ВВЕДЕНИЕ
Телекоммуникационные системы и системы сетевой связи начали широко развиваться в процессе информационно-технологической революции и компьютеризации всех сфер хозяйственной деятельности человечества. Их основная задача – объединение компьютеров и других устройств в сетевые ассоциации для коллективного использования вычислительных, информационных и других ресурсов.
По территориальной принадлежности различают локальные сети (предприятий и организаций), региональные (районы и города) и глобальные. В глобальных сетях выделяют сети доступа (соединяющие близко расположенные друг к другу узлы) и магистральные сети (объединяющие узлы друг с другом). Любая работоспособная сеть включает в себя определенную сеть каналов связи (первичная сеть) и коммуникационное оборудование.
Переход к каждому новому поколению систем связи позволял передавать все больше полезной информации: так, если в 80-х годах прошлого столетия скорость передачи данных мобильных абонентов не превышала 10 кбит/сек, в 90-х годах скорость возросла на порядок – до сотен кбит/сек, в новом тысячелетии скорость возросла уже до единиц и десятков Мбит/сек, а затем и до единиц Гбит/сек. На сегодняшний день стала возможной организация прямых видеоконференций со многим количеством участников, разбросанных по всему миру; передача больших объемов видео-, аудио- и текстовой информации за считанные секунды любому жителю нашей планеты. Основой такого технического прорыва в сфере коммуникаций стала цифровая связь. Передача информационных сообщений в цифровой (дискретной) форме имеет ряд особенностей по сравнению с передачей в аналоговой (непрерывной) форме. При цифровой передаче сообщений появляется возможность уйти от аппаратурных погрешностей элементов, создавать блоки цифровой обработки сигналов с абсолютно идентичными параметрами, становится возможной регенерация (восстановление) передаваемой информации, искаженной помехами при передаче по каналу связи. Принципиально новые методы цифровой обработки сигналов позволяют создавать устройства с уникальными характеристиками, недоступными для методов аналоговой обработки сигналов. При передаче данных в дискретной форме появляется возможность обеспечить сколь угодно малую вероятность ошибки при приеме информации. Архитектура цифровой системы связи может полностью определяться на программном уровне и изменяться в процессе работы устройства для более эффективного использования спектрального и энергетического ресурса канала связи при постоянно изменяющихся условиях распространения сигнала в канале. Цифровые системы связи являются основой современных систем связи и подвижных систем связи (систем мобильной связи), теоретическому и прак- тическому изучению которых и посвящены данные методические указания.
Задание 1. Технология ближней беспроводной радиосвязи bluetooth.
Что же такое Bluetooth? Это технология беспроводной связи, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В настоящее время разработки в области Bluetooth ведутся Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую входят также Lucent, Microsoft и многие другие.
Основное назначение Bluetooth - обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого тока) и дешевой радиосвязи между различными типами электронных устройств, причем немалое значение придается компактности электронных компонентов, что дает возможность применять Bluetooth в малогабаритных устройствах размером с наручные часы.
Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, коим является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.
Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.
Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet". Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master'ом в одной и slave'ом в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако никто не ограничивает применение устройств-гейтов, использующих тот же Internet для более дальней связи.
Частотный диапазона Bluetooth в большинстве стран свободен от лицензирования, но во Франции, Испании и Японии из-за законодательных ограничений необходимо использовать отличные от указанных выше частоты.
Говоря о беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии:). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.
Стоит также заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.
Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть).
Рисунок 1.1. Схема соединения устройств
Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие необходимой информацией.
Немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth, кои были в большом количестве продемонстрированы на выставке CeBIT 2001.
Наибольший интерес, естественно, вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. Одним из них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведской компании connectBlue. Как видно из названия, это устройство предназначено для промышленного применения и позволяет подключать к Bluetooth любые приборы, оборудованные последовательным портом:
Рисунок 1.2. Industrial Bluetooth Serial Port Adapter
Типичным вариантом использования может стать, например, конфигурирование промышленных установок при помощи ноутбука.
Характеристики:
· дальность действия - до 10 м,
· скорость передачи - 300-115200 Кбит,
· напряжение питания - 9-30 Вольт.
Компания Belkin, знаменитая, в частности, своими продуктами для шины USB, представила целый набор устройств Bluetooth:
Рисунок 1.3. Карта формата PCMCIA Type II
Эта карта формата PCMCIA Type II позволяет всем устройствам, имеющим подобный слот, получить Bluetooth интерфейс со скоростью до 721 Кбит/сек. Дальность действия - 10 м.
Рисунок 1.4. Шина USB
Здесь мы видим отличное USB решение для настольных (и не только) компьютеров: характеристики те же, что и в предыдущем случае, к тому же это устройство позволяет обмениваться данными по голосовым каналам.
Не менее интересным вариантом применения технологии Bluetooth может стать организация беспроводного доступа в локальную сеть и/или Интернет для устройств в малом офисе или дома. Безусловным лидером в этой области стала компания Red-M, представившая свое решение - сервер Red-M 3000AS:
Рисунок 1.5. Сервер Red-M 3000AS
3000AS представляет собой Linux-сервер, который может также работать как шлюз в локальную сеть или Интернет. В отличие от большинства других Bluetooth-устройств 3000AS имеет мощный приемопередатчик, обеспечивающий связь в пределах 100 м, причем в комплект входит внешняя антенна, повышающая надежность связи при наличии внешних помех. Для подключения можно использовать ISDN (с выбором вариантов "постоянно онлайн" или "подключение по требованию"), 10/100 Мбит Ethernet, а также RS-232 для сервисного применения. Сервер может также быть запитан через UPS.
Отличным дополнением к такой системе может стать устройство от Canon - Bluetooth модуль для цифрового фотоаппарата:
Рисунок 1.6. Цифровой фотоаппарат Canon
Только представьте себе - фотоаппарат сможет автоматически сбрасывать снимки через Bluetooth-гейт на вашу рабочую станцию, или тот же субноутбук, или даже через подключенный к Интернет сотовый телефон с поддержкой Bluetooth… в общем, возможности бесконечны.
А если серьезно, то технология Bluetooth может совершить настоящую революцию в мире персональных коммуникаций и вообще в жизни человека. А вот насколько нам нужна еще одна революция - это еще предстоит решить.
В системе Bluetooth определены пять типов логических каналов:
- LC (Link Control) — канал управления, с помощью которого поддерживается физическая связь между устройствами, образующими пикосеть. На этом уровне используются синхронное (SCO, Synchronous Connection-Oriented) и асинхронное (ACL, Asynchronous Connectionless) подключение физических каналов;
- LM (Link Manager) — канал управления, который отвечает за установление соединений между ведущим и ведомыми устройствами, за обеспечение безопасности и криптозащиты;
- UA (User Asynchronous) — асинхронный канал (используется в ACL-линии);
- UI (User Isochronous) — изохронный канал, в котором обеспечивается идентичность только средних частот опорных генераторов ведущего и ведомого устройств (применяется в ACL-линии);
- US (User Synchronous) — канал синхронного обмена данными (используется в SCO-линии).
Задание 2. Рассчитать характеристики УКВ трассы. Определить длину трассы, вдоль которой можно осуществить уверенную радиосвязь в диапазоне ультра- коротких волн (УКВ); рассчитать напряженность поля в точке приема.
Определим расстояние прямой видимости:
Рассчитаем напряженность электрического поля в пункте приема:
Определим напряженность электрического поля в пункте приема, если передающая и приемная антенны находятся в свободном пространстве:
Определим отношение напряженностей поля при распространении волны в свободном пространстве и над земной поверхностью:
Следовательно, напряженность поля при распространении в свободном пространстве больше напряженности поля при распространении над землей в 2.2 раза. Это происходит потому, что при распространении над землей имеются два луча. Сигнал вдоль первого луча распространяется по прямой линии между передатчиком и приемником, а вдоль второго – после отражения от земной поверхности.
| 54.929 |
Рисунок 2.1. Распространение УКВ вдоль поверхности земли
При этом после отражения волны от земли фаза сигнала меняется на 180º. Сложение в пункте приема сигналов первого и второго лучей дает результирующую напряженность поля. Чем дальше находится пункт приема, тем ближе разность фаз двух лучей к 180º. Поэтому напряженность поля при распространении над землей в нашем случае получилась в 2.2 раза ниже, чем в свободном пространстве.
Задание 3. Рассчитать основные характеристики сигнала коротковолновой трассы. Начертить схему трассы, на которой показать высоту отражения и зону молчания; рассчитать напряженность поля в пункте приема; построить график зависимости напряженности поля от частоты.
Рассчитаем высоту H, на которой отразился сигнал. При вертикальном зондировании ионосферы получается, что от передатчика до приемника сигнал проходит двойное расстояние: поверхность земли – ионосфера (до точки отражения и обратно):
Определим электронную концентрацию N, используя формулу зависимости электронной концентрации на высоте отражения сигнала от частоты излучения:
Для определения максимально применимой частоты воспользуемся «законом секанса», согласно которому частота излучения f и электронная концентрация N связаны между собой через угол падения волны β1 на ионосферу следующим образом:
Если пренебречь сферичностью Земли, то можно вычислить угол:
А также 
Следует отметить, что для практических расчетов характеристик поля сферичность Земли можно не учитывать на расстояниях между пунктами пере- дачи и приема до 1000 – 2000 км. Подставляя вычисленные значения f0 и 1 cosβ в формулу, получим, что максимально применимая частота:
Оптимальную рабочую частоту можно определить по формуле:
Определим радиус зоны молчания. Этот радиус, образованный вокруг передающей антенны, связан с максимально применимой частотой. На частотах ниже fмпч радиосвязь на заданном расстоянии возможна, а на частотах выше fмпч отсутствует по причине недостаточности электронной концентрации в ионосфере для отражения сигнала. На частоте fмпч радиосвязь будет неустойчивой, поскольку электронная концентрация с течением времени постоянно изменяется и её значение будет временами достаточно для отражения сигнала, а в другие промежутки времени недостаточной. Но слишком низкую, по отношению к fмпч, частоту применять также нежелательно, поскольку с уменьшением частоты возрастает затухание волны. Поэтому обычно стараются работать на частотах, близких к fорч, на которых поддерживается устойчивая связь, а затухание волны не очень велико. Для определения радиуса зоны молчания воспользуемся той же формулой с той лишь разницей, fмпч заменим на fорч, а угол β1 на угол β2. Следовательно:
Следовательно, радиус зоны молчания:
Рисунок 3.1. Схема коротковолновой трассы
Рассчитаем напряженность поля в пункте приема сигнала:
где E –действующее значение напряженности электрического поля;
P – мощность передатчика;
D – коэффициент направленного действия передающей антенны;
r – расстояние между пунктами передачи и приема;
F –множитель ослабления, зависящий от параметров трассы распространения;
Ge, Gf – коэффициенты поглощения в слоях E, F.
Коэффициент поглощения в ионосфере можно оценить по формуле:
|
Из этого следует, что коэффициент поглощения прямо пропорционален электронной концентрации N и числу столкновений электронов с нейтральными частицами ν, но обратно пропорционален квадрату частоты f. Поэтому применение более высоких частот предпочтительно. Используя зависимость коэффициента поглощения от частоты, можно напряженность поля в пункте приема выразить следующим образом:
где Е – действующее значение напряженности поля на частоте fмпч, f0 – частота, для которой определяется напряженность поля.
Получим зависимость напряженности поля от частоты:
Используя вычисленные значения напряженности поля, построим график:
Рисунок 3.2. Зависимость напряженности поля от частоты
Задание 4. Рассчитать радиорелейную линию связи. Участок радиорелейного канала связи выбрать самостоятельно (показать на карте)
Исходные данные:
| Параметры системы связи | |
| Мощность передатчика Pпд, Вт | |
| Коэффициент усиления передающей и приемной антенны, дБ | |
| Размеры антенны, м | 1,8*3,8 |
| Коэффициент шума приемного устройства РРЛ, дБ | 3,6 |
| Центральная частота рабочего диапазона, МГц | |
| Длина волны, м | 1,8 |
| Девиация частоты на канале, Гц | |
| Затухание фидера на передачу, дБ | -1,8 |
| Затухание фидера на прием, дБ | -1,8 |
| Коэффициент телефонного ствола, дБ | |
| Среднее значение вертикального градиента диэлектрической проницаемости, 1/м | -10*10-8 |
| Стандартное отклонение вертикального гра- диента диэлектрической проницаемости, 1/м | 6*10-8 |
| Коэффициент Z для сухопутных трасс, ед | |
| Коэффициент Z для слабопересеченных трасс с повышенной влажностью, ед |
Расчет участка радиорелейного канала связи т.ц. Раевская – т.ц. Гайдук.
Протяженность трассы составляет R0=16 км.
Расстояние до наивысшей точки трассы R1=0,386 км.
Трасса с лесным покровом, профиль трассы пересеченный.
Рисунок 4.1. Участок радиорелейного канала связи т.ц. Раевская – т.ц. Гайдук 
Проверяем выполнение критерия устойчивости: 
Для РРЛ произвольной протяженности Lррл допустим процент времени Тдоп, в течение которого может быть ухудшено качество связи, определяемый как:
Постоянные потери мощности сигнала на пролете РРЛ определяются потерями в тракте распространения L0 (потерями в свободном пространстве).
где λ –длина волны передаваемых колебаний, м; R0 – длина пролета, м.
где Lфпрм, Lфпрд – потери в передающем и приемном фидерах, дБ;
Gпрм, Gпрд – коэффициенты усиления антенн, дБ.
Обычно на пролете применяют одинаковые антенны на прием и на пере- дачу, тогда:
Таким образом, постоянные потери на пролете можно рассчитать (в дБ) по формуле:
Дополнительные потери определяются множителем ослабления поля свободного пространства L доп. Расчет Lдопmin может быть проведен с помощью коэффициента системы (телефонного ствола) по формуле:
Мощность полезного сигнала в точке приема определяется выражением:
Это выражение в децибелах имеет вид:
В этих выражениях используются следующие параметры радиолинии:
Pпрд - выходная мощность передатчика (в дБ).
Gпрд и Gпрм - коэффициенты усиления передающей и приемной антенны.
Какую антенну назначить передающей, а какую приемной - разницы нет.
λ - длина волны.
R0 - дальность передачи.
Lдоп - дополнительные потери, обусловленные целым комплексом причин, включая ослабление сигнала в соединительных разъемах, потери из-за неточного несовпадения плоскостей поляризации антенн и т.п.
Z - запас помехоустойчивости к внешним помехам, величина которого определяется электромагнитной обстановкой в районе размещения радиолинии и обычно задается в пределах от 5 до 15 дБ
Находим вероятность интерференционных замираний обусловленных отражениями радиоволн от слоистых неоднородностей тропосферы, со скачком диэлектрической проницаемости равным dE, выраженную в процентах:
Тогда процент времени ухудшения качества связи за счет интерференционных замираний найдем по формуле:
Сравнивая расчетный процент времени ухудшения качества связи с допустимой величиной, можно сделать вывод, что качество связи на данном участке не удовлетворяет требованиям.
Рассчитаем высоту подвеса антенн. Для ориентировочной оценки на ровном рельефе при одинаковой высоте антенн можно использовать простую формулу, учитывающую сферичность Земли. Высота подвеса антенн в метрах равна h1=h2.
