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.
Спутниковая связь
В зависимости от высоты орбиты, спутники делятся на геостационарные и низкоорбитальные.
Cпутники, находящиеся на высоте около 36 тыс. км над экватором, согласно третьему закону Кеплера, имеют период обращения равный 24 часам, и называются геостационарными (неподвижными относительно Земли). Применение геостационарных спутников позволяет значительно упростить антенные системы (нет необходимости в приводе, меняющем ориентацию антенны). Четыре геостационарных спутника (расположенные на угловом расстоянии в 90 градусов друг от друга) покрывают всю поверхность Земли. К недостаткам геостационарных спутников относится довольно большая задержка прохождения сигнала (250-300 мс). Кроме того, слишком близко расположенные спутники, работающие в одном диапазоне частот, будут создавать помехи друг для друга. Приемлемое угловое расстояние между такими спутниками составляет 2 градуса, то есть одновременно на геостационарной орбите может находиться не более 180 спутников (работающих в общем диапазоне частот). За счет использования нескольких диапазонов это ограничение несколько смягчается. Традиционно используются частоты (приблизительно) от 3 ГГц до 30 ГГц, что приводит к зависимости качества передачи от погодных условий (дождь, снег).
Спутник связи имеет несколько приемопередатчиков (транспондеров), работающих в разных частотных диапазонах. Количество транспондеров обычно лежит в интервале 12..20, типичная пропускная способность одного транспондера – 50 Мбит/с.
Примеры геостационарных систем – Инмарсат, Runnet. Один из спутников системы Runnet охватывает почти всю территорию России. Диапазоны частот 6.18..6.22 ГГц и 3.855..3.895 ГГц. Диаметр антенны 4,8м.
Низкоорбитальные (высота орбиты – от сотен до единиц тысяч километров) спутники постоянно перемещаются относительно любой точки поверхности Земли. Основной принцип низкоорбитальных систем – большое количество (несколько десятков) спутников, совместно охватывающих весь земной шар. Тогда любая наземная станция может переключаться между спутниками по мере их прохождения.
Самый известный проект низкоорбитальной системы – Иридиум – включает 66 (первоначально планировалось 77) спутников на высоте 750 км. Каждый спутник имеет по 48 лучей по 174 дуплексных канала каждый. Диапазон частот 1610-1626.5 МГц (позволяет использовать питание от аккумуляторов).
Другой проект – Глобалстар – включает 48 спутников на высоте 1400 км, у каждого спутника по шесть сфокусированных лучей по 2800 каналов каждый. Наземная станция в каждый момент времени поддерживает связь с тремя ближайшими спутниками.
Сотовая связь
Сотовая связь основана на применении кабельных и беспроводных каналов на тех участках, где они могут проявить свои сильные стороны. Базовая структура сети создается на основе высокоскоростных кабельных каналов связи, а подключение абонентов производится по радиоканалам, что позволяет обеспечить их мобильность. Хотя основное применение сотовых систем до сих пор лежит в области телефонии, современные сотовые технологии позволяют передавать и произвольные цифровые данные.
Различают три поколения систем сотовой связи:
— аналоговые системы (1-е поколение): AMPS, TACS, NMT 450 и др.;
— цифровые системы (2-е поколение): D-AMPS, GSM, CDMA и др.;
— универсальные цифровые системы (3-е поколение) – пока массово не применяются.
Во всех аналоговых системах для передачи речи применяется частотная модуляция и частотное разделение каналов (полоса, отводимая для одного абонента – от 12.5 до 30 кГц). Недостатки аналоговых систем – малая емкость (недостаточно рациональное использование полосы частот), слабая защита от прослушивания, большие габариты абонентского оборудования. Тем не менее, аналоговый стандарт NMT 450 (“скандинавский стандарт”) является одним из двух Российских федеральных стандартов сотовой связи.
Цифровые системы используют одну из двух разновидностей метода множественного доступа: временное разделение каналов (D-AMPS, GSM) или кодовое разделение каналов (CDMA). Например, в стандарте D-AMPS используется две полосы по 25 МГц, каждая из которых разбита на 832 частотных канала по 30 кГц. Стандарт GSM 900 отводит под один канал полосу в 200 кГц, и в полном диапазоне умещается 124 канала. По каждому каналу передаются кадры, принадлежащие разным абонентам – за счет этого достигается временное разделение. При кодовом разделении используется метод расширения спектра: все абоненты используют общую полосу (около 1 МГц), но данные разных абонентов кодируются разными псевдослучайными последовательностями по методу DSSS.
Системы сотовой связи строятся в виде совокупностей ячеек (cell), покрывающих обслуживаемую территорию. Ячейки обычно изображают в виде правильных шестиугольников, соприкасающихся ребрами. Схема сети в этом случае напоминает пчелиные соты, что и послужило причиной возникновения термина “сотовая сеть” (cellular network). В центре каждой ячейки располагается базовая станция (БС), с которой (по радиоканалам) связываются все абоненты, находящиеся в пределах данной ячейки. На базовой станции расположены приемная и передающая антенны (часто используется пара приемных антенн), несколько приемников и передатчиков (работающих на разных поддиапазонах частот из выделенной данной БС полосы частот), контроллер и блок сопряжения с линией связи. Если абонент перемещается в другую ячейку, его начинает обслуживать другая БС. Все БС связаны с центром коммутации, у которого имеется подключение, например, к обычной городской телефонной сети. Если сеть достаточно крупная, то в ней может присутствовать несколько связанных между собой центров коммутации.
Основным принципом сотовой связи, отличающим ее от других систем связи с мобильными абонентами, является принцип повторного использования частот (frequency reuse), позволяющий теоретически неограниченно наращивать емкость системы (реальное ограничение – мощность центра коммутации). Суть его в следующем. В рядом расположенных ячейках используются разные полосы частот, что позволяет соседним БС не конкурировать за общую полосу, а абонентскому оборудованию легко выбирать ближайшую к нему БС (по сигналу максимальной мощности). В то же время, одну и ту же полосу можно использовать в несмежных ячейках. Группу ячеек, в которой каждый частотный диапазон используется только одной ячейкой, называют кластером. В результате, для сети произвольного размера, оказывается достаточным наличие трех непересекающихся частотных диапазонов, то есть сеть может быть разбита на 3-элементные кластеры. Такое разбиение оказывается не очень удобным: хотя ячейки, использующие общую полосу частот, и не соприкасаются, но находятся достаточно близко, чтобы создавать друг другу помехи. Поэтому чаще используют кластеры с большим количеством элементов.
