Лекции по «Основы передачи данных»

Тракт передачи данных представляет собой совокупность взаимно резервированных каналов передачи данных (двух или более) и групповых устройств (ГУ). Тракт обеспечивает передачу информации с заданными эффективной скоростью, верностью и надежностью. Приведённые требования являются основными и далеко не исчерпывают всех требований, предъявляемых к СПД.

Любая система передачи данных (СПД) может быть описана через три основные свои компоненты. Такими компонентами являются передатчик (или так называемый “источник передачи информации”), канал передачи данных и приёмник (также называемый ”получателем” информации). При двухсторонней (дуплексной передаче) источник и получатель могут быть объединены так, что их оборудование может передавать и принимать данные одновременно.

 

Основные характеристики и требования,                                                     предъявляемые к СПД

 

Передача данных является качественно новым видом телекоммуникаций, и поэтому её основные технические характеристики отличаются следующими:

1. Верность (безошибочность) передачи данных характеризуется коэффициентом ошибок, численно равным отношению количества ошибочно принятых знаков к общему количеству переданных знаков. Обычно при передаче данных коэффициент ошибок не должен превышать 10-6. Это требование определяется важностью передаваемых данных. Для повышения верности приема информации принимает специальные меры. Так, например, можно одну и ту же информацию передавать по нескольким независимым путям, а на приеме производить выборку голосованием. Чем больше независимых путей, тем меньше вероятность неправильного приема. Аналогичную операцию можно произвести, если одно и то же сообщение передавать по одному каналу несколько раз.

Верность приема можно увеличить, использовав помехоустойчивые коды.

2. Пропускная способность при передаче данных должна быть как можно высокой, поскольку требуется передавать больше объема информации в жестко заданный отрезок времени. Увеличение пропускной способности достигается за счет значительного увеличения скорости передачи сигналов данных, а также за счет применения более широкополосных каналов связи. Пропускная способность системы передачи дискретных сообщении или скорость передачи информации, зависит в основном от ширины спектра частот, отводимого для работы системы, а также от вида модуляции и интенсивности помех. Ширина канала определяет длительность нарастания переходного процесса при модуляции какого-либо параметра несущих частоты. Длительность нарастания:

tн ≈ 1/∆ F

передаче с двумя боковыми полосами и

tн ≈ 1/2∆ F

при передаче с одной боковой полосой или передаче в нч канале (без модуляции). Здесь ∆ F – ширина канала.

3. Надежность работы элементов устройств передачи данных должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить бесперебойное функционирование системы, для который передаются эти данные. Надёжность системы передачи данных характеризуется средним временим наработки на один отказ Тн и средним временим восстановления после отказа Тв.

Среднее время наработки на отказ Тн является наиболее простым и употребительным критерием надежности. На практике значение этого критерия определяется на основании статистических данных:

               N

Тн = _1_∑ Траб i

         N  i=1

где Траб i – время безотказной работқ между i выходами системы из строя; N – количество выходов из строя.

Среднее время восстановления зависит от того, как быстро удается обнаружить и устранить повреждение.

 

Телекоммуникация – это передача-прием, обработка сигналов, знаков, текстов, изображений, звуков или иных видов информации с использованием проводных, радио, оптических или других эл.-магнитных систем.

Сеть телекоммуникации – совокупность средств телекоммуникации, обеспечивающих один или несколько видов передач: телефонную, телеграфную, факсимильную передачу данных и других видов документальных сообщений, трансляцию телевизионных и радиовещательных программ.

Служба телекоммуникации – организационно-техническая структура на базе сети (или совокупности сетей телекоммуникации), позволяющая пользователям получать определенный набор услуг телекоммуникации.

Услуги телекоммуникации – продукт деятельности оператора и провайдера по приему, передаче, обработке сигналов и других видов информации через сети телекоммуникации.

Передача данных – перенос данных в виде двоичных символов из одного пункта в другой средствами телекоммуникации, как правило, для последующей обработки средствами вычислительной техники.

Сеть передачи данных – совокупность узлов и каналов телекоммуникации, специально созданная для организации телекоммуникаций между определенными точками с целью обеспечения передачи данных.

Служба передачи данных – служба переноса, обеспечивающая предоставление пользователям определенного набора услуг передачи данных на базе одной или нескольких сетей передачи данных.

Услуга службы передачи данных – продукт деятельность оператора (операторов) телекоммуникаций по приему и передаче данных.

Требования, предъявляемые к службе передачи данных

Эти требования сводятся в основном к:

1. передаче сообщения определенного объема
2. по заданному адресу
3. в установленный срок
4. с требуемым качеством

При этом должны обеспечиваться надежность функционирования службы, точные сведения по оплате услуг и защищенности сообщений от несанкционированных действий.

Требование 1 очевидно, т.к. объемы передаваемых сообщений могут значительно различаться, от нескольких байт до мегабайт, поэтому все остальные требования должны быть привязаны к объему сообщения.

Требование 2 также очевидно, т.к. при неправильной засылке сообщения адресат его не получит, в результате чего может быть нарушена конфиденциальность.

Требование 3 предполагает, что для доставки каждого сообщения имеется некоторый оптимальный срок.

Требование 4 сводится к необходимости максимальной идентичности принятого сообщения как по форме, так и по содержанию.

Таким образом, основными характеристиками качества услуг служб передачи данных являются:

1. достоверность информации
2. время доставки
3. надежность доставки по адресу в заданное время
4. защита от несанкционированного доступа.

Требование к достоверности передачи данных 10-6 – 10-8, высокие требования 10-10 – 10-12, координатн. АТС 10-2 – 10-3; 10-3 – 10-4, каналы междугородней связи 10-4 – 10-5.

 

Связь системы модуляции с количеством допустимых ошибок

 

Скорость модуляции, бит/с	Длительность единого этапа, мс	Количество ошибок при перерыве длительностью, пер = 80мс
50	20	4
200	5	16
2400	0,4	200
9600	0,1	806
28800	0,034	2353
33600	0,029	2759
56000	0,018	4444

 

Надежность восстанавливаемых систем передачи данных характеризуется коэффициентом готовности

Коэффициент готовности характеризует вероятность того, что система передачи данных будет находиться в исправном состоянии в произвольно выбранный момент времени.

Тн – наработка на отказ, характеризует среднее значение длительности непрерывной работы в системах передачи данных (СПД) между двумя отказами.

- интенсивность отказов

Тв – время восстановления простоев вызванных отысканием и устранением повреждений.

Тв = tобнаружения + tпоиска и локализации + tзамены + tконтроля работоспособности после замены

 

СПД не восстанавливаемые характеризуются вероятностью безотказной работы

P(t)=e- t

ООД-ИС

Информация – сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования.

Информация представляется в виде сообщения, т.е. сообщение является формой представления информации.

общение передается с помощью сигналов материальных носителей информации. Т.о. сообщением называют информацию, выраженную в определенной форме и предназначенную для передачи от источника к получателю.

Основными информационными характеристиками ИС являются:

1. количество информации в отдельных  символах

2. энтропия

3. избыточность сообщения

4. производительность источника сообщения

 

Источник дискретных сообщений характеризуется алфавитом передаваемых сообщений А, объемом или числом символов этого алфавита К, а также вероятностью выдачи символов P(ai)

1) Количество информации, которое  приходится на один символ, определяется следующим выражением:

Единицей измерения информации является бит.

2) Среднее количество информации, которое приходится на один  символ, поступающее от источника  без памяти определяется по  следующей формуле:

Это выражение известно как формула Клода Шеннона для энтропии источника дискретных сообщений.

Энтропия – мера количества неопределенности в поведении источника.

3) Избыточность источника дискретных  сообщений, это мера возможного  сокращения сообщения (без потери информации) за счет использования его вероятностных характеристик.

4) Среднее количество информации, выдаваемое источником сообщения  в единицу времени называется производительностью источника.

  T – среднее время, необходимое на передачу одного символа

 

Средний объем сообщения

 

Тип сообщения	Типичный размер
e-mail	2,2 кB
длинные документы (~ 20 стр.)	44 кB
графическое изображение	330 кB
1 мин. аудио	475 кB
1 мин. видео	400 кB

 

Теорема Шеннона для источника сообщений

При любой производительности источника сообщений меньшей пропускной способности канала существует способ кодирования, позволяющий передавать по каналу все сообщения, вырабатываемые источником.

Не существует способа кодирования, обеспечивающего передачу сообщений без неограниченного накопления, если производительность источника превышает пропускную способность канала.

На основе теории, созданной Шенноном, были разработаны алгоритмы, которые позволили значительно сократить избыточность в речевых, факсимильных и телевизионных сообщениях. Это привело к бурному развитию эффективных цифровых систем фиксированной, мобильной и спутниковой связи, а также цифрового, звукового и телевизионного вещания.

 Т.к. аренда высокоскоростных каналов для передачи данных на большие расстояния доступна за высокую арендную плату, фирмы-разработчики аппаратных средств и программного обеспечения постоянно ищут решения, направленные на повышение эффективности использования канала связи. Эта проблема решается по двум основным направлениям. Первое связано с развитием технологий клиент-сервер сетевых приложений. Реализация такого подхода позволяет существенно уменьшить интенсивность сетевого трафика за счет того, что обработка запросов и операции с базами данных и массивами производится непосредственно на сервере, а по сети на рабочую станцию передаются только результаты обработанного запроса. Второе – сжатие данных при передаче по каналам связи, которое позволяет значительно увеличить пропускную способность каналов при относительно небольших затратах на приобретение специального оборудования и программного обеспечения