11 Беспроводная передача. Электромагнитный спектр. Радиосвязь. Спутниковая связь.

 

 Будущее за беспроводным соединением и оптоволокном. Все мобильные средства коммуникации и обработки информации будут беспроводными. Беспроводная связь полезна не только при мобильных вычислительных средствах, но и там где прокладка любого кабеля затруднительна, либо не возможна (горы, старые здания, оперативные коммуникации). 2.3.1 Электромагнитный спектр Как известно электрона при движении образуют электромагнитные колебания. Это явление Максвел предсказал в 1865, а Генрих Герц экспериментально обнаружил в 1887. Число колебаний электромагнитной волны в секунду называется частотой волны (f). Расстояние между ее гребнями - длиной волны(p). Если к источнику электромагнитных волн подключить антенну соответствующего размера, то волны будут распространяться и регистрироваться приемниками. В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света С = 3х108 m/sec. В медном проводнике эта скорость составляет 2/3 от скорости в вакууме. Фундаментальное соотношение соединяет f, c и p pf = С (2-1) Поскольку С - константа, то зная p, знаем f, и наоборот. Количество данных, передаваемых электромагнитной волной, определяется ее полосой пропускания. При определенных условиях на низких частотах можно закодировать несколько бит на Гц, но часто до 40 бит на высоких частотах. Поэтому кабель с полосой пропускания 500МГц может передавать со скоростью несколько Гбит в секунду. Отсюда ясно почему оптоволокно столько привлекательно для сетей ЭВМ. 2.3.2 Радио передача просто генерировать, легко принимать, хорошо распространяется во всех направлениях (Кадилак),хорошо принимается как в доме, так и вне его, низкочастотные волны хорошо преодолевают преграды, но требуют много энергии, они затухают пропорционально 1/r3 от источника. высокочастотные волны хуже огибают препятствия, даже дождь - помеха для них, они интерферируют с излучениями от других электрических приборов. Радиосвязь

Поверхностная волна

Ионосфера

Земная поверхность

Земная поверхность

a) Сверхдлинные, длинные и короткие волны огибают земную поверхность b) Короткие волны отражаются от ионосферы (пространственная волна) c) Ультракороткие волны и выше распространяются прямолинейно 2.6 Спутниковая связь Первый спутник связи был запущен в СССР в 1962 году. Основное его отличие от того что предпринималось ранее - он усиливал сигнал, прежде чем отправить его назад на землю. Спутник связи имеет несколько приемопередатчиков - транспондеров. Каждый транспондер слушает свою часть спектра, усиливает полученный сигнал и передает его обратно на землю в нужном направлении, на нужной частоте, отличной от частоты приема, чтобы избежать интерференции с принимаемым сигналом. Возвращаемый луч может быть по желанию либо широким, покрывая большую территорию, либо наоборот узко направленным. 2.6.1 Геостационарные спутники. Согласно 3-му закону Кеплера период вращения спутника пропорционален 3/2 степени орбитального радиуса. На высоте примерно 36000 км над экватором период спутника будет равен 24 часа. Такой спутник наблюдателю на экваторе будет казаться неподвижным. Такая неподвижность очень большое достоинство, так как в противном случае пришлось бы делать сложные антенные системы. В силу интерференции волн не разумно было бы размещать такие спутники ближе чем 2 градуса экваториальной плоскости. Однако, если спутники работают на разной частоте, то это возможно. Таким образом, в одно и тоже время на экваториальной орбите может находится не более 180 спутников, работающих на одной и той же частоте. Так как часть из этих орбит зарезервирована не только для целей связи, то их на самом деле меньше. Обычно спутник связи имеет 12-20 транспондеров с полосой пропускания 36-50 Мгц каждый. 50 Мbps транспондер может быть использован для передачи 50 Mbps потока данных и 800 64Kbps телефонных разговоров. Можно по-разному поляризовать сигналы так, что два транспондера смогут использовать одну и ту же частоту. Первые спутники имели один широкий луч. Современные имеют несколько относительно узких луча, пятно которых охватывает несколько сот километров. Относительно новой технологией является технология малых антенн, называемых VSAT - Very Small Aperture Terminals - терминалы с очень маленькой апертурой. Эти маленькие терминалы имеют антенну в 1 метр, способную излучать сигнал мощностью в 1 ватт. Они способны передавать данные со скоростью примерно 19.2 Kbps и принимать - 512 Kbps. Из-за малой мощности эти терминалы не могут взаимодействовать напрямую, но прекрасно это могут через специальный спутниковый хаб, как это показано на рис 2-56. Это компромисс - задержка в передачи за низкую стоимость передачи. Спутниковые системы связи имеют существенные отличия от наземных систем точка-точка. Несмотря на то, что сигнал распространяется со скоростью света, задержка велика - 250-300 mсек, против 3-5 mсек/км на коаксиале, оптоволокне и т.д. Спутниковые системы принципиально вещательного типа. Для некоторых приложений это очень важно. Стоимость передачи не зависит скольким получателям сообщение предназначено. Однако, проблема безопасности передаваемой информации здесь требует особого внимания - все слышат все .что передается. Выход - только шифрование. Стоимость передачи не зависит от расстояния. Этот способ передачи имеет очень низкий коэффициент ошибок при передаче. 2.6.2 Низко орбитальные спутники. Изначально низко летящие спутники серьезно не рассматривались. Слишком быстро они проносились над определенным местом. В 1990 компания Моторола обратилась с проектом системы низко летящих спутников. Идея была очень проста: когда один спутник исчезал, подлетал другой, так что передача не прерывалась. Компания подсчитала, что потребуется 77 спутников на высоте 750 км. Позднее, уточнив, это число сократилось до 66. Этот проект получил название Иридиум ( 77 элемент - Иридиум). Основной задачей этого проекта обеспечить связь с наземными средствами, даже портативными, во всем мире. Этот проект вызвал ожесточенную конкуренцию со стороны других компаний. Все захотели строить низколетящие спутниковые системы. Было предложено множество других проектов, но все они похожи на Иридиум. Поэтому мы рассмотрим его. Надо отметить что этот проект непосредственно конкурирует с РСS/PCN сотовыми системами и, в случае успеха, делает их не столь необходимыми. Схематично этот проект показан на рис 2-57. Вдоль меридиана на расстоянии 32 градуса располагаются 11 спутников, летящих на высоте 750 км. Таких ожерелий будет 6, которые должны охватить всю землю. Каждый спутник будет иметь 48 пятен, так что 1628 пятен (сот) покроют землю. (рис 2-57b). Каждая сота будет иметь 174 дуплексных канала на частоте обычного сотового радио. Так что во всем мире будет поддерживаться 283 272 канала. Некоторые из них будут использоваться для paging и для навигации так, что не потребуют большой пропускной способности. Прием и передача будут идти на частоте 1.6 ГГц, что позволит использовать устройства, работающие от батареек. Если сообщение принятое одним спутников адресовано в область, покрываемую другим, то оно будет передано от одного спутника другому. По оценкам компании Моторола стоимость проекта не превысит $3 с клиента за минуту. Это не дорого и наверняка найдет сбыт. Однако, это вызовет жесткую конкуренцию со стороны сотовой телефонной связи. 2.6.3 Спутники или оптоволокно? Это сопоставление спутниковых систем передачи и наземных систем весьма важно. 20 лет назад казалось, что будущее за спутниковыми системами. Не видно было , что телефонные системы собираются развиваться дальше. Да и трудно это казалось в рамках строгих международных регламентаций. В 1984 году в США позднее в Европе все существенно изменилось. Телефонные компании ринулись в конкурентную борьбу, стали вводить оптоволоконные линии, B-ISDN, SMDS и т.д. Они стали менять свою ценовую политику. Все это выглядело так, что будущее за оптоволокном. Однако, спутниковые системы имеют ряд очень серьезных преимуществ. Рассмотрим их. Оптоволоконные линии обладают большой пропускной способностью, но она используется для мультиплексирования многих телефонных разговоров, а не для увеличения пропускной способности для отдельного пользователя. По-прежнему между конечным пользователем и оптоволокном лежит петля на витой паре, не позволяющая использовать пропускную способность оптоволокна. В тоже время достаточно установить антенну на крыше и вам доступна вся пропускная способность спутника. Для пользователей, которым нужна высокая пропускная способность на уровне Т3 (44736 Mbps) выход один - арендовать такой канал или использовать SMDS сервис, если он доступен. Спутник доступен практически всегда. Второй фактор - мобильность. Сейчас люди хотят иметь связь всегда: на прогулке, путешествуя. Сочетание сотовой связи и оптоволокна не всегда решает эту проблему: как быть на корабле или самолете? Там где вещание принципиально необходимо - спутник не заменим. Новости, биржевые сводки и т.п. Спутник не заменим там, где географические условия не позволяют создать развитую кабельную систему. Индонезия построила свою национальную телефонную сеть на спутниковой связи. Запустить один спутник много дешевле, чем прокладывать под водой километры кабеля. Спутник хорош везде где надо быстро развернуть систему передачи данных. Где нет времени или средств создавать кабельную инфраструктуру. На первый взгляд кажется, что будущее за наземными оптоволоконных системами в сочетании с сотовой связью , а спутниковые найдут применение лишь в исключительных случаях. Однако, многое будет зависеть от стоимости услуг. Экономические факторы будут играть существенную роль.