1-5-4. Системы доступа
1-5-4. Системы доступа |
Волоконно-оптические системы связи, космические системы связи, наземные радиорелейные структуры занимаются в основном переброской значительных объемов информации на достаточно большие расстояния (с континента на континент, межконтинентальные структуры, трансгосударственные системы и пр.). Доставкой же информации непосредственно потребителям занимаются системы доступа ( системы распределения информации , системы связи последней мили). Количество таких структур исчисляется многими сотнями тысяч в мире. Поэтому эти системы и определяют лицо современных связных структур. Отсюда начинаются новые технические решения, новые технологии и новое оборудование. Рассмотрим эти системы связи более подробно.
Можно выделить несколько направления в этой области:
Прежде всего, разберем вопрос о первых двух направлениях. Для этого обратимся к рис. 1-5-11.
Рис. 1-5-11
На рис. 1-5-11а показана упрощенная схема радиопередатчика. Здесь передаваемая информация u(t) модулирует сигнал несущей частоты (fн). В результате получается радиосигнал, который передается в выделенном диапазоне частот Df. Однако, диапазон частот для данного передатчика отдается не полностью, а в нем отводится определенный частотный канал (выделен на рис 1-5-11а зеленым цветом). Красным цветом показаны сигналы передатчиков других пользователей данного диапазона частот. Совершенно очевидно, что для того, чтобы как можно больше пользователей могли воспользоваться данным частотным диапазоном, каждый пользователь должен занимать как можно меньшую полосу частот. В этом смысле, такие системы связи принято относить теперь к узкополосным. Традиционное телерадиовещание, большинство радиорелейных структур, аналоговые сотовые системы, сотовая связь GSM и множество других систем относятся к этому классу.
Другой вариант построения системы радиосвязи (широкополосная структура) показан на рис. 1-5-11б. В этом случае, в качестве несущего сигнала применен генератор шума с широким спектром излучения. Такой сигнал займет весь диапазон частот и для данного канала связи это даст огромное преимущество, поскольку будут передаваться множество образцов одинаковых сигналов. Но очевидно, для других пользователей весь диапазон будет недоступным и, естественно, применять на практике такую систему связи не разрешено. Кстати, российский изобретатель радио А.С.Попов применял подобную структуру и в качестве передатчика использовал искровой генератор, на основе вибратора Герца, который давал шумоподобный сигнал. Однако, все эти рассуждения относятся к аналоговым системам связи. При использовании же цифровых технологий, пользователи могут применять уникальные генераторы шума с известными свойствами по которым могут разные сигналы разделяться.
Один из возможных вариантов системы цифровой связи с использованием шумоподобных сигналов показан на рис. 1-5-11в.
Чтобы дальнейшие рассуждения были бы понятнее, необходимо поделать небольшое исследование при помощи программного пакета "DigitalS". Соответсвующие методические указания приведены здесь.
После исследований спектров цифровых сигналов продолжаем рассмотрение цифровой системы связи с шумоподобными сигналами. На вход системы подается цифровой поток X1. Условно спектр этого потока обозначен на рис. 1-5-11в зеленой фигурой. Этот сигнал поступает на сумматор по модулю 2. На другой вход сумматора приходит цифровой сигнал X2 от генератора псевдослучайной последовательности (ГПСП).
Генератор псевдослучайной последовательности выдает случайную последовательность цифровых символов в течение определенного промежутка времени. В последующих таких же по протяженности промежутках времени эта случайная последовательность полностью повторяется. (http://www.nrjetix.com/fileadmin/doc/publications/Lectures_security/Lecture2.pdf ).
Простейший генератор ПСП представлен на рис. 1-5-12. В качестве основы генератора используется регистр сдвига ( в данном случае - семнадцатиразрядный). Сигналы с различных разрядов складываются по модулю 2 и подаются на вход регистра. Данный конкретный генератор выдает псевдослучайный полином, показанный на рис. 1-5-12. Степени X соответствуют разрядам регистра, сигналы с которых складываются. Если снимать сигналы с других разрядов, получается псевдослучайный сигнал с совершенно другими зависимостями.
.
Рис. 1-5-12
Сигнал от генератора ПСП, обозначенный на рис. 1-5-11в как X2, имеет скорость значительно более высокую чем скорость передаваемого цифрового потока X1 и, следовательно, более широкий спектр, как Вы видели при работе с программой "Спектры". Цифровые сигналы, сложенные по модулю 2 модулируют синусоидальный сигнал несущей fн и излучаются передающей антенной. Спектр суммарного модулированного сигнала занимает весь выделенный диапазон частот, поскольку он растянут по спектру по сравнению с исходным сигналом. Диапазон частот обозначен желтым цветом, а суммарный модулированный спектр - зеленым. В этом же диапазоне частот могут работать другие пользователи данной системы связи на той же несущей частоте, но с другими сигналами ПСП. Кроме того в диапазоне частот могут работать другие систе мы связи, присутствовать различные помехи и шумы. Как же принять нужную информацию в этих условиях?
Решение заключается в следующем. На приемном конце принимается смесь полезного сигнала с различными помехами и шумами, которая складывается по модулю 2 с сигналом генератора псевдослучайной последовательности (ГПСП), работающего точно так же как аналогичный генератор в передатчике и формирующего цифровой сигнал X2. У сумматора по модулю 2 есть замечательное свойство, которое здесь и используется
Другими словами, если суммарный сигнал сложить с одной из составляющих суммы по модулю 2, то устройство работает как вычитатель. Следовательно, на выходе приемника данной системы получиться сигнал Х1 со своим исходным спектром. Все же паразитные сигналы будут складываться с сигналом Х2 по модулю 2, растягиваться по спектру и, соответственно, уменьшаться по амплитуде.
Более подробно процесс можно проиллюстрировать рис. 1-5-13.
Рис. 1-5-13
В левой части рисунка показано, как складываются сигналы Х1 и Х2 по модулю 2. Цветом обозначены комбинации, соответствующие передаваемой информации. В правой части рисунка показана приемная часть системы. Полезные сигналы с помехой поступают через амплитудный ограничитель на на один из входов сумматора по модулю 2. (осц. 3). На другой вход сумматора поступает сигнал от генератора ПСП (Х2, осц. 4). полученный в результате суммирования сигнал (осц. 5) подвергается интегрированию в фильтре верхних частот (ФВЧ). Результат показан в осц. 6. Последующее решающее (пороговое) устройство (РУ) выделяет полезную информацию. На осц. 6 красным пунктиром показан порог срабатывания решающего устройства.
Работу подобной системы можно еще прокомментировать следующим образом. Передаваемый цифровой поток (Х1) растягивается по спектру частот, складываясь с более скоростным псевдослучайным сигналом (Х2) и передается в таком виде на несущей частоте fн в выделенном частотном диапазоне. В приемном устройстве из суммы полезного сигнала и сигнала ПСП псевдослучайная составляющая удаляется, спектр передаваемого сигнала сжимается до исходного значения, а амплитуда его соответственно увеличивается. Все другие сигналы и помехи в приемном устройстве складываются с сигналом ПСП и растягиваются ("размазываются") по спектру частот.
Подобная технология получила наименование "связь с использованием шумоподобных сигналов" или "систем связи с прямым растягиванием спектра (DSSS)". На основе этой технологии в настоящее время создается множество структур. Сотовая связь стандарта CDMA, радиомосты, радиомодемы, спутниковая система связи Global Star, современное радиорелейное оборудование (Aurora 2400, Ultima 3 и пр.).
Выигрыш в работе системы DSSS зависит от разницы между скоростями передаваемой информации и сигнала ПСП. К примеру, в сотовой системе связи CDMA эта разница составляет 128 раз (21 дБ). При этом система связи работоспособна при отношении сигнал - шум равным -18 дБ. Т.е. связь может быть осуществлена при превышении сигнала шумом! Однако при построении сотовой системы связи необходимо учитывать обстоятельства, проиллюстрированные на рис. 1-5-14.
Рис. 1-5-14
На рисунке показаны мобильные станции (МС) и базовая станция (БС). Если мощности передатчиков мобильных станций сделать одинаковыми, то сигнал станции, находящейся на небольшом расстоянии (МС1) создаст помеху для далекой станции (МС2) намного превышающую -18 дБ. Поэтому в системах связи CDMA обязательно применяется адаптивная регулировка мошностей передатчиков (АРМП), суть которой заключается в том, что мощности передатчиков в каналах связи зависят от расстояния между базовой и мобильной станциями. От точности АРМП зависит количество абонентов, работающих в этой системе (http://pbxlib.com.ua/mobile/article_125.html).
К основным достоинствам технологии DSSS можно отнести экологичность, низкий уровень излучения ( высокая помехоустойчивость позволяет работать при минимальной мощности, которая нужна для поддержания связи (к примеру, для систем CDMA в среднем, единицы и десятки мВт).
Системы DSSS защищены от несанкционированного прослушивания. Для примера разберем структурную схему варианта передатчика CDMA (рис.1-5-15).
Рис. 1-5-15
Сигнал от микрофона преобразуется в цифровой вид и сжимается в специальном устройстве - вокодере. При этом получается скорость цифрового потока равной 9.6 кбит/с. Этот поток подвергается сверточному кодированию, в результате которого каждый символ преобразуется в два символа и скорость потока удваивается. После кодирования сигнал подвергается операции перемежения (подробно перемежение будет изучаться во втором разделе учебных материалов). Затем к цифровому потоку добавляется псевдослучайная составляющая в виде "длинного кода", назначение которого - обеспечение синхронизации всех блоков. Дальше сигнал кодируется при помощи матрицы Уолша (64 варианта кодировки) и после чего к нему добавляется "короткий код" в виде еще одной псевдослучайной последовательности, модулируется при помощи квадратурного модулятора и поступает на выход передатчика. Понятно, что для расшифровки информации необходимо знать все эти преобразования и алгоритмы, а, к примеру, сигнал синхронизации имеет период повторения псевдослучайной последовательности более 2 часов!.
Системы "безлицензионной" радиосвязи
В принципе все диапазоны частот регламентированы и отведены для различных служб и требуют лицензии на использование. Но есть несколько диапазонов частот для промышленного, научного и медицинского применения (часто обозначаемых как диапазоны ISM). В этих диапазонах допускается работа радиосистем в безлицензионном режиме ( естественно, при определенных ограничениях, к примеру, по мощности излучения). В таких диапазонах, как 27.12 МГц или 430 - 440 МГц возможно применение безлицензионных раций PMR (Personal Mobile Radio) или LPD формата (low power device). Очень интересным диапазоном частот является диапазон 2.4 ГГц. Этот диапазон частот очень сильно подвержен помехам от СВЧ печей, поскольку они и работают в этом диапазоне. Однако, существуют технические решения, которые позволяют работать в этом диапазоне таким персональным системам связи как Bluetooth (https://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth). Система представляет собой цифровую сеть связи со скоростью в несколько Мбит/с при мощности передатчика в несколько мВт и дальности действия до 100 м. Предназначена такая персональная сеть для замены проводных соединений в офисах, производственных помещениях, квартирах и пр. Беспроводная клавиатура, гарнитуры, мыши, дистанционное управление приборами, в том числе - бытовыми, связь между различными терминалами - вот далеко не полный перечень области применения систем Bluetooth.
Как же работают такие системы связи в условиях большого количества помех в выделенном диапазоне частот? Здесь мы сталкиваемся с еще одной современной технологией - расширение спектра при помощи частотных скачков (FHSS). История приписывает честь изобретения подобных структур (правда, в аналоговом исполнении) известной голливудской актрисе ХЕДИ ЛАМАРР (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D5%E5%E4%E8_%CB%E0%EC%E0%F0%F0) еще в 1942 году. Она предложила принцип радиосвязи, при которой частоты, на которых работают приемники и передатчики синхронно менять по определенному закону, затрудняя таким образом несанкционированный перехват информации. На рис. 1-5-16 показан патент Хеди Ламарр и ее фотография.
Рис.1-5-16
В патенте представлены структурные схемы передатчика и приемника, в которых частоты синхронно перестраиваются при помощи информации, записанной на перфоленту (кстати, перестройка по частоте велась в соответствии с нотами какого-либо музыкального произведения по идее, которую предложил композитор, соавтор Ламарр по патенту .
В современных условиях подобные структуры выполняются в цифровом варианте (рис. 1-5-17).
Рис. 1-5-17
Здесь несущая частота передатчика, формируемая синтезатором частоты меняется скачкообразно под управлением сигнала от генератора псевдослучайной последовательности (Генератор ПСП). Частота приема также меняется по тому же закону, поскольку в приемнике гетеродин управляется таким же генератором ПСП. При этом возможно осуществить такой режим работы, что при передаче одного цифрового символа, частоты связи могут измениться несколько раз. Вариант одновременной работы нескольких каналов с разными псевдослучайными последовательностями показан в нижнем левом углу рис. 1-5-17.
Принцип расширения спектра с частотными скачками FHSS стремительно развивается в настоящее время. Для примера, на рис. 1-5-18 представлена структурная схема варианта модуля Bluetooth.
Рис. 1-5-18
Видно, что модуль представляет собой приемопередающее цифровой устройство с процессором управления и антенной, выполненное в миниатюрном исполнении. Семь подобных модулей можно организовать в пикосеть, управление которой осуществляется одним из устройств, которому присвоен приоритет "Мастер". Связь между соседними пикосетями проводится через соответствующие приоритетные модули. На рис. 1-5-19 представлены примеры модулей Bluetooth
Рис. 1-5-19
В настоящее время выпускается множество оборудования с технологией FHSS - систем Radio-Ethernet, работающих по стандарту 802.11, систем связи WiMAX (в частности, Yota) и пр.
Интересным диапазоном для создания плотных сетей связи является диапазон 60 ГГц. К основным особенностям этого диапазона нужно отнести значительное ослабление радиосигнала в газах атмосферы, которое может достигать 15 -17 дБ/км и большие потери в дождях. Это обстоятельство, с одной стороны, не позволяет осуществлять связь на расстояниях больше километра, но с другой стороны, плотные сети связи могут располагаться довольно близко друг от друга без взаимных помех и повторно использовать рабочие частоты.
Две группы производителей, специализирующихся на беспроводных системах связи, WirelessHD Consortium и Wireless Gigabit Alliance (WiGig), готовятся к революционному увеличению скорости беспроводных соединений. Скорость новых маршрутизаторов (IEEE 802.11ac) в диапазоне 60 ГГц может как минимум в семь раз превысить возможности используемых сейчас устройств. Пропускная способность этих устройств превысит скорость передачи данных через современные разъемы USB 3.0.
DVDO Air3 — первый адаптер WirelessHD (60 ГГц), поддерживающий беспроводную передачу видеопотока HD c многоканальным звуковым сопровождением , используя в качестве источника не только выход HDMI или DVI, но и выход MHL смартфона или планшета.
Появилось и цифровой радиорелейное оборудование на диапазон 57 - 58 ГГц (к примеру, Nokia MetroHopper)
Рис. 1-5-20. Радиорелейное оборудование Nokia MetroHopper
Еще одно направление в области систем распределения информации - оптические системы связи открытого распространения. Технология беспроводной оптики (Free Space Optics-- FSO) известна достаточно давно: первые эксперименты по передаче данных с помощью беспроводных оптических устройств были проведены более 30 лет назад. Однако ее быстрое развитие началось с начала 1990-х гг. с появлением широкополосных сетей передачи данных. Первые системы обеспечивали передачу данных на расстояния до 500 м и использовали инфракрасные полупроводниковые диоды. Прогресс подобных систем сдерживался в основном из-за отсутствия надежных, мощных и "скорострельных" источников излучения. В настоящее время таких источников предостаточно - это и полупроводниковые лазеры и светодиоды. Практически, можно обеспечить дальность связи на расстояние в несколько километров, но основные протяженности пролетов составляют несколько сотен метров.
Рис.1-5-21
Рис. 1-5-22. Пример размещения оборудования беспроводной оптической связи в помещении
Можно говорить о следующих возможных областях применения беспроводных оптических систем:
Оптическим системам присущи определенные положительные характеристики, которые делают их довольно востребованными на рынке:
Познакомиться с оборудованием беспроводных систем оптической связи, их монтажем и эксплуатацией можно на сайте фирмы «Оптические ТелеСистемы» http://www.optica.ru/Doc/BOX-100M.pdf . К последним разработкам фирмы можно отнести оборудование ЛАНтастИКа-3Speed, которая обеспечивает передачу цифровых потоков с адаптивной скоростью от 10 до 1000 Мбит/с (в зависимости от состояния атмосферы) на расстояние в несколько сотен метров.
Параметры некоторых других систем оптической связи приведены здесь.
Безусловно, оптические системы связи открытого распространения обладают и рядом недостатков. Во первых, это сильная зависимость качества связи от прозрачности атмосферы, которая нарушается туманом, дымкой, смогом и пр. На рис. 1-5-21 показаны окна прозрачности атмосферы для разных частот оптических сигналов, спектр излучения самого лазера и потери света при различных атмосферных явления и разной . метеорологической дальности видимости (МДВ) которая представляет собой наибольшее расстояние на котором абсолютно черный предмет, имеющий угловые размеры 20´, еще различим днём на фоне неба у горизонта.
Рис. 1-5-23. Атмосферные параметры, влияющие на качество связи в оптических системах открытого распространения
Еще одним недостатком системы является сложность обеспечения постоянства юстировки при достаточно больших дальностях связи. Например, если установить аппаратуру оптической связи на крыше одиноко стоящего высотного здания (типа "точка"), то в течение солнечного дня оптический луч может отклониться на несколько десятков метров при дальностях в 1 км. Объясняется это тем, что из-за теплового расширения стен здания при нагревании солнечными лучами крыша поворачивается относительно фундамента. Поэтому к выбору мест установки оборудования нужно подходить очень тщательно (особенно, если нужно получить дальность связи более 200 - 300 м).
Несмотря на эти недостатки, беспроводные оптические системы связи уверенно занимают свой сегмент в общих структурах.
