Дипломная (вкр): Розробка волоконно-оптичної лінії передавання Вінниця-Луганськ

Скручена пара використовуються для передачі даних на відстані до декількох сотень метрів. Стандарт Ethernet обмежує довжину сегменту на неекранованих скручених парах до 100 м. Основний недолік неекранованої скрученої пари - сильна чутливість до впливу електромагнітних перешкод.

Таблиця 1.1                                            Таблиця 1.2

Екранована скручена пара (STP, Shielded Twisted Pair) (рисунок 6.8, д) добре захищає передаваня сигналів від впливу зовнішніх електромагнітних полів, але вимагає заземлення екрану при монтажі, що ускладнює і здорожує кабельну систему.

Кабель STP в основному використовується фірмою IBM, яка фірмовим стандартом визначила дев'ять його категорій, - від Type 1 до Type 9. Кабель Type 1 складається з двох пар і по параметрах близький до UTP cat.5, за винятком хвильового опору - 150 Ом. Кабелі STP використовуються в мережах Token Ring, Fast Ethernet і 100VG-AnyLAN.

Фольгована скручена пара FTP (Foiled Twisted Pair) - кабель, в якому скручені пари обгорнуті загальним фольговим екраном для підвищення стійкості до перешкод.

При побудові мереж використовуються також і скляні (точніше, кварцові) - волоконно-оптичні кабелі, де носіями даних є світлові хвилі.

Серцевина такого кабелю є тонке кварцове волокно, яке поміщене в пластикову оболонку, що відбиває. Розповсюджуючись по серцевині, промені світла не виходять за її межі, відбиваючись від покриваючого шару оболонки.

Залежно від розподілу показника заломлення і від величини діаметру серцевини розрізняють:

·              багатомодове ( Multi Mode Fiber, MMF) волокно із ступінчастою зміною показника заломлення;

·              багатомодове волокно з плавною зміною показника заломлення;

·              одномодове волокно (Single Mode Fiber, SMF).

У тонкому волокні (діаметр серцевини 5-15 мкм, що порівняно з довжиною світлової хвилі), може розповсюджуватися тільки один світловий промінь (одна мода). Такий кабель називають одномодовим (Single Mode Fiber, SMF). При цьому, за рахунок використання світлових хвиль різної довжини, можлива одночасна організація в одному волокні декількох високошвидкісних каналів. Смуга пропускання SMF- кабелю досягає 800 ТГц. Виробництво SMF-кабелю достатньо складне, крім того, для монтування такого кабелю потрібне використання прецизійного устаткування.

Тому поширеніший так званий багатомодовий (Multi Mode Fiber, MMF) волоконно-оптичний кабель, якому властива відносно велика товщина серцевини (40-110 мкм). При цьому світлові промені, що входять в кабель під різними кутами, відбиваються від стінок оболонки, проходять різні відстані і потрапляють до приймача в різний час, спотворюючи один одного. Існують способи зменшення спотворень, проте, в основному, за рахунок зменшення смуги пропускання. В результаті багатомодовий волоконно-оптичний кабель завдовжки 100 м може надати смугу пропускання в 1600 Мгц при довжині хвилі 0.85 мкм. Стандарт EIA/TIA-568A визначає два типорозміру багатомодового MMF -кабелю: 62,5/125 мкм і 50/125 мкм (перше число - діаметр внутрішнього провідника - серцевини, друге - діаметр оболонки).

Передачу сигналів по волокну в даний час здійснюють в трьох діапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм і 1.55 мкм. Ці діапазони названі вікнами прозорості. Параметр NA (Numberic Aperture)- числова апертура- дорівнює синусу кута вводу променя у світловоді визначається через показники заломлення шарів. В багатомодовому волокні апертура NA = 0,2-0,3 й кут вводу променю не перевищує 12-18о від вісі. В одномодовому волокні апертура NA = 0,122 й кут не перевищує 7о від вісі. Чим апертура більше, тим легше вводити промень у волокно, але тоді збільшується модова дісперсія та зменшується смуга пропускання. Як джерело світлових хвиль у волоконно-оптичних каналах використовують світлодіоди (LED, Light Emitting Diode) і лазерні діоди (ILD, Injection Laser Diode).

Перше покоління передавачів (1970 р.) будувалося на основі світлодіодів з довжиною хвилі 0.85 мкм в MMF-режимі. Друге покоління (кінець 1970-х) становили SMF-передавачі, що працюють на довжині хвилі 1.3 мкм. На початку 1980-х з'явилися передавачі третього покоління - лазерні діоди з довжиною хвилі 1.55 мкм. Четверте покоління оптичних передавачів (початок 1990-х) побудоване цілком на лазерних діодах і реалізує когерентні системи зв'язку з ЧМ або ФМ сигналу. П'яте покоління базується на використанні технології легування світловодів домішками ербію, які дозволяють підсилювати сигнали, що проходять по світлопроводу. Швидкість передавання в мережах SONET/SDH сягає 40 Гбіт/с.

Оптичні кабелі мають якнайкращі електромагнітні і механічні характеристики, не схильні до впливу електромагнітних перешкод, утрудняють перехоплення даних, але їх монтаж найбільш складний і трудомісткий, вимагає застосування спеціалізованого дорогого устаткування і кваліфікованого персоналу.

1.5 Безпровідні середовища передачі даних

Безпровідні мережі в основному використовують три технології передачі даних: передача в інфрачервоному діапазоні, передача даних за допомогою широкосмугових радіосигналів і передача даних за допомогою звичайних (“вузькосмугових”) радіосигналів.

1.6 Інфрачервоні канали (InfraReD channel)

Інфрачервоні канали працюють в діапазоні частот аж до 1000 ГГц, сигнали мало схильні до впливу електромагнітних перешкод, передача даних може здійснюватися на високій швидкості.

Три основні типи інфрачервоних каналів: прямої видимості; розсіяного випромінювання (хвилі відбиваються від підлоги, стін, стелі); відбитого випромінювання (приймачі напрямлені на загальний відбивач).

Основна проблема ІФЧ- каналів - поглинання і розсіювання інфрачервоних хвиль в атмосфері, сильна залежність від погодних умов. Лист паперу між передавачем і приймачем може блокувати передачу даних.

Використання ненапрямленої антени і малопотужного передавача (100 мВт) обмежує дальність зв'язку до 30-50 м.

Напрямлена антена і могутніший передавач (250 мВт) збільшують можливу дальність зв'язку до 10 км. Продукується устаткування для організації високошвидкісних інфрачервоних каналів (до 155 Мбіт/с) при дальності зв'язку до 150 м.

.7 Радіохвилі, сигнали з вузькосмуговим спектром

Звичайний радіосигнал займає вузьку смугу радіоспектру поблизу частоти-носія. Для надійного прийому такий сигнал повинен володіти значною енергією. Потужний сигнал з одного боку є сильним джерелом перешкод, а з іншого - він сам дуже схильний до впливу зовнішніх перешкод.

У вузькосмугових системах зв'язку використовується смуга частот в діапазоні 18-19 ГГц. Сигнал на цій частоті не може проникати через стіни (металеві і бетонні). Для організації комп'ютерних мереж вузькосмугові системи практично не застосовуються.

1.8 Радіохвилі, сигнали з широкосмуговим спектром

Радіоканали наземного і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Радіоканали відрізняються як по частотних діапазонах, так і по дальності каналу. Діапазони коротких, середніх і довгих хвиль (KХ, CХ і ДХ), використовують амплітудну модуляцію ( AM) сигналу, забезпечують телекомунікацію, але при невисокій швидкості передачі даних. Швидкіснішими є канали частотної модуляції ( FM), що працюють на діапазонах ультракоротких хвиль (УКХ), а також в діапазонах надвисоких частот (НВЧ). У діапазоні НВЧ (понад 4 Ггц) сигнали вже не відбиваються іоносферою Землі, і для стійкого зв'язку потрібна наявність прямої видимості між передавачем і приймачем. Тому такі частоти використовують або супутникові канали, або радіорелейні канали, де ця умова виконується.

Організація радіоканалу здійснюється в діапазонах частот близько 900МГц, 2.4 ГГц і 5.7 ГГц.

Широкосмуговий (spread spectrum) сигнал займає значно ширший частотний діапазон, ніж сигнал звичайної передачі. Для розширення спектру використовуються дві основні технології використання псевдовипадкового (шумоподібного) кодування сигналу. Обидві технології покладені в основу безпровідних мереж стандарту 802.11 (детальніше у розділі 17).

При використанні мініатюрних ненапрямлених антен можлива передача даних на декілька десятків метрів (30-50 м). Максимальна дальність зв'язку при роботі зі всенапрямленою антеною досягає 8 км. Напрямлені антени дозволяють збільшити дальність зв'язку до 10 км., а з використанням підсилювачів - до 50 км. Найбільш поширене в даний час устаткування 802.11n забезпечує пропускну спроможність до 300 Мбіт/с.

Розширення спектру частот дозволяє зменшити потужність джерела сигналів (типове значення вихідної потужності - 30...100 мВт). Радіосигналу з розподіленим спектром притаманна висока стійкість до перешкод і надійність, він здатний проникати крізь будівлі і інші споруди, що забезпечує відносно велику дальність зв'язку (для безпровідних середовищ).

.9 Стільниковий зв'язок

Стільниковий зв'язок заснований на застосуванні кабельних і безпровідних каналів. Базова структура мережі створюється на основі високошвидкісних кабельних каналів зв'язку, а підключення абонентів проводиться по радіоканалах, що дозволяє забезпечити їх мобільність.

Системи стільникового зв'язку будуються у вигляді сукупностей комірок-сот (cell), що покривають обслуговувану територію. В центрі кожної комірки розташовується базова станція (БС), з якою (по радіоканалах) зв'язуються всі абоненти, що знаходяться в межах даної комірки. На базовій станції розташовані приймальна і передавальна антени (часто використовується пара приймальних антен), декілька приймачів і передавачів (частот, що працюють на різних піддіапазонах, в межах виділеної даної БС смузі частот), контролер і блок сполучення з лінією зв'язку. Якщо абонент переміщується в іншу комірку, його починає обслуговувати інша БС. Всі БС пов'язані з центром комутації, у якого є підключення до звичайної міської телефонної мережі. Якщо мережа достатньо велика, то в ній може бути присутніми декілька зв'язаних між собою центрів комутації.

Основним принципом стільникового зв'язку є принцип повторного використання частот (frequency reuse), що дозволяє необмежено нарощувати ємкість системи (реальне обмеження - потужність центру комутації). Суть його в наступному. У поряд розташованих комірках використовуються різні смуги частот, що дозволяє сусіднім БС не конкурувати за загальну смугу, а абонентському устаткуванню легко вибирати найближчу до нього БС (по сигналу максимальної потужності). В той же час, одну і ту ж смугу можна використовувати в несуміжних комірках. Групу комірок, в якій кожен частотний діапазон використовується тільки однією коміркою, називають кластером. В результаті, для мережі довільного розміру, виявляється достатньою наявність трьох непересічних частотних діапазонів, тобто мережа може бути розбита на 3-елементні кластери.

Середовищем передачі інформації називаються ті лінії зв'язку (або канали зв'язку), по яких виробляється обмін інформацією між комп'ютерами. У переважній більшості комп'ютерних мереж (особливо локальних) використовуються провідні або кабельні канали зв'язку, хоча існують і бездротові мережі, які зараз знаходять усе більше широке застосування, особливо в портативних комп'ютерах.

Інформація в локальних мережах найчастіше передається в послідовному коді, тобто біт за бітом. Така передача повільніше й складніше, ніж при використанні паралельного коду. Однак треба враховувати те, що при більше швидкій паралельній передачі (по декількох кабелях одночасно) збільшується кількість сполучних кабелів у число раз, рівне кількості розрядів паралельного коду (наприклад, в 8 разів при 8-розрядному коді). Це зовсім не дріб'язок, як може здатися на перший погляд. При значних відстанях між абонентами мережі вартість кабелю цілком порівнянна з вартістю комп'ютерів і навіть може перевершувати її. До того ж прокласти один кабель (рідше два різнонаправлених) набагато простіше, ніж 8, 16 або 32. Значно дешевше обійдеться також пошук ушкоджень і ремонт кабелю.

Але це ще не все. Передача на більші відстані при будь-якому типі кабелю вимагає складної передавальної й прийомної апаратури, тому що при цьому необхідно формувати потужний сигнал на передавальному кінці й детектувати слабкий сигнал на прийомному кінці. При послідовній передачі для цього потрібно всього один передавач і один приймач. При паралельній же кількість необхідних передавачів і приймачів зростає пропорційно розрядності використовуваного паралельного коду. У зв'язку із цим, навіть якщо розробляється мережа незначної довжини (порядку десятка метрів) найчастіше вибирають послідовну передачу.

До того ж при паралельній передачі надзвичайно важливо, щоб довжини окремих кабелів були точно рівні один одному. Інакше в результаті проходження по кабелях різної довжини між сигналами на прийомному кінці утвориться часове зрушення, що може привести до збоїв у роботі або навіть до повної непрацездатності мережі. Наприклад, при швидкості передачі 100 Мбіт/с і тривалості біта 10 нс це часове зрушення не повиненно перевищувати 5-10 нс. Таку величину зрушення дає різниця в довжинах кабелів в 1-2 метри. При довжині кабелю 1000 метрів це становить 0,1-0,2%.

Треба відзначити, що в деяких високошвидкісних локальних мережах все-таки використовують паралельну передачу по 2-4 кабелям, що дозволяє при заданій швидкості передачі застосовувати більше дешеві кабелі з меншою смугою пропускання. Але припустима довжина кабелів при цьому не перевищує сотні метрів. Прикладом може служити сегмент 100Base-T4 мережі Fast Ethernet.

Промисловістю випускається величезна кількість типів кабелів, наприклад, тільки одна найбільша кабельна компанія Belden пропонує більше 2000 їхніх найменувань.

Всі кабелі можна розділити на три великі групи:

·              електричні (мідні) кабелі на основі кручених пар проводів (twisted pair), які діляться на екрановані (shielded twisted pair, STP) і неекрановані (unshielded twisted pair, UTP);