Аверянов Основы современной информатики 2007

радиосвязи, используется принцип сотовой телефонии, основанный на использовании ретрансляторов. Радиус действия двухточечной связи доходит до 2,1 км. Наиболее продвинутые продукты, присутствующие на рынке беспроводных сетей, до последнего времени принадлежали компании Windata.

Когда беспроводные сети только появились, возникла некоторая эйфория – казалось, что они смогут заменить кабельные сети во всех случаях жизни. Вскоре выяснилось, что это совсем не так, поскольку они (на начальном этапе своего развития) были существенно дороже и медленнее кабельных, и это направление ЛВС чуть было не потерпело фиаско. Потом пришло понимание, что радиосвязь и кабельная сеть вполне могут сосуществовать, у них есть свои независимые экологические ниши.

Однако значительно большее влияние оказали беспроводные средства связи на развитие ГВС, являясь важной составной частью этих сетей. В связи с этим в дальнейшем рассматриваются различные аспекты беспроводной связи применительно к такого рода вычислительным сетям.

Передача данных в беспроводных средах достигается с помощью антенн: работая на передачу, антенна излучает электромагнитную энергию в среду распространения. При приеме антенна получает электромагнитную энергию из окружающей среды.

Тип среды распространение радиоволн определяет тип приемопередающих устройств и технические характеристики радиолиний. Можно выделить две основные среды, используемые в радиолиниях – атмосфера Земли и космическое пространство. Атмосфера Земли, с точки зрения передачи электромагнитных волн, также неоднородна. С определенной степенью условности она разделяется на три слоя: тропосферу с высотой слоя 10 – 12 км, стратосферу от 10 до 50 км и ионосферу от 50 до 400 км. Около 80 % массы атмосферы сосредоточено в тропосфере и около 20 % в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Для передачи во всех перечисленных средах используются электромагнитные волны в очень широком диапазоне частот (длин

291

волн). В соответствии с классификацией, установленной международным регламентом связи, выделяются следующие диапазоны:

сверхдлинные (мириаметровые) или очень низкие частоты

(ОНЧ) – 10 – 100 км, 3 – 30 кГц;

длинные (километровые) или низкие частоты (НЧ) – 1 – 10 км,

30 – 300 кГц;
средние (гектометровые)	или	средние	частоты	(СЧ)	–	100	–
1000 м, 300 – 3000 кГц;
короткие (декаметровые)	или	высокие	частоты	(ВЧ)	–	10	–
100 м, 3 – 30 МГц;

ультракороткие (метровые) или очень высокие частоты (ОВЧ) – 1 – 10 м, 30 – 300 МГц;

дециметровые или ультравысокие частоты (УВЧ) – 10 – 100 см, 300 – 3000 МГц;

сантиметровые или сверхвысокие частоты (СВЧ) – 1 – 10 см, 3 –

30ГГц; миллиметровые или крайне высокие частоты (КВЧ) – 1 – 10 мм,

30 – 300 ГГц;

децимиллиметровые или гипервысокие частоты (ГВЧ) – 0,1 – 1 мм, 300 – 3000 ГГц.

Иногда диапазон 30 МГц – 1 ГГц называют радиодиапазоном, а частоты в диапазоне от 2 до 40 ГГц (1 ГГц = 109 Гц) называют микроволновым диапазоном.

Если в проводных системах передачи сигнал распространяется строго в направлении прокладки кабеля, то в беспроводных системах ситуация значительно отличается.

Различают два типа беспроводной связи: однонаправленную и всенаправленную. В однонаправленных системах сигнал распространяется в одном направлении, передающая система излучает однонаправленный электромагнитный луч. В связи с этим приемник и передающая система должны находиться строго на одной прямой. При всенаправленной передаче сигнал распространяется во всех направлениях, его можно принять любыми системами. В общем случае с ростом частоты сигнала его легче сфокусировать в однонаправленный луч.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный

292

путь. На значение напряженности поля в точке приема оказывает влияние множества факторов. Основные у них следующие:

отражение электромагнитных волн от поверхности Земли; преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы

(ионосфере); рассеивание на диэлектрических неоднородностях нижних сло-

ев атмосферы (тропосферы); дифракция сферической выпуклости Земли.

Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от длины волны и освещенности земной атмосферы Солнцем и других факторов.

Как и в любой другой системе передачи, основным источником потерь в беспроводных системах является затухание. Однако потери, к примеру, в микроволновых беспроводных системах меньше, чем при передаче по витой паре и коаксиальному кабелю (при этих же частотах). Это позволяет увеличить расстояние между усилителями или повторителями, обычно расстояние для этого диапазона длин волн составляет 10 – 100 км. Правда, затухание возрастает во время дождя. Влияние дождя заметно при частотах выше 10 ГГц. Другой источник нарушений – помехи. С ростом каналов передачи возникает перекрытие зон передачи. В этом случае есть опасность помех, поэтому распределение частотных диапазонов должно строго контролироваться.

9.2. Системы радиосвязи

Существует довольно большое количество разновидностей ра-

диосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, различных уровней, ионосферные и т.п. Однако все эти разновидности имеют в своей структуре функционально одинаковые устройства. Для обеспечения односторонней связи в пункте, из которого ведется передача сигнала, размещается радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в котором ведется прием сигналов, – радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну и радиоприемник. Антенны подключаются к приемопередающему устройству при помощи фидерных трактов.

293

Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта оборудования. Двухсторонняя связь может быть симплексной и дуплексной. При симплексной связи прием и передача ведутся поочередно и оба передатчика работают на одной частоте. При дуплексной радиосвязи передача и прием осуществляются одновременно на разных частотах.

В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей частоты и модулятор, а также много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты, блокировки и т.п. По назначению радиопередающие устрой-

ства делятся на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (от

100 до 10000 Вт), мощные (от 10 до 500 кВт) и сверхмощные (свы-

ше 500 кВт).

Задачи радиоприемного устройства сводятся к выделению полезного радиосигнала (очень малой мощности) из множества других сигналов и возможных помех, а также воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения. Основными показателями радиоприемных устройств являются: диапазон рабочих частот, в пределах которых устройство может работать; чувствительность (мера способности обеспечивать прием слабых сигналов); избирательность (способность устройства отличить полезный сигнал от радиопомехи); помехоустойчивость (противодействие мешающему действию помех) и т.п. По назначению радиоприемные устройства подразделяются на радиовещательные (обычно называются радио-

приемниками), телевизионные, профессиональные (магистральные радиоприемные устройства), специальные (радиолокационные, навигационные, самолетные) и т.д.

Особую роль в радиосвязи занимают антенно-фидерные устройства. Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Имеется несколько разновидностей антенн, применяемых в различных диапазонах длин волн. Тип антенны также зависит от направления применения приемопередающих устройств. Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной и продольными размерами (кратными длине волны), называются проволочными и используются для длинноволновой части электромагнитного излучения. Антенны, имеющие вид

294

поверхностей и излучающие через свой раскрыв – апертуру, называются апертурными. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальными. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям, имеющим размеры, соизмеримые с длиной волны или много большие ее. Такие антенны применяются для коротковолновой части электромагнитного излучения.

Среди наиболее важных характеристик антенны следует отметить: входное сопротивление, определяемое, как отношение напряжения высокой частоты на ее зажимах к току питания; коэффициент полезного действия – отношение мощности, излучаемой антенной, к мощности, подводимой к ней. Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окружающее пространство, часть ее расходуется как на нагревание самой антенны, так и на находящиеся вблизи предметы. Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно. Создание антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во всех направлениях, крайне сложно и практически недостижимо. Распределение в пространстве напряженности электромагнитного поля, создаваемого антенной, определяется очень важным фактором – амплитудной характеристикой направленности. Различные применения антенн предполагают прямо противоположные требования к диаграммам направленности. Так, для организации сети звукового вещания используются кило- и гектометровые радиоволны, которые распространяются с помощью антенн, устанавливаемых в центре зоны обслуживания, и поэтому должны создавать ненаправленное излучение вдоль поверхности Земли, т.е. иметь диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в виде окружности. Таким условиям отвечают антенны-мачты, антенны-башни. Их высота обычно 150 – 250 м, а в некоторых случаях достигают 350 – 500 м, что значительно увеличивает зону обслуживания.

Для радиосвязи и радиовещания на значительные расстояния (тысячи километров) используются дециметровые волны. Особенность их распространения такова, что антенны должны сформировать направленное излучение с максимумом излучения под некоторым углом к поверхности Земли. Самыми распространенными типами передающих антенн, отвечающих этим требованиям, являются проволочные антенны: вибраторные, ромбические, синфазные в виде решетки из вибраторов, возбужденных определенным образом.

295

Диапазон метровых радиоволн используется главным образом для организации телевизионного и звукового вещания, а также для связи с подвижными объектами в пределах определенной зоны обслуживания. Передающие антенны, как правило, должны создавать ненаправленное излучение в горизонтальной плоскости. С другой стороны, в диапазоне деци-, сантиметровых и более коротких волн, применяемых для организации так называемой радиорелейной связи, антенны, устанавливаемые на линиях, должны обладать высокой направленностью, их диаграммы направленности должны иметь «игольчатую форму». Наиболее распространены в этом диапазоне апертурные (зеркальные) антенны.

Антенна – устройство обратимое. Если антенна хорошо излучает радиоволны, то она хорошо их и принимает. В связи с этим приемные антенны аналогичны передающим для соответствующих диапазонов длин волн.

Электрическая цепь и вспомогательные устройства, с помощью которых энергия радиочастотного сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к радиоприемнику, называются фидером. Передающие антенны длинноволнового диапазона радиоволн соединяются с радиопередатчиком с помощью многопроводных коаксиальных фидеров, в диапазоне метровых волн используется коаксиальный кабель. На более коротких волнах фидер выполняется в виде полой металлической трубы-волновода прямоугольного, эллиптического или круглого сечения.

Рассмотрим теперь основные типы каналов, осуществляющих связь на большие расстояния и располагающихся в земной атмосфере (спутниковая связь будет рассмотрена отдельно).

Основным видом передачи в этом случае является так называе-

мая радиорелейная система передачи, в которой сигнал электро-

связи передается с помощью наземных ретрансляционных станций. На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазонов надежная радиорелейная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Типичные расстояния составляют 40 – 50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. При этом для волн указанного диапазона частот верхние слои атмосферы прозрачны и не могут использоваться для передачи. Невозможность свободного распространения радиоволн на большие

296

расстояния позволяет избежать взаимных помех между радиорелейными системами внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи. Антенны могут работать в режиме передачи и приема, причем для одновременной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот. Аналоговые радиорелейные системы этих диапазонов частот предназначены, в основном, для передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и данных с низкой и средней скоростями, а также сигналов телевидения. Цифровые радиорелейные системы используются для организации цифровых трактов передачи сигналов со скоростями от 2 до 155 Мбит/с. Большинство станций радиорелейных систем являются промежуточными радиостанциями, играющими роль активных ретрансляторов.

Существует довольно большое количество отечественных как аналоговых, так и цифровых радиорелейных систем передачи, использующих различные частоты указанного диапазона. Число каналов в различных типах систем лежит в диапазоне 300 – 1920 для аналоговых систем и от 15 – 240 для цифровых.

Тропосферные радиорелейные системы передачи связаны с вол-

нами диапазона 0,3 – 5 ГГц, которые способны рассеиваться на локальных неоднородностях, вызванных различными физическими процессами, происходящими в этой нижней части атмосферы

(рис. 9.1)

Рис. 9.1. Иллюстрация тропосферной радиосвязи

Рассеянные волны могут быть приняты направленной приемной антенной на значительном удалении от передающей, учитывая, что

297

неоднородности находятся на значительной высоте. Это дает возможность разнести станции на расстояния 200 – 400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой видимости. Как отмечалось раньше, для линий выше рассмотренного диапазона частот (прямой видимости) тропосфера прозрачна.

Линии на основе радиорелейных систем передачи строятся, как правило, в трудно доступных и удаленных районах.

Значительное расстояние между станциями, безусловно, выгодно при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее число станций. Однако за счет глубоких замираний из-за неустойчивости пространственно-временной структуры тропосферы и крайне малой мощности радиосигнала в точке приема организация хорошего качества каналов затруднительна. Количество одновременно работающих каналов для сравнительно малого ассортимента аппаратуры, обеспечивающих этот вид передачи, невелико (от 12 до 120).

Существуют еще две системы передачи, обеспечивающие еще большую протяженность от приемника до передатчика, так как в качестве среды передачи они используют ионосферу – самую удаленную часть атмосферы.

Так для декаметровой волны (3 – 30 МГц) происходит поворот ее траектории из-за неоднородностей диэлектрических свойств профиля ионосферы (в отличие от рассеяния волн в тропосфере на частотах (3 – 5 ГГц). Траектория распространения радиоволн от одной точки поверхности Земли к другой с одним отражением от ионосферы называется ионосферным скачком. Расстояние между пунктами приема и передачи, измеренное вдоль поверхности Земли, составляет около 2000 км. Траектория распространения радиоволн может быть образована несколькими ионосферными скачками. Условия распространения радиоволн, а следовательно, и качество радиосвязи зависят от состояния ионосферы, определяемого временем года, суток и циклом солнечной активности, что не позволяет организовать больше одного-двух телефонных или нескольких телеграфных каналов.

Метровые волны (40 – 70 МГц) могут также использовать ионосферу в качестве среды передачи, правда, в отличие от предыдущего случая метровые волны используют рассеяние на неоднородностях ионосферы. Это аналогично тропосферной радиорелейной пе-

298

редаче, но на гораздо большей высоте. Придельная дальность связи в этом случае составляет 2000 – 3000 км. При ионосферном рассеивании в пункт приема приходит ничтожная часть излучаемой энергии, что вынуждает использовать мощные радиопередатчики и большие по размеру антенны. Рассеяние волн происходит на ионизированных следах, сгораемых в ионосфере мелких космических частиц – метеоров, непрерывно проникающих в атмосферу Земли. Время прохождения радиосигналов при метеорной связи составляет только 2 – 4 ч в сутки. Такие системы позволяют организовать с удовлетворительным качеством не более трех телефонных каналов. Обычно с помощью таких радиосистем организуется передача телеграфных сигналов, причем таких, для которых задержка не играет существенной роли. Они используются для дублирования ионосферных систем на декаметровых волнах в полярных широтах.

9.3. Спутниковая система связи

23 апреля 1965 г. был запущен на высокую эллиптическую орбиту спутник связи «Молния 1», который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intesat-1. Таким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость (по аналогии с прямой радиовидимостью наземных радиорелейных ретрансляторов, обеспечивающих связь всего на 50 км) радиостанций, расположенных в разных точках обширной территории.

Спутник связи представляет по существу микроволновую ретрансляционную станцию. Он используется для связи двух или более наземных передатчиков-приемников, называемых земными, или наземными, станциями. Спутник получает сигнал в одной полосе частоты (восходящая линия), усиливает или повторяет сигнал и передает его на другой частоте (нисходящая линия). Одна орбитальная станция может работать с рядом частотных диапазонов, называемых каналами транспондера или просто транспондерами. На рис. 9.2 изображены две спутниковые системы связи.

299

Рис. 9.2. Системы спутниковой связи: а – двухточечный спутниковый канал связи;

б– широковещательная рассылка через спутник

Впервой из них спутник применяется для двухточечной связи между наземными станциями, во второй спутник используется для передачи от наземной антенны к нескольким наземным приемникам (так называемая широковещательная рассылка).

Оптимальный диапазон спутниковой передачи составляет от 1 до 10 ГГц. На частоте ниже 1 ГГц существенное влияние оказывает

300