Среда передачи сигналов

Основные варианты передачи информации

К началу XXI века, в отношении среды передачи сигналов, сложилась интересная ситуация. С одной стороны, традиционные среды передачи стали обеспечивать существенно более высокие скорости обмена информацией. С другой стороны, появились новые и хорошо забытые старые варианты передачи сигналов. На рисунке 2.17 показана предлагаемая классификация сред передачи сигналов, которая составлена с точки зрения вопросов, рассматриваемых в монографии.

Классификация сред передачи сигналов

Рисунок 2.17

Современные среды передачи сигналов используют электромагнитные колебания в различных частотных диапазонах. Названия основных диапазонов частотного спектра приведены в таблице 2.3 [20, 34]. В этой таблице указаны также границы частотных диапазонов.

Возможность практического применения торсионных полей для обмена информацией в открытой печати только начинает обсуждаться [35, 36]. Практическая реализация оборудования, которое использует торсионные поля, в обозримой перспективе не ожидается. Более того, некоторые специалисты считают идею торсионной связи мистификацией. По этой причине после функционального блока "Торсионное поле" на рисунке 2.17 поставлены два знака “?”. Они означают, что вопросы торсионной передачи далее не рассматриваются.

Таблица 2.3

Название диапазона	Диапазон частот	Длины волн	Использование
Звуковые волны	0,020 – 20 кГц	>100 км	Акустика
Сверхдлинные волны	3 – 30 кГц	100 – 10 км	Навигация, связь подводных судов
Длинные волны	30 – 300 кГц	10 – 1 км	Навигация, связь в море
Средние волны	0,3 – 3 МГц	1000 – 100 м	Навигация, радиовещание
Короткие волны	3 МГц – 30 МГц	100 – 10 м	Радиовещание
Ультракороткие волны	30 – 300 МГц	10 – 1 м	Любительская радиосвязь, радиовещание
Дециметровые волны	0,3 – 3 ГГц	1 – 0,1 м	РРЛ, телевидение, спутниковая связь
Сантиметровые волны	3 – 30 ГГц	10 – 1 см	РРЛ, спутниковая связь
Миллиметровые волны	30 – 300 ГГц	10 – 1 мм	РРЛ, спутниковая связь
Оптический диапазон	30 – 3000 ТГц	10,0 – 0,1 мкм	Оптическая связь
Рентгеновские, гамма и космические лучи	менее 2 10^-11 м	Не определено

Деление систем передачи на проводные и беспроводные уже давно используется в отечественной и зарубежной технической литературе. В частности, в книгах и статьях на английском языке обычно используются слова wireline и wireless.

Проводные системы, в свою очередь, разделены на четыре класса. К первому классу относятся воздушные и кабельные линии, использующие металлические проводники. Далее можно было бы выделить симметричные и коаксиальные кабели, то есть продолжить классификацию. Однако эти среды передачи не считаются перспективными; детальный анализ их характеристик не проводится. По этой причине и дальнейшая классификация линий связи с металлическими проводниками не представляется целесообразной.

Во второй класс входят кабели с ОВ. Они, из проводных систем, представляют наибольший интерес для местных транспортных сетей. Поэтому на рисунке 2.18 приводится классификация кабелей с ОВ. Как и ранее, выделение отдельных блоков на рисунке продиктовано задачами, которые решаются в данной монографии.

Обычно ОВ делят на два класса – одномодовые и многомодовые. Диаметр световода в одномодовом волокне составляет примерно 8 – 10 мкм. Эта величина соизмерима с длиной волны, которая распространяется по световоду. Поэтому в световоде может передаваться только одна мода (траектория распространения волны). Диаметр световода в многомодовом волокне находится в диапазоне 50 – 60 мкм. Поэтому в таком световоде могут распространяться несколько мод.

Классификация кабелей с оптическими волокнами

Рисунок 2.18

Многомодовые ОВ проще монтировать. Наиболее экономичные устройства передачи и приема, работающие на длине волны 850 нм, были рассчитаны на многомодовое ОВ. Однако многомодовым ОВ свойственны существенные недостатки. В первую очередь, следует отметить большое километрическое затухание и невысокую ширину полосы пропускания сигнала.

Характеристики кабелей связи с многомодовыми ОВ определены в рекомендации МСЭ G.651. Сферами их потенциального применения считаются внутриобъектовые линии и некоторые виды локальных сетей. Операторы отдают преимущества кабелям с одномодовыми ОВ. Их можно разделить на четыре основные группы.

В первую группу входят ОВ с несмещенной нулевой дисперсией. Их характеристики определены рекомендацией МСЭ G.652. Обычно все ОВ с несмещенной нулевой дисперсией используются в диапазоне 1300 нм. Этот номинал определяет так называемое "второе окно прозрачности", занимающее диапазон 1300 – 1400 нм. Коэффициент затухания таких ОВ находится в пределах 0,25 – 0,40 дБ/км при длине волны 1310 нм и 0,21 – 0,.23 дБ/км при длине волны 1550 нм [13].

Максимальная длина линии передачи, которая использует кабель с ОВ, определяется как затуханием сигнала, так и суммарной величиной дисперсии. Для повышения максимальной дальности связи (без использования усилителей и/или регенераторов) были разработаны ОВ со смещенной дисперсией, которые входят во вторую группу – рисунок 2.18. Характеристики таких ОВ определены в рекомендации МСЭ G.653. Минимальное значение дисперсии характерно для "третьего окна прозрачности", то есть в диапазоне 1530 – 1565 нм [13]. В англоязычной технической литературе этот диапазон называется “C-Band”.

В третью группу входят ОВ с минимизированными потерями. Они имеют и другое название – ОВ со смещенной длиной волны отсечки. Характеристики таких ОВ специфицированы в рекомендации МСЭ G.654. Нижний предел для коэффициента затухания ОВ определяется релеевским рассеянием [13]. К этому пределу близко значение коэффициента затухания ОВ с минимизированными потерями. В частности, еще в 1984 году было получено ОВ с затуханием 0,154 дБ/км., а предельные собственные потери кварцевого стекла составляют 0,139 дБ/км.

Четвертая группа включает ОВ с ненулевой смещенной дисперсией. Для определения характеристик этих ОВ была разработана рекомендация МСЭ G.655. Последние разработки ОВ с ненулевой смещенной дисперсией были предназначены для освоения – в дополнение к третьему – "условного четвертого окна прозрачности", занимающего диапазон 1565 – 1620 нм. Этот диапазон известен в технической литературе на английском языке по обозначению “L-Band”.

Теоретически доказано, что могут быть получены стеклообразные и кристаллические материалы, которые позволят получить ОВ с очень низкими потерями. В частности, в среднем инфракрасном диапазоне, при длинах волн от 2 до 11 мкм, можно рассчитывать на величину потерь в от 10^-1 до 10^-5 дБ/км. Однако многолетние исследования, проводимые с 80-х годов, пока не дали практически значимых результатов [13].

Одномодовое ОВ можно рассматривать и с другой точки зрения. Два нижних блока иллюстрируют это положение. Левый блок представляет ОВ, пропускная способность которых может быть существенно увеличена за счет использования оборудования спектрального уплотнения – WDM (Wavelength Division Multiplexing). Одно из важных направлений развития этой технологии – компактное спектральное уплотнение или DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Оборудование DWDM представляет большой практический интерес для развития транспортных сетей. Поэтому одноименная технология рассматривается отдельно, в параграфе 2.2.2.

Правый блок на рисунке 2.18 связан с еще одним очень интересным направлением в развитии технологии передачи по ОВ. Идея солитонной передачи основана на использовании нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии полей электромагнитного импульса и среды его распространения. Ряд публикаций, посвященных солитонной передаче, содержит обнадеживающие результаты [13]. Однако в настоящее время еще рано говорить о практическом применении технологии солитонной передачи.

Теперь мы должны вернуться к рисунку 2.17, чтобы кратко рассмотреть остальные среды передачи сигналов. Использование линий передачи, которые созданы для энергосистем, давно привлекало внимание связистов. В истории развития электросвязи было несколько попыток использования линий передачи электрической энергии для обмена информацией. Вероятно, эти попытки объяснялись двумя основными факторами:

· дефицит линейных сооружений связи стимулировал поиск иных средств передачи информации;

· наличие уже действующих линий передачи электрической энергии, проходящих практически по тем же трассам, что эксплуатируемые или еще только проектируемые сооружения электросвязи, акцентировало внимание специалистов именно на этом решении проблемы.

Развитие национальных телекоммуникационных систем привело, казалось бы, к потере интереса к использованию линий передачи электрической энергии для решения проблем электросвязи. Однако проблемы развития Internet привели к актуализации старой идеи. В результате, в 2001 году энергетический концерн Германии RWE решил предложить своим клиентам высокоскоростной доступ в Internet через провода электрического питания [37]. Абоненту предоставляется возможность доступа на скорости 2,048 Мбит/с. Доступ в Internet будет сопряжен с системой обмена телеметрической информацией.

Конечно, сфера применения линий передачи электрической энергии пока не может считаться перспективной. По этой причине возле соответствующего блока на рисунке 2.17 поставлен знак “?”. Также сомнительна практическая реализация многообещающей идеи сверхпроводимости. Левый нижний блок также сопровождается знаком “?”.

Беспроводные системы представлены четырьмя примерами, каждому из которых свойственна практическая направленность. Аналоговые и цифровые РРЛ широко используются российскими Операторами для построения местных транспортных сетей. Большей частью РРЛ применяются в сельской местности, то есть для развития ТСС. В последнее время Операторы, чаще всего, отдают предпочтение цифровым РРЛ, ориентированным на оборудование семейства СЦИ.

Обычно РРЛ используются для создания связи с конфигурацией "точка – точка". Часто используется англоязычная терминология “Point-to-Point”. Блок "каналы радиосвязи" представляет, за редким исключением, те виды систем беспроводной связи, которые реализуют конфигурацию связи "точка – множество точек". Соответствующий англоязычный термин представляется словосочетанием “Point-to- Multipoint”. Для ТСГ и ТСС подобные системы не столь интересны, как, например, для сотовых сетей. Поэтому далее – во второй главе – они рассматриваться не будут.

Следующему блоку присвоено название "Тракты открытой лазерной связи". Такое словосочетание указывает на сравнительно новый, весьма интересный, класс беспроводных систем. Иногда в технической литературе используется термин "лазерная связь". Весьма удачной трактовкой сути этой технологии (правда, на английском языке) можно считать название статьи [38] – Fiber Optics Without Fiber. После прочтения статьи мне показалось, что эти слова можно перевести так: "Волоконная оптическая связь без волокна".

Для краткого объяснения рассматриваемого блока целесообразно сразу же обратиться к модели, заимствованной из [38]. В несколько упрощенном виде она приведена на рисунке 2.19.

В правой части рисунка показан фрагмент кольцевой транспортной сети. Подразумевается, что она, по каким-либо причинам, не охватила три здания. В одном из СУ – лучше в ближайшем к этим трем зданиям – устанавливается приемопередатчик (ПП), которому на рисунке присвоен номер "1". Этот приемопередатчик связан с ПП2, который расположен на крыше первого здания. В [38] оборудование, находящееся в этом здании, называется “Hub”. На русский язык это слово обычно переводится как концентратор. В данном случае речь идет об аппаратных и/или программных средствах, которые обеспечивают функции подключения и взаимодействия для нескольких независимых элементов транспортной сети.

Фрагмент сети, построенной за счет системы лазерной связи

Рисунок 2.19

Пропускная способность на участке ПП1 – ПП2 составляет 622,08 Мбит/с, то есть соответствует тракту STM-4. В два других здания ответвляются тракты меньшей пропускной способности. В [38], в качестве примера, выбраны тракты с пропускной способностью 100 Мбит/с. ПП5 установлен на крыше второго здания. Для третьего здания показано иное решение; ПП6 установлен возле окна.

В настоящее время оборудование лазерной связи используется, как правило, в сетях доступа. Большое преимущество таких сетей доступа – малое время организации связи. К этой особенности лазерной связи, а также к другим ее технико-экономическим характеристикам, мы вернемся несколько позже.

Последний блок на рисунке 2.17 относится к спутниковой связи. Ранее применение систем спутниковой связи ассоциировалось с двумя сферами. Традиционно каналы систем спутниковой связи использовались для подачи программ телевидения. Кроме того, системы спутниковой связи применялись для организации каналов междугородной и международной связи. Появление спутниковых систем VSAT и USAT [39] позволило решить ряд важных проблем, касающихся создания транспортных сетей в городах и в сельской местности.

В качестве примеров можно назвать две характерных сферы применения систем спутниковой связи. Во-первых, в ряде регионов России, особенно на Крайнем Севере и в Сибири, каналы спутниковой связи могут считаться единственно возможным средством организации связи. Системы VSAT сначала использовались для организации телефонной связи для удаленных групп абонентов. Затем оборудование VSAT, а затем и USAT, нашло применение для доступа в Internet (этот аспект использования каналов спутниковой связи подробно рассматривается в разделе 4.6).

Системы VSAT рассчитаны, в основном, на работу в диапазоне частот от 11 до 14 ГГц. Специалисты часто используют международное обозначение для этой части спектра –Ku-диапазон. Системы USAT могут также использоваться и в Ka-диапазоне, то есть в спектре частот от 18 до 31 ГГц.

Стоимость оборудования VSAT и USAT, по сравнению с крупными земными станциями спутниковой связи, как правило, существенно ниже. Эти системы достаточно быстро вводятся в коммерческую эксплуатацию. Они могут использоваться в различных конфигурациях связи – "точка – точка" и "точка – множество точек".

Следует также упомянуть и традиционные спутниковые системы. Правда, использование их ресурсов для создания местных транспортных сетей следует рассматривать как весьма редкий случай.

Из всех видов сред передачи сигналов, представленных на рисунке 2.17, сложно выделить лучший вариант для местной транспортной сети. Если рассматривать тот фрагмент ТСГ, который не включает сети доступа, то лучшей средой передачи сигналов несомненно будет кабель с ОВ. Для ТСС в сельской местности, по территории которой сложно прокладывать кабель, лучшей средой передачи сигналов может оказаться тракт, созданный цифровой РРЛ. Для сети доступа может оказаться целесообразным сочетание нескольких различных сред передачи сигналов [40].

И все же следующий параграф связан исключительно с ОВ. Тому есть две причины. Во-первых, в телекоммуникационной системе весьма значительна, с точки зрения объема трафика, связь в городах, а ТСГ развиваются, в основном, за счет прокладки кабелей с ОВ. Во-вторых, интересна сама идея, которой посвящен параграф 2.2.2, – спектральное уплотнение.

Дата добавления: 2015-07-20