6 СЕРЕДОВИЩА ПЕРЕДАВАННЯ ДАНИХ. ЛІНІЇ ЗВ’ЯЗКУ

6.1 Сeредовища передавання даних

Передавання даних може відбуватися по кабелю та за допомогою електромагнітних хвиль тієї або іншої природи – інфрачервоних, мікрохвиль, радіохвиль, – що розповсюджуються в просторі.

Кабельні середовища за використовуваним матеріалом діляться на “мідні” (насправді, провідні жили таких кабелів можуть містити не тільки мідь, але і інші метали і їх сплави) і оптичні (оптоволоконні, провідна жила виготовляється з оптично прозорих матеріалів – кварцу або полімерів). Мідні кабелі бувають симетричними (всі провідники однакові, наприклад, скручені дроти провідників) і асиметричними (наприклад, коаксіальний кабель, що складається з ізольованих один від одного центральної жили і обплетення).

Оптичні кабелі розрізняються по співвідношенню між товщиною дротової жили і частотою передачі даних. Тонкі жили, діаметр перетину яких порівнянний з довжиною хвилі частоти-носія , утворюють одномодові кабелі (типова товщина 8-10 мкм), а товщі – багатомодові (до 50-60 мкм).

При побудові безпровідних мереж, як правило, застосовується одна з трьох технологій: передача в інфрачервоному діапазоні, передача даних за допомогою вузькосмугових радіосигналів і передача даних за допомогою радіосигналів з розподіленим спектром.

6.2  Лінії зв'язку

Лінія зв'язку (рисунок 6.1) складається з фізичного середовища, по якому передаються інформаційні сигнали, апаратури передачі даних і проміжної апаратури. Синонімом терміна "лінія зв'язку" (line) є термін "канал зв'язку" (channel). Фізичне середовище передачі даних (medium) може бути кабелем (набором проводів, ізоляційних і захисних оболонок, сполучних роз'ємів), а також земною атмосферою або космічним простором, через які розповсюджуються інформаційні сигнали.

Рисунок 6.1 – Склад лінії зв'язку

Класифікація ліній зв'язку (рисунок 6.2): 

-         дротові (повітряні);

-         кабельні (мідні і волоконно-оптичні);

-         радіоканали наземного і супутникового зв'язку. 

Рисунок 6.2 – Типи ліній зв'язку

Застосовуються три основні (рисунок 6.3) типи кабелів: коаксіальні кабелі з мідною жилою,кабелі на основі скручених пар мідних проводів,волоконно-оптичні кабелі.

Рисунок 6.3 – Будова кабелів

6.2.1 Мідні кабелі: коаксіальний кабель (coaxial)

Коаксіальний кабель складається з несиметричних пар провідників. Кожна пара є внутрішньою мідною жилою і співвісною з нею зовнішньою жилою (рисунок 6.4), яка може бути порожнистою мідною трубою або обплетенням, відокремленим від внутрішньої жили діелектричною ізоляцією. Зовнішня жила грає двояку роль – по ній передаються інформаційні сигнали, також вона є екраном, що захищає внутрішню жилу від зовнішніх електромагнітних полів.

Існує декілька типів коаксіального кабелю, що відрізняються характеристиками і областями застосування

-         для локальних комп'ютерних мереж,

-         для глобальних телекомунікаційних мереж,

-         для кабельного телебачення тощо.

Рисунок 6.4 – Коаксіальний кабель

Коаксіальний кабель складається з двох концентричних провідників, розділених шаром діелектрика. Зовнішній провідник при цьому екранує внутрішній. Найбільше застосування отримав кабель з маркуванням RG-58, (хвилевий опір 50 Ом), так званий "тонкий" коаксіальний кабель. "Товстий" (або звичайний) коаксіальний кабель з маркуванням RG-8 .

Задля з'єднання коаксіальних кабелів використовуються N- роз’єми (“товстий” коаксіал) і BNC-роз’єми (на рисунку 6.5 ліворуч), Т- коннектор- посередині, праворуч – термінатор (заглушка).

Рисунок  6.5 – BNC- конектор, T-конектор і термінатор 

6.2.2 Мідні кабелі: кабелі на основі скручених пар

Мідні кабелі: кабелі на основі скручених пар називаються симетричними кабелями через те, що вони складаються з двох однакових в конструктивному відношенні провідників. Симетричний кабель може бути як екранованим – на основі екранованої скрученої пари (Shielded Twisted Pair, STP), повний опір 150 Ом, застосовується в Token Ring, Fast Ethernet), так і неекранованим – на основі неекранованої скрученої пари (Unshielded Twisted Pair, UTP), хвильовий опір кабелю будь-якій категорії – 100 Ом). Симетричний кабель може складатися з декількох скручених пар.

Кабельні системи будівель найчастіше будуються на основі неекранованої скрученої пари UTP, категорій 3 (16 Мгц), 5  (100 Мгц),  5е (125 Мгц), 6, 6А  (250 Мгц), 7  (600 Мгц).

Неекранована скручена пара UTP (Unshielded Twisted Pair) випускається переважно в 4-парному виконанні (рисунок 6.8, а), іноді зустрічаються 2-парні кабелі, зазвичай cat 3, і багатопарні кабелі – 25 пар і більше. Основні мережні технології – Ethernet і Token Ring – використовують тільки дві пари, але існують і технології (100 Base T4),  де передача даних - по всіх  чотирьох парах. Пари помічені кольором ізоляції: синій і біло-синій, оранжевий і біло-оранжевий, зелений і біло-зелений, коричневий і біло-коричневий. Для з'єднання кабелів і устаткування використовуються 8-контактні конектори RJ-45. Стандарт EIA/TIA-568A визначає два варіанти розкладки провідників по контактах: T568A і T568B.

Рисунок  6.6 – Кабель UTP, 4-парний

Рисунок 6.7.– Конектор RJ-45

У кожній локальній мережі може використовуватися будь-який варіант розкладки, але не обидва одразу.

Скручена пара використовуються для передачі даних на відстані до декількох сотень метрів. Стандарт Ethernet обмежує довжину сегменту на неекранованих скручених парах до 100 м. Основний недолік неекранованої скрученої пари – сильна чутливість до впливу електромагнітних перешкод.

Екранована скручена пара (STP, Shielded Twisted Pair) (рисунок 6.8, д) добре захищає передаваня сигналів від впливу зовнішніх електромагнітних полів, але вимагає заземлення екрану при монтажі, що ускладнює і здорожує кабельну систему. 

Рисунок 6.8 – Кабелі скручена пара: а – UTP категорії 3-5; б – UTP категорії 6; в – ScTP, FTP; г – SFTP; д – STP Туре 1; е – PiMF(Pair in Metal Foil) категорії 7. 1 – дріт в ізоляції, 2 – зовнішня оболонка, 3 – сепаратор, 4 – екран з фольги, 5 – дренажний дріт, 6– екрануюча оболонка

Кабель STP в основному використовується фірмою IBM, яка фірмовим стандартом визначила дев'ять його категорій, – від Type 1 до Type 9. Кабель Type 1 складається з двох пар і по параметрах близький до UTP cat.5, за винятком хвильового опору – 150 Ом. Кабелі STP  використовуються в мережах Token Ring, Fast Ethernet і 100VG-AnyLAN. 

Фольгована скручена пара FTP (Foiled Twisted Pair) - кабель, в якому скручені пари (рисунок 6.8, в) обгорнуті загальним фольговим екраном для  підвищення стійкості до перешкод.

6.2.3 Волоконно-оптичний кабель

При побудові мереж використовуються також і скляні (точніше, кварцові) – волоконно-оптичні кабелі, де носіями даних є світлові хвилі.

Серцевина такого кабелю є тонке кварцове волокно, яке поміщене в пластикову оболонку, що відбиває. Розповсюджуючись по серцевині, промені світла не виходять за її межі, відбиваючись від покриваючого шару оболонки.

Залежно від розподілу показника заломлення і від величини діаметру серцевини розрізняють:

• багатомодове ( Multi Mode Fiber, MMF)  волокно із ступінчастою зміною показника заломлення (рисунок 6.9.а);
• багатомодове волокно з плавною зміною показника заломлення (рисунок 6.9. б) ;
• одномодове волокно (Single Mode Fiber, SMF) (рисунок 6.9, в).

Рисунок  6.9 – Типи оптичного кабелю

У тонкому волокні (діаметр серцевини 5-15 мкм, що порівняно з довжиною світлової хвилі), може розповсюджуватися тільки один світловий промінь (одна мода). Такий кабель називають одномодовим (Single Mode Fiber, SMF). При цьому, за рахунок використання світлових хвиль різної довжини, можлива одночасна організація в одному волокні декількох високошвидкісних каналів. Смуга пропускання SMF- кабелю досягає 800 ТГц. Виробництво SMF-кабелю достатньо складне, крім того, для монтування такого кабелю потрібне використання прецизійного устаткування.

Тому поширеніший так званий багатомодовий (Multi Mode Fiber, MMF) волоконно-оптичний кабель, якому властива відносно велика товщина серцевини (40-110 мкм). При цьому світлові промені, що входять в кабель під різними кутами, відбиваються від стінок оболонки, проходять різні відстані і потрапляють до приймача в різний час, спотворюючи один одного. Існують способи зменшення спотворень, проте, в основному, за рахунок зменшення смуги пропускання. В результаті багатомодовий волоконно-оптичний кабель завдовжки 100 м може надати смугу пропускання в 1600 Мгц при довжині хвилі 0.85 мкм. Стандарт EIA/TIA-568A визначає два типорозміру багатомодового MMF -кабелю: 62,5/125 мкм і 50/125 мкм (перше число – діаметр внутрішнього провідника - серцевини, друге – діаметр оболонки).

Передачу сигналів по волокну в даний час здійснюють в трьох діапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм і 1.55 мкм. Ці діапазони названі вікнами прозорості. Параметр NA (Numberic Aperture)- числова апертура- дорівнює синусу кута вводу променя у світловоді визначається через показники заломлення шарів. В багатомодовому волокні апертура NA = 0,2-0,3 й кут вводу променю не перевищує 12-18^о  від вісі. В одномодовому волокні апертура NA = 0,122 й кут не перевищує 7^о  від вісі. Чим апертура більше, тим легше вводити промень у волокно, але тоді збільшується модова дісперсія та зменшується смуга пропускання. Як джерело світлових хвиль у волоконно-оптичних каналах використовують світлодіоди (LED, Light Emitting Diode) і лазерні діоди (ILD, Injection Laser Diode).

Перше покоління передавачів (1970 р.) будувалося на основі світлодіодів з довжиною хвилі 0.85 мкм в MMF-режимі. Друге покоління (кінець 1970-х) становили SMF-передавачі, що працюють на довжині хвилі 1.3 мкм. На початку 1980-х з'явилися передавачі третього покоління – лазерні діоди з  довжиною хвилі 1.55 мкм. Четверте покоління оптичних передавачів (початок 1990-х) побудоване цілком на лазерних діодах і реалізує когерентні системи зв'язку з ЧМ або ФМ сигналу. П'яте покоління базується на використанні технології легування світловодів домішками ербію, які дозволяють підсилювати сигнали, що проходять по світлопроводу. Швидкість передавання в мережах SONET/SDH сягає 40 Гбіт/с.

Оптичні кабелі мають якнайкращі електромагнітні і механічні характеристики, не схильні до впливу електромагнітних перешкод, утрудняють перехоплення даних, але їх монтаж найбільш складний і трудомісткий, вимагає застосування спеціалізованого дорогого устаткування і кваліфікованого персоналу.

6.3 Безпровідні середовища передачі даних

 (радіоканали наземного і супутникового зв'язку)

Безпровідні мережі в основному використовують три технології передачі даних: передача в інфрачервоному діапазоні, передача даних за допомогою широкосмугових радіосигналів і передача даних за допомогою звичайних (“вузькосмугових”) радіосигналів.

6.3.1 Інфрачервоні канали (InfraReD channel)

Інфрачервоні канали працюють в діапазоні  частот аж до 1000 ГГц,  сигнали мало схильні до впливу електромагнітних перешкод,  передача даних може здійснюватися на високій швидкості.

Три основні типи інфрачервоних каналів: прямої видимості; розсіяного випромінювання (хвилі відбиваються від підлоги, стін, стелі); відбитого випромінювання (приймачі напрямлені на загальний відбивач).

Основна проблема ІФЧ- каналів – поглинання і розсіювання інфрачервоних хвиль в атмосфері, сильна залежність від погодних умов. Лист паперу між передавачем і приймачем може блокувати передачу даних.

Використання ненапрямленої антени і малопотужного передавача (100 мВт) обмежує дальність зв'язку до 30-50 м.

Напрямлена антена і могутніший передавач (250 мВт) збільшують можливу дальність зв'язку до 10 км. Продукується устаткування для організації високошвидкісних інфрачервоних каналів (до 155 Мбіт/с) при дальності зв'язку до 150 м.

6.3.2 Радіохвилі, сигнали з вузькосмуговим спектром.

Звичайний радіосигнал займає вузьку смугу радіоспектру поблизу частоти-носія. Для надійного прийому такий сигнал повинен володіти значною енергією. Потужний сигнал з одного боку є сильним джерелом перешкод, а з іншого –  він сам дуже схильний до впливу зовнішніх перешкод.

У вузькосмугових системах зв'язку використовується смуга частот в діапазоні 18-19 ГГц. Сигнал на цій частоті не може проникати через стіни (металеві і бетонні). Для організації комп'ютерних мереж вузькосмугові системи практично не застосовуються.

6.3.3 Радіохвилі, сигнали з широкосмуговим спектром.

Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Радіоканали відрізняються як по частотних діапазонах, так і  по дальності каналу. Діапазони коротких, середніх і довгих хвиль (KХ, CХ і ДХ), використовують амплітудну модуляцію ( AM)  сигналу, забезпечують телекомунікацію, але при невисокій швидкості передачі даних. Швидкіснішими є канали частотної модуляції ( FM), що працюють на діапазонах ультракоротких хвиль (УКХ), а також в діапазонах надвисоких частот (НВЧ). У діапазоні НВЧ (понад 4 Ггц) сигнали вже не відбиваються іоносферою Землі, і для стійкого зв'язку потрібна наявність прямої видимості між передавачем і приймачем. Тому такі частоти використовують або супутникові канали, або радіорелейні канали, де ця умова виконується.

Організація радіоканалу здійснюється в діапазонах частот близько 900МГц, 2.4 ГГц і 5.7 ГГц.

Широкосмуговий (spread spectrum) сигнал займає значно ширший частотний діапазон, ніж сигнал  звичайної передачі. Для розширення спектру використовуються дві основні технології використання псевдовипадкового (шумоподібного) кодування сигналу. Обидві технології покладені в основу безпровідних мереж стандарту 802.11 (детальніше у розділі 17).

При використанні мініатюрних ненапрямлених антен можлива передача даних на декілька десятків метрів (30-50 м). Максимальна дальність зв'язку при роботі зі всенапрямленою антеною досягає 8 км. Напрямлені антени дозволяють  збільшити дальність зв'язку до 10 км., а з використанням підсилювачів – до 50 км. Найбільш поширене в даний час устаткування 802.11n забезпечує пропускну спроможність до 300 Мбіт/с.

Розширення спектру частот дозволяє зменшити потужність джерела сигналів (типове значення вихідної потужності – 30...100 мВт). Радіосигналу з розподіленим спектром притаманна висока стійкість до перешкод і надійність, він здатний проникати крізь будівлі і інші споруди, що забезпечує відносно велику дальність зв'язку (для безпровідних середовищ).

6.3.4 Супутниковий зв'язок

Системи супутникового зв’язку зображені на рисунку 6.10.

Залежно від висоти орбіти, супутники діляться на геостаціонарні і низькоорбітальні.

Cупутники, що знаходяться на висоті близько 36 тис. км. над екватором, за третім законом Кеплера, мають період обертання, рівний 24 годинам, і називаються геостаціонарними (нерухомими щодо Землі) . Значно спрощені антенні системи (немає необхідності в приводі, що змінює орієнтацію антени).

Рисунок 6.10 – Системи супутникового зв’язку

Чотири геостаціонарних супутники (розташовані на кутовій відстані в 90 градусів один від одного) покривають всю поверхню Землі. До недоліків геостаціонарних супутників відноситься досить велика затримка проходження сигналу (250-300 мс). Кутова відстань між такими супутниками складає 2 градуси, тобто одночасно на орбіті може знаходитися не більше 180 супутників (частот, що працюють в загальному діапазоні). За рахунок використання декількох діапазонів це обмеження дещо пом’якшене. Використовуються частоти (приблизно) від 3 Ггц до 30 Ггц, що приводить до залежності якості передачі від погодних умов (дощ, сніг).

Супутник зв'язку має декілька приймачів (транспондерів), що працюють в різних частотних діапазонах,  пропускна спроможність одного транспондеру – 50 Мбіт/с.

Низькоорбітальні (висота орбіти – від сотень до одиниць тисяч кілометрів) супутники постійно переміщуються щодо будь-якої точки поверхні Землі. Основний принцип низькоорбітальних систем – велика кількість (декілька десятків) супутників, що спільно охоплюють всю земну кулю. Тоді будь-яка наземна станція може перемикатися між супутниками у міру їх проходження.

Найвідоміший проект низькоорбітальної системи – Ірідіум – включає 66 супутників на висоті 750 км. Кожен супутник має по 48 променів по 174 дуплексних каналів кожен. Діапазон частот 1610-1626.5 Мгц (дозволяє використовувати живлення від акумуляторів).

Інший проект – Глобалстар – включає 48 супутників на висоті 1400 км., у кожного супутника по шість сфокусованих променів по 2800 каналів кожен. Наземна станція в кожен момент часу підтримує зв'язок з трьома найближчими супутниками.

6.3.5 Стільниковий зв'язок 

Стільниковий зв'язок заснований на застосуванні кабельних і безпровідних каналів. Базова структура мережі створюється на основі високошвидкісних кабельних каналів зв'язку, а підключення абонентів проводиться по радіоканалах, що дозволяє забезпечити їх мобільність.

Системи стільникового зв'язку будуються у вигляді сукупностей комірок-сот (cell), що покривають обслуговувану територію. В центрі кожної комірки розташовується базова станція (БС), з якою (по радіоканалах) зв'язуються всі абоненти, що знаходяться в межах даної комірки. На базовій станції розташовані приймальна і передавальна антени (часто використовується пара приймальних антен), декілька приймачів і передавачів (частот, що працюють на різних піддіапазонах, в межах виділеної даної БС смузі частот), контролер і блок сполучення з лінією зв'язку. Якщо абонент переміщується в іншу комірку, його починає обслуговувати інша БС. Всі БС пов'язані з центром комутації, у якого є підключення до звичайної міської телефонної мережі. Якщо мережа достатньо велика, то в ній може бути присутніми декілька зв'язаних між собою центрів комутації.

Основним принципом стільникового зв'язку є принцип повторного використання частот (frequency reuse), що дозволяє  необмежено нарощувати ємкість системи (реальне обмеження – потужність центру комутації). Суть його в наступному. У поряд розташованих комірках використовуються різні смуги частот, що дозволяє сусіднім БС не конкурувати за загальну смугу, а абонентському устаткуванню легко вибирати найближчу до нього БС (по сигналу максимальної потужності). В той же час, одну і ту ж смугу можна використовувати в несуміжних комірках. Групу комірок, в якій кожен частотний діапазон використовується тільки однією коміркою, називають кластером. В результаті, для мережі довільного розміру, виявляється достатньою наявність трьох непересічних частотних діапазонів, тобто мережа може бути розбита на 3-елементні кластери.