Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS). При передаче в каждый блок данных встраиваются пустые биты (с псевдослучайными – шумоподобными – значениями). После каждого информационного бита добавляется свое количество пустых битов. Получаемые последовательности битов в DSSS называются чипами. Каждый чип затем передается на своей частоте (IEEE 802.11 определяет для DSSS 11 несущих частот). Восстановление сигнала осуществляется с помощью специального процессора, выделяющего данные из шума с помощью коррелятора.

При использовании миниатюрных ненаправленных антенн возможна передача данных на расстояние до нескольких десятков метров (30-50 м). Максимальная дальность связи при работе со всенаправленной антенной достигает 8 км. Направленные антенны (в условиях прямой видимости) позволяют увеличить дальность связи до 10 км, а с использованием усилителей – до 50 км. Наиболее распространенное в настоящее время оборудование обеспечивает пропускную способность в 2 Мбит/с, хотя встречаются и более высокоскоростные (например, 4 Мбит/c) устройства.

Расширение спектра частот позволяет значительно уменьшить мощность источника сигналов (типичное значение выходной мощности – 30..50 мВт). Радиосигнал с распределенным спектром обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью, он способен проникать сквозь здания и другие сооружения, что обеспечивает относительно большую дальность связи (для беспроводных сред). Однако при этом достигается относительно низкая скорость передачи. К недостаткам таких каналов относится и возможная электромагнитная несовместимость отдельных сетей, расположенных недалеко друг от друга.