Старт-стопный протокол характеризуется тем, что, прежде чем посылать новый кадр информации, передатчик ждет подтверждения о правильном получении приемником предыдущего кадра, в конвейерных протоколах такое подтверждение может быть получено после передачи нескольких кадров. В последнем случае меньше задержки на ожидание подтверждений (квитанций), но больше затраты на повторную пересылку в случае ошибок.

Защита от несанкционированного доступа реализуется или аппаратно в модеме, или в связной (коммутационной) программе.

Обычно в протоколах предусматриваются режимы командный и обмена данными.

Примеры действий, выполняемых по командам в командном режиме: имитация снятия трубки и ответ на вызов; имитация снятия трубки и набора номера (после того как связь установится, модем переходит в режим обмена данными); переход из дуплексного режима в полудуплексный; отключение внутреннего динамика модема и др.

Команды может набирать пользователь, но в большинстве почтовых программ типовые последовательности команд выполняются автоматически после обращения к соответствующим процедурам.

Стандартом "де-факто" стал набор команд, реализуемый фирмой Hayes в своих модемах, это так называемые AT - или Hayes-команды.

Операции, выполняемые в режиме обмена данными, иллюстрирует фрагмент процесса, показанный на рис. 2.4. Имеется ограничение на число подряд поданных сигналов ack или nak и на время передачи.

Рис. 2.4. Процесс связи по протоколу XModem

Основой для многих протоколов модемной связи стал протокол XModem. В базовом варианте этого протокола используется старт-стопное управление, размер одного блока сообщения (пакета) равен 128 байт и 1 байт отводится под контрольную сумму. В варианте XModem-CRC реализован более жесткий контроль ошибок за счет использования циклического кода с 16-разрядной проверяющей комбинацией. В варианте XModem-1k дополнительно введено автоматическое увеличение длины блока до 1024 байт при малой частоте ошибок. В варианте YModem по сравнению с XModem-CRC разрешена групповая передача файлов. В наиболее распространенном протоколе ZModem используется конвейерное управление (иначе называемое оконным), длина пакета автоматически меняется от 01.01.01 байт в зависимости от качества канала. Если на приемном конце ZModem не поддерживается, то автоматически протокол переходит в Ymodem. Прерванная передача продолжается с места прерывания.

12. Кодово-импульсная модуляция. Кодово-импульсная модуляция (КИМ или PCM - Pulse Code Modulation) используется для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи.

Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на dt, и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом. Величина dt определяется по теореме Котельникова: для неискаженной передачи нужно иметь не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала. В цифровых каналах ISDN (Integrated Services Digital Network) за основу принята передача голоса с частотным диапазоном до 4 кГц, а кодирование производится восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, т. е. биты передаются с частотой 64 кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).

При преобразовании амплитуды А аналогового сигнала в цифровой код К желательно учитывать нелинейность амплитудных характеристик приборов и иметь зависимость К от А мнонотонно убывающей с ростом амплитуды.

Разновидностями КИМ являются дельта-модуляция (ДМ), дифференциальная ДМ (ДДМ) и адаптивная ДМ (АДДМ). В них передаются разности амплитуд А1 и А2 соседних отсчетов. При этом в ДМ А1 - амплитуда на входе модулятора, а А2 - амплитуда отсчета, которая соответствует переданному сигналу в предыдущем временном такте. Для представления разности используется всего 1 бит (т. е. передается знак разности), поэтому нужна достаточно высокая частота отсчетов, чтобы не было "запаздывания" изменений передаваемого сигнала по сравнению с реальными изменениями.

ДДМ отличается от ДМ тем, что знак разности А1-А2 передается только в момент пересечения величиной А1 одного из уровней квантования. В АДДМ шаги отсчетов адаптируются к динамике изменения величины сигнала.

13. Цифровые каналы передачи данных. Различают несколько технологий связи, основанных на цифровых каналах передачи данных.

Связь ООД с АКД (например, компьютера с модемом или низкоскоростными периферийными устройствами) чаще всего осуществляется при помощи последовательных интерфейсов RS-232С, RS-422 (их аналогами в системе стандартов ITU являются V.24, V.11), а связь ООД с цифровыми сетями передачи данных - при помощи интерфейсов Х.21, X.35, G.703.

Примечание: Стандарты ITU серии V разрабатывались для передачи информации по телефонным линиям, а стандарты ITU серии X - для передачи данных.

В качестве магистральных каналов передачи данных в США и Японии применяют стандартную многоканальную систему Т1 (иначе DS-1). Она включает 24 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). В каждом канале применена кодово-импульсная модуляция с частотой следования отсчетов 8 кГц и с квантованием сигналов по 28 = 256 уровням, что обеспечивает скорость передачи 64 кбит/с на один канал или 1554 кбит/с на аппаратуру Т1. В Европе более распространена аппаратура Е1 с 32 каналами по 64 кбит/с, т. е. с общей скоростью 2048 кбит/с. Применяются также каналы Т3 (или DS-3), состоящие из 28 каналов Т1 (45 Мбит/с) и Е3 (34 Мбит/с) преимущественно в частных высокоскоростных сетях.

В Т1 использовано временное мультиплексирование (TDM). Все 24 канала передают в мультиплексор по байту, образуя 192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. 24 кадра составляют суперкадр. В суперкадре имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация. Сборку информации из нескольких линий и ее размещение в магистрали Т1 осуществляет мультиплексор. Канал DS-0 (один слот) соответствует одной из входных линий, т. е. реализуется коммутация каналов. Некоторые мультиплексоры позволяют маршрутизировать потоки данных, направляя их в другие мультиплексоры, связанные с другими каналами Т1, хотя собственно каналы Т1 называют некоммутируемыми.

При обычном мультиплексировании каждому соединению выделяется определенный слот (например, канал DS-0). Если же этот слот не используется из-за недогрузки канала по этому соединению, но по другим соединениям трафик значительный, то эффективность невысокая. Загружать свободные слоты или, другими словами, динамически перераспределять слоты можно, используя так называемые статистические мультиплексоры на основе микропроцессоров. В этом случае временно весь канал DS-1 или его часть отдается одному соединению с указанием адреса назначения.

В современных сетях важное значение имеет передача как данных, представляемых дискретными сигналами, так и аналоговой информации (например, голос и видеоизображения первоначально имеют аналоговую форму). Поэтому для многих применений современные сети должны быть сетями интегрального обслуживания. Наиболее перспективными сетями интегрального обслуживания являются сети с цифровыми каналами передачи данных, например, сети ISDN.

Сети ISDN могут быть коммутируемыми и некоммутируемыми. Различают обычные ISDN со скоростями от 56 кбит/с до 1,54 Мбит/с и широкополосные ISDN (Broadband ISDN, или B-ISDN) со скоростями 155Мбит/с. Более перспективны B-ISDN, в настоящее время технология B-ISDN активно осваивается.

Применяют два варианта обычных сетей ISDN - базовый и специальный. В базовом варианте имеются два канала по 64 кбит/с (эти каналы называют В каналами) и один служебный канал с 16 кбит/с (D канал). В специальном варианте - 23 канала В по 64 кбит/с и один или два служебных канала D по 16 кбит/с. Каналы В могут использоваться как для передачи закодированной голосовой информации (коммутация каналов), так и для передачи пакетов. Служебные каналы используются для сигнализации - передачи команд, в частности, для вызова соединения. Применяют специальные сигнальные системы, устанавливающие перечень и форматы команд. В настоящее время основной сигнальной системой становится система SS7 (Signaling System-7).

Очевидно, что для реализации технологий Т1, Т3, ISDN необходимо выбирать среду передачи данных с соответствующей полосой пропускания.

Схема ISDN показана на рис. 2.5. Здесь S-соединение - 4-проводная витая пара. Если оконечное оборудование не имеет интерфейса ISDN, то оно подключается к S через специальный адаптер ТА. Устройство NT2 объединяет S-линии в одну Т-шину, которая имеет два провода от передатчика и два - к приемнику. Устройство NT1 реализует схему эхо-компенсации (рис. 2.3) и служит для интерфейса Т-шины с обычной телефонной двухпроводной абонентской линией U.

Рис. 2.5. Схема ISDN.

Примером цифровой сети может служить Московская цифровая наложенная сеть (МЦНС), структура которой представлена на рис. 2.6. Здесь, как и во многих других применениях цифровых каналов, Т1/Е1 выполняет роль магистрального канала передачи данных между узловыми станциями (центрами коммутации), а сеть ISDN используется для подключения к магистрали и поэтому носит название соединения "последней мили".

Рис. 2.6. Московская цифровая наложенная сеть

Для подключения клиентов к узлам магистральной сети с использованием на "последней миле" обычного телефонного кабеля наряду с каналами ISDN можно использовать цифровые абонентские линии xDSL. К их числу относятся HDSL (High-bit-rate Digital Subcriber Loop), SDSL (Single Pair Symmetrical Digital Subcriber Loop), ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Loop). Например, в HDSL используются две пары проводов, амплитудно-фазовая модуляция без несущей, пропускная способность до 2 Мбит/с, расстояния до 7,5 км. Применяемые для кодирования устройства также называют модемами. Собственно ISDN можно рассматривать, как разновидность xDSL.

14. Беспроводные каналы связи. В беспроводных каналах передача информации осуществляется на основе распространения радиоволн. В табл. 2.1 приведены сведения о диапазонах электромагнитных колебаний, используемых в беспроводных и оптических каналах связи.

Таблица 2.1

Для организации канала ПД в диапазонах дециметровых волн (902...928 МГц и 2,4...2,5 ГГц) требуется регистрация в Госсвязьнадзоре. Работа в диапазоне 5,725...5,85 ГГц пока лицензирования не требует.

Чем выше рабочая частота, тем больше емкость (число каналов) системы связи, но тем меньше предельные расстояния, на которых возможна прямая передача между двумя пунктами без ретрансляторов. Первая из причин и порождает тенденцию к освоению новых более высокочастотных диапазонов.

Радиоканалы входят необходимой составной частью в спутниковые и радиорелейные системы связи, применяемые в территориальных сетях, в сотовые системы мобильной связи, они используются в качестве альтернативы кабельным системам в локальных сетях и при объединении сетей отдельных офисов и предприятий в корпоративные сети. Во многих случаях применение радиоканалов оказывается более дешевым решением по сравнению с другими вариантами.

В территориальных сетях на региональном уровне часто используются радиорелейные линии связи (коммутация каналов, диапазон частот 15...23 ГГц, связь в пределах прямой видимости, что ограничивает дальность между соседними станциями - до 50 км при условии размещения антенн на строениях типа башен). Последовательность станций, являющихся ретрансляторами, позволяет передавать информацию на значительные расстояния.

Радиосвязь используется в корпоративных и локальных сетях, если затруднена прокладка других каналов связи. Радиоканал либо выполняет роль моста между подсетями (двухточечное соединение), либо является общей средой передачи данных в ЛВС по излагаемому далее методу МДКН/ОК (см. гл. 4), либо служит соединением между центральным и терминальными узлами в сети с централизованным управлением.

В первом случае (связь двух сетей) имеем двухточечное соединение с направленными антеннами, дальность в пределах прямой видимости (обычно до 15-20 км с расположением антенн на крышах зданий). Мост имеет два адаптера: один для формирования сигналов для радиоканала, другой - для кабельной подсети.

В случае использования радиоканала в качестве общей среды передачи данных в ЛВС сеть называют RadioЕthernet (стандарт IEEE 802.11), она обычно используется внутри зданий. В состав аппаратуры входят приемопередатчики и антенны. Связь осуществляется на частотах от одного до нескольких гигагерц. Расстояния между узлами - несколько десятков метров.

В соответствии со стандартом IEEE 802.11 возможны два способа передачи двоичной информации в ЛВС, оба они имеют целью обеспечить защиту информации от нежелательного доступа.

Первый способ нзывается методом прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum). В нем вводится избыточность - каждый бит данных представляется последовательностью из 11 элементов ("чипов"). Эта последовательность создается по алгоритму, известному участникам связи, и потому может быть дешифрирована при приеме. Избыточность повышает помехоустойчивость, что позволяет снизить требования к мощности передатчика, а для сохранения высокой скорости нужно расширять полосу пропускания. Так, в аппаратуре фирмы Aironet в диапазоне 2,4 ГГц имеются 4 канала шириной в 22 МГц.

Второй способ - метод частотных скачков (FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum). В этом методе полоса пропускания делится на 79 поддиапазонов. Передатчик через каждые 20 мс переключается на новый поддиапазон, причем алгоритм изменения частот известен только участникам связи и может изменяться, что и затрудняет несанкционированный доступ к данным.

В варианте использования радиоканалов для связи центрального и периферийного узлов центральный пункт имеет ненаправленную антенну, а терминальные пункты при этом используют направленные антенны. Дальность связи составляет также десятки метров, а вне помещений - сотни метров. Пример многоточечной системы: ненаправленная антенна по горизонтали, угол 30 градусов по вертикали, 5,8 ГГц - к терминалам, 2,4 ГГц - к центральному узлу, до 62 терминалов, дальность - 80 м без прямой видимости. В системе RoomAbout связь на частоте 920 МГц гарантируется на расстоянии в 120 метров, предусмотрена защита от перехвата информации.

В условиях высоких уровней электромагнитных помех иногда используют инфракрасные каналы связи. В последнее время их стали применять не только в цехах, но и в офисах, где лучи можно направлять над перегородками помещения.

Поставкой оборудования для организации корпоративных и локальных беспроводных сетей занимается ряд фирм, в том числе известные фирмы Lucent Technologies, Aironet, Multipoint Network.

В оборудование беспроводных каналов ПД входят:

Сетевые адаптеры и радиомодемы, поставляемые вместе с комнатными антеннами и драйверами. Различаются способами обработки сигналов, характеризуются частотой передачи, пропускной способностью, дальностью связи.

Сетевой адаптер вставляется в свободный разъем шины компьютера. Например, адаптер WaveLAN (Lucent Technologies) подключается к шине ISA, работает на частоте 915 МГц, пропускная способность 2 Мбит/с.

Радиомодем подключается к цифровому ООД через стандартный интерфейс. Например, радиомодемы серии RAN (Multipoint Networks) могут работать в дуплексном или полудуплексном режимах; со сторны порта данных - интерфейс RS-232C, RS-449 или V.35, скорости до 128 кбит/с; со стороны радиопорта - частоты 400...512 или 820...960 МГц, ширина радиоканала 25...200 кГц.

Радиомосты используются для объединения между собой кабельных сегментов и отдельных ЛВС в пределах прямой видимости и для организации магистральных каналов в опорных сетях, выполняют ретрансляцию и фильтрацию пакетов. Например, мост ARLAN 640 (Aironet) взаимодействует с сетями Ethernet, обеспечивает 2 Мбит/с

Направленные и ненаправленные антенны, антенные усилители, и вспомогательное оборудование типа кабелей, полосовых фильтров, грозозащитников и т. п.

15. Спутниковые каналы передачи данных. Спутники в системах связи могут находиться на геостационарных (высота 36 тысяч км) или низких орбитах. При геостационарных орбитах заметны задержки на прохождение сигналов (туда и обратно около 520 мс). Возможно покрытие поверхности всего земного шара с помощью четырех спутников. В низкоорбитальных системах обслуживание конкретного пользователя происходит попеременно разными спутниками. . Чем ниже орбита, тем меньше площадь покрытия и, следовательно, нужно или больше наземных станций, или требуется межспутниковая связь, что естественно утяжеляет спутник. Число спутников также значительно больше (обычно несколько десятков)

Структура спутниковых каналов передачи данных может быть проиллюстрирована на примере широкоизвестной системы VSAT (Very Small Aperture Terminal). Наземная часть системы представлена совокупностью комплексов, в состав каждого из них входят центральная станция (ЦС) и абонентские пункты (АП). Связь ЦС со спутником происходит по радиоканалу (пропускная способность 2 Мбит/с) через направленную антенну диаметром 1...3 м и приемопередающую аппаратуру. АП подключаются к ЦС по схеме "звезда" с помощью многоканальной аппаратуры (обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя возможна и связь через телефонные линии) или по радиоканалу через спутник. Те АП, которые соединяются по радиоканалу (это подвижные или труднодоступные объекты), имеют свои антенны, и для каждого АП выделяется своя частота. ЦС передает свои сообщения широковещательно на одной фиксированной частоте, а принимает на частотах АП. Арендная плата за соединение "точка-точка" через VSAT cо скоростью 64 кбит/с составляет около 3900 долл. в месяц, что для больших расстояний дешевле, чем аренда выделенной наземной линии.

Примерами российских систем спутниковой связи с геостационарными орбитами могут служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в Runnet применяются геостационарные спутники "Радуга". Один из них, с точкой стояния 85 градусов в. д., охватывает почти всю территорию России. В качестве приемопередающей аппаратуры (ППА) используются станции "Кедр-М" или "Калинка", работающие в сантиметровом диапазоне волн (6,18...6,22 ГГц и 3,855...3,895 ГГц соответственно). Диаметр антенн 4,8 м. Структура ЦС представлена на рис. 2.7.

В планируемой фирмой LMI на г. г. системе глобальной спутниковой связи предусматривается 4 геостационарных спутника. В России для этой системы будет установлено 26-30 наземных станций (оператор Ростелеком).

Примеры сетей с низкоорбитальными спутниками - система глобальной спутниковой телефонной связи "Глобалстар". 48 низкоорбитальных (высота 1400 км) спутников охватывают весь земной шар. Каждая станция (наземная) имеет одновременно связь с тремя спутниками. У спутника шесть сфокусированных лучей по 2800 дуплексных каналов каждый. Обеспечиваются телефонная связь для труднодоступных районов, навигационные услуги, определение местонахождения подвижных объектов. Терминал обойдется в 750 долл., минута разговора в 30-50 центов. Начало коммерческой эксплуатации намечено на 1999 г. Другая глобальная спутниковая сеть Iridium, имеющая и российский сегмент, включает 66 низкоорбитальных спутников, диапазон частот ,5 МГц. В российской системе Глоснасс - 24 спутника.

В 1997 г. 30% международного трафика проходило по спутниковым каналам, 70% - по наземным линиям.

Рис. 2.7. Схема спутниковой связи

16. Системы мобильной связи. Системы мобильной связи осуществляют передачу информации между пунктами, один из них или оба являются подвижными. Характерным признаком систем моюильной связи является применение радиоканала. К технологиям мобильной связи относятся пейджинг, твейджинг, сотовая телефония, транкинг, для мобильной связи используются также спутниковые каналы.

Пейджинг - система односторонней связи, при которой передаваемое сообщение поступает на пейджер пользователя, извещая его о необходимости предпринять то или действие или просто информируя его о тех или иных текущих событиях. Это наиболее дешевый вид мобильной связи (цена пейджера - около 150 долларов, абонентская плата - 15-50 долларов в месяц).

Твейджинг - это двухстронний пейджинг. В отличие от пейджинга возможно подтверждение получения сообщения и даже проведение некоторого подобия диалога. Цена твйеджера - около 300 долларов, месячная абонентская плата - около 80 долларов.

Сотовые технологии обеспечивают телефонную связь между подвижными абонентами (ячейками). Связь осуществляется через посредство базовых (стационарных) станций, выполняющих коммутирующие функции.

Одна из первых систем сотовой связи NMT-450 появилась в Скандинавии,(NMT - Nordic Mobile Telephone). В России она развивается c 1991 г. , на ее базе создана федеральная сеть сотовой связи СОТЕЛ.

NMT-450 - система аналоговая, работающая в частотном диапазоне 453-468 МГц. Сравнительно низкие частоты обусловливают повышенную дальность прямой связи ( несколько десятков километров подвижного объекта от базовой станции) и потому в России с ее большой территорией эта система получила широкое распространение в районах с невысокой плтностью населения. Однако на этих частотах слабее помехоустойчивость, труднее выполнить защиту от подслушивания и, как уже сказано выше, остро ощущуется дефицит числа каналов.

Поэтому в городах в настоящее время более распространены цифровые системы сотовой связи.

Диапазон скоростей в цифровых системах сотовой связи довольно широк - от 19,2 кбит/с (в американском стандарте CDPD - Cellular Digital Packet Data) до 1,23 Мбит/с (в другом стандарте CDMA - Code Division Multiple Access). Типичный радиус действия 10...12 км. Доступ к радиоканалу осуществляется одним из следующих способов.

1. Случайный доступ (метод Алоха, назван так в связи с первым применением метода для связи между группой Гавайских островов). Применяется только при малых нагрузках. Его развитием стал метод МДКН/ОК, используемый в локальных и корпоративных сетях.

2. Технология CDMA - выделение для каждого абонента своей кодовой комбинации, которой кодируются символы 1 и 0 передаваемых сообщений. Фактически это метод DSSS, рассмотренный выше. Это широкополосная технология с возможностью одновременной передачи в отведенной полосе частот нескольких сообщений с различными кодами символов.

3. Технология TDMA (Time Division Multiple Access) - временное мультиплексирование с выделением слота по требованию. Требования отсылаются в короткие интервалы времени (слоты запросов), при коллизиях запросы повторяются. Базовая станция выделяет свободные информационные слоты, сообщая их источнику и получателю.

Разработано несколько стандартов мобильной связи.

Одна из концепций передачи данных по сотовой технологии зафиксирована в стандарте CDPD, разработанном в 1993 г. В соответствии с ней по сотовой связи осуществляется передача телефонных разговоров с вставкой в паузы передаваемых пакетов данных. Оборудование ячейки - портативный компьютер с модемом. Для уменьшения потребления энергии от источника питания используется "спящий" режим, в котором включен только приемный блок, распознающий адрес. При передаче данные сжимаются (по протоколу V.42bis) и шифруются. Возможно использование клиентской программы электронной почты (например, RadioMail). Если ячейка имеет IP-адрес для связи с сетью Internet, то дополнительно можно использовать протокол FTP этой сети для пересылки файлов. Сигналы от ячеек принимаются стационарным узлом, имеющим приемопередающую аппаратуру и антенну.

В европейском стандарте цифровой беспроводной связи DECT применено временное мультиплексирование. Базовая станция (рис. 2.8) имеет 10 несущих частот с 24 ячейками (слотами) на каждой из них (т. е. одновременно используются и FDM, и TDM). Предусмотрены автоматический поиск свободного канала и переключение на новые каналы. Частоты в диапазоне 1,8...1,9 ГГц. Мощность передатчика базовой станции 10 мВт или выше.

Рис. 2.8. Схема сотовой телефонной связи

Одной из наиболее широко распространенных технологий мобильной связи (в том числе и в России) является технология, соответствующая стандарту для цифровых сетей сотовой связи GSM (Global System for Mobile Communications), основанному на TDMA. GSM может поддерживать интенсивный трафик (270 кбит/с), обеспечивает роуминг (т. е. автоматическое отслеживание перехода мобильного пользователя из одной соты в другую), допускает интеграцию речи и данных и связь с сетями общего пользования. Используются разновидности: сотовая связь GSM-900 в частотном диапазоне 900 МГц (более точно 890-960 МГц), и микросотовая связь GSM-1800 (DCS-1800) в диапазоне 1800 МГц ( МГц). Название микросотовая обусловлено большим затуханием и, следовательно, меньшей площадью соты. Однако увеличение числа каналов выгодно при высокой плотности абонентов. Мощность излучения мобильных телефонов - 1-2 Вт.

Архитектура GSM-системы аналогична архитектуре рис. 2.8. В каждой соте действует базовая станция BTS (Base Transciever Station), обеспечивающая прием и передачу радиосигналов абонентам. BTS имеет диапазон частот, отличный от диапазонов соседних сот. Мобильная ячейка прослушивает соседние BTS и сообщает контроллеру базовых станций (BSC - Base Station Controller) о качестве приема с тем, чтобы BSC мог своевременно переключить ячейку на нужную BTS. Центр коммутации (MSC - Mobile services Switching Centre) осуществляет коммутацию и маршрутизацию, направляя вызовы нужному абоненту, в том числе во внешние сети общего пользования. В базе данных хранятся сведения о местоположении пользователей, технических характеристиках мобильных станций, данные для идентификации пользователей.

В перспективе предполагается использовать широкополосный B-ISDN на основе стандарта UMTS (Universal Mobile Telecommunication Systems) с глобальным роумингом.

Мобильная связь для предприятий (т. е. ведомственная или профессиональная) может отличаться от сотовой связи индивидуальных пользователей. Такую ведомственную связь называют транкинговой (или транковой). Для транкинговой связи характерны следующие особенности:

связь внутри некоторой группы (бригады) и групповой вызов от центра ко всем членам группы;

наличие приоритетности;

скорость соединения должна быть выше, чем в обычных сотовых системах;

возможность выхода в телефонную сеть общего пользования имеет меньшее значение, во многих случаях она вообще может отсутствовать;

преимущественная передача данных, в некоторых случаях голосовая связь не нужна; чаще используется полудуплексная передача.

В результате растет оперативность связи при уменьшенной цене.

Наиболее распространены два протокола транкинговой связи: аналоговый МРТ-1327 и цифровой TETRA.

В иерархической структуре системы транкинговой связи используются базовые станции (BS) и центры коммутации (DXT). BS обслуживает одну зону и имеет от одной до нескольких несущих частот, отличных от частот соседних зон. В TETRA применяется метод TDMA с несколькими слотами на каждой из несущих. Так, в системе TETRA Nokia используется 64 несущих и 256 радиоканалов. В системах, работающих по протоколу МРТ-1327, обычно используется несколько частотных поддиапазонов в пределах 80-800 МГц с выделением каналов шириной в 12,5 кГц. Очевидно, что чем меньше частота, тем больше площадь охватываемой зоны, но меньше число каналов.

17. Оптические линии связи. Оптические линии связи реализуются в виде волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Конструкция ВОЛС - кварцевый сердечник диаметром 10 мкм, покрытый отражающей оболочкой с внешним диаметром 125...200 мкм. Типичные характеристики ВОЛС: работа на волнах 0,85...1,55 мкм, затухание 0,7 дБ/км, полоса частот - до 2 ГГц; ориентировочная цена - 4...5 долл. за 1 м. Предельные расстояния D для передачи данных по ВОЛС (без ретрансляции) зависят от длины волны излучения L: для L=850 нм имеем D=5км, а для L=1300 нм D=50 км, но аппаратурная реализация дороже.

ВОЛС являются основой высокоскоростной передачи данных, особенно на большие расстояния. Так, в настоящее время (1997 г.) реализуется проект кругосветного канала передачи данных на ВОЛС длиной в 27,3 тыс. км, кабель должен пройти по дну трех океанов, Средиземного и Красного морей, информационная скорость 5,3 Гбит/с.

Именно на ВОЛС достигнуты рекордные скорости передачи информации. В экспериментальной аппаратуре с использованием метода мультиплексирования с разделением каналов по длинам волн (WDM - Wavelengths Division Multiplexing) достигнута скорость 1100 Гбит/с на расстоянии 150 км. В одной из действующих систем на основе WDM передача идет со скоростью 40 Гбит/с на расстояния до 320 км.

В методе WDM выделяется несколько несущих частот (каналов). Так, в последней упомянутой системе имеются 16 таких каналов вблизи частоты 4*105 ГГц, отстоящих друг от друга на 103 ГГц, в каждом канале достигается скорость 2,5 Гбит/с.
Глава 3

Кодирование информации

Количество информации

Энтропия

Коэффициент избыточности сообщения

Основные используемые коды

Асинхронное и синхронное кодирование

Манчестерское кодирование

Способы контроля правильности передачи данных

Код Хемминга

Циклические коды

Коэффициент сжатия

Алгоритмы сжатия

Сжатие данных по методу Лемпеля-Зива

1. Количество информации. Кодирование - представление сообщения последовательностью элементарных символов.

Рассмотрим кодирование дискретных сообщений. Символы в сообщениях могут относиться к алфавиту, включающему n букв (буква - символ сообщения). Однако число элементов кода k существенно ограничено сверху энергетическими соображениями, т. е. часто n > k. Так, если отношение сигнал/помеха для надежного различения уровня сигнала должно быть не менее q, то наименьшая амплитуда для представления одного из k символов должна быть q*g, где g - амплитуда помехи, а наибольшая амплитуда соответственно q*g*k. Мощность передатчика пропорциональна квадрату амплитуды сигнала (тока или напряжения), т. е. должна превышать величину, пропорциональную (q*g*k)2. В связи с этим распространено двоичное кодирование с k = 2. При двоичном кодировании сообщений с n типами букв, каждая из n букв кодируется определенной комбинацией 1 и 0 (например, код ASCII).

Кодирование аналоговых сообщений после их предварительной дискретизации должно выполняться в соответствии с теоремой Котельникова: если в спектре функции f(t) нет частот выше FВ, то эта функция может быть полностью восстановлена по совокупности своих значений, определенных в моменты времени tk, отстоящие друг от друга на величину 1/(2*Fв). Для передачи аналогового сигнала производится его дискретизация с частотой отсчетов 2*FВ и выполняется кодово-импульсная модуляция последовательности отсчетов.

Количество информации в сообщении (элементе сообщения) определяется по формуле

I = - log2 P,

где Р - вероятность появления сообщения (элемента сообщения). Из этой формулы следует, что единица измерения количества информации есть количество информации, содержащееся в одном бите двоичного кода при условии равной вероятности появления в нем 1 и 0. В то же время один разряд десятичного кода содержит I = - log2Р = 3,32 единиц информации (при том же условии равновероятности появления десятичных символов, т. е. при Р = 0,1).

2. Энтропия. Энтропия источника информации с независимыми и равновероятными сообщениями есть среднее арифметическое количеств информации сообщений

H = - sum  Pk*log2 Pk
k=1..N

где Pk - вероятность появления k-го сообщения. Другими словами, энтропия есть мера неопределенности ожидаемой информации.

П р и м е р. Пусть имеем два источника информации, один передает двоичный код с равновероятным появлением в нем 1 и 0, другой имеет вероятность 1, равную 2-10, и вероятность 0, равную 1-2-10. Очевидно, что неопределенность в получении в очередном такте символа 1 или 0 от первого источника выше, чем от второго. Это подтверждается количественно оценкой энтропии: у первого источника H = 1, у второго приблизительно H = -2-10*log22-10 , т. е. значительно меньше.

3. Коэффициент избыточности сообщения. Коэффициент избыточности сообщения А определяется по формуле

r = (Imax - I)/Imax,

где I - количество информации в сообщении А, Imax - максимально возможное количество информации в сообщении той же длины, что и А.

Пример избыточности дают сообщения на естественных языках, так, у русского языка r находится в пределах 0,3...0,5.

Наличие избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии информации без ее потери в передаваемых сообщениях.

4. Основные используемые коды. Широко используются двоичные коды:

EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) - символы кодируются восемью битами; популярен благодаря его использованию в IBM;

ASCII (American Standards Committee for Information Interchange) - семибитовый двоичный код.

Оба этих кода включают битовые комбинации для печатаемых символов и некоторых распространенных командных слов типа NUL, CR, ACK, NAK и др.

Для кодировки русского текста нужно вводить дополнительные битовые комбинации. Семибитовая кодировка здесь уже недостаточна. В восьмибитовой кодировке нужно под русские символы отводить двоичные комбинации, не занятые в общепринятом коде, чтобы сохранять неизменной кодировку латинских букв и других символов. Так возникли кодировка КОИ-8, затем при появлении персональных ЭВМ - альтернативная кодировка и при переходе к Windows - кодировка 1251. Множество используемых кодировок существенно усложняет проблему согласования почтовых программ в глобальных сетях.

5. Асинхронное и синхронное кодирование. Для правильного распознавания позиций символов в передаваемом сообщении получатель должен знать границы передаваемых элементов сообщения. Для этого необходима синхронизация передатчика и приемника. Использование специального дополнительного провода для сигналов синхронизации (в этом случае имеем битовую синхронизацию) слишком дорого, поэтому используют другие способы синхронизации.

В асинхронном режиме применяют коды, в которых явно выделены границы каждого символа (байта) специальными стартовым и стоповым символами. Подобные побайтно выделенные коды называют байт-ориентированными, а способ передачи - байтовой синхронизацией. Однако это увеличивает число битов, не относящихся собственно к сообщению.

В синхронном режиме синхронизм поддерживается во время передачи всего информационного блока без обрамления каждого байта. Такие коды называют бит-ориентированными. Для входа в синхронизм нужно обозначать границы лишь всего передаваемого блока информации с помощью специальных начальной и конечной комбинаций байтов (обычно это двубайтовые комбинации). В этом случае синхронизация называется блочной (фреймовой).

Для обрамления текстового блока (текст состоит только из печатаемых символов) можно использовать символы, отличающиеся от печатаемых. Для обрамления двоичных блоков применяют специальный символ (обозначим его DLE), который благодаря стаффингу становится уникальным. Уникальность заключается в том, что если DLE встречается внутри блока, то сразу вслед за ним вставляется еще один DLE. Приемник будет игнорировать каждый второй идущий подряд символ DLE. Если же DLE встречается без добавления, то это граница блока.

6. Манчестерское кодирование. Передаваемые данные представляются электрическими сигналами. Возможны коды RZ (Return-to-zero), использующие двуполярные сигналы для изображения 1 и 0, и коды NRZ (non-return-to-zero) - коды без возвращения к нулю.

Для кодирования информации наибольшее распространение получили самосинхронизирующиеся коды, так как при этом отпадает необходимость иметь дополнительную линию для передачи синхросигналов между узлами сети. В ЛВС чаще других применяют манчестерский код, одна из разновидностей которого пояснена на рис. 3.1. Самосинхронизация обеспечивается благодаря формированию синхроимпульсов из перепадов, имеющихся в каждом такте манчестерского кода.

Представленная на рис. 3.1 разновидность манчестерского кода используется при байт-ориентированном кодировании, при котором каждый байт, состоящий из 1 и 0, обрамляется символами j и k. В этом случае станция, получившая полномочия, начинает передавать серию сигналов jkjkjk... для того, чтобы станция-получатель могла войти в синхронизм с передающей станцией. После нескольких пар jk начинают передаваться байты самого сообщения. Различение четырех возможных значений сигнала выполняется в соответствии с правилами кодирования, представленными в нижней части рисунка.

Рис. 3.1. Манчестерское кодирование

В случае бит-ориентированного кода после входа в синхронизм не нужно обрамлять байты символами j и k, т. е. используется двузначное кодирование. Чаще используется код, в котором "1" представляется положительным, а "0" - отрицательным перепадом.

7. Способы контроля правильности передачи данных. Управление правильностью (помехозащищенностью) передачи информации выполняется с помощью помехоустойчивого кодирования. Различают коды, обнаруживающие ошибки, и корректирующие коды, которые дополнительно к обнаружению еще и исправляют ошибки. Помехозащищенность достигается с помощью введения избыточности. Устранение ошибок с помощью корректирующих кодов (такое управление называют Forward Error Control) реализуют в симплексных каналах связи. В дуплексных каналах достаточно применения кодов, обнаруживающих ошибки (Feedback or Backward Error Control), так как сигнализация об ошибке вызывает повторную передачу от источника. Это основные методы, используемые в информационных сетях.

Простейшими способами обнаружения ошибок являются контрольное суммирование, проверка на нечетность. Однако они недостаточно надежны, особенно при появлении пачек ошибок. Поэтому в качестве надежных обнаруживающих кодов применяют циклические коды. Примером корректирующего кода является код Хемминга.

8. Код Хемминга. В коде Хемминга вводится понятие кодового расстояния d (расстояния между двумя кодами), равного числу разрядов с неодинаковыми значениями. Возможности исправления ошибок связаны с минимальным кодовым расстоянием dmin. Исправляются ошибки кратности r = ent (dmin-1)/2 и обнаруживаются ошибки кратности dmin-1 (здесь ent означает “целая часть”). Так, при контроле на нечетность dmin = 2 и обнаруживаются одиночные ошибки. В коде Хемминга dmin = 3. Дополнительно к информационным разрядам вводится L = log2K избыточных контролирующих разрядов, где K - число информационных разрядов, L округляется до ближайшего большего целого значения. L-разрядный контролирующий код есть инвертированный результат поразрядного сложения (т. е. сложения по модулю 2) номеров тех информационных разрядов, значения которых равны 1.

П р и м е р 1. Пусть имеем основной код т. е. К = 6. Следовательно, L = 3 и дополнительный код равен

010 # 011 # 110 = 111,

где # - символ операции поразрядного сложения, и после инвертирования имеем 000. Теперь вместе с основным кодом будет передан и дополнительный. На приемном конце вновь рассчитывается дополнительный код и сравнивается с переданным. Фиксируется код сравнения (поразрядная операция отрицания равнозначности), и если он отличен от нуля, то его значение есть номер ошибочно принятого разряда основного кода. Так, если принят код то рассчитанный в приемнике дополнительный код равен инверсии от 010 # 110 = 100, т. е. 011, что означает ошибку в 3-м разряде.

П р и м е р 2. Основной код 1 дополнительный код 110 (результат инверсии кода 110 # 111 = 001). Пусть принятый код 1 его дополнительный код 010, код сравнения 100, т. е. ошибка в четвертом разряде.

9. Циклические коды. К числу эффективных кодов, обнаруживающих одиночные, кратные ошибки и пачки ошибок, относятся циклические коды (CRC - Cyclic Redundance Code). Они высоконадежны и могут применяться при блочной синхронизации, при которой выделение, например, бита нечетности было бы затруднительно.

Один из вариантов циклического кодирования заключается в умножении исходного кода на образующий полином g(x), а декодирование - в делении на g(x). Если остаток от деления не равен нулю, то произошла ошибка. Сигнал об ошибке поступает на передатчик, что вызывает повторную передачу.

Образующий полином есть двоичное представление одного из простых множителей, на которые раскладывается число Xn-1, где Xn обозначает единицу в n-м разряде, n равно числу разрядов кодовой группы. Так, если n = 10 и Х = 2, то Xn-1 = 1023 = 11*93, и если g(X)=11 или в двоичном коде 1011, то примеры циклических кодов Ai*g(Х) чисел Ai в кодовой группе при этом образующем полиноме можно видеть в следующей табл. 3.1.

Основной вариант циклического кода, широко применяемый на практике, отличается от предыдущего тем, что операция деления на образующий полином заменяется следующим алгоритмом: 1) к исходному кодируемому числу А справа приписывается К нулей, где К - число битов в образующем полиноме, уменьшенное на единицу; 2) над полученным числом А*(2К) выполняется операция О, отличающаяся от деления тем, что на каждом шаге операции вместо вычитания выполняется поразрядная операция "исключающее ИЛИ": 3) полученный остаток В и есть CRC - избыточный К-разрядный код, который заменяет в закодированном числе С приписанные справа К нулей, т. е.

С= А*(2К)+В.

На приемном конце над кодом С выполняется операция О. Если остаток не равен нулю, то при передаче произошла ошибка и нужна повторная передача кода А.

.П р и м е р. Пусть А = 1, образующий полином 11001.

Так как К = 4, то А*(2K)=. Выполнение операции О расчета циклического кода показано на рис. 3.2.

Таблица 3.1

Положительными свойствами циклических кодов являются малая вероятность необнаружения ошибки и сравнительно небольшое число избыточных разрядов.

Рис. 3.2. Пример получения циклического кода

Общепринятое обозначение образующих полиномов дает следующий пример:

g(X) = X 16 + X 12 + X 5 + 1,

что эквивалентно коду 1 001. Этот полином используется в протоколе V.42 для кодирования кодовых групп в 240 разрядов с двумя избыточными байтами. В этом протоколе возможен и образующий полином для четырех избыточных байтов

g(X) = X 32 + X 26 + X 23 + X 22 + X 16 + X 12 + X 11 + X 10 + X 8 + X 7 + X 5

+ X 4 + X 2 + 1.

10. Коэффициент сжатия. Наличие в сообщениях избыточности позволяет ставить вопрос о сжатии данных, т. е. о передаче того же количества информации с помощью последовательностей символов меньшей длины. Для этого используются специальные алгоритмы сжатия, уменьшающие избыточность. Эффект сжатия оценивают коэффициентом сжатия

K = n/q,

где n - число минимально необходимых символов для передачи сообщения (практически это число символов на выходе эталонного алгоритма сжатия); q - число символов в сообщении, сжатом данным алгоритмом. Так, при двоичном кодировании n равно энтропии источника информации.

Наряду с методами сжатия, не уменьшающими количество информации в сообщении, применяются методы сжатия, основанные на потере малосущественной информации.

11. Алгоритмы сжатия. Сжатие данных осуществляется либо на прикладном уровне с помощью программ сжатия, таких, как ARJ, либо с помощью устройств защиты от ошибок (УЗО) непосредственно в составе модемов по протоколам типа V.42bis.

Очевидный способ сжатия числовой информации, представленной в коде ASCII, заключается в использовании сокращенного кода с четырьмя битами на символ вместо восьми, так как передается набор, включающий только 10 цифр, символы "точка", "запятая" и "пробел".

Среди простых алгоритмов сжатия наиболее известны алгоритмы RLE (Run Length Encoding). В них вместо передачи цепочки из одинаковых символов передаются символ и значение длины цепочки. Метод эффективен при передаче растровых изображений, но малополезен при передаче текста.

К методам сжатия относят также методы разностного кодирования, поскольку разности амплитуд отсчетов представляются меньшим числом разрядов, чем сами амплитуды. Разностное кодирование реализовано в методах дельта-модуляции и ее разновидностях.

Предсказывающие (предиктивные) методы основаны на экстраполяции значений амплитуд отсчетов, и если выполнено условие

Ar - Ap > d,

то отсчет должен быть передан, иначе он является избыточным; здесь Ar и Ap - амплитуды реального и предсказанного отсчетов, d - допуск (допустимая погрешность представления амплитуд). Иллюстрация предсказывающего метода с линейной экстраполяцией представлена рис. 3.3. Здесь точками показаны предсказываемые значения сигнала. Если точка выходит за пределы "коридора" (допуска d), показанного пунктирными линиями, то происходит передача отсчета. На рисунке передаваемые отсчеты отмечены темными кружками в моменты времени t1, t2, t4, t7. Если передачи отсчета нет, то на приемном конце принимается экстраполированное значение.

Рис. 3.3. Предиктивное кодирование

Методы MPEG (Moving Pictures Experts Group) используют предсказывающее кодирование изображений (для сжатия данных о движущихся объектах вместе со звуком). Так, если передавать только изменившиеся во времени пиксели изображения, то достигается сжатие в несколько десятков раз. Этот алгоритм сжатия используется также в стандарте Н.261 ITU. Методы MPEG становятся мировыми стандартами для цифрового телевидения.

Для сжатия данных об изображениях можно использовать также методы типа JPEG (Joint Photographic Expert Group), основанные на потере малосущественной информации (не различимые для глаза оттенки кодируются одинаково, коды могут стать короче). В этих методах передаваемая последовательность пикселей делится на блоки, в каждом блоке производится преобразование Фурье, устраняются высокие частоты, передаются коэффициенты разложения для оставшихся частот, по ним в приемнике изображение восстанавливается.

Другой принцип воплощен в фрактальном кодировании, при котором изображение, представленное совокупностью линий, описывается уравнениями этих линий.

Более универсален широко известный метод Хаффмена, относящийся к статистическим методам сжатия. Идея метода - часто повторяющиеся символы нужно кодировать более короткими цепочками битов, чем цепочки редких символов. Строится двоичное дерево, листья соответствуют кодируемым символам, код символа представляется последовательностью значений ребер (эти значения в двоичном дереве суть 1 и 0), ведущих от корня к листу. Листья символов с высокой вероятностью появления находятся ближе к корню, чем листья маловероятных символов.

Распознавание кода, сжатого по методу Хаффмена, выполняется по алгоритму, аналогичному алгоритмам восходящего грамматического разбора. Например, пусть набор из восьми символов (A, B, C, D, E, F, G, H) имеет следующие правила кодирования:

A ::= 10; B ::= 01; C ::= 111; D ::= 110;

Из за большого объема эта статья размещена на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6