10.1. Общая характеристика каналов связи телекоммуникационных систем

10.2. Кабельные каналы связи на основе витых пар

10.3. Коаксиальные кабельные каналы

10.4. Оптоволоконные кабельные каналы

10.5. Беспроводные каналы связи

10.1. Общая характеристика каналов связи телекоммуникационных систем

Физический уровень отвечает за транспортировку информации непосредственно через физическую среду передачи.

Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.

Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей. Но все кабели можно разделить на три большие группы:

-       электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на:

-       экранированные (shielded twisted pair, STP);

-       неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);

-       электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);

-       оптоволоконные кабели (fiber optic).

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:

-       Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание.

-       Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.

-       Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.

-       Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.

Таблица 10.1 – Характеристики основных каналов связи

Типовой канал связи	Расстояние	Скорость
Неэкранированная витая пара	до 90 м	10-155 Мбит/с
Коаксиальный кабель	до 2 км	2-44 Мбит/с
Телефонная линия	-	56,6 Кбит/с
Оптоволоконный	до 10 км	до 10 Гбит/с
Радиоканал	до 70 км	до 400 Кбит/с
Экранированная витая пара	до 300 м	16Мбит/с

10.2. Кабельные каналы связи на основе витых пар

Витые пары проводов (особенно UTP) используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.

Неэкранированные витые пары (Unshielded twisted pair - UTP) характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания.

В случае экранированной витой пары (Shielded twisted pair - STP) каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk – перекрестные наводки). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

10.3. Коаксиальные кабельные каналы

Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1 ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5 – 3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют существенно реже, чем витую пару. Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (RG-58, RG-11, RG-8) и 93-омные кабели (RG-62). Распространенные в телевизионной технике 75-омные кабели в локальных сетях не используются.

10.4. Оптоволоконные кабельные каналы

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля, информация по которому передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля. Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 – 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции – стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 10 12 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. В случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Самый главный из них – высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме). Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого нужна высокая квалификация персонала и специальные инструменты.

Также надо помнить, что использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что порой существенно увеличивает стоимость сети в целом.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

-       многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

-       одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле.

Рисунок 10.12 - Многомодовый (а, б) и одномодовый (в) оптоволоконные кабели

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30–50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2–5 км. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5–20 дБ/км. Типичная величина задержки для наиболее распространенных кабелей составляет около 4—5 нс/м, что близко к величине задержки в электрических кабелях.

Многомодовый кабель – это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее.

Типовые характеристики различных оптико-волоконных кабелей приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2 - Типовые характеристики различных оптиковолоконных кабелей

В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны. За счет этой техники удалось в 16-160 раз увеличить широколосность канала из расчета на одно волокно. Схема мультиплексирования показана на рис. 10.13.

На входе канала сигналы с помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется 2D-развертка (или 3D) по длине волны). Разработка технологии получения особо чистого материала волокон позволила расширить полосу пропускания одномодового волокна до 100 нм. Полоса одного канала может лежать в диапазоне от 2 до 0,2 нм. Эта технология в самое ближайшее время расширит скорость передачи данных по одному волокну с 1 до 10 Тбит/с.

Рисунок 10.13 - Мультиплексирование с делением по длине волны в оптическом волокне

Рисунок 10.14 - Схема многоканального мультиплексирования с делением по длине волны в оптическом волокне. TE - терминальное оборудование; L ‑ лазер; M/D ‑ оптический мультиплексор-демультиплексор

Рисунок 10.15 - Схема перенаправления оптических информационных потоков

Для осуществления требуемой маршрутизации часто бывает нужно в коммутационном узле сменить длину волны потока. Схема этой операции показана на рис. 10.16, a - для OADM (optical adddrop multiplexer), рис. 10.16, b - для оптического кросс-коммутатора OXC (optical cross-connect), рис. 10.16, c - для OXC со сменой длины волны.

Рисунок 10.16 - Схема перенаправления оптических информационных потоков со сменой и без смены длины волны

10.5. Беспроводные каналы связи

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях также используются беспроводные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов. К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.

Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 м) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с (стандарт WiFi IEEE 802.11 g).

Использование радиоканалов связи осложняется недостаточностью частотного диапазона, особенно в России (рис. 10.17), а так же ограниченностью видов сигналов используемых при передаче (таблица 10.3). Недостаточный частотный ресурс порождает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосредств.

В современных системах радиосвязи используются адаптивные системы сигналов, позволяющие организовать связь с максимальной для данных погодных и радиоусловий скоростью (рис. 10.19-10.20). Кроме того, в настоящее время широко внедряются системы радиосвязи с широкополосными сигналами (ШПС) и системы с ортогональными поднесущими (OFDM), которые позволяют снизить остроту проблемы ЭМС и оптимизировать использование полосы частот (рис. 10.17-10.18).

Рисунок 10.17 – Использование адаптивной модуляции сигналов в интересах обеспечения максимальной скорости передачи в заданных условиях

Таблица 10.3 ‑ Краткие обозначения вида модуляций и классов излучений радиопередатчиков

Рисунок 10.18 – Распределение частотного диапазона в РФ для радиосредств