Пропускная способность канала. Пропускная способность сети

В любой системе связи через канал передается информация. Скорость передачи информации была определена в § 2.9. Эта скорость зависит не только от самого канала, но и от свойств подаваемого на его вход сигнала и поэтому не может характеризовать канал как средство передачи информации. Попытаемся найти способ оценки способности канала передавать информацию. Рассмотрим вначале дискретный канал, через который передаются в единицу времени символов из алфавита объемом При передаче каждого символа в среднем по каналу проходит следующее количество информации [см. (2.135) и (2.140)]:

где случайные символы на входе и выходе канала. Из четырех фигурирующих здесь энтропий -собственная информация передаваемого символа - определяется источником дискретного сигнала и не зависит от свойств канала. Остальные три энтропии в общем случае зависят как от источника сигнала, так и от канала.

Представим себе, что на вход канала можно подавать символы от разных источников, характеризуемых различными распределениями вероятностей (но, конечно, при тех же значениях . Для каждого такого источника количество информации, переданной по каналу, принимает свое значение. Максимальное количество переданной информации, взятое по всевозможным

источникам входного сигнала, характеризует сам канал и называется пропускной способностью канала. В расчете на один символ

где максимизация производится по всем многомерным распределениям вероятностей Можно также определить пропускную способность С канала в расчете на единицу времени (секунду):

Последнее равенство следует из аддитивности энтропии. В дальнейшем везде, где это особо не оговорено, будем под пропускной способностью понимать пропускную способность в расчете на секунду.

В качестве примера вычислим пропускную способность симметричного канала без памяти, для которого переходные вероятности заданы формулой (3.36). Согласно (3.52) и (3.53)

Величина в данном случае легко вычисляется, поскольку условная переходная вероятность принимает только два значения: , если еслн Первое из этих значений возникает с вероятностью а второе с вероятностью К тому же, поскольку рассматривается канал без памяти, результаты приема отдельных символов независимы друг от друга. Поэтому

Следовательно, не зависит от распределения вероятности В, а определяется только переходными вероятностями канала. Это свойство сохраняется для всех моделей канала с аддитивным шумом.

Подставив (3.56) в (3.55), получим

Поскольку в правой части только член зависит от распределения вероятностей то максимизировать необходимо его. Максимальное значение согласно (2.123) равно и реализуется оно тогда, когда все принятые символы равновероятны и независимы друг от друга. Легко убедиться, что это условие удовлетворяется, еслн входные символы равновероятны и независимы, поскольку

При этом и

Отсюда пропускная способность в расчете на секунду

Для двоичного симметричного канала пропускная способность в двоичных единицах в секунду

Зависимость от согласно (3.59) показана на рис. 3.9.

При пропускная способность двоичного канала поскольку при такой вероятности ошибки последовательность выходных двоичных символов можно получить, совсем не передавая сигналы по каналу, а выбирая их наугад (например, по результатам бросания монеты), т. е. при последовательности на выходе и входе канала независимы. Случай называют обрывом канала. То, что пропускная способность при в двоичном канале такая же, как при (канал без шумов), объясняется тем, что при достаточно все выходные символы инвертировать (т. е. заменить 0 на 1 и 1 на 0), чтобы правильно восстановить входной сигнал.

Рис. 3.9. Зависимость пропускной способности двоичного симметричного канала без памяти от вероятности ошибочного приема символа

Пропускная способность непрерывного канала вычисляется аналогично. Пусть, например, канал имеет ограниченную полосу пропускания шириной Тогда сигналы на входе и выходе канала по теореме Котельникова определяются своими отсчетами, взятыми через интервал и поэтому информация, проходящая по каналу за некоторое время равна сумме количеств информации, переданных за каждый такой отсчет. Пропускная способность канала на один такой отсчет

Здесь случайные величины - сечения процессов на входе и выходе канала и максимум берется по всем допустимым входным сигналам, т. е. по всем распределениям .

Пропускная способность С определяется как сумма значений Сотсч» взятая по всем отсчетам за секунду. При этом, разумеется, дифференциальные энтропии в (3.60) должны вычисляться с учетом вероятностных связей между отсчетами.

Вычислим, например, пропускную способность непрерывного канала без памяти с аддитивным белым гауссовским шумом, имеющим полосу пропускания шириной если средняя мощность сигнала (дисперсия не превышает заданной величины Мощность (дисперсию) шума в полосе обозначим Отсчеты входного и выходного сигналов, а также шума связаны равенством

н так как имеет нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием, то и условная плотность вероятности при фиксированном и будет также нормальной - с математическим ожиданием и и дисперсией Найдем пропускную способность на один отсчет:

Согласно (2.152) дифференциальная энтропия нормального распределения не зависит от математического ожидания и равна Поэтому для нахождения нужно найти такую плотность распределения при которой максимизируется Из (3.61), учитывая, что независимые случайные величины, имеем

Таким образом, дисперсия фиксирована, так как заданы. Согласно (2.153), при фиксированной дисперсии максимальная дифференциальная энтропия обеспечивается нормальным распределением. Из (3.61) видно, что при нормальном одномерном распределении распределение будет также нормальным и, следовательно,

Переходя к пропускной способности С в расчете на секунду, заметим, что информация, переданная за несколько отсчетов, максимальна в том случае, когда отсчеты сигналов независимы. Этого можно достичь, если сигнал выбрать так, чтобы его спектральная плотность была равномерной в полосе Как было показано в отсчеты, разделенные интервалами, кратными взаимно некоррелированны, а для гауссовских величин некоррелированность означает независимость.

Поэтому пропускную способность С (за секунду) можно найти, сложив пропускные способности (3.63) для независимых отсчетов:

Она реализуется, если гауссовский процесс с равномерной спектральной плотностью в полосе частот (квазибелый шум).

Из формулы (3.64) видно, что если бы мощность сигнала не была ограничена, то пропускная способность была бы бесконечной. Пропускная способность равна нулю, если отношение сигнал/шум в канале равно нулю. С ростом этого отношения пропускная способность увеличивается неограниченно, однако медленно, вследствие логарифмической зависимости.

Соотношение (3.64) часто называют формулой Шеннона. Эта формула имеет важное значение в теории информации, так как определяет зависимость пропускной способности рассматриваемого непрерывного канала от таких его технических характеристик, как ширина полосы пропускания и отношение сигна/шум. Формула Шеннона указывает на возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала и наоборот. Однако поскольку С зависит от линейно, а от по логарифмическому закону, компенсировать возможное сокращение полосы пропускания увеличением мощности сигнала, как правило, нецелесообразно. Более эффективным является обратный обмен мощности сигнала на полосу пропускания.

Пропускная способность выступает универсальной характеристикой, описывающей максимальное количество единиц объектов, проходящих канал, узел, сечение. Характеристика широко используется связистами, транспортниками, гидравликами, оптиками, акустиками, машиностроением. Каждый даёт собственное определение. Обычно подводят черту, применяя единицы времени, явно увязывая физический смысл на скорость прохождения процесса. Канал связи передаёт информацию. Поэтому характеристикой пропускной способности выступает битрейт (бит/с, бод).

Единица измерения

Стандартный бит/с чаще дополняют приставками:

1. Кило: кбит/с = 1000 бит/с.
2. Мега: Мбит/с = 1000000 бит/с.
3. Гига: Гбит/с = 1 млрд. бит/с.
4. Тера: Тбит/с = 1 трлн. бит/с.
5. Пета: Пбит/с = 1 квадриллион бит/с.

Реже применяются размерности байтов (1Б = 8 бит). Величина обычно касается физического слоя иерархии OSI. Часть ёмкости канала отбирают условности протокола: заголовки, стартовые биты… Бодами принято измерять модулированную скорость, показывающую число символов в единицу времени. Для двоичной системы (0, 1) оба понятия эквиваленты. Кодирование уровней, например, псевдо-шумовыми последовательностями изменяет расстановку сил. Бодов становится меньше при том же битрейте, разницу определяет база наложенного сигнала. Теоретически достижимая верхняя граница модулированной скорости связана с шириной спектра канала законом Найквиста:

бод ≤ 2 x ширина (Гц).

Практически порог достигается одновременным выполнением двух условий:

• Однополосная модуляция.
• Линейное (физическое) кодирование.

Коммерческие каналы демонстрируют пропускную способность вдвое ниже. Реальная сеть передаёт также фреймовые биты, избыточную информацию исправления ошибок. Последнее касается вдвойне беспроводных протоколов, сверхскоростных медных линий. Заголовки каждого последующего уровня OSI последовательно снижают реальную пропускную способность канала.

Отдельно эксперты оговаривают пиковые значения – числа полученные с применением идеальных условий. Реальная скорость соединения устанавливается специализированным оборудованием, реже программным обеспечением. Онлайн-измерители показывают зачастую нереальные значения, описывающие состояние одной-единственной ветки мировой паутины. Путаницы добавляет отсутствие стандартизации. Иногда битрейт подразумевает физическую скорость, реже – сетевую (вычитающую объем служебной информации). Величины соотносятся следующим образом:

сетевая скорость = физическая скорость х кодовая скорость.

Последняя величина учитывает наличие возможности корректировать ошибки, всегда меньше единицы. Сетевая скорость однозначно ниже физической. Пример:

1. Сетевая скорость протокола IEEE 802.11a составляет 6..54 Мбит/с. Чистый битрейт – 12..72 Мбит/с.
2. Реальная скорость передачи 100Base-TX Ethernet равна 125 Мбит/с, благодаря принятой системе кодирования 4B5B. Однако применяемая методика линейной модуляции NRZI позволяет указать символьную скорость 125 Мбод.
3. Ethernet 10Base-T лишён кода коррекции ошибок, сетевая скорость равна физической (10 Мбит/с). Однако применяемый манчестерский код обусловливает присвоение итоговой символьной – значения 20 Мбод.
4. Общеизвестна асимметрия скорости восходящего (48 кбит/с), нисходящего (56 кбит/с) каналов голосового модема V.92. Аналогично работают сети многих поколений сотовой связи.

Ёмкость канала получила имя Шеннона – теоретический верхний предел сетевого битрейта в отсутствии ошибок.

Теория повышения пропускной способности

Теорию информацию развивал Клод Шеннон, наблюдая ужасы Второй мировой войны, ввёл понятие ёмкости канала, разработал математические модели. Имитация связной линии включает три блока:

1. Передатчик.
2. Зашумлённый канал (наличие источника помех).
3. Приёмник.

Переданная, принятая информация представлены условными функциями распределения. Ёмкостную модель Шеннона описывают графами. Пример Википедии даёт обзор среды, характеризующейся пятью дискретными уровнями полезного сигнала. Шум выбирают из интервала (-1..+1). Тогда пропускная способность канала равна сумме полезного сигнала, помех по модулю 5. Полученное значение часто оказывается дробным. Поэтому сложно определить размер изначально переданной информации (округлять в верхнюю или нижнюю сторону).

Величины, отстоящие дальше (например, 1; 3), невозможно перепутать. Каждый набор, сформированный тремя и более различимыми сообщениями, дополнен одним нечётким. Хотя номинальная ёмкость канала позволяет передать одновременно 5 значений, эффективной оказывается пара, позволяющая кодировать послания, избегая ошибок. Чтобы увеличить объем, используют комбинации: 11, 23, 54, 42. Кодовое расстояние последовательностей всегда больше двух. Поэтому помехи бессильны помешать правильному распознаванию комбинации. Становится возможным мультиплексирование, повышающее значительно пропускную способность канала связи.

Пять дискретных значений тоже объединяют равносторонним графом. Концы рёбер указывают пары значений, которые приёмник может перепутать, благодаря наличию шума. Тогда число комбинаций представлено независимым множеством составленного графа. Графически набор собран комбинациями, исключающими присутствие обеих точек одного ребра. Модель Шеннона для пятиуровневого сигнала составлена исключительно парами значений (см. выше). Внимание, вопрос!

• Какое отношение сложные теоретические выкладки имеют к обсуждаемой теме ёмкости канала?

Самое непосредственное. Первая цифровая система передачи кодированной информации Зелёный шмель (Вторая мировая война) применяла 6-уровневый сигнал. Теоретические выкладки учёных снабдили союзников надёжной зашифрованной связью, позволив провести свыше 3000 конференций. Вычислительная сложность графов Шеннона остаётся неизвестной. Значение пытались получить окольными путями, продолжая ряды по мере усложнения случая. Число Ловаса считаем красочным примером сказанного.

Битрейт

Пропускная способность реального канала вычисляется согласно теории. Строится модель шума, например, аддитивная Гауссова, получают выражение теоремы Шеннона-Хартли:

С = В log2 (1 + S/N),

В – полоса пропускания (Гц); S/N – отношение сигнал/шум. Логарифм по основанию 2 позволяет посчитать битрейт (бит/с). Величины сигнала, шума записываются квадратами вольта, либо ваттами. Подстановка децибелов даёт неправильный результат. Формула пиринговых беспроводных сетей немного отличается. Берут спектральную плотность шума, помноженную на ширину полосы пропускания. Выведены отдельные выражения каналов с быстрыми и медленными замираниями.

Мультимедийные файлы

Применительно к развлекательным приложениям битрейт показывает количество информации, сохраняемой, воспроизводимой ежесекундно:

1. Частота сэмплирования данных различна.
2. Выборки разного размера (бит).
3. Иногда проводится шифрование.
4. Специализированные алгоритмы сжимают информацию.

Выбирается золотая середина, способствующая минимизации битрейта, обеспечивающая приемлемое качество. Иногда сжатие необратимо искажает исходный материал помехами компрессии. Часто скорость показывает число битов в единице воспроизводимого времени аудио, видео (отображается плеером). Иногда величину вычисляют делением размера файла на общую длительность. Поскольку размерность задана байтами, вводят множитель 8. Часто мультимедийный битрейт скачет. Скоростью энтропии называют минимальную, обеспечивающую полное сохранение исходного материала.

Компакт-диски

Стандарт audio CD предписывает передавать поток частотой выборки 44,1 кГц (глубина 16 бит). Типичная музыка формата стерео составлена двумя каналами (левая, правая колонка). Битрейт удваивается к моно. Пропускаемая способность канала кодово-импульсной модуляции определена выражением:

• битрейт = частота выборки х глубина х число каналов.

Стандарт audio CD даёт итоговую цифру 1,4112 Мбит/с. Нехитрый подсчёт показывает: 80 минут записи занимают 847 МБ без учёта заголовков. Большим размером файла определяется потребность содержимое сжимать. Приведём цифры формата MP3:

• 32 кбит/с – приемлемо для членораздельной речи.
• 96 кбит/с – низкокачественная запись.
• .160 кбит/с – слабый уровень.
• 192 кбит/с – нечто среднее.
• 256 кбит/с – типичное значение большинства треков.
• 320 кбит/с – качество премиум.

Эффект налицо. Снижение скорости с одновременным ростом качества воспроизведения. Простейшие телефонные кодеки занимают 8 кбит/с, Opus – 6 кбит/с. Видео более требовательное. 10-битный несжатый поток Full HD (24 кадра) занимает 1,4 Гбит/с. Становится понятной необходимость провайдерам постоянно превосходить ранее установленные рекорды. Элементарный семейный воскресный просмотр измеряется общими впечатлениями зрителей. Близким сложно объяснить, что такое погрешность оцифровывания изображения.

Реальные каналы строят, обеспечивая солидный запас. Аналогичными причинами обусловлен прогресс стандартов цифровых носителей. Dolby Digital (1994) предусматривал однозначно потерю информации. Первый показ Бэтмен возвращается (1992) проигрывали с 35-мм плёнки, несущей сжатый звук (320 кбит в секунду). Кадры видео переносил CCD сканер, попутно оборудование распаковывало звуковое сопровождение. Оснащённый системой 5.1 Digital Surround зал требовал дальнейшей цифровой обработки потока.

Реальные системы чаще образованы набором каналов. Сегодня былой шик вытесняется Dolby Surround 7.1, растёт популярность Atmos. Одинаковые технологи могут реализоваться практически самобытно. Приведём примеры восьмиканального (7.1) звукового сопровождения:

• Dolby Digital Plus (3/1,7 Мбит/с).
• Dolby TrueHD (18 Мбит/с).

Заданная пропускная способность различна.

Примеры пропускной способности каналов

Рассмотрим эволюцию технологий цифровой передачи информации.

Модемы

1. Акустическая пара (1972) – 300 бод.
2. Модем Вадик&Белл 212А (1977) – 1200 бод.
3. Канал ISDN (1986) – 2 канала 64 кбит/с (итоговая скорость – 144 кбит/с).
4. 32bis (1990) – до 19,2 кбит/с.
5. 34 (1994) – 28,8 кбит/с.
6. 90 (1995) – 56 кбит/с нисходящий поток, 33,6 кбит/с – восходящий.
7. 92 (1999) – 56/48 кбит/с нисходящий/восходящий потоки.
8. ADSL (1998) – до 10 Мбит/с.
9. ADSL2 (2003) – до 12 Мбит/с.
10. ADSL2+ (2005) – до 26 Мбит/с.
11. VDSL2 (2005) – 200 Мбит/с.
12. fast (2014) – 1 Гбит/с.

Локальная сеть Ethernet

1. Экспериментальная версия (1975) – 2,94 Мбит/с.
2. 10BASES (1981, коаксиальный кабель) – 10 Мбит/с.
3. 10BASE-T (1990, витая пара) – 10 Мбит/с.
4. Fast Ethernet (1995) – 100 Мбит/с.
5. Gigabit Ethernet (1999) – 1 Гбит/с.
6. 10 Gigabit Ethernet (2003) – 10 Гбит/с.
7. 100 Gigabit Ethernet (2010) – 100 Гбит/с.

Wi-Fi

1. IEEE 802.11 (1997) – 2 Мбит/с.
2. IEEE 802.11b (1999) – 11 Мбит/с.
3. IEEE 802.11a (1999) – 54 Мбит/с.
4. IEEE 802.11g (2003) – 54 Мбит/с.
5. IEEE 802.11n (2007) – 600 Мбит/с.
6. IEEE 802.11ac (2012) – 1000 Мбит/с.

Сотовая связь

1. Первое поколение:
   1. NMT (1981) – 1,2 кбит/с.
2. 2G:
   1. GSM CSD, D-AMPS (1991) – 14,4 кбит/с.
   2. EDGE (2003) – 296/118,4 кбит/с.
3. 3G:
   1. UMTS-FDD (2001) – 384 кбит/с.
   2. UMTS HSDPA (2007) – 14,4 Мбит/с.
   3. UMTS HSPA (2008) – 14,4/5,76 Мбит/с.
   4. HSPA+ (2009) – 28/22 Мбит/с.
   5. CDMA2000 EV-DO Rev. B (2010) – 14,7 Мбит/с.
   6. HSPA+ MIMO (2011) – 42 Мбит/с.
4. 3G+:
   1. IEEE 802.16e (2007) – 144/35 Мбит/с.
   2. LTE (2009) – 100/50 Мбит/с.
5. 4G:
   1. LTE-A (2012) – 115 Мбит/с.
   2. WiMAX 2 (2011-2013, IEEE 802.16m) – 1 Гбит/с (максимум, обеспечиваемый неподвижными объектами).

Япония сегодня внедряет пятое поколение мобильной связи, увеличивая возможности передачи цифровых пакетов.

1.Что представляет из себя процесс передачи информации?

Передача информации - физический процесс, посредством которого осуществляется перемещениеинформации в пространстве. Записали информацию на диск и перенесли в другую комнату. Данный процесс характеризуется наличием следующих компонентов:

Источник информации. Приёмник информации. Носитель информации. Среда передачи.

Схема передачи информации:

Источник информации – информационный канал – приемник информации.

Информация представляется и передается в форме последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается через некоторую материальную среду. Если в процессе передачи используются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним относятся телефон, радио, ТВ. Органы чувств человека исполняют роль биологических информационных каналов.

Процесс передачи информации по техническим каналам связи проходит по следующей схеме (по Шеннону):

Термином «шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же каналам. Для защиты от шума применяются разные способы, например, применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума.

Клодом Шенноном была разработана специальная теория кодирования, дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведёт к задержкам и подорожанию связи.

2. Общая схема передачи информации

3.Перечислите известные вам каналы связи

Канал связи (англ. channel, data line ) - система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи ), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

По типу среды распространения каналы связи делятся на:

проводные ; акустические ; оптические ; инфракрасные ; радиоканалы .

4. Что такое телекоммуникации и компьютерные телекоммуникации?

Телекоммуникации (греч. tele - вдаль, далеко и лат. communicatio - общение) - это передача и прием любой информации (звука, изображения, данных, текста) на расстояние по различным электромагнитным системам (кабельным и оптоволоконным каналам, радиоканалам и другим проводным и беспроводным каналам связи).

Телекоммуникационная сеть - это система технических средств, посредством которой осуществляются телекоммуникации.

К телекоммуникационным сетям относятся:

1. Компьютерные сети (для передачи данных)

2. Телефонные сети (передача голосовой информации)

3. Радиосети (передача голосовой информации - широковещательные услуги)

4. Телевизионные сети (передача голоса и изображения - широковещательные услуги)

Компьютерные телекоммуникации - телекоммуникации, оконечными устройствами которых являются компьютеры.

Передача информации с компьютера на компьютер называется синхронной связью, а через промежуточную ЭВМ, позволяющую накапливать сообщения и передавать их на персональные компьютеры по мере запроса пользователем, - асинхронной.

Компьютерные телекоммуникации начинают внедряться в образование. В высшей школе их используют для координации научных исследований, оперативного обмена информацией между участниками проектов, обучения на расстоянии, проведения консультаций. В системе школьного образования - для повышения эффективности самостоятельной деятельности учащихся, связанной с разнообразными видами творческих работ, включая и учебную деятельность, на основе широкого использования исследовательских методов, свободного доступа к базам данных, обмена информацией с партнерами как внутри страны, так и за рубежом.

5. Что такое пропускная способность канала передачи информации?

Пропускная способность - метрическая характеристика , показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации , предметов, объёма ) в единицу времени через канал, систему, узел.

В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной/полученной информации за единицу времени.

Пропускная способность - один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.

Скорость передачи информации зависит в значительной степени от скорости её создания (производительности источника), способов кодирования и декодирования. Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала, по определению, есть

скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.

5. В каких единицах измеряется пропускная способность каналов передачи информации?

Может измеряться в различных, иногда сугубо специализированных, единицах - штуки, бит/сек , тонны ,кубические метры и т. д.

6. Классификация компьютерных каналов связи(по способу кодирования, по способу коммуникации, по способу передачи сигнала)

широковещательные сети; сети с передачей от узла к узлу.

7. Характеристика кабельных каналов передачи информации (коаксиальный кабель, витая пара, телефонный кабель, оптоволоконный кабель)

проводные – телефонные, телеграфные (воздушные) линии связи; кабельные – медные витые пары, коаксиальные, оптоволоконные;

а также на основе электромагнитных излучений:

радиоканалы наземной и спутниковой связи; на основе инфракрасных лучей.

кабели на основе скрученных (витых) пар медных проводов; коаксиальные кабели (центральная жила и оплётка из меди); волоконно-оптические кабели.

Кабели на основе витых пар

Кабели на основе витых пар служат для передачи цифровых данных, широкое применение получили в компьютерных сетях. Возможно, также использовать их и для передачи аналоговых сигналов. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы и уменьшает излучаемые электромагнитные колебания во внешнее пространство. Экранирование удорожает кабель, усложняет монтаж и требует качественного заземления. На рис. представлена типовая конструкция UTP на основе двух витых пар.

Рис. Конструкция кабеля с незащищенной витой парой.

В зависимости от наличия защиты – электрически заземлённой медной оплетки или алюминиевой фольги вокруг скрученных пар, определяют разновидности кабелей на основе витых пар:

незащищенная витая пара UTP (Unshielded twisted pair) – отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;

фольгированная витая пара FTP (Foiled twisted pair) – имеется один общий внешний экран в виде фольги;

защищенная витая пара STP (Shielded twisted pair) – имеется защитный экран для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;

фольгированная экранированная витая пара S/FTP (Screened Foiled twisted pair) – имеется защитный экран для каждой пары в фольгированной оплетке и внешний экран из медной оплетки;

незащищенная экранированная витая пара SF/UTP (Screened Foiled Unshielded twisted pair) – двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты.

1.5.2.2. Коаксиальный кабель

Назначение коаксиального кабеля – передача сигнала в различных областях техники: системы связи; вещательные сети; компьютерные сети; антенно-фидерные системы аппаратуры связи и др. Этот тип кабеля имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции.

Типовая конструкция коаксиального кабеля представлена на рис.1.22.

Рис. 1.22. Типовая конструкция коаксиального кабеля

Благодаря металлической экранирующей оплетке он имеет высокую помехозащищенность. Основным преимуществом коаксиала над витой парой является широкая полоса частот пропускания, что обеспечивает потенциально более высокие по сравнению с кабелями на основе витых пар скорости передачи данных, которые составляют до 500 Мбит/с. Кроме этого коаксиал обеспечивает значительно большие допустимые расстояния передачи сигналов (до километра), к нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, а также он заметно меньше загрязняет окружающую среду электромагнитными излучениями. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля сложнее, чем витой пары, а стоимость выше.

Здесь используются обычные светодиодные трансиверы, что снижает стоимость и увеличивает срок службы по сравнению с одномодовым кабелем. На рис 1.24. приведена характеристика затухания сигналов в оптоволокне. По сравнению с другими типами кабелей используемых для линий связи этот тип кабеля имеет существенно более низкие величины затухания сигнала, которые обычно находятся в пределах от 0,2 до 5 дб на 1000 м длины. Многомодовое оптоволокно характеризуется окнами прозрачности затухания в диапазонах длин волн 380-850, 850-1310 (нм), а одномодовое соответственно 850-1310, 1310-1550 (нм).

Рис 1.24. Окна прозрачности оптоволокна.

Преимущества оптоволоконного типа связи:

Широкая полоса пропускания.

Обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущего колебания. При применении технологии спектрального уплотнения каналов связи методом волнового

мультиплексирования в 2009 г сигналы 155 каналов связи со скоростью передачи по 100 Гбит/с в каждом удалось передать на расстояние 7000 километров. Таким образом, общая скорость передачи данных по оптоволокну составила 15,5 Тбит/с. (Тера = 1000 Гига);

Малое затухание светового сигнала в волокне.

Позволяет строить волоконно-оптические линии связи большой длины без промежуточного усиления сигналов;

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле.

Позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода;

Высокая помехозащищенность и защищенность от несанкционированного доступа.

Обеспечивается абсолютной защищенностью оптоволокна от электрических помех, наводок и полным отсутствием излучения во внешнюю среду. Это объясняется природой светового колебания, которое не взаимодействует с электромагнитными полями других диапазонов частот, как и само оптоволокно, которое является диэлектриком. Используя ряд свойств распространения света в оптоволокне, системы мониторинга целостности оптической линии связи могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных;

Отсутствие необходимоости гальванической развязки узлов сети.

Оптоволоконные сети принципиально не могут иметь электрических "земельных" петель, которые возникают, когда два сетевых устройства имеют заземления в разных точках здания;

 Высокая взрыво и пожаробезопасность, стойкость к агрессивным средам.

Из-за отсутствия возможности искрообразования оптоволокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска;

 Малый вес, объем, экономичность волоконно-оптического кабеля.

Основу волокна составляет кварц (двуокись кремния), который является широко распространенным недорогим материалом. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. Стоимость самого оптоволоконного кабеля постоянно снижается, однако применение специальных оптических приемников и передатчиков (оптоволоконных модемов), преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, существенно увеличивает стоимость сети в целом;

 Длительный срок эксплуатации.

Срок службы оптоволокна составляет не менее 25 лет. Оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки. Основным из них является высокая сложность монтажа. При соединении концов кабеля необходимо обеспечить высокую точность поперечного среза стекловолокна, последующую полировку среза и центровку стекловолокна при установке в разъём. Установка разъемов производится с помощью сварки стыка или методом склеивания с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. В любом случае для этого необходима высокая квалификация персонала и специальные инструменты. Кроме этого оптоволоконный кабель менее прочен и менее гибок, чем электрический, чувствителен к механическим воздействиям. Он чувствителен также и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала в кабеле. Резкие перепады температур могут привести к растрескиванию стекловолокна. Для уменьшения влияния этих факторов используются различные конструктивные решения, что сказывается на стоимости кабеля.

Учитывая уникальные свойства оптоволокна электросвязь на её основе находит всё более широкое применение во всех областях техники. Это компьютерные сети, городские, региональные, федеральные, а также межконтинентальные подводные первичные сети связи и многое др. С помощью оптоволоконных каналов связи осуществляются: кабельное телевидение, удалённое видеонаблюдение, видеоконференции и видеотрансляции, телеметрические и другие информационные системы.

8. Характеристика беспроводных каналов передачи информации(спутниковые,

радиоканалы, Wi-Fi, Bluetooth)

Беспроводные технологии - подкласс информационных технологий , служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение , радиоволны , оптическое или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi , WiMAX , Bluetooth . Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения.

Существуют различные подходы к классификации беспроводных технологий.

По дальности действия:

o Беспроводные персональные сети ( WPAN - Wireless Personal Area Networks). Примеры технологий -Bluetooth .

o Беспроводные локальные сети ( WLAN - Wireless Local Area Networks).

Примеры технологий - Wi-Fi .

o Беспроводные сети масштаба города ( WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks). Примеры технологий -WiMAX .

o Беспроводные глобальные сети ( WWAN - Wireless Wide Area Network).

Примеры технологий - CSD , GPRS , EDGE , EV-DO , HSPA .

По топологии:

o «Точка-точка».

o «Точка-многоточка».

По области применения:

o Корпоративные (ведомственные) беспроводные сети - создаваемые компаниями для собственных нужд.

o Операторские беспроводные сети - создаваемые операторами связи для возмездного оказания услуг.

Кратким, но ёмким способом классификации может служить одновременное отображение двух наиболее существенных характеристик беспроводных технологий на двух осях: максимальная скорость передачи информации и максимальное расстояние.

Задачи Задача 1 . За 10 с по каналу связи передано 500 байт информации. Чему равна

пропускная способность канала? (500/10=50 байт/с=400бит/с)

Задача 2 . Какой объем информации можно передать по каналу с пропускной способностью 10 кбит/с за 1 минуту? (10 кбит/с*60 с = 600 кбит)

Задача 3. Средняя скорость передачи данных с помощью модема равна 36864 бит/с. Сколько секунд понадобится модему, чтобы передать 4 страницы текста в кодировке КОИ-8, если считать, что на каждой странице в среднем 2304 символа.

Решение: Количество символов в тексте: 2304*4 = 9216 символов.

В кодировке КОИ-8 каждый символ кодируется одним байтом, тогда информационный объем текста 9216*8 = 73 728 бит.

Время = объем / скорость. 73728: 36864 = 2 с

49. От чего зависит пропускная способность канала связи?

Под системой связи понимают совокупность устройств и сред, обеспечивающих передачу сообщений от отправителя к получателю. В общем случае обобщённую систему связи представляют блок-схемой.

Пропускная способность – предельно возможная скорость передачи информации. Пропускная способность равна скорости телеграфирования, измеряемой числом телеграфных звонков, передаваемых в единицу времени. Предельная пропускная способность зависит от ширины полосы пропускания канала, а в общем случае от отношения Pc / Pп (мощность сигнала к мощности помех) и определяется по формуле . Это формула Шеннона, которая справедлива для любой системы связи при наличии флуктуационной помехи.

50. В чём сущность частотного уплотнения/разделения канала в многоканальных системах передачи информации.

Уплотнение- объединение абонентских сигналов единый сигнал.

Разделение- выделение из единого группового сигнала, отдельных абонентских сигналов.

Сущность частотного уплотнения- все абоненты работают на одной полосе частот, но каждый в своей полосе.

При частотном уплотнении имеют место межканальные помехи, обусловленные не идеальностью фильтрующих систем и бесконечностью спектра сигнала.

Основное достоинство систем многоканальной связи с частотным уплотнением - экономное использование спектра частот; существенные недостатки - накопление помех, возникающих на промежуточных усилительных пунктах, и, как следствие, сравнительно невысокая помехоустойчивость.

51. В чём сущность временного уплотнения/разделения каналов в многоканальных системах передачи инф-ии?

При временном уплотнении все абоненты работают в одной полосе частот, на работают циклично- каждый в свое время, а время цикла определяется Т. Котельникова (При временном уплотнении, являющемся логическим развитием импульсных систем связи, линия связи или групповой тракт связи посредством электронных коммутаторов предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала.)

При передачи речи Т=125 мкс

Системы связи с частотным и временным уплотнениями применяют на магистральных кабельных линиях, радиорелейных линиях и т. д.

52. Каковы принципы организации воздушной радиосвязи и наземной электросвязи.

Под организацией связи понимают схему соединения абонентов каналами и распределения выделяемых для связи ресурсов, обеспечивающих высокую эффективность обмена информацией между звеньями.

Осн. элемент авиационной воздушной р/связи – радиосеть. Радиосеть- совокупность РС, устанавливаемых в точках расположения взаимодействующих корреспондентов (в диспетчерском пункте и на борту ВС) и объединенная общими радиоканалами, те работающих на единых радиочастотах. Как правило радиосети организовываются по радиальному признаку. Радиосеть позволяет вести обмен информации между диспетчером и экипажем каждого ВС, а также циркулярную передачу данных всем ВС одновременно. Радиосети создаются в зависимости от числа секторов УВД.

Важнейшим элементом, обеспечивающим непрерывность, является регламентированный порядок смены радиосетей. В сетях воздушной связи обычно назначается одна частота для передачи и приема, и связь осуществляется в симплексном режиме, когда передача и прием чередуются между собой.

Элементами сетей наземной связи явл.: абонентские аппараты, канала и узлы связи. Узлы связи УС служат для распделения информации по линиям и каналам связи, ведущим в разные географические пункты. Принцип построения проводной телеграфной связи радиально-узловой, т.е предусматриваются главные узлы ГУС, объединяющие группы региональных узлов, и каналы связи, соединяющие узлы с главными узлами и друг с другом. Такой принцип обеспечивает достижение высокой оперативности и надежности связи, т.к можно использовать обходные пути. При создании сетей наземной связи широко используются каналы общегосударственных сетей связи. Наземная электросвязь в ГА служит для связи между аэродромами, административными и оперативными органами управления. Также организовывается сеть наземной телефонной связи.

Пропускной способностью канала называют максимальное значение скорости передачи информации по этому каналу. То есть, пропускная способность характеризует потенциальные возможности передачи информации. Пропускная способность канала измеряется в битах за секунду (бит/с).

Из соотношения видно, что если бы мощность сигнала не была ограничена, то пропускная способность была бы бесконечно большой. Пропускная способность равна нулю при равенстве нулю отношения сигнал/шум Р с /Р ш. С ростом этого отношения пропускная способность неограниченно увеличивается.

Это выражение даёт верхний, физически не достижимый предел для скорости передачи информации, так как при его выводе сделана предпосылка об идеальном помехоустойчивом кодировании, требующем для своей реализации бесконечно большого времени передачи информации.

Шеннон также доказал, что сообщения всякого дискретного источника могут быть закодированы сигналами z(t) на входе канала и восстановлены по сигналам на выходе канала z"(t) с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю при H"(a)C это невозможно. Здесь H"(a) - производительность источника с заданной скоростью или производительность передатчика для управляемого источника. Следовательно, для того, чтобы система передачи дискретной информации была экономична (эффективна), необходимо согласовать источник сообщения с каналом. Поскольку производительность источника информации H"(a) бывает обычно задана, то наибольший интерес представляет два случая: H"(a)C и H"(a)

В первом случае передатчик и приёмник могут быть могут быть весьма простыми, а следовательно, и дешёвыми, так как при большом превышении пропускной способностью канала производительности источника можно ограничиться самыми простыми методами передачи (кодирование, модуляция) и приёма (решающие схемы) и получить достаточную верность. Однако, при этом используется весьма дорогой канал, так как широкая полоса частот или высокое отношение сигнал/шум обходятся дорого.

Во втором случае может быть использован более дешёвый канал с меньшей пропускной способностью, но требуются более совершенные методы передачи и приёма, т.е. более дорогие передатчик и приёмник. Из вышеизложенного следует, что должно существовать оптимальное соотношение С и H"(a), при котором суммарная стоимость системы передачи дискретной информации оказывается минимальной. При определении этого минимума следует учитывать, что, с развитием электронной техники стоимость приёмопередатчиков снижается быстрее, чем стоимость каналов связи, т.е. со временем отношение С/ H"(a) уменьшается.

В данном случае пропускная способность канала больше производительности источника, поэтому данный канал может использоваться для передачи аналоговых и цифровых сигналов. Запас пропускной способности канала, по сравнению с производительностью источника, мог быть использован для применения статистического или помехоустойчивого кодирования.