Компьютерные сети. 5-е издание

Рис. 2.8. Электромагнитный спектр и его применение в связи
Из выкладок Шеннона известно, что количество информации, которое может переносить сигнал, такой как электромагнитная волна, зависит от мощности приемника и пропорционально полосе пропускания. Из рис. 2.8 должно быть понятно, почему
разработчики сетей так любят оптоволоконную связь. В высокочастотном диапазоне для передачи данных доступна широкая полоса пропускания — шириной в несколько гигагерц, — особенно если речь идет об оптоволокне, которое находится в правой части нашей логарифмической шкалы. Например, рассмотрим 1,30-мк диапазон, изображенный на рис. 2.6; его ширина 0,17 мк. С помощью выражения (2.2) можно найти начальное и конечное значения частот диапазона, зная длину волн. Таким образом, диапазон составляет примерно 30 000 ГГц. При допустимом отношении «сигнал/шум» в 10 дБ это 300 Тбит/с.
Большинство систем связи используют относительно узкие полосы частот (то есть 
. Сигналы концентрируются в узкой полосе для эффективного использования спектра и достижения хорошей скорости передачи данных при достаточно мощной передаче. Однако иногда используются и широкие полосы. При этом возможны три варианта. Когда применяется расширенный спектр с перестройкой частоты, то передатчик изменяет частоту работы сотни раз в секунду. Этот метод очень популярен в военных системах связи, потому что такой сигнал тяжело перехватить и почти невозможно заглушить. Он также обладает хорошей защищенностью от многолучевого затухания и сосредоточенных помех, поскольку приемник не задерживается на искаженной частоте надолго, и разговор не прерывается. Устойчивость и надежность особенно важны в наиболее заполненных частях спектра, например в полосах ISM (industrial, scientific and medical band, промышленный, научный и медицинский диапазоны), которые мы вкратце рассмотрим. В коммерческих системах данная техника также применяется, например, в Bluetooth и старых версиях 802.11.
С историей изобретения метода перестройки частоты связан один курьез. Одним из его изобретателей была австрийская секс-богиня Хэди Ламмар (Hedy Lammar) — первая женщина, снявшаяся в кино в обнаженном виде (это был чешский фильм 1933 года под названием Extase). Ее первый муж занимался производством оружия и как-то раз рассказал Хэди, как легко блокируются радиосигналы управления торпедами. Когда вдруг обнаружилось, что он продает вооружение гитлеровской армии, Хэди была вне себя. Она переоделась горничной и сбежала из дома. Поехала в Голливуд, где продолжила свою актерскую карьеру. А в свободное от работы время взяла и изобрела метод перестройки частоты. Хэди мечтала хоть чем-нибудь помочь союзным войскам. В ее схеме использовалось 88 частот, по числу клавиш (и частот) на пианино. Вместе со своим другом, композитором Джорджем Антейлом (George Antheil), они запатентовали свое изобретение (патент № 2 292 387). К сожалению, Хэди не удалось убедить военно-морской флот США в том, что метод перестройки частот может иметь какое-то практическое значение, поэтому никаких гонораров за изобретение получено не было. Только через много лет после окончания срока действия патента метод передачи данных, придуманный киноактрисой и композитором, стал популярен.
Еще один метод, использующий широкую полосу частот, называется расширенным спектром с прямой последовательностью. Кодовая последовательность применяется для распределения сигнала данных по более широкой полосе частот. Этот метод широко используется в коммерческих системах, так как позволяет эффективно передавать несколько сигналов внутри одной полосы частот. Сигналам можно присваивать разные коды; этот метод называется CDMA (Code Division Multiple Access,
  
кодовое разделение каналов с множественным доступом). О нем мы поговорим чуть позже в этой главе. На рис. 2.9 показано, как данный метод отличается от метода с перестройкой частоты. Кстати, он лежит в основе мобильных телефонных сетей 3G, а также используется в системах GPS (Global Positioning System, глобальная система определения координат). Даже без назначения кодов расширенный спектр с прямой последовательностью, так же как и расширенный спектр с перестройкой частоты, устойчив к сосредоточенным помехам и многолучевому замиранию, так как теряется при этом только часть сигнала. Именно поэтому он применяется в старых беспроводных сетях 802.11b. Занимательную и подробную историю средств связи с расширенным спектром см. в книге (Scholtz, 1982).
Рис. 2.9. Расширенный спектр и передача данных по сверхширокой полосе пропускания
Третий метод передачи данных в широкой полосе называется UWB-коммуникацией или коммуникацией в ультрашироком диапазоне. Для пересылки информации отправляется последовательность коротких импульсов, изменяющих свое положение. Большое количество коротких импульсов формирует сигнал, распределенный по очень широкой полосе частот. Полоса пропускания UWB-коммуникации составляет минимум 500 МГц или минимум 20 % от значения центральной частоты соответствующей полосы частот. Рисунок 2.9 также иллюстрирует UWB-коммуникацию. С такой полосой пропускания возможна передача данных на очень высоких скоростях. А распределение по широкому диапазону частот позволяет сигналу выдерживать значительное количество относительно сильных помех со стороны других узкополосных сигналов. Также важно, что так как при передаче данных на короткое расстояние UWB-передатчик излучает на каждой конкретной частоте сигнал малой мощности, он не создает серьезных помех для этих узкополосных радиосигналов. Можно сказать, что по отношению к другим сигналам UWB-передача остается фоновой. Благодаря такому мирному существованию на свет появился новый вид сетей — PAN, Personal Area Network. Скорость передачи данных в персональной сети — до 1 Гбит/с. Нельзя сказать, однако, что это стало несомненным коммерческим успехом. UWB-коммуникацию можно применять для получения изображений объектов, находящихся за твердой преградой (земля, стены, тела людей или животных), а также в системах точного определения местоположения.
Теперь рассмотрим использование различных частей электромагнитного спектра, показанного на рис. 2.8, начиная с радиосвязи. Если не указано иное, будем предполагать, что передача данных осуществляется в узкой полосе частот.
2.3.2. Радиосвязь
Радиоволны просто сгенерировать, они могут преодолевать большие расстояния, проходить сквозь стены и огибать здания, поэтому их область применения довольно широка. Радиосвязь устанавливают как в помещениях, так и вне зданий. Кроме того, радиоволны могут распространяться одновременно во всех направлениях, поэтому для низких частот не требуется тщательного наведения антенн передатчика и приемника.
В некоторых случаях такое свойство радиоволн является удобным, но иногда оно нежелательно. В 1970-х годах компания General Motors решила оснастить новые автомобили «Кадиллак» управляемой с помощью компьютера системой антиблокировки тормозов. Когда водитель нажимал на педаль тормоза, компьютер, чтобы тормоза не заблокировались, выдавал серию импульсов команд включения и выключения тормозов. В один прекрасный день полицейский, патрулирующий шоссе в штате Огайо, решил связаться со своим участком с помощью новой портативной радиостанции. При этом едущий рядом с ним «Кадиллак» внезапно стал скакать, как дикая лошадь. Когда офицер остановил машину, водитель клялся, что не предпринимал никаких действий и что машина вдруг просто взбесилась.
Подобные случаи стали повторяться: «Кадиллаки» иногда сходили с ума, но только на главных автострадах штата Огайо и только под присмотром дорожного патруля. В течение очень долгого времени компания General Motors никак не могла понять, почему во всех других штатах и на небольших дорогах в Огайо «Кадиллаки» вели себя прекрасно. Только после долгих упорных исследований было обнаружено, что проводка «Кадиллака» представляла собой прекрасную антенну для частот, используемых новой радиосистемой дорожного патруля штата Огайо.