Физическая среда передачи информации

Для передачи данных и построения каналов связи можно использовать разные физические среды. Основные характеристиками среды являются:

1. Полоса пропускания частот;

2. Пропускная способность;

3. Задержка;

4. Стоимость;

5. Простота прокладки;

6. Сложность в обслуживании;

7. Достоверность передачи;

8. Затухание;

9. Помехоустойчивость и т.д.

В информационных сетях используются такие физические среды как:

1. Витая пара, телефонный провод, электропроводка;

2. Коаксиальный кабель, полевой кабель, телевизионный кабель;

3. Оптоволоконный кабель;

4. Радиочастотные каналы связи (радиорелейные, сотовые, спутниковые);

5. Инфракрасные каналы связи;

6. Каналы связи видимого диапазона излучения.

Физическая среда передачи сети, построенная на базе проводных каналов будем называть кабельной системой. На выбор кабельной системы влияют следующие факторы:

1. Требуемая пропускная способность (скорость передачи);

2. Размер сети;

3. Требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа);

4. Требования к уровню шумов и помехозащищенности;

5. Стоимость проекта сети.

Кабельные системы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. В современных компьютерных сетях применяется структурированная кабельная система (Structured Cabling System, SCS), которая представляет план прокладки кабелей в зданиях и между ними, основанный на применении модульных подсистем и специфицирующий согласованные правила прокладки кабеля и комплект используемых материалов. Спецификация SCS определяет набор коммутационных элементов - кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов, а также методику их совместного использования для создания регулярных, расширяемых структур связей в сетях. Структурированная кабельная система состоит из трех подсистем:

· Горизонтальной подсистемы, которая создается в пределах одного этажа здания;

· Вертикальной подсистемы, которая создается для междуэтажной связи горизонтальных подсистем;

· Подсистемы кампуса, которая создается в пределах территории близкорасположенных зданий.

Центром горизонтальной подсистемы является кроссовый шкаф этажа здания. Для нее характерно наличие большого количества ответвлений и перекрестных связей. Вертикальные подсистемы работают внутри здания и обычно соединяют кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания. Вертикальная подсистема состоит из протяженных отрезков кабеля с меньшим числом ответвлений, чем в горизонтальной подсистеме. Подсистема кампуса, работающая в пределах территории между зданиями, соединяет несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Эта часть кабельной системы обычно называется магистралью (backbone). Для подсистемы кампуса характерна нерегулярная структура связей с центральным зданием. Разработка структурированной кабельной системы чаще всего начинается с разработки горизонтальных подсистем, так как именно к ним подключаются конечные пользователи.

Преимуществами использования структурированной кабельной системы являются:

1. Универсальность. Структурированная кабельная система - это единая среда передачи компьютерных данных, организации телефонной сети, передачи видеоинформации, передачи сигналов от различных датчиков или охранных систем;

2. Увеличение срока службы. Срок морального старения структурированной кабельной системы составляет 8-10 лет. При этом стоимость системы определяется стоимостью работ по прокладке кабелей;

3. Возможность расширения сети. Структурированная кабельная система является модульной, поэтому ее легко наращивать, что позволяет ценой малых затрат переходить на более совершенное оборудование;

4. Обеспечение эффективного обслуживания. Структурированная кабельная система облегчает обслуживание и поиск неисправностей;

5. Надежность. Система имеет повышенную надежность, поскольку обычно производство ее компонентов и техническое сопровождение осуществляется одной фирмой-производителем.

Проводные физические среды

1. Коаксиальный кабель имеет среднюю цену, хорошо помехозащитен и применя­ется для связи на большие расстояния. Конструкция коаксиального кабеля приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Конструкция коаксиального кабеля (1–центральный проводник, 2–изолятор; 3–экран; 4–внешний изолятор).

В коаксиальном кабеле сигнал распространяется по центральной медной жиле, а контур тока замыкается через внешний экран. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи. Такие токи могут стать причиной внешних наводок, что является необходимостью заземления кабеля локальной сети только в одной точке.

В сетях применяются два вида коаксиальных кабелей - 50-омный среднеполосный кабель для цифровой передачи и 75-омный широкополосный кабель для аналоговой передачи. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 Ом. Это связано с тем, что такие кабели характеризуются минимальным ослаблением сигнала, так как волновое сопротивление пропорционально логарифму отношения диаметров внешнего и внутреннего проводников. В таком кабеле достижима скорость передачи в несколько Gb/s на расстоянии 1-2 км при высокой помехозащищенности. При большем расстоянии нужны промежуточные усилители. Второй вид коаксиальных кабелей используется в телевидении и называется также высокочастотным кабелем.

Для цифровых сетей используется две разновидности кабеля.

А) Толстый кабель имеет толщину 12 мм и бывает двух видов: гибкий и жесткий. Он имеет большую степень помехозащищенности, механическую прочность, и позволяет подключать компьютеры, не останавливая работу сети. Однако он сложен при прокладке и для подключения к нему требуется устройство - трансивер. Трансивер устанавливается непосредственно на кабеле контактным способом методом прокалывания или бесконтактным способом, и питается от сетевого адаптера компьютера, с которым соединяется при помощи интерфейсного кабеля (Attachment Unit Interface – AUI) длиной до 50 метров. Основная область применения толстого кабеля – магистральные линии в вертикальной подсистеме для соединения этажей здания.

Б) Тонкий кабель имеет толщину 6 мм, небольшую стоимость и требует мини­мальные затраты при построении сети. Подсоединение кабеля к сетевым адаптерам производится с помо­щью байо­нетных разъёмов и тройни­ковых Т-образных соединителей. Сети, построенные на тонком кабеле, обычно шинную топологию, т.е. все компьютеры в сегменте сети подключены к одному кабелю. Недостатком является то, что при повреждении участка кабеля или плохом контакте в разъемах сеть полностью выходит из строя. Это снижает ее надежность, а также значительно затрудняет диагностику места возникновения неполадки. Использование коаксиальных кабелей считается устаревшей технологией.

2. Кабель «витая пара» (Twisted Pair - TP) состоит из пары скрученных медных проводов и может быть двух видов:

1. Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair - STP);

2. Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair - UTP).

По мере развития технологии скрученные пары практически вытеснили коаксиальные кабели тогда, когда их полоса пропускания достигла 200-350 МГц при длине 100м, а цены на единицу длины сравнялись. Витые пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Для ограниченных расстояний допустимо применение вместо витых пар проводов сети переменного тока или параллельных телефонных проводов.

Недостатком неэкранированной витой пары является уязвимость к электрическим помехам. При этом скручивание проводников уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю. Существует семь категорий витой пары. Чем выше номер категории, тем большую скорость передачи поддерживает кабель (таблица 4.1.).

Таблица 4.1. Характеристики различных категорий витой пары

Категория	Полоса пропускания	Применения
	до 16 МГц	Ethernet, Token Ring, телефон
	до 20 МГц	Ethernet, Token Ring, телефон
	до 100 МГц	Ethernet, ATM, FE,Token Ring, телефон
	до 200/250 МГц	GigaEthernet,Ethernet, FE, ATM, Token Ring
	до 600 МГц	GigaEthernet,Ethernet, FE, ATM, Token Ring

Категория 3 представляет собой распространенный кабель телефонной проводки. Категория 4 - улучшенный вариант кабеля с повышенной помехоустойчивостью и низкими потерями сигнала для передачи голоса и данных. Категория 5 - основной тип кабеля, используемый в компьютерных системах. Кабели категории 6-7 предназначены для поддержки высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля большей длины, чем кабель категории 5. Однако кабель категории 7 по стоимости соизмерим с волоконно-оптическим кабелем, поэтому целесообразность его применения невелика.

Неэкранированная витая пара имеет волновое сопротивление 100 Ом и подключается к сетевой карте через специальный разъем. В сетях построенных на витой паре преобладает топология типа «звезда», когда каждый из компьютеров, при помощи своего отрезка кабеля подключен к сетевому устройству - концентратору, который обеспечивает взаимодействие между компьютерами в сети. Таким образом, при повреждении кабеля исчезнет связь только с одним компьютером, что легко диагностируется и устраняется, а сеть продолжит функционировать.

В экранированной витой паре пары проводников помещены в экранирующую оплетку, что увеличивает степень помехозащищенности. Экранирование защищает передаваемые сигналы от помех, а также уменьшает электромагнитное излучение. Однако наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку. Экранированная витая пара имеет волновое сопротивление 150 Ом.

3. Оптоволоконный кабель состоит из центральной нити толщиной в несколько микрон (световода, волновода), покрытой сплошной оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сам световод (Рис. 4.4. (А)). Распространяясь по световоду, лучи света не выходят за его пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В сетях используются многожильные кабели (рис. 4.4. (Б)). Для обеспечения механической прочности в центре кабеля помещается стальная нить и с внешней стороны кабель защищается стальной оплеткой и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Рис. 4.4. Многожильный оптоволоконный кабель

В первых оптоволоконных кабелях в качестве материала для световода использовалось стекло. В современных разработках используется пластик.

Работы по использованию света для передачи информации активизировались в 1960-е годы в связи с изобретением лазера, который мог обеспечить модуляцию света на высоких частотах, то есть создать широкополосный канал для передачи информации с высокой скоростью. Оптические волокна, обеспечивающие низкие потери мощности светового сигнала и полосу пропускания до нескольких ГГц появились в 1970-е годы. В начале 1980-х годов началось промышленная установка и эксплуатация оптоволоконных каналов связи. Начались также работы по созданию технологий и устройств для использования оптоволоконных каналов в локальных сетях. В 1990 году была продемонстрирована передача данных со скоростью 2,5 Гбит/c на расстояние 7500 км без промежуточных усилителей сигнала. Оптоволоконные линии связи в настоящее время работают в частотном диапазоне 10¹³ – 10¹⁶Гц. о Скорость распространения информации по ним максимальна и ограничена быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. Внешнее воздействие помех в таких линиях связи практически отсутствует. Оптоволоконный кабель применяется в магистральных сетях. В качестве источников света применяются светодиоды и полупроводниковые инжекционные лазеры, работающие в непрерывном и импульсном режимах. Лазеры используются для более протяженных линий связи. Они имеют следующие недостатки по сравнению со светодиодами:

- более сильную зависимость от температуры частоты излучения;

- более низкий срок службы;

- более высокую стоимость.

Однако светоизлучающие диоды «медлительнее» лазеров, так как работают на частотах 30—50 Мгц и имеют меньшую световую мощность.

Обнаружение модулированного светового излучения, демодуляция, воспроизведение информации осуществляется с помощью оптоэлектронных детекторов - фотодиодов. На приемном конце кабеля детектор преобразует световые импульсы в электрические сигналы.

Существуют два основных типа световодов:

А) Многомодовые световоды со ступенчатым или плавным изменением показателя преломления (Рис. 4.5). В таких кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. При этом во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется его модой и представляет собой одно из решений уравнения Максвелла.

Рис. 4.5. Многомодовое и одномодовое оптоволокно

В упрощенном виде можно считать, что мода – это одна из возможных траекторий, по которой распространяется свет в волокне. Тогда в многомодовом оптоволокне импульс света распространяется как множество лучей (мод). Некоторые лучи идут параллельно центральной оси, другие испытывают отражения от стенок волокна. Это приводит к тому, что за счет разного пути, проходящего модами, импульс на выходе размазывается по времени. Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Тогда скорость передачи и длина линий ограничиваются, так как начало нового импульса накладывается на конец предыдущего. В качестве источников излучения в многомодовых кабелях применяются светодиоды. В целом, многомодовое волокно дешевле одномодового, хотя его характеристики хуже (больше затухание сигнала, более узкая полоса пропускания).

Б) Одномодовые световоды имеют малый диаметр сердцевины (5-10 мкм), которая обеспечивает распространение только одной моды, при теоретической ширине полосы пропускания более 100 ГГц. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Типовое значение модовой дисперсии лежит в пределах от 15 до 30 нсек/км. Дисперсия зависит от диаметра центральной части волокна и длины волны света. Эта разновидность волокна воспринимает меньшую долю света на входе, зато обеспечивает минимальное искажение сигнала и минимальные потери амплитуды. Одномодовое волокно и оборудование для работы с ним значительно дороже, так как возникает проблема ввода излучения в сверхтонкое оптоволокно. Однако выигрышем является увеличение расстояния между узлами сети до 20 км без промежуточных узлов. В качестве источника света используется полупроводниковый лазер.

В оптических каналах используется мультиплексирование с делением по длине волны. За счет этой техники удается в 16-160 раз увеличить полосу пропускания канала связи из расчета на одно волокно. Число волокон на входе и выходе канала может достигать 32 и более. Разработка технологии получения особо чистого материала волокон также позволяет расширить полосу пропускания одномодового волокна и увеличить скорость передачи данных по одному волокну до 10 Тбит/с.

Достоинствами световодов по отношению к коаксиальному кабелю и витой паре являются:

1. Нечувствительность по отношению к электромагнитным помехам;

2. Механическая прочность в изоляции;

3. Хорошая гибкость;

4. Дешевизна исходного сырья (кварцевый песок, пластик);

5. Малый вес.

Недостатками световодов являются:

1. Чувствительность к водяному пару;

2. Хрупкость стекла по отношению к изгибам с малым радиусом;

3. Чувствительность к колебаниям окружающей температуры;

4. Сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Присоединение оптического волокна к разъему требует высокоточной обрезки волокна в плоскости строго перпендикулярной оси волокна, а также выполнения операции соединения частей путем склеивания. Выполнение некачественных соединений сужает полосу пропускания волоконно-оптических кабелей и снижает скорость передачи информации. Для установки разъемов, создания ответвлений, поиска неисправностей в оптоволоконном кабеле также необходима специальная аппаратура и высокая квалификация.