Проводные каналы связи представляют группу параллельных или скрученных (витая пара) медных проводов (скорость передачи данных – 1 Мбит/сек), тонкий и толстый коаксиальные кабели типа TV (скорость передачи данных – 15 Мбит/сек) и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) со скоростью передачи данных – 400 Мбит/сек.
Электрические кабели делятся на низко- и высокочастотные, одно- и многожильные.
В проводных каналах, в том числе образующих компьютерные сети, используют следующие виды кабелей:
Широкополосный коаксиальный кабель обеспечивает скорость передачи информации до 500 Мбит/с. Он невосприимчив к помехам, легко наращивается (максимальное расстояние – 10 км), но достаточно дорог. В информационных сетях используют толстый (англ. «thick») и тонкий (англ. «thin» коаксиальный кабель. Первый обеспечивает максимальное расстояние без повторителей до 500 м, а общее – до 3 км; второй – до 300 м и 1 км соответственно. На основе использования коаксиального кабеля строились сети кабельного телевидения (CATV). По нему аналоговый сигнал передается на расстояние до нескольких десятков км. Обычно такая сеть имеет древовидную структуру. Кроме коаксиального, в CATV используют и волоконно-оптический кабель, позволяющий обслуживать большие территории и передавать бoльшие объемы информации, обеспечивая высокое качество сигналов даже без применения повторителей. Сети, в которых используют различные кабели, называются гибридными.

Число проводов, используемых для офисных или домашних компьютеров и электроники, постоянно растет. В помещении площадью до 150 м кв. прокладывается до 3 км различных кабелей. В 1990-е г. британская компания United Utilities предложила технологию Digital Power Line (DPL – цифровые электрические линии), позволяющую использовать обычные силовые электрические сети в качестве сетей или среды высокоскоростной передачи пакетов данных и голоса по электрическим сетям напряжением 120/220 В. Успехов в данной области добилась израильская компания Main.net, разработавшая технологию Power Line Communi-cations (PLC), обеспечивающую передачу данных и голоса (VoIP) со скоростью от 2 до 10 Мбит/с. В дальнейшем эту технологию стали также называть PLT (Power-line Telecommunications) – сеть по электрическому проводу.
PLC-технология подходит для низкоскоростной передачи данных (домашняя автоматика, бытовые устройства и т.п.), доступа в Интернет, для приложений, требующих высокоскоростного соединения (видео по запросу, видеоконференц-связи и т.п.). При этом питающие здание электрические кабели служат «последней милей», а электропроводка внутри здания – «последним дюймом» для передачи данных. Скорость передачи в таких сетях доходит до 20 Мбит/с.
PLC-технология может использоваться при создании локальной сети в небольшом офисе или жилом доме, покрывая расстояние до 200–300 м. Она обеспечивает реализацию услуг дистанционного мониторинга, охраны жилища, управления его режимами, ресурсами и т.п., составляющих концепцию интеллектуального дома, а также позволяет организовать прямой доступ в Интернет. При этом силовые линии электропередачи становятся коммуникационным каналом доступа в Интернет. К такой сети можно подключать компьютеры, факсы, телефоны и другие подобные устройства. Специальные кабельные модемы обеспечивают передачу широкополосных сигналов (10–30 МГц) со скоростью в десятки Мбит/с. Однако внедрение таких систем связано с решением проблем утечки электромагнитных излучений из зданий, подключенных к PLC-системе, а также электромагнитной интерференции с системами радиовещания в коротком и средневолновом радиодиапазонах.

Оптоволоконный или волоконно-оптический кабель (англ. «optical fiber») состоит из кварцевого сердечника диаметром 3–60 мкм (микрон), окруженного отражающей защитной оболочкой с внешним диаметром 125–200 мкм. Передача информации осуществляется преобразованием электрических сигналов в световые с помощью, например, светодиода. Такой кабель позволяет одновременно организовать работу нескольких сотен тысяч телефонных, нескольких тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов. Хотя для сетей передачи данных оптические системы дают ряд преимуществ: повышенная безопасность (сложность несанкционированного подключения), не требуется заземлять кабели, низкое затухание сигнала, малые масса и диаметр кабеля, высокая пропускная способность, пожаробезопасность, волоконно-оптические кабели достаточно дороги; они требуют устройств преобразования световых сигналов в электрические (лазеры) и наоборот. Уникальные свойства кабеля позволяют использовать его для организации локальный сетей и Интернета (обычно с топологией «звезда»).

Каналы связи бывают коммутируемые (создаются лишь на время проведения сеанса передачи информации, например, телефонные) и некоммутируемые (выделяются абоненту на продолжительный период времени и не зависят от времени передачи данных – выделенные).

Беспроводные каналы связи
По сравнению с технологиями проводной связи, основными преимуществами беспроводных сетей являются быстрая и удобная установка, низкие затраты и мобильность персонала, обслуживающего системы, так как ненужно создавать проводные (кабельные) каналы и дорогостоящее стационарное оконечное и промежуточное оборудование. В большинстве беспроводных устройств используется технология распространения сигналов в узком диапазоне радиочастот (сотовые телефоны, пейджеры, радиоприемники). Существуют широкополосные и сверхширокополосные устройства, а также устройства с расширенным спектром, излучающие сигналы в широком диапазоне частот. Одним из преимуществ таких устройств является то, что они могут работать в той же среде, что и любые другие беспроводные устройства, использующие ту же полосу частот.

Выделяют три основных типа беспроводных сетей:
1) радиосети свободного радиочастотного диапазона (сигнал передается сразу по нескольким частотам);
2) микроволновые (дальняя и спутниковая связь),
3) инфракрасные (лазерные, передаваемые когерентными пучками света).
Последние являются высокопроизводительными (высокоскоростными) системами. Инфракрасная технология обычно используется в секторе дистанционных устройств управления бытовой электронной техникой. Ограничения ее применения связано с возможностью работы на небольших расстояниях и только в пределах прямой видимости.

Существуют различные типы радиоканалов, отличающиеся используемым частотным диапазоном (короткие, средние, длинные, ультракороткие и сверхвысокочастотные волны) с амплитудной, частотной, фазовой и иной модуляцией и дальностью связи.
По способу организации используют системы одночастотной, двухчастотной и многочастотной радиосвязи.
Одночастотная связь обычно применяется в режиме радиальной радиосвязи, то есть предоставляет возможность всем абонентам сети слышать вызывающего абонента и отвечать ему (симплексный режим).
Для организации прямой связи между двумя удаленными абонентами используется также одноканальная двухчастотная (полудуплексная) радиосвязь – двухчастотный симплекс.
Многоканальные системы полудуплексной радиосвязи формируются на основе транковых и радиорелейных систем.

Транкинговая (англ. «trunking») или транковая (англ. «trunked») связь (ствол, канал связи) означает канал связи, организуемый между двумя станциями или узлами сети, предназначенный для передачи информации группы пользователей в одном радиостволе (до 50 и более абонентов) с радиусом действия от 20 до 100 км. Эта профессиональная мобильная радиосвязь с автоматическим распределением свободных каналов среди большого числа подвижных абонентов позволяет эффективно использовать частотные каналы и существенно повышая пропускную способность системы.

Радиорелейная связь образуется путём строительства протяженных линий с приёмо-передающими станциями и антеннами (Рис. 8.2).

Рис. 8.2. Радиорелейные линии связи.

Она обеспечивает узкополосную высокочастотную передачу данных между ближайшими антеннами в пределах прямой видимости (примерно 50 км). Скорость передачи данных в такой сети достигает 155 Мбит/с.

В последнее время широкое распространение получают ячеистые сети («mesh»-сети или Wireless Mesh Networks, или «многоузловые» [англ. «multi-hop»] сети).
Технология ячеистых сетей позволяет развертывать беспроводную среду передачи данных, не требующую особого планирования ее архитектуры. Такие сети могут состоять из сотен и тысяч узлов. Их работа хорошо иллюстрируется на примере электронной почты. Каждый узел действует как передающая точка или маршрутизатор для других узлов. Для передачи данных на короткие расстояния не нужна большая мощность, в результате многоузловая сеть обеспечивает более высокую общую пропускную способность при ограниченной максимальной мощности передатчиков. Такую сеть выгодно использовать в домах, офисах, общественных местах, телекоммуникационных сетях поставщиков услуг и на промышленных предприятиях. Ее легко развернуть в аэропорту, во время конференции и т.д. Однако существуют и проблемы их распространения, связанные с установкой, взаимосовместимостью, качеством услуг и безопасностью.

Телеграфная связь – один из старейших видов связи. Она изобретена в России в 1832 г. П.Л. Шиллингом и первоначально использовала телеграфные аппараты с узкой рулонной бумажной лентой. Такая связь считается исключительно надежной, но характеризуется низкой скоростью передачи и не предназначена для широкого, особенно частного, использования.

Телефонная связь – самый распространенный вид оперативно-управленческой связи. Официально она появилась 14 февраля 1876 г., когда А. Белл (Александр Грейам, 1847–1922, США) зарегистрировал изобретение первого телефонного аппарата. Первая телефонная станция появилась в 1878 г. также в США (Нью-Хейвен).

Принцип телефонной связи.
Телефонный микрофон, в который говорит абонент, преобразует колебания звука в аналоговый электрический сигнал. Сигнал передается по линиям связи на телефонный аппарат абонента, принимающего голосовую информацию, с помощью индуктивных катушек и мембраны, расположенных в телефонной трубке. Этот сигнал преобразуется в колебания звука (тональный сигнал) с полосой передаваемых частот по отечественным телефонным каналам, равной 300 Гц–3,4 кГц.
Телефонная связь представляет собой разветвленную структуру, объединяющую аппараты абонентов с ближайшими автоматическими телефонными станциями (АТС), соединяемыми между собой в единую телефонную сеть. Любой аппарат абонента соединяется абонентской линией с ближайшей АТС, удаленной от него на расстояние до 10 км («последняя миля»). На телефонной станции на время телефонных переговоров производится подключение телефонных каналов абонентских и соединительных линий (между АТС) и их разъединение по окончании переговоров. Широкое применение в организациях находят офисные телефонные системы (УАТС, ОАТС, ЭУАТС и др.).

Среди большого разнообразия современных телефонных аппаратов, подключаемых к АТС, все чаще используются радиотелефоны, а среди них аппараты, использующие стандарт микросотовой (пикосотовой) связи DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication – цифровой расширенный беспроводный телекоммуникационный стандарт). Емкость такой сети можно наращивать практически без ограничений, создавая сети DECT, охватывающие любую территорию (даже страны). При этом базовые станции располагаются на расстоянии 100–500 м друг от друга на открытой территории и примерно в 50 м – в помещении. При охвате больших территорий лучше использовать беспроводные сотовые сети типа GSM. Использование таких радиотелефонов обеспечивает в диапазоне 1880–1900 МГц надежную передачу речи и высокую помехоустойчивость.
Современные учрежденческие АТС (УАТС) предусматривают возможность подключения радио-телефонов DECT к локальной телефонной сети. Телефоны стандарта DECT считают самыми безопасными среди беспроводных мобильных аппаратов, т.к. максимальная излучаемая ими мощность не превышает 10 мВт (мощность GSM-аппаратов достигает 2 Вт). Используемый диапазон нечувствителен к помехам и допускает одновременную работу нескольких, расположенных рядом, систем практически в одном частотном диапазоне со скоростью передачи данных до 552 Кбит/с.

Сотовая радиотелефонная связь (сотовая подвижная связь, СПС) появилась в конце 1970-х г. Ее также называют мобильной. Промышленные системы СПС появляются в США с 1983 г, а в России – с 1993 г. В 1998 г. Япония впервые обеспечила доступ мобильных телефонов в Интернет. В середине 1999 г. компания Ericsson первой представила устройство, поддерживающее протокол беспроводных приложений WAP, превратив мобильный телефон в терминал Интернета. Сотовая радиотелефония считается важной и популярной телекоммуникационной технологией. До середины 1990-х г. в ней активно использовались аналоговые способы передачи сигналов. Затем в них стали применять методы цифровой передачи данных.
Принцип организации СПС заключается в создании сети равноудаленных антенн с собственным радиооборудованием. Каждая из них обеспечивает вокруг себя зону устойчивой радиосвязи (англ. «cell» – сота). Любая сота работает в собственном диапазоне частот. В соте действуют своя базовая станция (англ. «Base Transceiver Station», BTS) и контроллер (англ. «Base Station Controller») следящий за качеством приема сигналов мобильных аппаратов пользователей. Когда это качество с данной станцией становится хуже, чем с соседней – она переключает аппарат пользователя на работу с лучшей соседней базовой станцией. Сотовый телефон автоматически переключается на связь с передатчиком, в зону обслуживания которого он перешел, а разговор абонента продолжается при его любом перемещении в зоне действия «сот». Расстояние между антеннами зависит от мощности, частоты приемо-передающего оборудования и топологии местности. Чем выше частота работы системы, тем меньше радиус действия антенн и расстояние между ними, то есть размер соты. Но в этом случае улучшается проникающая способность сигнала сквозь различные препятствия; можно уменьшить размеры индивидуальных аппаратов и увеличить число абонентских радиоканалов.

Мобильные телефоны используют следующие стандарты:
Стандарт GSM (англ. «Global System for Mobile Communications» – глобальная система для мобильной связи), рассчитан на работу с частотами 900/1800 МГц в двухдиапазонной сети. Стандарт обеспечивает скорость обмена данными до 270 Кбит/с, а GPRS (англ. «General Packet Radio Service») – до 115,2 Кбит/с.
GPRS – общий пакетный сервис радиосвязи. Он позволяет организовывать пакетно-коммутируемую сеть со скоростью передачи от 9 до 21,4 Кбит на канал, в и обеспечивает пользователям возможности просмотра веб-страниц, работу с электронной почтой, выполнение запросов к БД. При этом операторы GSM могут работать как беспроводные Интернет-провайдеры. C 1992 г. GSM широко распространяется в нашей стране.
Стандарт CDMA (англ. «Code Division Multiple Access») обеспечивает многостационарный доступ с кодовым разделением каналов и использованием шумоподобных сигналов с расширенным спектром. Он появился практически одновременно в СССР и США в середине прошлого столетия. В 1960-е г. в США создают первые военные системы с использованием данной технологии. Первые коммерческие CDMA-сети начали работать в середине 1990-х г. в Гонконге, Корее, а затем в США, Австралии и других странах.

В России используются мобильные системы стандартов GSM и CDMA. С 2004 г. CDMA на частоте 450 МГц реазизует компания «Скай Линк». Этот стандарт обеспечит более качественную, чем GSM/GPRS голосовую связь, а также более высокие скорости передачи данных и доступа в Интернет. Мобильные аппараты более безопасны для пользователей – максимальная (пиковая) излучаемая мощность передатчиков CDMA не превышает 200 мВт, а средняя мощность – на порядок меньше.

Стандарт UMTS (англ. «Universal Mobile Telecommunications System») относится к третьему поколению систем мобильной телекоммуникации. В нем ис-пользуются полосы частот 1885–2025 и 2110–2200 МГц, а скорость передачи – от 144 Кбит/с. Одной из основных целей использования этого стандарта является создание всемирной беспроводной широкополосной инфраструктуры.

Сотовые аппараты поддерживают технологию Bluetooth – способ обмена данными в беспроводных системах на радиочастоте около 2,4 ГГц и расстоянии до 100 м. Она позволяет связывать различные электроприборы, например, для получения удаленного беспроводного доступа к Интернету и мобильному телефону со скоростью до 1 Мбит/с, а также к компьютерам; для организации беспроводной сети между телефоном, ноутбуком и стационарным компьютером.

Для доставки интерактивной информации на мобильные устройства предназначен применяемый в беспроводных системах протокол WAP (англ. «Wireless Application Protocol»). Он обеспечивает через Интернет беспроводный доступ к корпоративной информации («мобильные интрасети»).

Другим способом беспроводной связи являются оптические линии связи (лазерная или оптическая связь), использующие топологию «точка–точка». Метод передачи звука с помощью модулированного пучка света предложен в начале XX в., а первые коммерческие устройства появились в середине 1980-х г. Эта связь имеет высокую пропускную способность и помехозащищенность, не требует разрешения на использование радиочастотного диапазона и др. Такие лазерные системы поддерживают любые протоколы передачи данных. Исходный сигнал модулируется оптическим лазерным излучателем и в виде узкого светового луча передатчиком и оптической системой линз передается в атмосферу. На приемной стороне этот пучок света возбуждает фотодиод, регенерирующий модулированный сигнал. Распространяясь в атмосфере лазерный луч подвергается воздействию микроскопических частиц пыли, паров и капель жидкости (в т.ч. осадков), температуры и др. Эти воздействия снижают дальность связи, составляющую от единиц, до 10–15 км. Расстояние зависит также и от мощности передающих устройств, которая колеблется от десятков до сотен мВт и обусловлена потребностью обеспечения устойчивой связи. Система обеспечивает достоверность связи более чем на 99,9%. Удобство и малое время развертывания таких систем позволяют эффективно использовать их для создания резервных и аварийных каналов двусторонней связи, организации временной высокоскоростной и устойчивой связи, например, между двумя ЛВС, в системах видеонаблюдения и др.

Спутниковая связь образуется между специальными наземными станциями спутниковой связи и спутником с антеннами и приемо-передающим оборудованием. Для Она используется с целью циркулярного информационного обеспечения большого числа абонентов, как система широкополосного вещания (телевидение, звуковое вещание, передача газет), для организации виртуальных магистральных линий связи большой протяженности и др. Спутниковая связь позволяет охватить территории со слабо развитой инфраструктурой связи, расширить сферу и набор услуг, в т.ч. мультимедийных, радионавигационных и др. Принцип ее работы заключается в том, что сигнал от абонента поступает (в т.ч. по радиоканалу), как правило, на ближайшую наземную станцию, направляющую его на станцию спутниковой связи. Оттуда сигнал с помощью мощной антенны отправляется на спутник. К абоненту сигнал поступает аналогично, в обратном порядке.

Рис. 8.3.

Спутники располагаются на одной из трех орбит (Рис. 8.3). Спутник, использующий геостационарную орбиту (англ. «Geostationary Earth Orbit», GEO), находится на высоте 36 тыс. км от Земли, и является неподвижным для наблюдателя. Он охватывает значительные области (территории) планеты. Средние орбиты (англ. «Mean Earth Orbit», MEO) обитания спутников характеризуются высотой 5–15 тыс. км, а на низких орбитах (англ. «Low Earth Orbit», LEO) высота размещения спутников не превышает 1,5 тыс. км. В этом случае они охватывают небольшие, локальные территории. Станции спутниковой связи делятся на: стационарные, переносные (перевозимые) и портативные.

Они обеспечивают: телевидение и радиовещание для коллективных и индивидуальных пользователей; национальные и цифровые телефонные сети связи; поддержку системы коммерческой связи SMS (англ. «Satellite Multiservices System») для высокоскоростной передачи данных, проведения видеоконференций и межкомпьютерного обмена информацией; предоставление связи наземным подвижным объектам и др.
Станции спутниковой связи используют для цифрового спутникового телевидения, телефорумов, просмотра видеофильмов, предоставления широкомасштабных образовательных, профессиональных и консультационных (в т.ч. медицинских) и иных услуг. Портативные станции спутниковой связи вместе с антенной умещаются в кейсе и имеют массу до 8,5 кг. Современные спутниковые телефоны могут работать как сотовые аппараты и весят менее 500 г.

Средства связи все больше ориентируются на обеспечение передачи различных видов данных. Для этого создаются сети передачи данных, использующие специальные каналы связи и методы передачи данных, предоставляющие пользователям различные виды передачи данных.

Технология передачи данных
Для высокоскоростной передачи данных предпочтительно создавать и использовать специальные каналы и сети передачи данных. Это весьма дорогое мероприятие. При их отсутствии или невозможности воспользоваться ими, передачу данных осуществляют с помощью неприспособленных для этого существующих каналов передачи информации, которые, как правило, не обладают необходимыми характеристиками, например, низкочастотных и низкоскоростных линий и каналов телефонной связи. Проблема решается на аппаратно-программном уровне с помощью высокоскоростного и высоконадежного оборудования, подключаемого к этим каналам, и специального программного обеспечения.

В сетях передачи данных используют специальные программно-технические средства, обеспечивающие соединение сетей между собой и с абонентами, а также высокоскоростную, надежную и, как правило, защищенную передачу различной информации. При этом в сети распространяется только цифровая кодированная информация. Эти сети вместе с используемым для этого каналом связи образуют систему передачи данных (СПД).

Первые такие системы предназначались для обмена данными по низкоскоростным телефонным и телеграфным каналам связи. Скорость передачи телеграфных сигналов измеряется в Бодах. Эта единица впервые введена в 1927 г.

По режиму обмена данными устройства передачи данных (УПД) делятся на симплексные, полудуплексные и дуплексные.

По скорости передачи выделяют: низкоскоростные; среднескоростные (до 4800 Бод) и высокоскоростные УПД.

Рис. 8.4. Вариант связи двух компьютеров с помощью модемов.

Современные УПД состоят из устройств преобразования сигналов, защиты от ошибок и других вспомогательных систем. Основным устройством, обеспечивающим прием-передачу машиночитаемых данных по сетям связи, является модем.

Модем осуществляет автоматический набор телефонного номера в коммутируемых сетях и контроль за безискаженными приемом и передачей информации. Модемы изготавливают для работы в кабельных или беспроводных сетях.