Каналы связи

Характеристика каналов связи затруднительна. Куда отнести возможность определённого чиновника получить информацию? Искусно манипулируя связями, делец покупает выгодно товар. Сарафанное (народное) радио быстро разносит дурные вести, часто сплетни. Ещё Высоцкий был обманут слухами о скором запрете… Используя свои каналы экстрасенсы исцеляют, доводят любопытную информацию массам. Иногда безбожно врут. Мозг сегодня управляет компьютерами, японцы учатся читать мысли, куда отнести новый канал?

Классификация

Сегодня вся информация распространяется посредством колебаний – единственный способ существования материи, воспринимаемый человеком, приборами. Тесла считал мироздание сотканным из вибраций. Сложно ошибиться, назвав каналы связи колебательными. Классификация тесно касается исследований гармонических процессов. Фурье показал – волна любой формы представима суммой элементарных колебаний.

По природе волн

Напрашивается первая классификация:

1. Механические:
   • Акустические. Канал использует сарафанное радио.
   • Твердотельные. Активно эксплуатируется жестяным телефоном (tin can).
   • Жидкие среды. Первая рабочая модель Белла заставляла посредством воды вибрировать омический преобразователь.
     

     Механическая волна
2. Электромагнитные:
   • Инфракрасные. Знакомо строителям, постоянно ищущим методики сберечь тепло здания.
   • Световые. Первый семафор использовал визуально различимые сигналы.
   • Ультрафиолетовые. Загар лучше всего покажет наличие невидимого излучения Солнца.
   • Радиочастоты. Доносят информацию миллионам телезрителей.
   • Рентгеновское излучение. Позволяет проверить целостность скелета.
   • Радиация. Жители Чернобыля горько сожалеют об отсутствии счётчиков Гейгера.

Мысли также могут быть периодичными. Установлением природы возникающих сигналов сегодня занимается наука. Приведённые выше примеры составляют малую толику достижений человеческой цивилизации. Проявив минимум умственного напряжения, читатели поймут: электромагнитные, механические волны распространяются повсеместно. Постепенно угасая. Электромагнитным обычно удаётся проникнуть дальше. Естественным ограничителем механических выступает окружающий планеты вакуум.

Электромагнитное излучение принято классифицировать согласно типу модуляции несущей:

1. Амплитудная.
2. Частотная.
3. Фазовая.
4. Однополосная.
5. Кодово-импульсная.
6. Манипуляция:

• Частоты.
• Фазы.
• Амплитуды.

По форме волн

Человек изначально пытался использовать электричество. Задача передачи информации требовала менять форму сигналов:

1. Аналоговые, изменяющиеся плавно.
2. Импульсные, отличающиеся короткой длительностью.
3. Дискретные искусственно разорваны. Цифровой сигнал отличается нормированием уровней символов 0, 1.

Требования минимизации стоимости, энергозатрат постоянно рождают методики улучшения качества. Сегодня высшим достижением человеческой мысли считают цифровой сигнал, ставший отдельной отраслью сегмента передачи информации. Сказанное позволяет классифицировать каналы:

1. Шифрованный – открытый.
2. Кодированный (например, псевдошумовым сигналом) – некодированный.
3. Широкополосный – узкополосный.
4. Дуплексный – односторонний.
5. Мультиплексный – без сжатия.
6. Скоростной – обычный.
7. Восходящий – нисходящий.
8. Широковещательный – индивидуальный.
9. Прямой – обратный (возвратный).

Вдобавок сетевые протоколы образуют иерархию OSI, каждый уровень можно представить каналом. Возможны другие критерии разбиения.

По корректирующему действию

Каналы изменяют проходящую информацию. Иногда намеренно:

1. Линейные. Исходный сигнал легко восстановить, зная характеристики канала.
2. Нелинейные. Часть информации безвозвратно теряется.
3. Стохастические. Помехи реальных каналов редко поддаются предсказанию, даже статистическими методами.

По среде распространения

Подраздел классификации касается электромагнитной энергии:

1. Проводные.
2. Беспроводные.

Принцип действия

Информационные данные проходят путь меж локациями, преодолевая среду. Траекторию принято называть каналом связи. Современная техника пользуется последним типом классификации, рассматривая методы:

1. Проводные (витая пара, кабель, оптическое волокно, медный провод).
2. Беспроводные (спутники, радио, тепловое излучение, свет).

Материалом проводных сред стала преимущественно медь ввиду наилучшего сочетания цена/сопротивление. Стекло, полимеры обещают стать достойной заменой: факт, отмеченный экспертами середины 80-х (ХХ века). В информатике рассматривают понятие канала намного шире, включая сюда устройства хранения, самописцы, накопители, плёнку.

Модуляция

Изначально форма сигналов была максимально простой, чаще дискретной (азбука Морзе, код Шиллинга, визуальные знаки семафоров). Исследователи быстро осознали неэффективность элементарных приёмов. Уже Попов догадался применять амплитудную модуляцию несущей. Частотная рождена Эдвином Армстронгом (30-е годы). Инженеры Дженерал Электрик убедительно показали отличную устойчивость приёма вещания в условиях вспышек молний.

Цифровая эра

Вторая мировая война принесла миру более изощрённые варианты, включая кодирование псевдошумовыми сигналами, частотную манипуляцию. Предпринятые меры позволили сильно снизить спектральную плотность сигнала. Засечь передачу стало невероятно сложно, расшифровать – практически невозможно. Достижения военных лет развивались следующие несколько десятилетий. Ныне господствуют цифровые технологии, завтрашние шаги капризной истории сложно предсказать.

Сети

Основные современные каналы касаются непосредственно сегмента сетей, то есть линий, объединяющих активно взаимодействующие электронные объекты: компьютеры, телефоны, модемы. Ранее создания ARPANET обменом информации заведовал человек. Бурный рост сетевых технологий сделал возможным создание глобальных конформаций: интернет, услуги сотовых операторов. Международное взаимодействие сделало возможным тотальная стандартизация протоколов. В частности, первоначально (RFC 733) интернет получил определение сети, пользующейся стеком TCP/IP. Сегодня понятие стало намного шире, подразумевая планетарную систему взаимосвязанных хостов, несущих программное обеспечение HTTP-серверов.

Персональные компьютеры

Отдельной строкой выступают шины персональных компьютеров. Эре зарождения многоядерных процессоров предшествовали такие сегодня малознакомые аббревиатуры, как PCI, ISA. Своему рождению Фидонет обязан карте расширения S-100. Неправильно – забывать исторические предпосылки. Пример – развал Фидонета, брошенного собственным разработчиком, обосновавшим ранее экономическую целесообразность применения телефонных линий. Ушёл создатель – развалилась система, лишённая опоры в виде уместности технологии, соответствия растущим требованиям, взвинченным конкурирующими методами интернета. Технический уровень юзеров являлся недостаточным, был бессилен продлить агонию умирающей концепции.

Отсутствие информационной поддержки

Западные телекоммуникационные средства образуют совокупность экономически обоснованных типов передачи информации. Не существует отечественных эквивалентов терминов, переданных англоязычным доменом паутины. По телекоммуникационным технологиям, параметрам приходится брать зарубежную справку. Отсутствие информационной поддержки назовём очередным слабым звеном, мешающим развитию индустрии.

Модели каналов

Физическую среду принято моделировать. Исследователи пытаются предсказать результат будущих действий, полагая минимизировать затраты, увеличить пользу. Часто толчком проведения работ становятся экстремальные ситуации, войны, революции. Первую работу, касающуюся реальных каналов передачи информации, снабжённых моделями шумов, помех выпустил (1948) Клод Шеннон. Учёный рассмотрел движения дискретных сигналов, предложил методики оптимизации.

Математики неустанно разрабатывают модели интерференции, рефракции, отражения, шумов, затухания, резонанса. Например, разработчики мобильной связи внедряют аддитивную помеху. Точные методики расчёта отсутствуют. Модель канала учитывает сферу применения, преследует различные цели. Бывают потребности, искомые величины следующие:

1. Оценка полосы пропускания.
2. Вычисление битрейта.
3. Коэффициент использования канала.
4. Спектральная плотность сигнала.
5. Уровень дрожаний.
6. Процент ошибочно переданных битов.
7. Оценка отношения сигнал/шум.
8. Задержка линии.

Сотовые вышки делят канал меж фиксированным набором абонентов. Зачастую сигнал подвергается сильной интерференции. Сложный канал представляют суммой взаимодействий типа «точка-точка». Принято выделять группы подходящих моделей, описывающих соединение, предназначать каждой области стандартный набор методик «для сдачи отчётности».

Цифровые

Дискретные каналы проще моделировать. Сообщение представляется цифровым сигналом выбранного слоя протокола (иерархии OSI). Часто физический канал заменяют упрощёнными представлениями:

• Кадр.
• Пакет.
• Датаграмма.

Поведение более сложных структур проще отследить, подсчитывая производительность, скорость, вероятность ошибок. Примеры:

• Симметричный цифровой канал – простейший пример передачи битов, учитывающий влияние шумов.
• Ошибка пакета битов (модель Гильберта – Эллиота). Описывает случай обязательного наличия неправильно принятых первого, последнего символов при длине отрезка выборки выше некоторого значения m, именуемого защитной полосой. «Неудачные» участки обычно разделены сравнительно длинными (превышают m) областями уверенного приёма.
• Стёртый бит. Модель введена Петером Элиасом (Массачусетский технологический институт, 1955), описывает случай системы, где периодически сигнал пропадает. Вводится определённая вероятность «стирания». Кажущаяся простота обманчива, широкий круг реальных проблем решается рядом допущений указанным путём.
• Стёртый пакет. Временами пропадает кусок кода.
• Произвольно меняющийся канал имитирует реальные непредсказуемые условия. Эксперты противопоставляют методику симметричной цифровой, предложенной Шенноном.

Аналоговые

Сами модели могут быть:

1. Линейными – нелинейными.
2. Непрерывными – дискретными.
3. Постоянной – динамической вероятности.
4. Узкополосные – широкополосные.
5. Инвариантные – переменные во времени.
6. Действительные (реальные) – комплексные.

Примеры:

1. Шумовая модель:
   • Аддитивная (белый Гауссовский шум) – линейная непрерывная постоянная.
   • Фазовое дрожание.
2. Интерференционная система: перекрёстные, межсимвольные помехи.
3. Искажения – нелинейные каналы.
4. Имитация амплитудно-частотной характеристики.
5. Групповая (фазовая) задержка.
6. Моделирование условий физического канала.
7. Расчёт распространения радиоволн.
   • Затухание мощности, вызванное ростом дальности.
   • Замирания: Рэлеевские, Райсовские, частотно-избирательные, теневые.
   • Доплеровский сдвиг, дополненный замираниями.
   • Трассировка лучей.
   • Моделирование сотовой связи.

Сотовые

Касаются подвижных абонентов: постоянно меняются скорость, ускорение, координаты. Моделирование беспроводных децентрализованных самоорганизующихся систем требует учёта специфических условий: шаблона трафика, особенностей регламента связи, поведения подписчиков.

• Широковещательный вариант часто называют типом «точка-многоточие». Единственный передатчик посылает несколько сообщений. Удалённость узлов неодинакова. Представима большая часть беспроводных каналов, исключая радиолюбительскую, двухстороннюю связь. Отлично вписывается нисходящая ветвь трафика сотовых сетей, в особенности при отсутствии помех соседней вышки.
• Множественный доступ предусматривает параллельную отправку сообщений несколькими передатчиками. Число приёмников варьируется. Существующая схема доступа к ресурсам дополняется методами контроля среды, включая схемы мультиплексирования. Приемлемо описывает восходящую ветвь трафика мобильных сетей.
• Релейный канал дополняет передатчик взаимосвязанной системой репитеров. Модель отлично описывает стандарт LTE.
• Интерференционный канал предусматривает наличие взаимных помех двух базовых станций. Помимо перекрёстных образуются канальные. Концепция прямо намекает на сотовые ячейки мобильных операторов. Ситуация усугубляется отсутствием ортогональных методик кодирования.
• Индивидуальная передача описывает поведение мобильного телефона, получившего выделенный ресурс вышки.
• Широковещательная схема использовалась пейджерами. Система Хамелеон выступает неплохим примером.
• Групповое вещание описывает случай передачи сообщения фиксированной группе абонентов. Тесно касается стандарта LTE.