Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071900 Радиотехника, электроника и телекоммуникации. Алматы 2013
Лекция 1. История развития сетевых технологий
жүктеу/скачать 120,45 Kb.
|
технология беспроводной связи
| Лекция 1. История развития сетевых технологий
Цель лекции: ознакомить студентов с историей развития сетевых технологий. Связь – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества. Беспроводные сети передачи информации, как следует из названия, базируются на совокупности двух групп технологий – беспроводной передачи информации и сетевого взаимодействия. В настоящее время беспроводная связь позволяет реализовать полный спектр информационных услуг: передачу телефонных сообщений, обмен данными, подключение к глобальным информационным сетям, получение и передачу видеоизображений, телевидение и т.д. Беспроводные технологии зарождались в 19 веке. В 1892 г. английский ученый Вильям Крукс показал возможности и описал принципы радиосвязи. В 1893 г. ученый Никола Тесла продемонстрировал передачу сигналов на расстояние. Тогда это событие не вызвало должного резонанса, возможно, потому что Тесла интересовался беспроводной передачей на расстояние не информации, а энергии. С 1878 г. над проблемой беспроводной связи работал Александр Степанович Попов 7 мая 1895 г. На заседании физического отделения Российского физико-химического общества состоялся его исторический доклад «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям». Тогда А.С. Попов продемонстрировал свой прибор для регистрации грозовых разрядов и высказал мысль о возможности его применения для беспроводной связи. Первая публичная демонстрация прототипа всех грядущих беспроводных систем состоялась 24 марта 1986 г. на заседании того же физико-химического общества: А.С. Попов передал на расстояние 250 м, первую в мире радиограмму, состоящую из двух слов: «Генрих Герц». С 1894 г. успешно экспериментировал с физическими приборами для генерации и регистрации электромагнитных колебаний Г. Маркони, он установил связь через Атлантику. В 1906 г. Ли де Форест создал первую электронную лампу - появилась возможность строить электронные усилители сигналов. С тех пор беспроводная связь развивается еще более быстрыми темпами. С 20-х годов началось коммерческое радиовещание (по средствам амплитудной модуляции). С 1933 г. Э. Армстронг изобрел частотную модуляцию, началось ЧМ - радиовещание. В 1946 г. компании Bell system и AT&T присутствовали при эксплуатации системы подвижной телефонной связи (MTS). Для полудуплексной связи использовалось 6 каналов шириной по 60 кГц на частоте 150 МГц, однако из-за межканальной интерференции число каналов сократили до трёх. Система позволяла соединяться с городской телефонной сетью. 12 августа 1960 г. был выведен на орбиту высотой 1500 км первый спутник связи - американский космический аппарат (КА) «ЭХО - 1». Это был надувной шар с металлизированной оболочкой диаметром 30м, выполняющий функции пассивного ретранслятора. В 1962 г. в США на низкие орбиты были запущены первые спутники с активными ретрансляторами. Мощность их передатчиков не превышала 2 Вт. В 1964 г. впервые спутник связи был выведен на геостационарную орбиту. Создается международный консорциум спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite Organization), который стал крупнейшей международной организацией в области спутниковой связи. Сегодня ее услугами пользуются более чем в 200 странах. В 1965 г. был выведен на орбиту и начал успешно работать первый советский спутник связи «Молния - 1». Началась эра спутниковой связи. В истории сетевых технологий очередной этап начался в 60-е годы прошлого столетия и связан с массовым появлением компьютеров. Возникла потребность в передаче большого объема данных, зародилось понятие локальной вычислительной сети. Был разработан механизм коммутации сообщений (пакетов). Большой работой в этой области явилась диссертация Л. Клейнрока «Информационный поток в больших коммутационных сетях». В 1964 г. опубликована работа П. Барана «О распределенных коммутациях». В ней были сформулированы принципы избыточной коммуникативности и показаны различные модели формирования коммуникационной системы, способной успешно функционировать при наличии значительных повреждений. Так же была создана первая нелокальная компьютерная сеть. В 1962 г. А. Харкевичем впервые в мире были сформированы основные принципы создания единой сети связи (ЕСС), предугадана важность цифровых методов передачи и коммутации различных видов информации в цифровой форме. Знаковыми для сетевых технологий стали 1967-1968 г., разработана первая локальная вычислительная сеть с пакетной коммутацией. Сеть работала с пиковой скоростью – до 768 кбит/с. Был представлен начальный план сети ARPANET. Леонард Клейнрок построил первый узел ARPANET – преобраз грядущего интернета. В 1970 г. появилась первая пакетная радиосеть передачи данных (через спутник) ALOHA. Её разработал и построил Н. Абрамсон. В 1972 г. ALOHA соединили с сетью ARPANET. В 1977 г. К. Тамару предложил метод адаптации технологии Ethernet к передачи данных через радиоканал посредством механизма подтверждений. Эта работа заложила основу будущих беспроводных локальных вычислительных сетей. В1978 г. Бахрейне телефонная компания начала эксплуатацию коммерческой системы беспроводной телефонной связи, которая считается первой в мире реальной системой сотовой связи. Две зоны с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов. За каждым событием в области беспроводных технологий стоят напряженная работа и выдающиеся достижения специалистов всего мира. Все беспроводные технологии непрерывно развивались в сторону повышения быстродействия и надежности сетей передачи информации, возможности интегрированной передачи данных, голоса и видеоинформации. Основополагающим для беспроводных сетей стало массовое появление персональных компьютеров, развитие сотовой телефонии, а также стремительное развитие полупроводниковых технологий (создание дешевых сигнальных процессоров и микроконтроллеров, аналоговых СВЧ интегральных схем). Бурное развитие беспроводных сетей передачи информации связано с такими их достоинствами: 1) гибкость архитектуры, возможность динамического изменения топологии сети при подключении, передвижении и отключении мобильных пользователей без значительных потерь времени; 2) высокая скорость передачи информации (1-10 Мбит/с и выше); 3) быстрота проектирования и развертывания; 4) высокая степень защиты от несанкционированного доступа; 5) отказ от дорогостоящей и не всегда возможной прокладки или аренды оптоволоконного и медного кабеля. Лекция 2. Системы беспроводной связи. Индивидуальная радиосвязь Цель лекции: изучение классификации систем беспроводной связи и ознакомление со стандартами транкинговых систем, спутниковой связи, систем персонального радиовызова и мобильными компьютерами. Критериев классификации можно разрабатывать достаточно много, они не могут укладываться в четкие границы определенного класса, да и по мере развития устоявшиеся системы могут устаревать. Поэтому остановимся на наиболее популярных способах ранжирования различных беспроводных систем. Классифицируются системы беспроводной связи по следующим нескольким признакам: а) по способу обработки первичной информации: 1) аналоговые; 2) цифровые; б) по назначению: 1) сотовые; 2) пикосотовые (бесшнуровые телефонные); 3) транкинговые; 4) спутниковые; 5) оптические; 6) пейджинговые; в) по методам многостанционного доступа: 1) с частотным разделением каналов FDMA; 2) с временным разделением каналов TDMA; 3) с кодовым разделением каналов CDMA; 4) комбинированные; г) по способу организации канала связи: 1) симплексные; 2) дуплексные; 3) полудуплексные; д ) по ширине полосы передачи: 1) на узкополосные; 2) на широкоплосные; 3) сверхширокополосные; е) по локализации абонентов: 1) на подвижные; 2) фиксированные; ж) по географической протяженности: 1) персональные; 2) локальные; 3) региональные (городские); 4) глобальные; з) по виду передаваемой информации: 1) на системы передачи речи; 2) видеоинформации; 3) передачи данных. Совместить практически все технологии в одном терминале позволяет новый стандарт универсальных мобильных телекоммуникационных систем (UMTS), разработанный в 1998-1999 годах. Концепция UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) реализуется сейчас в рамках создания подвижных телекоммуникационных радиосистем нового поколения. Возможность переключения с одного диапазона на другой, перехода со стандарта на стандарт или со спутникового канала на сотовый позволяет абоненту выбрать тот вид услуг, который в наибольшей степени ему подходит. Поэтому терминалы UMTS являются многорежимными, работающими в сетях нескольких стандартов. Многорежимные абонентские аппараты с возможностью доступа как к UMTS, так и к другим системам беспроводной связи, например, GSM позволяет абонентам UMTS сохранить доступ к сотовой связи стандарта GSM там, где услуги UMTS будут еще недоступны. Основными требованиями, предъявляемыми абонентами и операторами к профессиональным системам подвижной связи, являются: - обеспечение связи в заданной зоне обслуживания независимо от местоположения абонентов; - возможность взаимодействия отдельных групп абонентов и организация циркулярной связи; - оперативность управления связью, в том числе на различных уровнях; - обеспечение связи через центры управления; - возможность приоритетного установления каналов связи; - низкие энергетические затраты подвижной станции; - конфиденциальность переговоров. Отличительная особенность транкинговых систем - возможность эффективного использования полосы частот за счет организации свободного доступа к общему частотному ресурсу ретрансляционного пункта, содержащего обычно несколько ретрансляторов, связанных друг с другом с помощью общей шины управления. Гибкая архитектура транкинговых систем позволяет передавать как индивидуальные вызовы, так и вызовы абонентов нескольких групп или сразу всех абонентов сети. Работа станции на излучение в таких системах обычно осуществляется не непрерывно, а лишь по нажатию тангенты радиотелефона, что уменьшает перегруженность эфира. Однако существующие сети транкинговой профессиональной связи первого поколения не гарантируют высокой конфиденциальности и надежной защиты от несанкционированного доступа, и, что особенно существенно, не обеспечивают аутентификацию абонентов и идентификацию абонентского оборудования. Эти задачи решены в цифровых системах профессиональной связи второго поколения (АРСО, TETRA), которые призваны заменить огромное число несовместимых друг с другом аналоговых стандартов. B TETRA заложены универсальные технические решения, которые позволяет с минимальными затратами реализовывать систему в разных диапазонах частот и с отличающимися протоколами связи. Наряду с экономией частотного ресурса система TETRA обеспечивает большие возможности в части наращивания технических возможностей, предусматривая в перспективе предоставление услуг 3-го поколения и реализацию разных сценариев внедрения. Земные станции беспроводной спутниковой связи первого поколения (стандарт Inmarsat-A) предназначались в основном для создания ведомственных и корпоративных сетей с радиально-узловой структурой с большими центральными станциями. Революционные преобразования в области мобильной спутниковой связи произошли в начале 90-х и были обусловлены тремя факторами: коммерциализацией космических программ, использованием низких и средних орбит и повсеместным переходом на цифровую связь с использованием цифровых сигнальных процессоров. В результате были реализованы несколько проектов глобальных систем спутниковой связи на низких орбитах (Iridium, Globalstar), средневысотных (ICO) и две региональные системы (AceS и Thuraya). Транкинг - это метод свободного доступа большого числа абонентов к ограниченному числу каналов (пучку, стволу или по зарубежной терминологии - транку). Поскольку в какой - либо момент времени не все абоненты активны, необходимое количество каналов значительно меньше общего числа абонентов. Например, при числе каналов, равном 5 (4 речевых каналов и 1 канал управления), транкинговая система в состоянии обслужить около 300 абонентов. В сравнении с сотовыми системами к преимуществам транкинговых радиосистем следует отнести: - гибкую систему вызовов – индивидуальный, групповой, вещательный, приоритетный, аварийный и др.; - гибкую систему нумерации – от порожних двухзначных до полноценных звуковых номеров; - малое время установления соединения – доли секунды против нескольких секунд в сотовых системах; - экономичность – по стоимости оборудования и по эксплуатационным расходам простейшие транкинговые радиосистемы в несколько раз экономичнее сотовых систем. Принцип радиально - зоновых систем наземной подвижной радиосвязи, осуществляющих автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами, объединяет все транкинговые системы: от простейших SmarTrunk, MPT 1327 до современных TETRA. TETRA является европейским стандартом цифровой радиосвязи. Этот стандарт ориентирован, в первую очередь, на пользователей в сфере общественной безопасности, транспорта, коммунальных служб. Стандарт TETRA, применяющий технологию множественного доступа с временным разделением, лучше всего подходит для связи в городских районах с высокой плотностью населения, характерной для стран северо-западной Европы. Он предусматривает работу только в режиме транкинговой связи, использование ограниченных уровней мощности и узких частотных диапазонов. Системы персонального радиовызова (пейджинговые системы) сейчас работают в основном в двух основных стандартах: POCSAG и FLEX. Пейджинговые компании Казахстана и стран СНГ в подавляющем большинстве используют POCSAG со скоростями передачи данных 512 или 1200 бит/сек. Частотный диапазон, используемый этими компаниями 138-174 MГц, хотя и есть компании, работающие в диапазоне 435-480 MHz. В странах дальнего зарубежья широко распространен диапазон 929-932 MHz. Большое достоинство пейджинговых систем – наиболее экономное расходование спектра – на одной частоте производится обслуживание до 10 тысяч абонентов. Однако в связи с развитием и удешевлением цифровых сотовых систем потребность в пейджинговых системах сейчас падает. Мобильные компьютеры — это небольшие, обычно портативные устройства, которые используются на расстоянии от офисного настольного компьютера. Они представляют наиболее быстрорастущий сегмент компьютерной индустрии. Все они оснащены, как минимум, беспроводной инфракрасной связью. Имеются компьютеры еще меньших размеров и более мобильные, нежели компьютеры класса laptop (наколенные). Ноутбуки, субноутбуки, ручные (palmtops) и карманные (handholds) компьютеры и персональные цифровые секретари (personal digital assistants), которые объединяют функции органайзера, пейджера и сотового телефона, — все это пользующиеся популярностью, модернизированные компьютеры. Аналитики прогнозируют громадный рост рынка этих новых мобильных персональных устройств, называющихся PDA, коммуникаторы или смартфоны, поскольку они спроектированы для удобного использования теми, кто перемещается в процессе работы. Мобильные компьютеры зачастую работают, когда человек стоит или идет. Пользователь может держать компьютер в одной руке, как можно держать папку, блокнот или сотовый телефон, и работать другой рукой. С компьютерами класса laptop это невозможно. Чтобы быть удобными и удовлетворять требованиям работающих с ними, мобильные компьютеры должны быть меньше, легче, прочнее и проще в работе. Часто пользователям в равной мере будет необходим передвижной и гибкий доступ к удаленным базам данных и центральным ЭВМ с помощью беспроводных сетей, обычно в форме подвижных радиосетей, соединенных с национальными и международными коммутируемыми телефонными сетями общего пользования. Чтобы сделать мобильные компьютеры удобными, имеется целый ряд компьютерных и смешанных (компьютер — подвижная связь) технологий: - перьевой ввод и распознавание речи может привести к замене клавиатуры и сделать компьютеры более удобными и функциональными; - радиосвязь позволяет пользователям обмениваться информацией в пределах комнаты, здания, города, страны или по всему миру; - малогабаритные, более современные микропроцессоры с расширенной компактной памятью для хранения больших объемов информации и современные цифровые системы радиосвязи могут обрабатывать и передавать данные более эффективно; - новые технологии производства элементов питания и эффективное программное обеспечение для управления мощностью позволяют компьютерам и смартфонам работать на одной зарядке батарей более длительные периоды времени. жүктеу/скачать 120,45 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|