Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Кроме того, посколькуоптическая передача данных является строго однонаправленной, для двухстороннейсвязи требуется либо два кабеля, либо две частотные полосы в одном кабеле. Наконец,оптический интерфейс стоит дороже электрического. Тем не менее, очевидно, чтобудущее цифровой связи на расстояниях более нескольких метров — за волоконнойоптикой. Подробнее обо всех аспектах оптоволоконных сетей см. в книге (Hecht, 2005).2.3. Беспроводная связьВ наше время появляется все большее количество информационных «наркоманов» —людей с потребностью постоянно находиться в подключенном режиме (on-line). Такимпользователям никакие кабельные соединения, будь то витая пара, коаксиальныйкабель или оптическое волокно, не подходят.
Им требуется получать данные непосредственно на переносные компьютеры, лэптопы, ноутбуки, электронные записныекнижки, карманные компьютеры, палмтопы и компьютеры, встроенные в наручныечасы. Короче говоря, они предпочитают пользоваться устройствами, не привязанными2.3. Беспроводная связь 123к наземным инфраструктурам. Для таких пользователей беспроводная связь являетсянеобходимостью.В следующих разделах мы познакомимся с основами беспроводной связи. У нееесть ряд других важных применений, кроме предоставления доступа в Интернет желающим побродить по нему, лежа на пляже. При некоторых обстоятельствах беспроводная связь может иметь свои преимущества и для стационарных устройств.
Например,если прокладка оптоволоконного кабеля осложнена природными условиями (горы,джунгли, болота и т. д.), то беспроводная связь может оказаться предпочтительнее.Следует отметить, что современная беспроводная связь зародилась на Гавайскихостровах, где людей от компьютерных центров отделяли большие пространства Тихогоокеана, а качество обычной телефонной системы было далеко не на самом высокомуровне.2.3.1.
Электромагнитный спектрДвижение электронов порождает электромагнитные волны, которые могут распространяться в пространстве (даже в вакууме). Это явление было предсказано британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом ( James Clerk Maxwell) в 1865 годуПервый эксперимент, при котором их можно было наблюдать, поставил немецкийфизик Генрих Герц (Heinrich Hertz) в 1887 году. Число электромагнитных колебаний в секунду называется частотой, f, и измеряется в герцах (в честь Генриха Герца).Расстояние между двумя последовательными максимумами (или минимумами) называется длиной волны.
Эта величина традиционно обозначается греческой буквой λ(лямбда).Если в электрическую цепь включить антенну подходящего размера, то электромагнитные волны можно с успехом принимать приемником на некотором расстоянии.На этом принципе основаны все беспроводные системы связи.В вакууме все электромагнитные волны распространяются с одной и той жескоростью, независимо от их частоты. Эта скорость называется скоростью света, c.Ее величина приблизительно равна 3 × 108 м/с, или около одного фута (30 см) зананосекунду.
(Можно было бы переопределить, воспользовавшись таким совпадением, фут, постановив, что он равен расстоянию, которое проходит электромагнитнаяволна в вакууме за 1нс. Это было бы логичнее, чем измерять длины размером сапогакакого-то давно умершего короля.) В меди или стекле скорость света составляет примерно 2/3 от этой величины, кроме того, слегка зависит от частоты.
Скорость светасовременная наука считает верхним пределом скоростей. Быстрее не может двигатьсяникакой объект или сигнал.Величины f, λ и c (в вакууме) связаны фундаментальным соотношением:λf = c.(2.2)Поскольку c является константой, то, зная f, мы можем определить λ, и наоборот.Существует мнемоническое правило, которое гласит, что λf ≈ 300, если λ измеряетсяв метрах, а f — в мегагерцах. Например, волны с частотой 100 МГц имеют длину волныоколо трех метров, 1000 МГц соответствует 0,3 м, а длине волны 0,1 м соответствуетчастота 3000 МГц.124 Глава 2. Физический уровеньНа рис.
2.8 изображен электромагнитный спектр. Радио, микроволновый, инфракрасный диапазоны, а также видимый свет могут быть использованы для передачиинформации с помощью амплитудной, частотной или фазовой модуляции волн.Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения были бы даже лучше благодаря их высоким частотам, однако их сложно генерировать и модулировать, они плохопроходят сквозь здания и, кроме того, они опасны для всего живого. Диапазоны, перечисленные в нижней части рис. 2.8, представляют собой официальные названия ITU(International Telecommunication Union, международное телекоммуникационное сообщество), основанные на длинах волн. Так, например, низкочастотный диапазон (LF,Low Frequency) охватывает длины волн от 1 до 10 км (что приблизительно соответствует диапазону частот от 30 до 300 кГц).
Сокращения LF, MF и HF обозначают LowFrequency (низкая частота), Medium Frequency (средняя частота) и High Frequency(высокая частота) соответственно. Очевидно, при назначении диапазонам названийникто не предполагал, что будут использоваться частоты выше 10 МГц, поэтому болеевысокие диапазоны получили названия VHF (very high frequency — очень высокаячастота), UHF (ultrahigh frequency — ультравысокая частота, УВЧ), SHF (superhighfrequency — сверхвысокая частота, СВЧ), EHF (Extremely High Frequency — чрезвычайно высокая частота) и THF (Tremendously High Frequency — ужасно высокаячастота).
Выше последнего диапазона имена пока не придуманы, но если следоватьтрадиции, появятся диапазоны Невероятно (Incredibly), Поразительно (Astonishingly)и Чудовищно (Prodigiously) высоких частот (ITF, ATF и PTF).Рис. 2.8. Электромагнитный спектр и его применение в связиИз выкладок Шеннона известно, что количество информации, которое может переносить сигнал, такой как электромагнитная волна, зависит от мощности приемникаи пропорционально полосе пропускания. Из рис. 2.8 должно быть понятно, почему2.3.
Беспроводная связь 125разработчики сетей так любят оптоволоконную связь. В высокочастотном диапазонедля передачи данных доступна широкая полоса пропускания — шириной в несколько гигагерц, — особенно если речь идет об оптоволокне, которое находится в правойчасти нашей логарифмической шкалы. Например, рассмотрим 1,30-мк диапазон, изображенный на рис.
2.6; его ширина 0,17 мк. С помощью выражения (2.2) можно найтиначальное и конечное значения частот диапазона, зная длину волн. Таким образом,диапазон составляет примерно 30 000 ГГц. При допустимом отношении «сигнал/шум»в 10 дБ это 300 Тбит/с.Большинство систем связи используют относительно узкие полосы частот (то естьΔf/f <<1). Сигналы концентрируются в узкой полосе для эффективного использования спектра и достижения хорошей скорости передачи данных при достаточно мощной передаче. Однако иногда используются и широкие полосы. При этом возможнытри варианта. Когда применяется расширенный спектр с перестройкой частоты, топередатчик изменяет частоту работы сотни раз в секунду. Этот метод очень популярен в военных системах связи, потому что такой сигнал тяжело перехватить и почтиневозможно заглушить. Он также обладает хорошей защищенностью от многолучевого затухания и сосредоточенных помех, поскольку приемник не задерживается наискаженной частоте надолго, и разговор не прерывается.
Устойчивость и надежностьособенно важны в наиболее заполненных частях спектра, например в полосах ISM(industrial, scientific and medical band, промышленный, научный и медицинский диапазоны), которые мы вкратце рассмотрим. В коммерческих системах данная техникатакже применяется, например, в Bluetooth и старых версиях 802.11.С историей изобретения метода перестройки частоты связан один курьез. Одним изего изобретателей была австрийская секс-богиня Хэди Ламмар (Hedy Lammar) — первая женщина, снявшаяся в кино в обнаженном виде (это был чешский фильм 1933 годапод названием Extase).
Ее первый муж занимался производством оружия и как-то разрассказал Хэди, как легко блокируются радиосигналы управления торпедами. Когдавдруг обнаружилось, что он продает вооружение гитлеровской армии, Хэди была внесебя. Она переоделась горничной и сбежала из дома. Поехала в Голливуд, где продолжила свою актерскую карьеру.
А в свободное от работы время взяла и изобрела методперестройки частоты. Хэди мечтала хоть чем-нибудь помочь союзным войскам. В еесхеме использовалось 88 частот, по числу клавиш (и частот) на пианино. Вместе сосвоим другом, композитором Джорджем Антейлом (George Antheil), они запатентовали свое изобретение (патент № 2 292 387). К сожалению, Хэди не удалось убедитьвоенно-морской флот США в том, что метод перестройки частот может иметь какоето практическое значение, поэтому никаких гонораров за изобретение получено небыло.
Только через много лет после окончания срока действия патента метод передачиданных, придуманный киноактрисой и композитором, стал популярен.Еще один метод, использующий широкую полосу частот, называется расширенным спектром с прямой последовательностью. Кодовая последовательность применяется для распределения сигнала данных по более широкой полосе частот. Этотметод широко используется в коммерческих системах, так как позволяет эффективнопередавать несколько сигналов внутри одной полосы частот. Сигналам можно присваивать разные коды; этот метод называется CDMA (Code Division Multiple Access,126 Глава 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
