2Уравнения Максвелла - основа современной теории систем связи

Его главные труды посвящены электричеству и магнетизму. Параллельно он установил связь между электромагнетизмом и светом. В 1855 г. Максвелл дал математическое объяснение явлению передачи электромагнитных сил. Он вывел уравнения, показывающие, что магнитное поле, создаваемое источником тока, распространяется от него с постоянной скоростью. Максвелл установил, что эта скорость близка к скорости света и предложил что свет - особый вид электромагнитных волн.

Появлению уравнений Максвелла предшествовала целая серия открытий первой половины XIX века, начало которой положил датский физик Ханс Кристиан Эрстед [4]. В 1820 году он экспериментально продемонстрировал, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса. Это было первое наглядное и неоспоримое подтверждение существования прямой связи между электричеством и магнетизмом.

Открытие Эрстеда позволило ряду ученых, прежде всего Амперу, Био и Савара, провести ряд новых экспериментов с целью определения математических закономерностей выявленной связи, что в конечном итоге, проложило дорогу к теории электромагнетизма Максвелла.

Андре-Мари Ампер провел простой эксперимент: он положил параллельно два прямых провода и пропускал по ним электрический ток. В ходе эксперимента выяснилось, что в зависимости от направления тока между проводами действует сила притяжения или отталкивания. Дополнительно, путем измерений ему удалось определить, что сила механического взаимодействия (отталкивания и притяжения) пропорциональна силам токов, которая уменьшается по мере увеличения расстояния между проводниками. Проведенный эксперимент позволил Амперу доказать, что электрический ток в одном проводе производит магнитное поле, конфигурация силовых линий которого представляет собой концентрические круги вокруг сечения провода. Во втором проводе, находящемся в области воздействия этого магнитного поля, возникает сила, действующая на движущиеся электрические заряды. Эта сила передается атомам металла, из которого сделан провод, в результате чего провод и изгибается. Таким образом, эксперимент Ампера продемонстрировал два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле, во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Именно эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля, разработанную Максвеллом.

После того как в начале XIX века было установлено, что электрические токи порождают магнитные поля, ученые поняли, что на основе принципа дуальности должна наблюдаться и обратная закономерность: магнитные поля должны каким-то образом производить электрические эффекты. Эти эффекты изучил М. Фарадей (1791-1867 гг.), который поставил перед собой задачу нахождения способа «превратить магнетизм в электричество». В ходе экспериментов помог случай: обнаружилось, что стрелка гальванометра в цепи вторичной обмотки скачкообразно отклоняется от нулевого положения лишь при подключении или отключении батареи. Это позволило Фарадею сделать вывод: электрическое поле возбуждается лишь при изменении магнитного поля. Сегодня эффект возникновения электрического поля при изменении магнитного физики называют электромагнитной индукцией.

Таким образом, к середине XIX века ученые открыли целый ряд законов, описьшающих электрические и магнитные явления и связи между ними. В частности, стали известны:

-закон Кулона (1785), описывающий силу взаимодействия между электрическими зарядами;

-теорема Гаусса, исключающая возможность существования в природе изолированных магнитных зарядов (магнитных монополей);

-закон Био-Савара, описывающий магнитные поля, возбуждаемые движущимися электрическими зарядами (также Закон Ампера и открытие Эрстеда);

-законы электромагнитной индукции Фарадея, согласно которым изменение магнитного потока порождает электрическое поле и индуцирует ток в проводниках (также Правило Ленца).

Эти четыре группы законов и были обобщены Джеймсом Кларком Максвеллом, которому удалось объединить их в стройную систему, состоящую из четырех уравнений и исчерпывающим образом описывающую, все измеримые характеристики электромагнитных полей. Именно Максвелл, во-первых, дал строгое математическое описание (четырьмя уравнениями) всех известных законов электромагнетизма (Фарадей, например, вообще формулировал все открытые им законы исключительно в словесной форме). Во-вторых, в сформулированную им систему Максвелл внес немало принципиально новых идей (изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, так же как и изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле; ток смещения), отсутствовавших в исходных законах.

В-третьих, он придал всем электромагнитным явлениям строгое теоретическое обоснование. И, наконец, в-четвертых, на основе составленной системы уравнений Максвелл сделал ряд важных предсказаний и открытий, включая предсказание существования спектра электромагнитного излучения.

Внеся в первое из четырех уравнений важное дополнение о наличии тока смещения, Максвелл на основании составленной им системы уравнений, чисто математически вывел фантастическое по тем временам предсказание: в природе должны существовать электромагнитные волны, формирующиеся в результате колебательного взаимодействия электрических и магнитных полей. Скорость распространения этих волн должна быть пропорциональна силе между зарядами или между магнитами. Решив составленное им дифференциальное волновое уравнение, Максвелл обнаружил, что скорость распространения электромагнитных колебаний совпадает со скоростью света, к тому времени уже определенной экспериментально. Это означало, что столь знакомое всем явление, как свет, представляет собой электромагнитные волны. Более того, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн во всем известном спектре - от радиоволн до гамма-лучей. Таким образом, доскональное теоретическое исследование природы электричества и магнетизма привело к открытию, принесшему человечеству неисчислимые блага - от электрических систем связи, микроволновых печей до рентгеновских установок.

Теоретические выводы Максвелла о существовании электромагнитных волн впервые экспериментально подтвердил немецкий физик Г. Герц. Он не только нашел способ возбуждения электромагнитных волн, которые одно время даже назывались «лучами Герца», но и изобрел и опубликовал в 1886 году метод их обнаружения. Его опыты показали, что электрический разряд излучает электромагнитные волны и что их можно обнаружить на некотором расстоянии от источника. Это доказывало существование радиоволн - особого вида электромагнитного излучения. Труды Герца подтвердили теорию Максвелла о том, что электромагнитные волны аналогичны световому излучению. Герц был убежден, что электромагнитные волны можно будет использовать для передачи телеграмм через Атлантический океан, но он не дожил до того времени, когда использование радио доказало его правоту.

Таким образом, уже к концу XIX века были созданы все объективные предпосылки к удовлетворению потребности людей в обмене информацией на основе распространения электромагнитных волн не только в физической среде (кабельная связь), но и по воздуху (беспроводная связь). Более того, дальнейшие открытия в области передачи (приема) информации привели к появлению не только новой области знаний - связи, но и ее отдельных направлений: проводной, радио, радиорелейной, тропосферной и космической связи.

Внеся в первое из четырех уравнений важное дополнение о наличии тока смещения, Максвелл на основании составленной им системы уравнений, чисто математически вывел фантастическое по тем временам предсказание: в природе должны существовать электромагнитные волны, формирующиеся в результате колебательного взаимодействия электрических и магнитных полей. Скорость распространения этих волн должна быть пропорциональна силе между зарядами или между магнитами. Решив составленное им дифференциальное волновое уравнение, Максвелл обнаружил, что скорость распространения электромагнитных колебаний совпадает со скоростью света, к тому времени уже определенной экспериментально. Это означало, что столь знакомое всем явление, как свет, представляет собой электромагнитные волны. Более того, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн во всем известном спектре - от радиоволн до гамма-лучей. Таким образом,

доскональное теоретическое исследование природы электричества и

магнетизма привело к открытию, принесшему человечеству неисчислимые блага - от электрических систем связи, микроволновых печей до рентгеновских установок.

Теоретические выводы Максвелла о существовании электромагнитных волн впервые экспериментально подтвердил немецкий физик Г. Герц. Он не только нашел способ возбуждения электромагнитных волн, которые одно время даже назывались «лучами Герца», но и изобрел и опубликовал в 1886 году метод их обнаружения. Его опыты показали, что электрический разряд излучает электромагнитные волны и что их можно обнаружить на некотором расстоянии от источника. Это доказывало существование радиоволн - особого вида электромагнитного излучения. Труды Герца подтвердили теорию Максвелла о том, что электромагнитные волны аналогичны световому излучению. Герц был убежден, что электромагнитные волны можно будет использовать для передачи телеграмм через Атлантический океан, но он не дожил до того времени, когда использование радио доказало его правоту.

Таким образом, уже к концу XIX века были созданы все объективные предпосылки к удовлетворению потребности людей в обмене информацией на основе распространения электромагнитных волн не только в физической среде (кабельная связь), но и по воздуху (беспроводная связь). Более того, дальнейшие открытия в области передачи (приема) информации привели к появлению не только новой области знаний - связи, но и ее отдельных направлений: проводной, радио, радиорелейной, тропосферной и космической связи.

fl Изобретение Шиллинга практически реализовал академик Петербургской

академии наук Б. С. Якоби. В 18 41 году он построил первую телеграфную линию между Зимним дворцом и Главным штабом. Б. С. Якоби в 1850 г. разработал первый в мире телеграфный аппарат (на три года раньше Морзе) с буквопечатанием принимаемых сообщений, в котором, как он говорил «регистрация знаков осуществлялась с помощью типографского шрифта» [2].

Немецкий ученый К.А.Штейнгель во время ремонта рельсовой колеи (т. е. при обрыве электрической цепи) обнаружил, что телеграф продолжал работать. Основываясь на этом, он сделал вывод, что роль «второго провода» выполняет земля [7]. Это позволило ему в 1838 г. стать изобретателем так называемого «заземления». Работы Уитстона, Кука, Штейнгеля, Гаусса и Вебера полностью исчерпали возможности, заложенные в изобретении Шиллинга.

Практическое всемирное распространение получил электромагнитный телеграф, созданный американским художником Самуэлем Морзе [7].

Вначале Морзе пытался построить телеграф, который требовал прокладки между станциями 2 6 отдельных линий - по одной для каждой буквы алфавита. После нескольких лет работы ему удалось уменьшить число проводов до одного (вместо другого использовалась земля). Дополнительно, в свое изобретение он ввел реле, которое изобрел американский физик Джозеф Генри [7]. Это позволило создавать ретрансляторы телеграфных сигналов, которые с помощью реле, установленного на конце каждого участка линии связи, обеспечивали подключение батареи, снабжающей электропитанием следующий участок этой линии. Применение ретрансляторов позволяло существенно увеличить протяженность телеграфных линий.

В 1838 г. С. Морзе изобрел оригинальный неравномерный код. Его оригинальность заключалась в том, что часто встречающимся буквам английского алфавита соответствовали короткие кодовые комбинации, а редко

16

встречающимся, длинные кодовые комбинации. Это свойство кода

принципиально отличало его от неравномерного кода Шиллинга, который использовал свой код не для сокращения избыточности сообщений, а для уменьшения числа проводов в линии связи. Код Морзе стал первым примером эффективного метода статистического кодирования источника сообщений. Общие принципы статистического кодирования были установлены только через 100 лет К. Шенноном - создателем теории информации. В 1851 г. код Морзе был несколько модифицирован и стал международным кодом. Он применялся во всех странах мира в проводных линиях связи, а позже стал международным и в радиосвязи: его, в частности, использовали для обмена сообщениями сотни тысяч радиолюбителей. Лишь в самом конце XX века в связи с развитием спутниковых систем связи Международным союзом электросвязи было принято решение о прекращении использования кода Морзе на всех линиях связи.

В мае 1844 г. под руководством Морзе была построена телеграфная линия между Вашингтоном и Балтимором общей протяженностью 65 км. По этой линии С. Морзе публично продемонстрировал передачу кодового сообщения «What hath God wraght !» («О, Господи, что ты сотворил!») [7, 9]. Эта первая телеграфная линия Морзе (1844 г) обеспечивала скорость 5 бит/с (0,5 буквы).

На основе открытий П. Л. Шиллинга и Б. С. Якоби физиком Д. Юзом и французским телеграфным механиком Э. Бодо в 1855 г. изобретена первая печатающая телеграфная машина [7]. Изобретение в 1860 г. печатающей телеграфной системы обеспечивало скорость 10 бит/с (1 буква). В 1874 г. Бодо изобрел многократную систему телеграфирования с печатью. Эта система шестикратного телеграфного аппарата Бодо уже обеспечивала невиданную скорость передачи 100 бит/с (10 букв в секунду). В 1858 г. Уинстон изобрел аппарат, выдающий информацию непосредственно на встроенную в него телеграфную ленту (прототип современного телеграфного аппарата).

Изобретение радио как начало системы беспроводной связи

Термин «радио» (от лат. radius, radiare, radio - испускать, облучать, излучать во все стороны) впервые ввел в обращение известный английский физик-химик В. Крукс (1832-1919). В вакуумной трубке, используя коромысловые весы в 1873 г. он измерил атомный вес открытого им же элемента талия и обнаружил нарушение балансировки высокоточного инструмента при возникновении теплового облучения. Чуть позже было подмечено аналогичное влияние светового излучения. На основе открытия был сконструирован измерительный прибор - «радиометр».

22

Впоследствии появились и другие приборы, содержащие в наименовании приставку «радио». К наиболее известным относится «радиокондуктор» (радиопроводник), предложенный французским физиком Э. Бранли (1844 - 194 0) для обнаружения электромагнитных колебаний в лабораторных условиях [8].

Строго говоря, практическая эра радиосвязи берет свой отсчет с 1883 г., когда Эдисон [8] открыл эффект распыления вещества нити накаливания в электрической лампе, названный затем «эффектом Эдисона». Пытаясь продлить срок службы созданной им ранее лампы с угольной нитью введением в ее вакуумный баллон металлического электрода. При этом он обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между этим электродом и нитью протекает ток. Это явление, которое было единственным фундаментальным научным открытием великого изобретателя, лежит в основе всех электронных ламп и всей электроники до транзисторного периода. Им были опубликованы материалы по так называемому эффекту Эдисона, и был получен соответствующий патент. Однако Эдисон не довел свое открытие до конечных результатов.

З.ЗЛ. Истоки радио (беспроводной) связи

В 1868 г., когда А.С. Попову исполнилось только 9 лет, а Г. Маркони еще не родился, Махлон Лумис (1826-1886) продемонстрировал группе американских конгрессменов и ученых работу прототипа линии беспроводной связи протяженностью примерно 22 км. Воздушные змеи поднимали провода на высоту около 190 м. На приемной стороне в провод был включен гальванометр. Когда на передающей стороне провод соединялся с землей, на приемной стороне ток в проводе резко изменялся, вызывая отклонение стрелки гальванометра. В экспериментах Лумиса впервые в радиосвязи были применены высоко поднятые над землей передающая и приемная антенны.

Результаты экспериментов позволили М. Лумису в 18 68 г. в письме к брату написать: «Международная беспроводная связь является первой из открывающихся захватывающих возможностей. Такая связь может быть создана, если научиться использовать атмосферное электричество».

В 1869 г. Лумис обратился к правительству С Ш А с просьбой о выделении 50 ООО долларов на создание трансатлантического беспроводного телеграфа. В записке, направленной Лумисом в Конгресс, он дал следующее пояснение того, как работает предлагаемая им система беспроводной связи: «Вызванные колебания или волны, распространяясь от источника возмущения вдоль поверхности Земли подобно волнам в озере, достигают удаленный пункт и вызывают колебания в другом проводнике, которые могут быть обнаружены

23

индикатором. Индикатор отмечает длительность возникших в этом проводнике

колебаний и преобразует принятый сигнал в знаки, соответствующие

посланному сообщению». Это пояснение полностью соответствует

современным представлениям о работе систем радиосвязи. То, что в 18 68 г.

М. Лумис объяснял действие своей системы, говоря о распространении радиоволн вдоль поверхности Земли, поразительно. Ведь только через 19 лет (в 18 87 г.) были проведены знаменитые эксперименты Генриха Герца, доказавшие реальность радиоволн, существование которых следовало из теории

Дж. К. Максвелла. Об этой, ещё никем не признанной теории, созданной в середине 1860-х годов, Лумис, конечно же, ничего знать не мог.

В 1872 г. в одной из своих лекций М. Лумис утверждал, что в будущем, на основании научных знаний, станет возможным, используя неиссякаемый источник атмосферного электричества, не только посылать сообщения с одного континента на другой без использования кабеля и искусственных батарей, но и изменять климат на Земле. В том же году он направил заявку на изобретение системы беспроволочного телеграфа в Комитет по патентам, и 30 июля 1872 г. М. Лумису был выдан первый в мире патент (№ 129971) на систему беспроводного телеграфа.

В конце жизни, будучи тяжело больным и размышляя о своей горькой судьбе, он писал: «Я не открыл новый мир, но я хотел вторгнуться туда. За свои

попытки я заслужил только бедность, презрение, неприятие моих идей и полное забвение. Однако я верю, что в отдаленном будущем, когда мои открытия будут разработаны более полно, общество вспомнит того, кто в этом деле был пионером. Документы Конгресса без сомнения подтвердят, что приоритет принадлежит мне». Исторической справедливости ради следует подчеркнуть, что идея Лумиса, несмотря на ее привлекательность, не нашла своего практического применения. Необходимо было время для осмысления его идеи не только в философском, но и технологическом плане, т. е. готовности изобретателя представить обществу действующее оборудование, реально воплощающее в жизнь декларируемые возможности. Таким изобретателем, практически воплотившим идеи М. Лумиса в повседневную жизнь людей, явился российский ученый, преподаватель - А. С. Попов.

3.3.2. Изобретение А. С. Попова

После лабораторных опытов Г. Герца в начале 1880-х годов с электромагнитными волнами идея беспроводного телеграфа стала реальной перспективой, хотя многие не видели в ней большой надобности: в Европе и Америке проводной связью были охвачены целые страны, и работала она вполне надежно. Однако кабели нельзя было проложить к морским судам и в труднодоступные места. Дорого стоила и их прокладка, например через водные преграды.

К началу 18 90-х годов уже был известен прибор, способный реагировать на сильное электромагнитное излучение радиодиапазона. С ним много

24

экспериментировал известный французский физик Э. Бранли [8]. Детектором в приемнике служил когерер, еще в середине XIX века применявшийся в различных конструкциях грозоуказателей. Данный прибор представлял собой трубку, заполненную металлическими опилками, с выведенными наружу контактами. Он довольно плохо проводил электрический ток, но под действием сильного электромагнитного поля его электрическое сопротивление резко падало. Чтобы вернуть когерер в исходное состояние, его нужно было встряхнуть.

Первым, кто предложил и претворил в жизнь к идею телеграфирования без проводов, был

преподаватель морского инженерного училища Санкт-Петербурга Александр Степанович Попов. В качестве передатчика в первых опытах он использовал генератор, разработанный Герцем. I Приемо-передающее устройство А. С. Попова [8]

представлено на рис. 3.1.

В этом устройстве источником

высокочастотных колебаний служила индукционная

катушка с прерывателем (катушка Румкорфа). Прерыватель периодически замыкал и размыкал цепь тока первичной катушки трансформатора. При этом во вторичной, повышающей обмотке возникали импульсы напряжения. Каждый такой импульс пробивал искровой промежуток между двумя шариками разрядника и вызывал серию затухающих колебаний в колебательном контуре, образованном шариками и антенной. Колебательная система излучала в окружающее пространство радиоволны. Чувствительным элементом приемника (рис. 3.2) служил когерер - трубка с двумя контактными пластинами, разделенными слоем металлического порошка. Под действием высокочастотных токов, наводимых в антенне, порошок спекался и замыкал цепь чувствительного реле. Далее включался телеграфный аппарат, записывающий принятый сигнал на ленту, и электрический звонок, молоточек которого встряхивал порошок когерера и нарушал его проводимость.

В принципе эта радиолиния на первый взгляд повторяла прибор Бранли. Гениальность А. С. Попова заключается в дополнении известного прибора устройством (молоточек звонка), позволяющим автоматически восстановить чувствительность когерера, что являлось основным условием приема высокочастотных сигналов. На рис. 3.2 представлена схема радиоприемного устройства, предназначенного для пишущего приема радиотелеграфных сигналов, изобретенного А. С. Поповым. Принцип работы этого устройства заключается в следующем.

Ток высокой частоты, наведенный электромагнитными волнами, в антенне А, проходит по цепи: антенна А, когерер К, земля. Когерер представляет собой трубку с металлическим порошком, сопротивление которого меняется под воздействием токов высокой частоты. При прохождении тока высокой частоты

25

через порошок сопротивление между контактами когерера уменьшалось. Ток, создаваемый батареей Б в цепи когерер - обмотка электромагнитного реле М, возрастал и вызывал замыкание контакта К i . При замыкании этого контакта создавалась вторичная цепь по постоянному току: + батареи, контакт К i , обмотка телеграфного аппарата, обмотка звонка, замкнутый контакт когерера, -батареи. Пока замкнут контакт К i , телеграфный аппарат записывает сигналы на бумажную ленту, а молоточек звонка 3, ударяя по когереру К, встряхивает металлический порошок. Встряхивание металлического порошка необходимо для восстановления высокого сопротивления когерера после прекращения действия принимаемого сигнала и обеспечения тем самым готовности приемника к приему новых сигналов.

Рис. 3.1 Рис. 3. 2

Следует обратить особое внимание на то, что до Попова никому не удавалось автоматически восстановить чувствительность когерера.

Впервые он публично продемонстрировал разработанный прибор

25 апреля (7 мая) 1895 г. на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в физической лаборатории Петербургского университета. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как День радио.

В январе 18 96 г. А. С. Попов, выступая на собрании морских офицеров в Кронштадте, указал на возможность телеграфирования без проводов для связи между военно-морскими кораблями. Сообщение вызвало огромный интерес, но Попову было рекомендовано не разглашать своего открытия. Несмотря на это подробная статья о результатах опытов Попова по радиосвязи была опубликована в январе 1 8 96 г. в «Журнале физико-химического общества».

Менее чем через год, 24 (12) марта 1896 года, на очередной сессии РФХО с помощью аппаратуры Попова была передана первая в мире текстовая радиограмма, которая кроме приема на слух записывалась на телеграфную ленту. П. Н. Рыбкин, ассистент А. С. Попова, находился на расстоянии 250 метров в здании химического факультета и передавал кодированные

сигналы. В качестве источника электромагнитных колебаний использовался вибратор Герца с катушкой Румкорфа. Текст передаваемой радиограммы присутствующим был неизвестен. К выходу разработанного Поповым

приемника было подключено регистрирующее устройство - телеграфный аппарат Морзе. Знаки азбуки Морзе, которые передавал помощник Попова

П. Н. Рыбкин, «были ясно слышны». Появлявшиеся на ленте аппарата знаки расшифровывал учитель А. С. Попова Ф. Ф. Петрушевский и записывал

26

их мелом на доске. По окончании передачи на доске появилась запись, состоящая из двух слов: «HEINRICH HERTZ». Таким образом, русский изобретатель отдал должное великому ученому-физику, впервые

исследовавшему электромагнитные волны.

А. С. Попов предложил использовать беспроводную связь для оперативной связи с кораблями в Балтийском море и Финском заливе, для получения сообщений от судов, терпящих бедствие.

К концу XIX века в развитых странах на телеграфе и телефоне операторы пользовались головными телефонами (их еще называли и называют наушниками). Наряду с этим при проведении пробных экспериментов и опытов передачи электромагнитных колебаний по воздуху, выполненных Бранли, Лоджем, Поповым, Маркони, головные телефоны не применяли. Была очевидна их необходимость для чтения кодов азбуки Морзе, также как и в электросвязи. Однако непонятно было, куда их подключить. Несмотря на кажущуюся сейчас простоту технического решения задачи, никому из «великих» европейских умов не приходила в голову идея соединения головных телефонов с разработанными устройствами (когерерами).

Впервые в звуковом виде эфирные телеграммы были прослушаны на головной телефон в России. Это событие произошло в мае 1899 г., когда П. Н. Рыбкин и А. С. Троицкий - ассистенты А. С. Попова устанавливали радиосвязь в Кронштадтской гавани между фортами «Милютин» и «Константин». По совету Троицкого, используя головные телефоны, Рыбкин выявлял причину неисправности в приемнике форта «Милютин». При подключении головного телефона параллельно когереру (радиокондуктору) он услышал громкие телеграфные посылки от передающей станции форта «Константин». Через несколько дней по этой же схеме Троицкий принял и расшифровал звуковые импульсы от находящегося на удалении 2 6 км участвующего в работах миноносца № 115. Об открытии было сообщено находящемуся в командировке за границей Попову. Понимая серьезность сообщения, Попов прервал поездку и быстро возвратился в Россию. По прибытии он высоко оценил возможность приема прерывистых сигналов «на слух» повысившую чувствительность приемной аппаратуры. В течение месяца им были разработаны три варианта «приемников телефонных депеш» с головными телефонами без реле, электрических звонков и механического «встряхивания» когерера.

Уже через два месяца на «параллельную схему»_ Рыбкина - Троицкого были получены патенты в Великобритании и Франции, несколько позже была оформлена «российская привилегия».

В ходе испытаний, проводимых на кораблях Балтийского флота, Поповым было установлено влияние на дальность связи не только мощности источника радиоволн и высоты передающей антенны, но и оснастки металлических частей кораблей. В 18 97 г. он сделал очень важное открытие: если между двумя кораблями проходил другой корабль, то радиосвязь временно прекращалась. Попов правильно объяснил это явление отражением электромагнитных волн,

27

проходящим судном. Это открытие послужило развитию нового направления -радиолокации.

Летом 18 99 г. Попов обнаружил, что при присоединении телефонной трубки к когереру передаваемые сигналы четко слышны даже при увеличении дальности связи (до 28 км ). Он сразу получил привилегию на новый тип

«... телефонного приемника депеш, посылаемых с помощью какого-либо источника электромагнитных волн по системе Морзе». Приемники такого типа начали изготавливать французская фирма «Дюкрете» и Кронштадтская мастерская беспроволочного телеграфа. В 1897 г. Попов писал: «...вопрос о телеграфировании между судами эскадры можно считать решенным».

Осенью 1899 г. Попов впервые использовал радиосвязь для спасения корабля и людей. При переходе из Кронштадта в Либаву броненосец Балтийского флота «Генерал-адмирал Апраксин» во время жестокого шторма наскочил на подводные камни возле острова Гогланд в Финском заливе и из-за полученных пробоин должен был зазимовать вблизи пустынного острова.

Специальная комиссия Морского министерства подтвердила, что спасение броненосца возможно лишь при условии надежной связи между местом аварии и Петербургом. Но до ближайшего города на Финском побережье было более 4 0 км, по подсчетам, прокладка подводного кабеля связи обошлась бы в огромную сумму - около 2000 руб. И вот тогда в министерстве вспомнили об изобретении А. С. Попова! Была создана специальная «Экспедиция по устройству телеграфа без проводников», а Попов и Рыбкин были назначены техническими руководителями работ. Выяснилось, что устройство двух радиостанций будет стоить в 20 (!) раз дешевле, чем прокладка кабеля связи. Впервые нужно было осуществить радиосвязь на большое расстояние через покрытый льдом залив и лесные массивы по берегам. Кроме того, из-за необходимости срочной связи пришлось воспользоваться старой аппаратурой. Несмотря на непогоду и сильные морозы, 3 февраля 1900 г. с кораблем была установлена надежная радиосвязь. Станции работали до начала навигации, когда снятый с камней броненосец отбыл в Кронштадт. За время работы радиостанции обменялись 400 радиограммами. Неожиданный случай еще раз убедительно доказал возможности радиосвязи: во время работ по спасению броненосца оторвало в море льдину с 50 рыбаками, и после получения радиограммы из морского штаба в море отправился ледокол «Ермак», спасший жизнь морякам. Европейские специалисты очень высоко оценили работы Попова, так как до него никто не осуществлял столь длительной радиосвязи на большое расстояние. «Гогландской победой» стали называть новое мировое достижение Попова, и чиновники-адмиралы были вынуждены признать значение радиосвязи для флота. В апреле 1900 г. был издан приказ «ввести беспроволочный телеграф на боевых судах флота». С 1900 года началось радио вооружение кораблей русского военно-морского флота. Первые 25 радиостанций были изготовлены по чертежам А. С. Попова в радиотелеграфных мастерских в г. Кронштадте.

28

В период между русско-японской и первой мировой войнами

последователями А. С. Попова было создано первое подлинно отечественное радиопредприятие - радиотелеграфное депо (завод) морского ведомства в Петербурге. В Минном классе и Минной школе Кронштадта начали готовить радиоспециалистов.

Но отечественная радиопромышленность только зарождалась, поэтому корабли Балтийского флота приходилось оснащать зарубежной

радиоаппаратурой. Особенно остро это проявилось во время русско-японской войны.

По существу, разработанные Поповым и его сотрудниками аппаратура беспроводной связи и методика ее применения стали началом коренного переворота в жизни нашей цивилизации. Приоритет А. С. Попова

в изобретении радио окончательно признали век спустя, и в ознаменование 100-летия этого события ЮНЕСКО объявило 1995 год Всемирным годом радио.

Датой рождения первого электрического телефона считается 14 февраля 1876 г. [10]. В этот день в американское патентное ведомство поступило две заявки на аппарат для передачи звуков на расстояние посредством электрического тока. Первая принадлежала американскому преподавателю школы глухонемых А. Г. Беллу. Вторая, поступившая на два часа позже, -американскому физику И. Грею. Обе заявки были вовсе не подобные, а принципиально различны. Белл сконструировал электромагнитный

передатчик (микрофон), в котором передаваемый в линию ток изменялся вследствие изменения

17

магнитного потока. Грей же предлагал совершенно иной метод изменения тока- вследствие изменения при колебаниях мембраны электрического сопротивления столбика проводящей жидкости. Не останавливаясь на сопоставлении достоинств и недостатков обоих устройств, отметим главное. Белл патентовал почти готовое устройство. Грей же подал лишь

предварительное уведомление о намерении изобрести устройство с указанием предлагаемого принципа его действия.

Но было бы несправедливо приписывать лавры отца телефонии только лишь А. Беллу. Его изобретению предшествовали работы многих ученых. Прообраз телефонного аппарата, так называемую «ворчащую проволоку», в 1837 году создал американский ученый Ч. Пейдж. Он обнаружил явление, названное им гальванической музыкой, - прерывистый ток, протекающий по обмотке электромагнита и вызывающий звуки определенного тона.

В I860 г. учитель физики школы г. Фридрихсдорфа (Германия) Филипп Рейс (1834-1874), в старом школьном сарае из подручных средств (пробка от бочонка, вязальная спица, старая разбитая скрипка, моток изолированной проволоки и гальванический элемент) создал аппарат для демонстрации принципа действия уха [10]. Его аппарат состоял из передатчика, гальванической батареи, соединительного провода и приемника. Под воздействием звуковых волн перепонка передатчика приходила в колебание, то погружая в ртуть, то извлекая из нее платиновый штифт, связанный линейным проводом с одним концом медной обмотки катушки приемника. Другой конец заземлялся. При этом в цепи создавался прерывистый ток, под действием которого стальной стержень приемника намагничивался и размагничивался, что и обусловливало его звучание. Свой аппарат, назвав «телефоном», он продемонстрировал 26 октября 18 61 г. перед членами Физического общества Франкфурта. По сути это был «музыкальный телефон» передающий звуки по проводам, но это были лишь отдельные звуки с искаженным тембром. Именно поэтому электрический телефон Рейса никакого успеха не имел. В печати появилось несколько полуиронических и полусерьезных статей, а немецкий журнал «Гартенлаубе» дал в 1863 г. его описание как игрушки. Механик из Германии изготовил в разном оформлении 10-20 телефонов Рейса. Несколько из них даже продал. Один из экземпляров очутился в шотландском университете в Эдинбурге, в котором в то время учился американец английского происхождения Александр Грэхем Белл.

В Германии Рейс не был ни оценен, ни признан. Тогда он отправился в Америку, где его арестовали как шарлатана, пытающегося вымогать деньги на сомнительную затею - «на постройку аппарата, с помощью которого будто бы можно будет передавать человеческую речь по проводам на любое расстояние. Свой аппарат он специально назвал «телефоном», явно подражая названию «телеграф», чтобы было легче обмануть людей, слышавших об успехах телеграфного аппарата, но не знающих принципа его действия. Специалисты считают, что нельзя посылать голос по проводам, как передают азбуку Морзе. Конец X I X - начало XX в. были связаны с бурным строительством сети

телефонной связи. Первые сети телефонной связи создавались в городах. Сначала устанавливалась одна телефонная станция. Это означает, что первые городские телефонные сети (ГТС) были нерайонированными. Система связи состояла из трех элементов: терминал, сеть доступа и коммутатор, работа которого была невозможна без участия человека. Сеть доступа представляла собой совокупность абонентских линий (АЛ). Первые АЛ были созданы на базе воздушных линий связи. В литературе приводятся интересные сведения о строительстве телефонной сети в Санкт-Петербурге: «... вся сеть проектировалась на столбах по однопроводной схеме с использованием проволоки диаметром 2,2 мм». Подобный подход был типичен для конца XIX века и начала прошлого столетия. Провода обычно подвешивались на столбах. Подведение проводов к телефонной станции осуществлялось через

специальные стойки. Суммарное число проводов, которые должны были подключаться к коммутаторам, исчислялось десятками и даже сотнями. Высота соответствующих стоек достигала на некоторых телефонных станциях 13 метров. Внутри городов связь осуществлялась как по проводам воздушной телефонной сети, так и посредством прокладки подземных кабелей, для чего использовали трубопроводы и кабельные колодцы.

Для обеспечения связи между городами прокладывались магистральные линии связи. Наиболее протяженными телефонными линиями тогда были: Париж - Брюссель (320 км), Париж - Лондон (498 км) и Москва - Петербург (660 км). Последняя линия, построенная в 1898 г.,являлась самой протяженной воздушной телефонной магистралью. На междугородной телефонной

магистрали Москва - Петербург в сутки осуществлялось до 200 переговоров.

В 1915 г. инженер В. И. Коваленков разработал и применил в России первую дуплексную телефонную линию связи на триодах [11]. Установка на линии телефонной связи промежуточного усилительного пункта позволяла значительно увеличить дальность передачи. К этому времени в мире было установлено около 10 млн телефонных аппаратов, а общая длина телефонных проводов достигла 36,б млн км. На каждую тысячу человек в разных странах приходилось от 10 до 170 абонентов. К концу первого десятилетия XX в. уже действовало свыше 200 тысяч АТС.

Обобщенная структурная схема системы связи

Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю назьвзается системой связи. Обязательными компонентами любой системы связи независимо от вида передаваемых сообщений являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство. Иногда в понятие «система связи» включаются источник и потребитель сообщений. Обобщенная структурная схема системы связи приведена на рис. 3.2. Сообщение a(t) от источника ИС сообщений поступает на передающее устройство, состоящее из первичного преобразователя ПСС1 сообщения в первичный электрический сигнал b(t), и модулятора МД, обеспечивающего вторичное преобразование этого сигнала в сигнал s(t) для наилучшей его передачи по линии связи. Линией связи ЛС называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику (кабель, волновод или область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику).

Приемное устройство производит обратное преобразование принятого сигнала в сообщение и состоит из демодулятора ДМ и преобразователя ПСС сигнала в сообщение. Отличия параметров системы связи от желаемых характеристик приводят к искажениям передаваемого сигнала. Кроме того, в любом узле системы передачи, но главным образом на линии связи, присутствуют помехи, поэтому сигнал на входе приемника sl(t) отличается от переданного сигнала на выходе передатчика. Приемное устройство обрабатывает принятое колебание и восстанавливает по нему электрический сигнал bl(t), а следовательно, и сообщение al(t), которое реставрируется с некоторой погрешностью.

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу нескольких сообщений по одной общей линии связи (рисунок 3.3). Каждое из передаваемых сообщений с помощью преобразователей ПСС преобразуется в отдельные электрические сигналы, которые затем смешиваются в аппаратуре уплотнения (АУ). Сформированный таким путем групповой сигнал и обработанный дополнительно в передающем устройстве МД передается по линии связи. Приемник осуществляет обратное преобразование принятого колебания в исходный групповой сигнал, из которого затем с помощью устройства разделения (УР) выделяются индивидуальные сигналы (преобразуемые в соответствующие сообщения в преобразователях ПСС).

Для того, чтобы разделить передаваемые сигналы на приемном конце, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи

преимущественно применяют частотный и временной способы разделения сигналов. При | частотном разделении каналов каждому из индивидуальных сигналов выделяется отдельный диапазон частот в общей полосе частот. При временном разделении каналов каждому из каналов связи выделяется определенный интервал времени в каждом цикле передачи коллективного сигнала. В последнее время все более широкое распространение | получает способ кодового разделения каналов. При таком разделении каналов все каналы могут занимать одновременно общие и частотный и временной ресурс системы связи. Для | разделения каналов в этом случае используется разделение каналов по форме сигналов (в | цифровых системах связи - по коду сигналов). |

ПОКАЗАТЕЛИ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ (БЕЗОШИБОЧНОСТИ) ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ

Надежность сети связана со способностью передавать достоверно (без ошибок) данные пользователя из одного ООД в другое ООД. Она включает в себя способность восстановления после ошибок или потери данных в сети, включая отказы канала, ООД, АКД или ОКД. Надежность также связана с техническим обслуживанием системы, которое включает ежедневное тестирование, профилактическое обслуживание, например замену отказавших или допустивших сбой компонент; диагностирование неисправности при неполадках. В случае возникновения неполадки с каким-либо компонентом, сетевая диагностическая система может легко обнаружить ошибку, локализовать неисправность и, возможно, отключить эту компоненту от сети. Достоверность передачи данных отражает степень соответствия принятого сообщения переданному. Оценкой достоверности служит коэффициент ошибок, иначе называемый ООД - оконечное оборудование данных -обобщенное понятие, используемое для описания машины конечного пользователя, в качестве которой обычно выступает ЭВМ или терминал.

АКД - аппаратура окончания канала данных - это аппаратура передачи данных. В ее функции входит подключение ООД к линии или каналу передачи данных. ОКД -оборудование коммутации данных. Ее основной функцией является коммутация и маршрутизация трафика (данных пользователя) в сети к месту назначения.

Иногда достоверность определяется как разность между единицей и коэффициентом Р. Согласно рекомендации МККТТ допустимой нормой для телеграфной связи является,, то есть не более трех ошибок на 100000 переданных символов, а для передачи данных .

Появление ошибок при передаче информации объясняется или посторонними сигналами, всегда присутствующими в каналах, или помехами, вызванными внешними источниками и атмосферными явлениями, или другими причинами. В телефонии искажением считается изменение формы тока в приемном аппарате, а в телеграфии изменение длительности принимаемых посылок тока по сравнению с передаваемыми посылками.

Телеграфные искажения называются краевыми, если в результате действия помех один или несколько элементов кодовой комбинации становятся короче или длиннее по сравнению с их номинальной длительностью. Другая разновидность искажений дробление предполагает внутренние изменения в значащем элементе. Если краевые искажения и дробления достигают большой величины, то приемник телеграфного аппарата оказывается не в состоянии правильно определить, переданный элемент, что свидетельствует о наличии ошибки. Помехи - это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распространенными являются флуктуационные , или случайные помехи (например тепловые шумы, возникающие в оборудовании). Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени.

Типичными примерами импульсных помех являются атмосферные или индустриальные помехи. Обычно они имеют вид одиночных импульсов, длительность которых может быть очень маленькой, а амплитуда очень большой. Возможны также сосредоточенные помехи в виде синусоидальных колебаний. К таким помехам относятся сигналы от посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты и так далее. На практике возможны и смешанные помехи.

По своей электрической структуре помехи - это колебания, сходные с сигналами, но беспорядочные и, конечно, ненужные. В приемнике помехи могут подавить информационный сигнал, то есть ослабить настолько, что приемник или не обнаружит его, или воспримет как ложный. В частности, в двоичном канале "единица" может перейти в "ноль" и наоборот. При равнозначной вероятности появления таких переходов канал связи считается симметричным, в противном случае - несимметричным. В реальных условиях каналы связи обычно бывают несимметричными.

Наличие помех в системе связи приводит к большому числу неверно выполняемых вычислений неправильному чтению командных и управляющих посылок, снижению эффективности сети.

Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в структурном сходстве помех с информационными сигналами. Поэтому защита информации от ошибок и вредного влияния помех имеет огромное практическое значение и является одной из важнейших проблем современной теории и техники связи.

Существует несколько источников возникновения помех. Например, атмосферные помехи возникают вследствие электрических возмущений в земной атмосфере. Космические помехи могут прийти с Солнца или других звезд, которые излучают электромагнитную энергию в очень широком частотном спектре. Помехи можно также обнаружить в проволоке-проводнике или коаксиальном проводнике вследствие того, что случайное движение электронов в проводнике приводит к образованию тепловой энергии.

Чтобы успешно бороться с тепловым шумом (а также с другими видами шумов, например разрядными помехами флуктуациями мощности и так далее), приемники в системах связи должны проверять данные и в случаях обнаружения "нарушений" запрашивать повторную передачу.

"Нарушения" или ошибки можно широко классифицировать как случайные, импульсные и смешанные. В каналах со случайными ошибками для каждого бита данных существует вероятность Р неправильного приема и Р-1 правильного приема. Ошибки происходят случайно в блоках принятых данных. Большинство каналов с вещественными носителями (а также спутниковые каналы) подвержены случайным ошибкам.

Каналы с импульсными ошибками демонстрируют состояние, свободное от ошибок, большую часть времени, но иногда появляются групповые или разовые ошибки. Объектом таких ошибок являются радиосигналы, так же как кабели и провода, например телефонные каналы из витых проводных пар.

Проблема канального шума обусловлена свойствами самого канала и никогда не может быть устранена полностью.

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОШИБОЧНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СЕТЯХ

Для повышения достоверности и качества работы систем связи применяются групповые методы защиты от ошибок, избыточное кодирование и системы с обратной связью. На практике часто используют комбинированное сочетание этих способов. К групповым методам защиты от ошибок можно отнести давно уже используемый в телеграфии способ, известный как принцип Вердана:

вся информация (или отдельные кодовые комбинации) передается несколько раз, обычно не четное число раз (минимум три раза).

Принимаемая информация запоминается специальным устройством и сравнивается. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методами "два из трех", "три из пяти" и так далее. Например кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому

приемник принял следующие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101. Другой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу информации блоками, состоящими из нескольких кодовых комбинаций. В конце каждого блока посылается информация, содержащая количественные характеристики переданного блока, например число единиц или нулей в блоке. На приемном конце эти характеристики вновь подсчитываются, сравниваются с переданными по каналу связи, и если они совпадают, то блок считается принятым правильно. При несовпадении количественных характеристик на передающую сторону посылается сигнал ошибки.

Среди методов защиты от ошибок наибольшее распространение получило помехоустойчивое кодирование, позволяющее получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение - принятие всех возможных мер для того, чтобы вероятность искажений информации была достаточно малой, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети. Помехоустойчивое кодирование предполагает разработку корректирующих (помехоустойчивых) кодов, обнаруживающих и исправляющих определенного рода ошибки, а также построение и реализацию кодирующих и декодирующих устройств. Специалистами доказано, что при использовании помехоустойчивого кодирования вероятность неверной передачи во много раз снижается. Так, например, с помощью кода М из N, используемого фирмой IBM в вычислительных сетях, можно обнаружить в блоке, насчитывающем около тридцати двух тысяч символов, все ошибки, кратные трем или меньше, или пачки ошибок длиной до шестнадцати символов. При передаче информации в зависимости от системы счисления коды могут быть двухпозиционными и многопозиционными. По степени помехозащищенности двухпозиционные коды делятся на обыкновенные и помехоустойчивые. Двухпозиционные обыкновенные коды используют для передачи данных все возможные элементы кодовых комбинаций и бывают равномерными, когда длина всех кодовых комбинаций одинакова, например пятиэлементный телеграфный код, и неравномерными, когда кодовые комбинации состоят из разного числа элементов, например код Морзе. В этом коде точке соответствует одна единица, тире - три единицы. Для отделения точек и тире друг от друга записывается тюль, а для завершения комбинации - три нуля. Так, буква А, состоящая из точки и тире, представляется как 10111000, а буква Б (тире и три точки) - как 111010101000. В помехоустойчивых кодах, кроме информационных элементов, всегда содержится один или несколько дополнительных элементов, являющихся проверочными и служащих для достижения более высокого качества передачи данных. Наличие в кодах избыточной информации позволяет обнаруживать и исправлять (или только обнаруживать) ошибки.

Помехоустойчивость системы связи

Помехоустойчивость системы связи

способность Сс. выполнять свои функции с требуемым качеством в условиях воздействия радиоэлектронных помех. П.с.с. обеспечивается проведением организационных и технических мероприятий. Основные организационные мероприятия: рациональное распределение рабочих частот и перестройка радиоэлектронных средств (РЭС), работа без позывных; умелый выбор позиций и направлений излучения и приема РЭС; оптимальное построение систем связи; комплексное применение различных средств связи; организация прямых, обходных, резервных, дублирующих и скрытых радиосвязей; рациональное размещение и применение РЭС на объектах, в группировках войск и сил; соблюдение режимов работы и правил эксплуатации РЭС; выявление, поражение и радиоэлектронное подавление средств РЭП противника; обучение и тренировки личного состава УС и РЭС работе в условиях радиоэлектронных помех. Основные технические мероприятия: получение необходимого соотношения сигнал (помеха) на входе РЭС, увеличение излучаемой мощности, сжатие сигналов и др.; предотвращение перегрузки радиоприемных устройств; селекция (выделение) и фильтрация сигналов из радиопомех; кодирование и изменение параметров сигналов; регулировка диаграмм направленности антенн и мощности излучаемых сигналов; организация связи через посредника; снижение мощности побочных и внеполосных излучений.

Эффективность систем связи

•

Принцип системного подхода базируется на представлении объекта как сложной системы с учетом ее специфических связей и свойств. Система определяется как целостное образование, состоящее из связанных между собой элементов. Поэтому система обладает собственными свойствами, не вытекающими непосредственно из свойств ее элементов.

Свойства системы прежде всего определяются ее целевым назначением (целями функционирования), которое трактуется как совокупность задач, решаемых данной системой. Для получения желаемого результата необходимо совершить определенную совокупность операций, направленных на достижение поставленной задачи. Эти операции реализуются за счет использования некоторых ресурсов системы. В СЭС такими операциями являются кодирование, модуляция, усиление сигнала, демодуляция, декодирование, селекция сигналов и т.п., а ресурсами системы являются мощность сигнала и полоса частот канала. Таким образом СЭС имеет все признаки сложной системы.

Весьма важен анализ взаимодействия СЭС со средой. Среда в СЭС - это не только линия связи (среда распространения сигнала), используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику, но и другие системы естественного и искусственного происхождения, оказывающие определенные воздействия на систему связи. Обычно это мешающие воздействия (помехи и искажения), затрудняющие качественную передачу информации по каналу связи. Необходимость борьбы с вредными воздействиями помех существенно усложняет СЭС.

Для исследования СЭС создается ее модель, в которой отображены наиболее существенные свойства и признаки. Математическая модель СЭС представляет собой совокупность математических соотношений, отображающих структуру системы, алгоритмы ее функционирования, статистические характеристики канала, сигнала и помех, технические и экономические показатели системы. Стохастический характер помех и непредсказуемость сообщений и сигналов обусловливают широкое использование вероятностных моделей.

При выборе комплексного показателя технико-экономической эффективности системы исходят из того, что он должен иметь прямую связь с ее целевым назначением, объективно характеризовать основные свойства, быть чувствительным к изменению определяющих параметров системы и наряду с этим должен быть достаточно простым, чтобы им можно было пользоваться. Проблема заключается в том, что не все цели системы можно адекватно отразить в количественной форме. Например, трудно численно оценить степень удовлетворения потребности людей в общении с помощью средств связи. Тем не менее, решение вопросов выбора наиболее целесообразных вариантов СЭС в конечном итоге сводится к решению задач оптимизации этих систем по выбранным критериям качества.

Классификация систем и линий передачи информации.

Признаки классификации:

1) область применения (телефонные системы, передача данных, телевидение, телеметрия);

2) по форме сообщения (дискретные, непрерывные);

3) по виду линейного сигнала (непрерывная, импульсная);

4) по диапазону рабочих частот и ширине полосы (узкополосные, широкополосные);

5) по виду связи (стационарные, мобильные);

6) по принципу уплотнения и разделения (временное, частотное, по коду). Все системы связи делятся на две группы:

1) системы со свободным распространением сигналов. аЕ ~/²;

^ рас. '

Уровень рассеяния сигнала пропорционален квадрату расстояния между передатчиком и приёмником (радиотехнические).

2) системы с направленным распространением сигналов.

Принудительное распространение сигнала. Для этого используется устройства. Энергия в них не рассеивается, а поглощается направляющем устройством. Системы стабильны, являются идеальными с точки зрения достоверности. Идеальное решение проблемы электромагнитной совместности- высокая пропускная способность. Однако, эти системы очень дороги, требуют создания усилительных ретрансляционных пунктов. Проблемы:

1) проблемы электромагнитной совместимости, действие помех;

2) высокая экономичность, гибкость, мобильность. Системы со свободным распространением сигналов делятся на:

1) системы с постоянными параметрами- системы, в которых параметры сигнала проходя через среду распространения не претерпевают существенных случайных изменений, за исключением фазы (системы радиорелейной связи, спутниковой связи - они работают в диапазоне сантиметровых волн).

2) системы со случайными параметрами - параметры сигнала изменяются про прохождение через среду. Эти изменения приёмника или в системах с отражённой или прямой волной (коротковолновые системы- сигналы претерпевают глубокие замирания).

Радиоволны с длиной волны более 1 километра имеют отличительную особенность - способность хорошо огибать Землю при своем распространении. Поэтому волны этой части диапазона способны распространяться далеко за пределами прямой видимости. Конечно, при удалении излучающей антенны за линию горизонта сигнал будет значительно ослаблен, но, в общем, в этом диапазоне частот может быть обеспечена достаточно уверенная связь на расстояниях в сотни и тысячи километров.

Радиоволны, которые распространяются вдоль поверхности Земли, называют земными или поверхностными волнами. В этом диапазоне частот, кроме поверхностных волн, для связи используют и пространственные волны. Пространственными (ионосферными, небесными) называют такие волны, которые, будучи излученными от поверхности Земли, отразятся от ионосферы и вновь вернутся на Землю. Траектория распространения пространственной волны, вернувшейся на Землю после отражения от ионосферы, называется скачком. Электромагнитные волны нижней части радиодиапазона также хорошо отражаются от поверхности Земли (то есть с малыми потерями). Отраженные от Земли радиоволны при достижении ионосферы повторно отражаются от ее нижних слоев, образуя следующий скачок.

Таким образом, упрощенную модель среды распространения длинных и сверхдлинных радиоволн можно представить в | виде двух электропроводящих сфер с совмещенными центрами. Радиоволны распространяются в промежутке между i этими сферами, попеременно отражаясь то от внешней, то от внутренней сферы. Земля вместе с нижней границей

ионосферы образуют для этого диапазона своеобразный сферический волновод. В этом волноводе формируется

траектория многоскачкового распространения радиоволн (рисунок 6.4).

Изменения свойств ионосферы сказываются не столь существенно для этого диапазона радиоволн, поэтому связь на этих частотах достаточно устойчива даже на далеких расстояниях и слабо зависит от времени суток.

Высокая стабильность распространения радиоволн этого диапазона используется, например, радиопередатчиками службы точных частот и времени, сигналы которых используются в системах связи всех диапазонов частот.

В заключение следует отметить об особенностях распространения электромагнитных колебаний самой нижней части I радиодиапазона. Поскольку величина потерь при распространении радиоволн в среде с потерями (почва, вода, ионизированные газы и т.д.) уменьшается с увеличением длины волны, то и глубина проникновения радиоволн в эту среду увеличивается с увеличением длины волны. Эта особенность распространения радиоволн используется, например, для связи с подводными лодками, погруженными на глубину в сотни метров от поверхности океана. Для такого (единственно возможного) вида радиосвязи используют очень низкие частоты (очень длинные волны), что требует больших размеров антенн и высоких мощностей радиопередатчиков.

Радиоволны с длиной волны от 100 до 1000 метров так же, как и более длинные, распространяются и поверхностными, и пространственными волнами, но их распространение имеет свои особенности. Влияние нестабильностей параметров ионосферы на распространение радиоволн этого диапазона становится все заметнее, и длина пути, проходимого пространственной волной в точку приема, в разное время года и суток оказывается разной.

! Днем в этом диапазоне волн на расстояниях до нескольких сотен километров для связи используются поверхностные j волны. С увеличением частоты колебаний требуется более высокая концентрация заряженных частиц ионосферы для I формирования отраженной волны, при этом радиоволны проникают во все более высокие слои атмосферы. Но с

увеличением длины пути, проходимой радиоволной в ионосфере, возрастают ее потери. Радиоволны этого диапазона 1 достигают слой Е ионосферы и возвращаются к Земле. Днем более низкий слой D имеет высокую концентрацию и

вызывает значительное ослабление радиоволн, поэтому пространственные волны этого диапазона весьма слабы.

j Ночью дальность связи может быть увеличена за счет того, что ночью слой D практически исчезает. Ослабление I радиоволны в ионосфере значительно уменьшается и влияние пространственной волны в этом диапазоне становится I заметнее. В конечном итоге это приводит к тому, что на больших дальностях в местах приема может наблюдаться j эффект замирания, или фединга, проявляющийся в изменении уровня принимаемого сигнала. Основной причиной замирания сигналов является интерференция пространственной и поверхностной волн. На рисунке 6.5 показаны | условные пути прохождения в точку, достаточно удаленную от излучающей антенны, поверхностной радиоволны 1 и I пространственной радиоволны 2. Так как длина пути, который проходят радиоволны, может постоянно изменяться, то непрерывно изменяются и фазы приходящих сигналов.

Результат сложения двух сигналов одной частоты, но с различными фазами, изменяется от максимального значения (когда фазы приходящих колебаний совпадают) до минимального (когда фазы этих сигналов противоположны). Если мощности колебаний, приходящих с различных направлений, приблизительно одинаковы, то уровень принимаемого сигнала, образуемого в результате интерференции, может спадать практически до нуля.

Вблизи передатчика, где присутствуют, в основном, поверхностные волны, эффект замирания практически отсутствует. На больших расстояниях, где возможно распространение и пространственной, и поверхностной волны, ночью вязь может улучшаться, но со значительными замираниями. И на очень больших расстояниях, куда практически не достигает земная волна, ночью возможен прием пространственной волны.

Радиоволны с длиной волны от 10 до 100 метров распространяются также в виде пространственной и поверхностной волн, но с ростом частоты еще более возрастает поглощение Землей энергии поверхностных волн, и они ослабевают быстрее. Поэтому в коротковолновом радиодиапазоне распространение поверхностных волн ограничивается практически пределами прямой видимости. Далее простирается зона молчания, где невозможен уверенный прием сигналов.

В диапазоне декаметровых волн также возможен эффект замирания. Причиной его также является интерференция, но уже двух или более пространственных лучей, приходящих в точку приема разными путями.

На рисунке 6.6 показан ход лучей декаметровых волн, излученных из точки А. Волны этого диапазона еще глубже проникают в ионосферу. Граница распространения земных волн обозначена точкой В. В точку С поступают пространственные волны после первого отражения от ионосферы. Пояс земной поверхности между точками В и С образует зону молчания. В этой зоне поверхностные волны уже настолько ослаблены, что не могут быть использованы для связи, а отраженные от ионосферы волны достигают поверхности Земли на гораздо большем удалении от передатчика. На еще большем удалении от точки излучения А возможен приход волны после двукратного отражения от ионосферы. Если в этот же пункт приема приходит другая пространственная волна, например, после однократного отражения от ионосферы, то в точке приема D наблюдается интерференция сигналов и, как следствие ее, - замирание во время приема.

Радиоволны, длина которых менее 10 метров, практически не обладают дифракцией, то есть не могут огибать препятствия на пути распространения. Концентрация заряженных частиц в ионосфере недостаточна для значительного влияния на траекторию распространения радиоволн этого диапазона, поэтому радиоволны практически не отражаются от ионосферы. С одной стороны, это делает невозможной дальнюю связь на поверхности Земли за пределами прямой видимости, с другой стороны, позволяет использовать радиоволны этого диапазона для спутниковой связи.

Таким образом, основные характеристики распространения электромагнитных колебаний ультракоротковолнового (УКВ) диапазона определяют возможной связь в этом диапазоне в пределах прямой видимости между передающей и приемной антеннами. Для увеличения дальности связи антенны устанавливают на высокие опоры (рисунок 6.7).

I Максимальная дальность связи DB (с учетом только шарообразной формы Земли, без уточнения рельефа местности) определяется высотами поднятия передающей и приемной антенн, соответственно hi и п2, и радиусом Земли R3:

При использовании этой эмпирической формулы максимальное расстояние прямой видимости DB и радиус Земли R3 следует выражать в километрах, а высоты поднятия антенн hi и h2 - в метрах.

В этом диапазоне волн также возможна интерференция сигналов, но уже с отраженными сигналами от Земли или других неровностей рельефа либо строений. На рисунке 6.8 условно показан ход лучей прямой и отраженной от поверхности Земли волн.

При достаточно большой мощности передатчика связь за горизонтом возможна и в этом диапазоне волн. Дальняя связь j за пределами прямой видимости оказывается возможной благодаря тому, что в атмосфере Земли по ряду причин могут возникать локальные неоднородности. Эти неоднородности и вызывают рассеяние радиоволн, в том числе и в направлении пункта приема. При достаточной чувствительности приемного устройства может быть организована радиосвязь в труднодоступных районах на расстоянии нескольких сотен километров.

\ На рисунке 6.9 представлена схема возможной связи с использованием рассеяния радиоволн на неоднородностях j атмосферы.

Основные параметры при построение связи ИСЗ:

1) — -отношение характеризующие передающие и приемные свойства наземной станции,

отражает пропускную способность; G-коэффициент усиления наземной станции; Т-эквивалентная шумовая t на входе приёмника.

2) эффектовно-излучаемая мощность спутника на входе приёмника- Р_эн .

Q

Оптимальное сочетание: Р_эн =32 децибела, — =225 децибела\к.

Габариты и диаметры антенны. Максимальные - 30 м, минимальная - 0,3-0,4 м. По ширине полосы спутниковые ретрансляторы строятся таким образом, что она состоит из стволов- частотных участков. Каждый ствол работает со своим ретранслятором (многоствольный, многоканальный).

Максимальное значение стволов-12-48 штук, диаметр 36 МГц.

1 С 5.Радиорелейные линии связи. Радиорелейные линии связи- основной вид радиосвязи для передачи больших объёмов информации, они передают весь спектр сообщений.

РРЛ- основной вид связи, который служит для обвязки сотовой станции. Длина волны сантиметровая (УКВ) в пределах видимости (50-70 км).

При комплексной связи на каждом ретрансляторе имеются две станции (передача и приём происходят на разных частотах). Недостаток двухчастотной передаче, является тот факт, что на приёмник одного направления может попасть сигнал с противоположного (борьба - установить ретрансляторы змейкой, бороться с боковыми лепестками). Для повышения эффективности и увеличение пропускной способности на одном ретрансляторе устанавливают несколько комплектов приёмных передатчиков, т.е. организуют несколько высоко частотных радиостволов. Диапазон работы современных радиорелейной радиосвязи f=l ,2,4,6. ..16 ГГц.

' 6.Спутниковые системы связи.

1945-идея принадлежит Кларку;

1958-первые искусственный спутник земли связи с пассивными отражателями;

1962- первый искусственный спутник земли с ретранслятором на борту (Telstar)-низкогаборитный;

1963- первый нестационарный спутник (Syncom);

1965-геостационарный спутник - начало отсчёта спутниковой связи (Intersat). Преимущества спутниковых систем связи:

1) линии связи обладают большой пропускной способностью;

2) они покрывают огромные расстояния;

3) высокая надёжность (помех практический нет). Спутниковые системы связи уникальны и эффективны. Виды искусственных спутников земли:

1) низкоорбитальные (500-600 км);

2) среднеорбитальные (от 5000 км);

3) геостационарные (36000 км).

Преимущество 3 вида искусственных спутников земли в том, что передача и приём сигнала возможны при неподвижных антеннах и высота такова, что спутники «виснут» и охватывают 1\3 поверхности Земного шара. Недостатки: в следствии большой высоты орбиты необходимо иметь антенны с большими коэффициентами усиления, кроме того нужно удерживать спутник на орбите, для чего на ИСЗ нужно иметь двигатели и систему управления (ресурс 5-7 лет).

Вероятность ошибки -10~¹⁰, скорость передачи 10 мегабит\сек. Спутниковая связь занимает 5-10% мирового трафика.

Эффективная экономичность системы связи для пользователя считается оправданной при организации связи на расстояние более 800 км.

Основные принципы спутниковых систем: ретрансляция информации-многостанциооньгй доступ. Более сложные ретрансляторы имеют несколько антенн, что обеспечивает передачу сигналов на землю после усиления и ориентации луча заданной поверхности при этом коммутация сигналов происходит с помощью матриц.

Существуют ретрансляторы осуществляющие демодуляцию сигналов и излучение новых

сигналов в соответствующие модуляции- ретрансляторы с обработкой.

Сущность многостанционного доступа в том, что каждая земная станция имеет

возможность пользоваться ретранслятором для передачи сигнала независимо от работы

других.

Сигналы делятся:

1) по частоте;

2) времени;

3) в пространстве;

4) по форме.

Многостанционарные доступы:

1) частотный ЧМД;

2) временной ВМД;

3Пространственный ПМД; 4)КМД.

Каждая ЗС имеет определенный канал, через повторяющиеся интервалы времени, спутник в соответствие с соответсвуюшей шкалой времени формирует суперкадр и ретранслирует его на землю.

Классы оборудования искусственного спутника земли:

1) наземное;

2) находящиеся на спутнике (ретранслятор, приёмно-передающая система, различные блоки обработки информации).

ВоЛОКОННО-ОПТИЧеСКИе ЛИНИИ представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления, в которых осуществляется передача световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0,8 до 1,6 мкм.

Оптический кабель (ОК) состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости, кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы. Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на 3 группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ОК.

Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми: затуханием и дисперсией и большой информационнб-пропускной способностью. В таких кабелях используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны лежит в диапазоне от 1,3...1,55 мкм.

Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.

Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до 10 км) и большое число каналов. Волокна градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.

Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).

Монтажные ОК используются для внутреннего и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

Волоконная оптика сегодня получила широкое развитие и применяется в различных областях науки и производства (связь, радиоэлектроника, энергетика, термоядерный синтез, медицина, космос, машиностроение, летающие объекты, вычислительные комплексы и т. д.). Темпы роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все другие отрасли техники и составляют 40% в год. В ряде стран (Англия, Япония, Франция, Италия и др.) уже сейчас при строительстве сооружений связи используют, в основном, оптические кабели. О масштабах развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) свидетельствуют объемы производства оптических волокон в США. За последнее время ими изготовлено около 10 млн. км волокна. Такое количество позволило бы сделать 250 витков вокруг всего земного шара.

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие

волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта ВОСП.

В России активно ведется строительство ВО Л С различного назначения: городских, зоновых, магистральных. В 86 городах (Мо-сква, Нижний Новгород, Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев, Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные линии между АТС с цифровыми системами передачи ИКМ-120. Построен ряд зоновых линий внутриобластного назначения, например, Петербург Сосновый бор, Уфа Стерлитамак, Тула Щекино, Воронеж Павловск, Рязань Мосолово, Майкоп Краснодар, Клин Солнечногорск, Ростов Азов, Курская обл., Минск Смолевичи, Рига Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль Петербург Минск протяженностью 1000 км на большое число каналов.

В России с участием инофирм осуществляется строительство транссибирской линии (ТСЛ), которая свяжет Японию, Россию, Европу. Общее число каналов составит 30 000. Половина из них предназначена для России; в крупных городах, расположенных по трассе, часть этих каналов будет выделяться, вторая половина каналов пройдет транзитом на Европу. Транссибирская линия после включения в мировую межнациональную сеть связи замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо, которое охватит 4 континента (Европу, Америку, Азию, Австралию) и пройдет через 3 океана (Атлантический, Тихий, Индийский). Оптические кабели обладают следующими достоинствами:

• широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько тысяч каналов);

• малые потери и, соответственно, большая длина трансляционных участков (30...70 и 100 км);

• малые габаритные размеры и масса (в 10 раз меньше, чем электрических кабелей);

• высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;

• надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).

К недостаткам ОК относятся:

• подверженность волоконных световодов радиации, за счет которой появляются пятна затемнения и возрастает затухание;

• водородная коррозия стекла, приводящая к микротрещинам световода и ухудшению его свойств.

Волоконная оптика развивается по б направлениям:

1. многоканальные системы передачи информации;

2. кабельное телевидение;

3. локальные вычислительные сети;

4. датчики и системы сбора обработки и передачи информации;

5. связь и телемеханика на высоковольтных линиях;

6. оборудование и монтаж мобильных объектов.

1-ые радиотелефоны употребляли обыденные фиксированные каналы, и, если какой-то из них был занят, абонент вручную переключался на иной. С развитием техники радиотелефонные системы совершенствовались, уменьшались габариты устройств, осваивались новейшие частотные спектры, улучшалось коммутационное оборудование, а именно, возникла функция автоматического выбора вольного канала (trunking). Но все это не могло решить главной трудности - ограниченности частотного ресурса при большой потребности в предоставлении услуг.

Выход был найден: обслуживаемая территория разбивается на маленькие участки, именуемые сотами (cell). Любая из ячеек обслуживается передатчиком с ограниченным радиусом деяния и числом каналов. Это без помех дозволяет повторно применять те же самые частоты в иной ячейке, но удаленной на существенное расстояние. На теоретическом уровне их можно применять в примыкающей ячейке. Но на практике зоны обслуживания сот могут перекрываться из-за разных причин, к примеру конфигурации критерий распространения радиоволн. В итоге возникают обоюдные помехи. По-этому в примыкающих ячейках употребляются разные частоты.

За наиболее чем 20-летний период развития сформировались три поколения систем сотовой связи (ССС) [13,28]:

- 1-ое поколение - аналоговые системы;

- 2-ое поколение - цифровые системы нынешнего денька;

-третье поколение - всепригодные системы мобильной связи грядущего.

В 1981 г. началась эксплуатация аналоговой ССС первого поколения эталона NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) спектра 450 МГц. Этот эталон создавался как единый эталон сотовой связи для 5 северо-европейских государств: Исландии, Швеции, Финляндии, Норвегии и Дании. В даль­нейшем сети на базе его измененных версий стали употребляться в почти всех странах мира. Несколько позднее, в 1985 г., на базе NMT-450 был разработан эталон NMT спектра 900 МГц -NMT-900, позволивший существенно прирастить емкость системы за счет использования большего частотного ресурса и расширить его многофункциональные способности.

В 1983 г. в США была запущена сеть эталона AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в спектре 800 МГц. Этот эталон обширно употребляется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии и является посреди аналоговых систем более всераспространенным в мире.

В 1985 г. Англия приняла в качестве государственного эталон TACS (Total Access Communications System), разработанный на базе эталона AMPS. Два года спустя в связи с резким повышением числа абонентов была расширена рабочая полоса частот и новенькая версия получила заглавие ETACS (Enhanced TACS). Но из-за наиболее больших высококачественных характеристик более обширное применение отыскал южноамериканский эталон AMPS. Известны еще несколько эталонов, показавшихся посреди 80-х гг.:

- С-450 - для использования в Германии и Португалии в спектре 450 МГц;

- RTMS (Radio Telephone Mobile System) - для использования в Италии в спектре 450 МГц

- Radiocom-2000 - для использования во Франции в спектрах 170, 200,400 МГц;

- NTT- для использования в Стране восходящего солнца в спектре 900 МГц.

Все нареченные выше эталоны являются аналоговыми ССС 1-го поколения и уже не постоянно отвечают требованиям абонентов к качеству и номенклатуре услуг подвижной связи. В их употребляется частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи сигналов управления (сигнализации). Применяется способ множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA - Frequency Division Multiple Access). Аналоговый метод передачи инфы при помощи частотной модуляции (ЧМ) имеет ряд существенных недочетов:

- относительно низкая емкость из-за недостаточно оптимального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов;

возможность прослушивания дискуссий;

- отсутствие действенных способов борьбы с замираниями сигналов под воздействием окружающего ландшафта и спостроек.

Внедрение разных эталонов сотовой связи мешало ее широкому применению: время от времени по одному и тому же телефону нереально было говорить даже в границах 2-ух примыкающих государств. Наращивать число абонентов можно было только 2-мя методами - расширением частотного ре-сурса (как, к примеру, это было изготовлено в Англии) и переходом к оптимальному частотному планированию, позволяющему еще почаще применять одни и те же частоты. К концу 80-х гг. сотовая связь подошла к новенькому шагу собственного развития - созданию систем второго поколения на базе цифровых способов обработки сигнала.

В 1982 г. Европейская конференция администрации почты и электросвязи (СЕРТ) - организации, объединяющей администрации связи 26 государств, - сделала специальную группу Group Special Mobile с целью разработки одного евро эталона цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях спектра 900 МГц. Ее аббревиатура GSM и отдала заглавие новенькому эталону. 1-ые технические требования к GSM были размещены в 1990 г., а уже в 1992 г. в Германии система вступила в коммерческую эксплуатацию. Позднее, в связи с широким распространением эталона во всем мире, GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications.

В США аналоговый эталон AMPS получил чрезвычайно обширное распространение, потому ровная его подмена стопроцентно цифровым эталоном оказалась фактически неосуществимой. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей кооперировать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же спектре. Работа над подходящим эталоном была начата в 1988 г., а в 1990 г. Южноамериканская промышленная ассоциация в области связи TIA (Telecom-munications Industry Association) утвердила эталон IS-54 (IS сокращение от Interim Standard, т. е. промежный эталон) на цифровую систему сотовой связи, узнаваемый также как D-AMPS.

Эталон D-AMPS добавочно усовершенствовался за счет введения новейшего типа каналов управления, потому что цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового эталона AMPS, что ограничивало способности системы. Новейшие, стопроцентно цифровые каналы управления введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и

начала применяться в 1996 г. При всем этом была сохранена сопоставимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и приметно расширены многофункциональные способности системы. Эталон GSM, продолжая совершенствоваться на техническом уровне, отыскал применение в новеньком частотном спектре 1800 МГц. Это направление понятно под заглавием системы индивидуальной связи. Для нее свойственны наиболее широкая рабочая полоса частот и наименьшие размеры ячеек (сот), что дозволяет строить сотовые сети существенно большей емкости. Соответственный эталон в виде дополнения к эталону GSM-900 был разработан в Европе в 1991 г. и получил заглавие DCS-1800 (Digital Cellular System). В коммерческую эксплуатацию система вступила в 1993 г., а в 1996 г. этот эталон получил заглавие GSM-1800.

В США спектр 1800 МГц оказался занят, но была найдена возможность выделить полосу частот в спектре 1900 МГц. Работа в этом спектре предусмотрена эталоном D-AMPS (версия IS-136). Разработана также версия эталона GSM для этого спектра («американский» вариант GSM-I900-эталон IS-661).

Япония разработала свой цифровой эталон сотовой связи JDC (Japan Digital Cellular), близкий по своим показателям к южноамериканскому эталону D-AMPS. В 1991 г. он был утвержден Министерством почты и связи страны.

Перечисленные цифровые системы второго поколения основаны на способе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access - TDMA). Но в июле 1993 г. в США был разработан эталон системы сотовой связи на базе способа множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access -CDMA). Одним из главных преимуществ этого эталона является существенное повышение емкости системы. Если емкость сотовой системы эталона D-AMPS приблизительно втрое выше по сопоставлению с аналоговым эталоном AMPS, то эталон CDMA превосходит этот показатель приблизительно в 10 раз. TIA приняла CDMA как эталон цифровой сотовой связи IS-95. В 1996 г. он начал применяться в Гонконге, США и Южной Корее, а в США начала употребляться версия этого эталона для спектра 1900 МГц.

Работы над созданием системы мобильной связи третьего поколения еще ведутся, начало ее коммерческой эксплуатации планируется на 2002-2005 гг.

В текущее время в РФ развиваются ССПС 3-х эталонов сотовой связи - NMT-450, GSM и AMPS, два из которых - NMT-450 и GSM - приняты в качестве федеральных. Эталон AMPS и его цифровой вариант D-AMPS нацелены на региональное внедрение.

1-ая сеть сотовой связи была открыта в Москве в 1991 г. компанией «Московская сотовая связь» (МСС) и употребляет оборудование аналогового эталона NMT-450. Повсевременно развивая состав услуг связи, МСС продолжает работать на местности Москвы и Столичной области и обеспечивает взаимодействие с операторами сетей NMT-450 в остальных регионах. В июне 1994 г. в Москве началась коммерческая эксплуатация ССС компании «БиЛайн», использующей аналоговый эталон AMPS (800 МГц). В текущее время «БиЛайн» также предоставляет услуги цифровой сотовой связи в эталоне D-AMPS.

С января 1996 г. в Москве и области началась коммерческая эксплуатация сети цифровой сотовой связи эталона GSM (900 МГц). Оператором сети GSM в Москве является компания «Мобильные телесистемы» (МТС). В 1-ые деньки коммерческой эксплуатации МТС в первый раз в РФ открыла автоматический роуминг абонентов собственной сети с абонентами ССС эталона GSM в Германии, Швейцарии, Финляндии и Великобритании. Вместе с операторами сетей GSM в остальных регионах МТС организована работа по созданию федеральной сети GSM РФ и ее интеграции с глобальной сетью сотовой связи, обхватывающей Европу, Азию, Австралию и африканские страны. Используем отличные саморегулирующиеся греющие кабели Nelson при монтаже элеткросетей.

История GSM

В 1982 году СЕРТ (Conference of European Posts and Telegraphs) в целях изучения и разработки общеевропейской системы сотовой подвижной связи общего пользования создала рабочую группу, получившую название GSM (Groupe Special Mobile). Разрабатываемая система должна была удовлетворять следующим критериям:

• высокое качество передачи речевой информации;

• низкая стоимость оборудования и предоставляемых услуг;

• возможность поддержки портативного оборудования пользователя;

• поддержка ряда новых услуг и оборудования;

• спектральная эффективность;

• совместимость с ISDN(Integrated Services Digital Network);

• поддержка международного роуминга, т.е. возможности использования абонентом своего мобильного телефона при перемещении в другую сеть GSM.

В 1989 году дело создания GSM перешло к ETSI (European Telecommunication Standards Institute), а в 1990 году были опубликованы спецификации первой фазы GSM. К середине 1991 года стали поддерживаться коммерческие услуги GSM, а к 1993 году функционировало уже 36 сетей GSM в 22 странах, и еще 25 стран выбрали направление GSM или поставили вопрос о его принятии. Несмотря на то, что система GSM была стандартизована в Европе, на самом деле она не является исключительно европейским стандартом. Сети GSM внедрены, либо планируются к внедрению почти в 75 странах Европы, Ближнего и Дальнего Востока, Африки, Южной Америки и в Австралии. В начале 1994 года число абонентов GSM во всем мире достигло 1,3 миллиона человек. К началу 1995 года их насчитывалось уже более 5 миллионов. Абривиатура GSM приобрела новое значение - Global System for Mobile communications.

Создание сетей подвижной связи (Сотовых сетей) в России по существу находится на начальном этапе. В июле 1992 г. Министерством связи России было принято решение о широкомасштабном развертывании в стране сетей двух стандартов подвижной связи: одной - на основе аналогового стандарта NMT-450, наиболее активным проводником которого стала компания "Московская Сотовая Связь" (МСС), а другой -на базе цифрового стандарта GSM 900, продвигаемого компанией "Мобильные ТелеСистемы" (МТС).

Преимущество цифровых систем перед аналоговыми

Разработчики GSM выбрали неопробованную в то время цифровую систему, противопоставив ее стандартизованным аналоговым системам сотовой подвижной связи, таким как AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в США и TACS (Total Access Communications System) в Великобритании. И они были правы. Сегодня на одном чипе размером с трехкопеечную монету размещается вся электроника цифровой станции. Аналоговые же устройства в принципе не могут быть так компактно упакованы, хотя бы потому, что здесь прием и передача должны выполняться одновременно, а для этого в приемопередатчиках необходимо иметь дуплексный фильтр и другие аналоговые электронные компоненты. В стандарте GSM для таких целей введено разделение по времени режимов приема и передачи пакетов сообщений, в результате чего в каждый момент работает только одно устройство, что позволяет использовать в трактах передачи и приема радиотелефонов общие функциональные элементы. На одной плате-размещаются речевой кодер, схемы специального кодирования и декодирования, формирования временных кадров, а также шифрования/дешифрования и т. д.

Кроме того, вид модуляции, способы кодирования и преобразования сигналов в радиоканалах GSM обеспечивают прием сигналов с отношением сигнал/шум 9 дБ, в то время как в аналоговых системах тот же показатель равен 16-18 дБ. Поэтому передатчики базовых станций GSM, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в ближе расположенных сотах, что увеличивает коэффициент повторного использования частот и, в целом, - эффективность системы сотовой связи.

Услуги GSM

С самого начала разработчики GSM стремились обеспечить совместимость сетей GSM и ISDN по набору предлагаемых услуг. В соответствии с определениями ITU-T (International Telecommunication Union -Telecommunications Standardization Sector), сеть GSM может предоставлять следующие типы услуг:

• услуги по переносу информации (bearer services);

• услуги предоставления связи (teleservices);

• дополнительные услуги (supplementary services).

Когда в 1991 г. появились первые сети GSM, главное внимание уделялось обеспечению ими услуг речевой связи на достойном уровне по сравнению с существовавшими тогда аналоговыми сотовыми системами. Однако уже с самого начала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которые незамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей. Наиболее существенными нововведениями стали возможности шифрования передаваемой информации и роуминга по всей Европе. Это означает что в отличие от фиксированных сетей, где абонентский терминал проводами подключен к центральному офису, абонент сети GSM может перемещаться в пределах национальной сети и за ее границами.Чтобы дозвониться до подвижного абонента, необходимо набрать номер, называемый номером подвижного абонента цифровой сети с интеграцией служб MSISDN (Mobile Subscriber ISDN). Такой номер содержит код страны и национальный код назначения, идентифицирующий оператора данного абонента. Первые несколько цифр номера идентифицируют опорный регистр местонахождения (HLR Ноте Location Register) абонента в его сети подвижной связи.

Входящий вызов подвижного абонента направляется для обработки шлюзом GMSC (Gateway MSC). GMSC в основном выполняет функции коммутатора, запрашивающего HLR абонента о получении необходимых данных и о маршрутизации, и поэтому содержит таблицу соединения номеров MSISDN с соответствующими им HLR. Номер роуминга подвижной станции MSRN (Mobile Station Roaming Number) полностью определяет маршрутизацию, относится к географическому плану нумерации и никак не связан с абонентами. В то же время в базовой области голосовой связи GSM предложила две группы дополнительных услуг: перенаправление и запрещение звонков.

Самым известным направлением деятельности GSM является телефония. Так как GSM по существу является цифровой системой передачи данных, речь кодируется и передается в виде цифрового потока. Еще одним примером предоставляемого сервиса является оказание экстренной помощи, когда ближайший поставщик такого рода услуги уведомляется при помощи набора трех цифр (например, 911). Кроме того, предоставляются разнообразные услуги передачи данных. Абоненты GSM могут осуществлять обмен информацией с абонентами ISDN, обычных телефонных сетей, сетей с коммутацией пакетов, и сетей связи с коммутацией каналов, используя различные методы и протоколы доступа, например, Х.25 или Х.32. Возможна передача факсимильных сообщений, реализуемых при использовании соответствующего адаптера для факс-аппарата. Уникальной возможностью GSM, которой не было в старых аналоговых системах, является двунаправленная передача коротких сообщений SMS (Short Message Service), (до 160 байт), передаваемых в режиме с промежуточным хранением данных. Адресату, являющемуся абонентом SMS, может быть послано сообщение, после которого отправителю посылается подтверждение о получении. Короткие сообщения можно использовать в режиме широковещания, например, для того, чтобы извещать абонентов об изменении условий дорожного движения в регионе.

Специфика диапазона частота GSM

Ширина полосы спектра для действующих в Европе сетей сотовой подвижной связи - 890-915 Мгц для восходящего звена (от подвижной станции к базовой) и 935-960 МГц для нисходящего звена (от базовой стации к подвижной). Разнос частот между каналами составляет 200 кГц. Однако в России в диапазоне частот GSM работают системы воздушной радионавигации, установленные на самолетах и аэродромах, причем на каждом аэродроме используется свой набор радиочастот, выполняющий роль своеобразного "паспорта". В результате на различных аэродромах заняты разные частоты этого диапазона. Для обеспечения электромагнитной совместимости средств GSM и воздушной радионавигации нашей компанией совместно с Минсвязи и ГКРЧ России в 1993-1994 гг. проведены дополнительные исследования, в результате которых разработаны и утверждены ГКРЧ России нормы частотно-территориального разноса указанных средств. Эти нормы используются в настоящее время для назначения рабочих частот сетей GSM в России.

Архитектура сети GSM

Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной

ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Функции и интерфейсы элементов сети GSM описаны в рекомендациях ETSI. Система состоит из трех составных частей:

Подвижная станция

Помимо терминала подвижная станция MS (Mobile Station) содержит пластиковую карточку, которую называют модулем идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module), благодаря которой абонент работает с телефоном как с банкоматом, причем с помощью одной карточки можно звонить из разных аппаратов. После включения питания подвижная станция запрашивает PIN-код, трехкратный ошибочный набор которого приводит к полному отключению аппарата. До начала сеанса связи сеть через радиоканал проверяет "полномочия" подвижной станции с помощью процедуры аутентификации. Каждый терминал имеет уникальный международный идентификатор мобильного оборудования, SIM-карта содержит международный идентификатор мобильного абонента, секретный ключ для аутентификацией другую информацию.

Подсистема базовых станций

BSS (Base Station Subsystem) тоже складывается из двух частей: из базовой приемопередающей станции BTS (Base Transceiver Station) и контроллера базовой станции BSC (Base Station Сопп"о11ег).Интерфейс Abis, связывающий эти части, позволяет оперировать компонентами, созданными различными производителями. Радиопокрытие BSS делится на территории - их принято называть - "соты", каждая покрывается одной BTS.

BTS управляет протоколами радиоканалов с MS. На крупной густонаселенной территории может располагаться много BTS, и поэтому к ним предъявляются очень строгие требования (четкость границ, надежность, переносимость и малая стоимость). BSC управляет радиоресурсами одного или нескольких BTS, контролирует предоставление радиоканала, регулировку частоты, управление перемещаемыми из ячейки в ячейку вызовами (хендоверами) и является связующим звеном между подвижной станцией и центром коммутации услуг подвижной связи MSC (Mobile services Switching Center).

Сетевая подсистема

Как уже было отмечено, основной компонент сетевой подсистемы - центр MSC. Он управляет подвижным абонентом: регистрирует, идентифицирует, обновляет информацию о местонахождении, осуществляет хендоверы, маршрутизирует вызовы при роуминге абонентов, а также обеспечивает соединение с фиксированными сетями. Перечисленные услуги обеспечиваются различными функциональными элементами HLR, VLR и др. (см. рис.1), доступ к которым возможен через сеть системы общеканальной сигнализации SS7 (Signalling System No. 7). Сеть SS7 является обязательным условием создания сети стандарта GSM.

Опорный регистр местонахождения HLR (Home Location Register) и визитный регистр местонахождения VLR (Visitor Location Register), вместе с MSC, обеспечивают возможности маршрутизации и роуминта. HLR содержит все данные административного характера о каждом зарегистрированном абоненте в соответствующей данному HLR сети GSM, а также информацию о его текущем местонахождении. Информация о местонахождении абонента, как правило, предоставляется в виде сигнального адреса VLR, ассоциированного с подвижной станцией.

VLR содержит выборочную административную информацию из опорного регистра, необходимую для управления вызовом и предоставления всего комплекса услуг для каждого подвижного абонента, который в этот момент находится в географической зоне, управляемой данным VLR.

Другие два регистра используются для обеспечения аутентификации и безопасности.

NMT (Nordic Mobile Telephone system) - один из самых ранних стандартов сотовой связи для автоматической радиотелефонии. Сети NMT относятся к первому поколению сетей мобильной связи, т.е. являются аналоговыми системами. NMT введен в качестве стандарта в 1978 году пятью скандинавскими странами (Данией, Финляндией, Исландией, Норвегией и Швецией).

Изначально системы NMT работали в диапазоне частот 453,0 - 457,5 МГц и имели 180 каналов связи шириной по 25 КГц каждый. Благодаря многократному использованию частот эффективное число каналов составляло 5568, а среднее число каналов, выделявшееся каждой базовой станции - 30. Ячейки радиусом 5-25 км покрывали территории этих стран. До появления GSM система NMT ближе всех находилась к тому, чтобы стать общеевропейским стандартом. В любом случае, появление NMT стало значительной вехой в истории мобильной связи, поскольку этот стандарт стал первым многонациональным стандартом сотовой связи, еще до появления GSM. Родившись в Скандинавии, довольно быстро стандарт NMT распространился и во многих других странах мира. Многие системы NMT заменяются сейчас системами GSM, но далеко не все. Благодаря большой зоне обслуживания, низкой стоимости установки и запуска, наращиваемости и простоте технического обслуживания, сети на основе модификаций данного стандарта находят применение во многих странах мира и в настоящее время.

Создание этой системы - результат десятилетней разработки, финансировавшейся объединением скандинавских операторов (РТТ) и ряда производителей. Идея NMT возникла еще в конце 60-х, когда в скандинавских странах ощущался острый дефицит частотного спектра. В 1975 году были определены основные принципы построения и характеристики системы. Сеть NMT-450 с диапазоном 450 МГц была введена в действие в Швеции и Норвегии в октябре-ноябре 1981 года, а затем в Дании, Финляндии и Исландии - в январе, марте и июне 1982 года, соответственно. Однако, как это ни странно, первая сеть NMT-450 начала свою работу в сентябре 1981 года в Саудовской Аравии. Ее смонтировала и запустила там шведская компания Ericsson, являвшаяся одним из создателей сетей NMT-450 в Скандинавии. Далее, в 1983 году была начата разработка системы NMT-900 с диапазоном 900 МГц. Первая система этого стандарта стартовала в декабре 1986 года. В настоящее время сети NMT-450 и NMT-900 продолжают функционировать во многих странах, но постепенно им приходится сдавать свои позиции под напором новых и более совершенных цифровых стандартов.

Принципы построения сотовых систем радиосвязи стандартов NMT-450 и NMT-900 очень близки. Обе системы базируются на спецификациях стандарта NMT-450. Основное различие между этими стандартами заключается в том, что с повышением используемых частот стало возможным уменьшение габаритов радиотелефона, а также расширение спектра услуг связи и управления. Однако в настоящее время малогабаритные радиотелефоны разработаны и для стандарта NMT-450. Кроме того, в NMT-900 добавляется новая структура кадра, официально определяемая документом спецификации. В кадр включается дополнительная информация, префиксы и линейные сигналы. Изменена та часть спецификаций, которая относится к взаимодействиям системы базовых станций с коммутирующим центром (самотестирование, сигнал тревоги). Недостатками аналогового стандарта NMT является высокий уровень излучения, чувствительность к интерференции сигнала и низкий уровень обеспечения конфиденциальности пользователей.

Основные возможности технологического стандарта NMT:

• Возможность быстро выстроить развитую сеть сотовой связи,

• Широкое покрытие и высокое качество коммуникаций,

• Все подвижные абоненты имеют возможность работать в любой из стран, входящих в систему (системы NMT во всех странах полностью совместимы),

• Надежная работа на открытых пространствах.

В настоящее время более 40 стран мира используют системы мобильной связи стандартов NMT-450 и NMT-900, работающие в диапазоне частот 450 и 900 МГц, соответственно.

Диапазон рабочих частот

Рабочие частоты находятся в двух полосах: 453-457,5 МГц и 463-467,5 МГц, которые используются для радиосвязи между подвижной и базовой станциями и между базовой и подвижной станциями, соответственно.

Дуплексный разнос каналов приема и передачи в стандарте NMT 450 равен 10 МГц. Частотный разнос соседних каналов равен 25 (20) кГц.

Так как общее число радиочастот, имеющихся в наличии в системе, ограничено, то для того, чтобы увеличить емкость системы связи предусматривается формирование малых зон связи ("малые ячейки"). Однако, как следствие, увеличивается вероятность достижения границы зоны обслуживания базовой станции к другой, управляемой тем же радиотелефонным коммутатором. Более того, выходная мощность передатчиков всех подвижных станций автоматически уменьшается по команде радиотелефонного коммутатора, когда станция входит в зону "малой ячейки".

Та же процедура уменьшения мощности используется для того, чтобы уменьшить помехи в случае, когда подвижные станции находятся близко от базовых станций с обычными зонами обслуживания.

Осуществление соединения

Вызов всех типов подвижных станций посылается одновременно всеми базовыми станциями, расположенными в зоне связи, в которой предполагается работа подвижных станций. Когда подвижная станция приняла сигнал вызова, содержащий ее сигнал опознавания, она отвечает на вызов сигналом подтверждения на ответной частоте канала вызова, после чего MSC передает канал связи той базовой станции, в зоне которой ответила на вызов подвижная станция, Подвиж станция принимает номер нужного канала и подключает к нему предоставленный ей канал связи Весь обмен сигналами между MSC и подвижной станцией осуществляется по каналам ев? Канал вызова, на котором продолжают работать на прием все остальные подвижные станции, тов к немедленной передаче следующего вызова. Вызов с подвижной станции Когда подвижный абонент дает вызов, подвижная станция автоматически находит и заним свободный канал, по которому передаются все служебные сигналы, и происходит разговор.

В настоящее время стандарт NMT-450 доработан и его характеристики доведены до стандарта NMT-900. Новая версия получила обозначение NMT-450J. Основные усовершенствовал включают в себя увеличенную производительность, качественную работу ручных телефонов и защиту доступа к сети связи с помощью системы идентификации абонента (Subscriber Identificati Security/SIS).

Идентификация абонента (абонентской станции) осуществляется по специальному клк (SAK), записанному в подвижную станцию. Этот же ключ содержится в регистре идентификац" установленном в центре коммутации. Процедура идентификации осуществляется при каждом новом звонке от подвижной станции.

Системы сотовой подвижной связи стандартов NMT-4501 и NMT-900 предоставляют абонентам широкий набор услуг. Кроме передачи речевых сообщений на местном, междугородном и международном уровнях, сети NMT позволяют отправить телефаксы и иметь доступ к различным базам данных, при этом скорость передачи данных не должна превышать 4,8 кбит/с.

Абонентам предоставляются следующие услуги: переадрсеация вызбва на другой номер, ограничение вызова, то есть продолжительности разговоров, конференц-связь трех абонентов, организация пользовательских групп с сокращенным набором номера и другие услуги. На базе стандартов NMT разработаны системы беспорводной связи для стационарных абонентов (WILL). Все абонентские устройства, включая телефаксы и модемы передачи данных, можно включить в систему этой радиотелефонной связи в качестве интерфейса пользователя. С точки зрения абонента этот вариант связи не отличается от проводной телефонной связи. Также и нумерация беспроводного абонентского телефона может не отличаться от нумерации проводной сети.

Широкополосная беспроводная связь уже давно рассматривается в качестве реальной альтернативы традиционным способам высокоскоростного абонентского доступа, в том числе и новым "проводным" технологиям, таким как DSL и кабельные модемы. Местные и многоканальные многоточечные распределительные системы LMDS и MMDS (которые называют также "сотовым телевидением" и "беспроводным КТВ"), первоначально предначавшиеся для трансляции телепрограмм в районах, не имеющих кабельной инфраструктуры, в последнее время все чаще используются для организации широкополосной беспроводной передачи данных на "последней миле". Радиус действия передатчиков MMDS, работающих в диапазоне 2,1 - 2,7 ГГц, может достигать 40-50 км, в то время как максимальная дальность передачи сигнала в системах LMDS, использующих значительно более высокие частоты в области 27-31 ГГц, составляет 2,5-3 км.

Массовому распространению этих систем до сих пор мешает отсутствие индустриальных стандартов и, как следствие, несовместимость продуктов разных производителей. Стандарты важны для беспроводной промышленности, потому что они позволяют производить элементную базу в больших объемах, что приводит к снижению стоимости конечеого оборудования, гарантировать совместимость (бесконфликтность устройств), и,тем самым, уменьшать инвестиционный риск для операторов. Без стандартов производители должны бы были делать все от "а до я", вплоть до ПО, что, естественно, сильно увеличило бы цену конечного продукта

В начале 2000 г. для изучения различных решений и выработки единых правил построения систем широкополосной беспроводной связи в IEEE был создан рабочий комитет 802.16. Первоначально он сосредоточился на вопросах стандартизации систем LMDS диапазона 28 - 30 ГГц, однако вскоре полномочия комитета были распространены на область частот от 2 до 66 ГГц и в его составе образовано несколько рабочих групп.

Группа 802.16.1 разрабатывает спецификации радиоинтерфейса для систем, использующих диапазон 10 - 66 ГГц. Рабочая группа 802.16.2 занимае-^я вопросами "сосуществования" сетей фиксированного широкополосного доступа в нелицензируемых диапазонах 5-6 ГГц (в частности, с беспроводными ЛС на базе стандарта 802.11а). Наконец, группа 802.11.3 готовит спецификации радиоинтерфейса для лицензируемых систем диапазона 2-11 ГГц. Главной целью создания этой группы стало содействие ускоренному развертыванию систем MMDS путем предоставления производителям возможности создавать совместимые продукты на основе единого стандарта. Стандарты разрабатываются на базе единой эталонной модели, объединяющей интерфейсы трех типов в тракте связи между абонентскими устройствами или сетями (например, ЛС или учрежденческими АТС) и транспортной сетью (ТфОП или Internet).

Первый радиоинтерфейс определяет взаимодействие абонентского приемо-передающего узла с базовой станцией, второй включает в себя два компонента, охватывающие обмен сигналами между радиоузлами и "находящимися за ними" сетями - абонентской и транспортной (в детальной проработке спецификаций этого интерфейса участвуют и другие комитеты IEEE).

Спецификации третьего, дополнительного, радиоинтерфейса определяют использование повторителей или отражателей для увеличения зоны охвата системы и обхода препятствий на пути распространения сигнала. 802.16 затрагивает 2 уровня эталонной модели OSI - физический и канальный.

Интерфейс - система унифицированных связей и сигналов, посредством которых устройства соединяются друг с другом. Канальный уровень

Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Физический уровень

Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики

Уровень 1, физический

Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел. На физическом уровне определяются механические и электрические/оптические свойства среды передачи. Сюда включаются:

• Тип кабелей и разъемов

• Разводку контактов в разъемах

• Схему кодирования сигналов для значений 0 и 1

Уровень 2, канальный

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE 802.x делят канальный уровень на два подуровня: управление логическим каналом (LLC) и управление доступом к среде (MAC). LLC обеспечивает обслуживание сетевого уровня, а подуровень MAC регулирует доступ к разделяемой физической среде.

Некоммерческая организация WiMAX (World Interoperability for Microwave Access - взаимодействие оборудования сетевого доступа на сверхвысоких частотах во всем мире)

Образована с целью содействия разработке беспроводного оборудования доступа к широкополосным сетям на основе спецификации IEEE 802.16 для беспроводных зональных сетей, сертификации такого оборудования на совместимость и взаимодействие, а также ускорению его выхода на рынок. К WiMAX - присоединяются ведущие изготовители коммуникационных средств и компонентов. В настоящее время организация WiMAX объединяет такие компании, как Airspan Networks, Alvarion Ltd., Aperto Networks, EnseM61e Communications Inc., Fujitsu Microelectronics America, Intel Corporation, Nokia, OFDM Forum, Proxim Corporation и Wi-LAN Inc. Усилия участников группы сосредоточены на ускорении темпов выхода на рынок беспроводного широкополосного коммуникационного оборудования, отвечающего требованиям стандарта 802.16, разработанного Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), с целью скорейшего развертывания широкополосных сетей во всем мире и, в частности, решения проблемы "последней мили".

Многие операторы и провайдеры могут быть незнакомы с деталями IEEE 802.16* стандарта, но эта беспроводная технология, собирается перевернуть индустрию широкополосного радиодоступа. 802.16 стандарт, "Воздушный интерфейс для фиксированных широкополосных беспроводных систем доступа", также известны как IEEE WirelessMAN* воздушный интерфейс. Эта технология разработана "от и до" для обеспечения беспроводного "последне-мильного" широкополосного доступа в условиях сетей городского масштаба (Metropolitan Area Network (MAN)), осуществляя работу, сравнимую с работой традиционного кабелея, цифровой абонентской линии, или Т1 предложения. Принципиальные преимущества систем, основанных на 802.16 множественны:

1. высокие скорости передачи данных, даже в областях, которые тяжелы для освоения проводной инфраструктурой;

2. дешевизна установки оборудования;

3. способность преодолеть физические ограничения, свойственные традиционной проводной инфраструктуре. Обеспечение проводного соединения к широкополосной сети в труднодоступной области через кабель или цифровую абонентскую линию может отнимать много времени, быть дорогим. К примеру, очень большое количество областей в США да и во всем мире, не имеет возможности доступа к широкополосным сетям. Беспроводная технология 802.16 обеспечивает гибкие, рентабельные, стандартизированные средства заполнения существующих промежутков в охвате широкополосной сети, и создании новых услуг широкополосной сети, не предполагаемых в "проводном" мире. Привлекая сотни инженеров от коммуникационной промышленности, IEEE установил иерархию дополнительных беспроводных стандартов (рис.1). Они включают:

- IEEE 802.15 для личной сети (Personal Area Network (PAN),

- IEEE 802.11 для локальной сети (Local Area Network (LAN),

- IEEE 802.16 для городской сети

- и предложенный IEEE 802.20 для "широкой" сети (Wide Area Network (WAN). Суть 802.20 - в обеспечении возможности высокоскоростного соединения к мобильному телефону, устройствам потребителя, которыми могут быть сотовые телефоны, PDAs или ноутбуки.

Каждый стандарт представляет собой оптимизированную технологию для своих задач и дополняет другие стандарты. Хороший пример - быстрое увеличение домашних и коммерческих беспроводных LAN и точек доступа, основанных на IEEE 802.11 стандарте. Это быстрое увеличение WLANs ведет к росту спроса на возможность широкополосного соединения с Интернетом, что и может обеспечить 802.16. Как видно из рисунка, IEEE 802.16 стандарт - один из множества взаимодействующих беспроводных стандартов, созданных IEEE.

802,16 и MAN

В январе 2003, IEEE одобрил 802.16а стандарт, который охватывает полосы частот между 2 ГГц и 11 ГГц. Этот стандарт является расширением IEEE 802.16, изданного в апреле 2002 и предназначенного для 10-66 ГГц.(Широкий диапазон частот, предусматриваемый стандартом 802.16, позволяет развертывать каналы передачи данных с высокой пропускной способностью с использованием передатчиков, устанавливаемых на мачтах сетей сотовой связи и высотных зданиях. Принимающее и передающее оборудование, работающее по этому стандарту, может находиться только в зоне прямой видимости.) 802.16а стандарт - оптимальная технология для "последне-мильных" применений, где часто присутствуют препятствия подобно деревьям и зданиям и где основные станции, возможно, должны быть скромно установлены на крышах домов или зданий, а не на башнях или в горах. Условие прямой видимости отсутствует.

При скорости передачи данных до 75 Mbps, отдельный "сектор" базовой станции - где сектор определен, как отдельный передающий/принимающий радиопару на базовую станцию - обеспечивает достаточную пропускную способность, чтобы одновременно поддержать свыше 60 корпоративных локальных сетей с подключением по типу Т1, наряду с сотнями домашних пользователей, подключенных по типу DSL, используя 20 МГЦ канал. На одной базовой станции может быть до 6 секторов. Для большей своей выгоды операторы и провайдеры должны осуществлять соединения как для богатых бизнес-клиентов, так и для большого количества обычных абонентов. 802.16а помогает выполнять это требование, поддерживая дифференцированные уровни сервиса, которые могут включить гарантируемые услуги Т1-уровня для бизнеса, или DSL-уровня для домашних потребителей.

Большой интерес представляет 802.1бе, в котором будет реализована мобильность беспроводных сетей. Как сообщают специалисты IEEE, вряд ли 802.1 бе станет стандартом, конкурентным сетям сотовой связи, тем более что такой цели и не преследуется - для мобильных пользователей, предпочитающих высокую скорость передачи и приема данных, разработаны услуги 3G. Стандарт 802.1бе будет рассчитан на медленно передвигающихся пользователей, которым хотелось бы оставаться на связи в пределах зоны действия офисного узла МАЫСтандарт 802.16а касается оборудования для диапазона 2-11 ГГц и закрепляет три режима его работы на физическом уровне ЭМВОС - без поднесущих и с применением ортогонального частотного уплотнения (OFDM) 256 или 2000 каналов. Одна из главных задач нового

стандарта - обеспечить работу оборудования без прямой видимости между антеннами базовой и абонентских станций. Первый режим вряд ли предоставит такую возможность, хотя представители компании Aperto утверждают, что в их оборудовании эта задача решена. Другое дело OFDM. Этот вид модуляции обеспечивает значительное снижение скорости передачи данных на каждой поднесущей и тем самым уменьшает уровень помех, возникающих в результате многолучевого распространения сигнала. В этом плане 2000 поднесущих, конечно, лучше, чем 256. Но их увеличение усложняет оборудование и, соответственно, увеличивает его цену. Поэтому эксперты полагают, что на первом этапе наибольшее распространение получит оборудование, работающее на 256 поднесущих. По-видимому, участники консорциума WiMAX Forum, созданного для продвижения нового стандарта, согласны с этим прогнозом, поскольку они уже разработали первый набор тестов будущего оборудования на соответствие спецификациям 802.16а с учетом именно 256 поднесущих.