Курс лекций по "Клиент- серверные информационные технологии"

Геостационарные спутники.

Согласно 3-му закону Кеплера период вращения спутника пропорционален 3/2 степени  орбитального радиуса. На высоте примерно 36000 км над экватором период спутника будет равен 24 часа. Такой спутник  наблюдателю на экваторе будет казаться неподвижным. Такая неподвижность очень большое достоинство, так как в противном случае пришлось бы делать сложные антенные системы.

В силу интерференции волн неразумно  было бы размещать такие спутники ближе чем 2 градуса экваториальной плоскости. Однако, если спутники работают на разной частоте, то это возможно. Таким образом, в одно и тоже время на экваториальной орбите может находится не более 180 спутников, работающих на одной и той же частоте. Так как часть из этих орбит зарезервирована не только для целей связи, то их на самом деле меньше.

Обычно спутник связи имеет 12-20 транспондеров с пропускной способностью 36-50 Мгц каждый. 50 Мbps транспондер  может быть использован для передачи 50 Mbps потока данных и 800 64Kbps телефонных разговоров. Можно по-разному поляризовать сигналы так, что два транспондера смогут использовать одну и ту же частоту.

Первые спутники имели один широкий  луч. Современные имеют несколько  относительно узких луча, пятно которых  охватывает несколько сот километров.

Относительно новой технологией является технология малых антенн, называемых VSAT - Very Small Aperture Terminals - терминалы с очень маленькой апертурой. Эти маленькие терминалы имеют антенну в 1 метр, способную излучать сигнал мощностью в 1 ватт. Они способны передавать данные со скоростью примерно 19.2 Kbps и принимать - 512 Kbps. Из-за малой мощности эти терминалы не могут взаимодействовать напрямую, но прекрасно это могут через специальный спутниковый хаб. Это компромисс - задержка в передачи за низкую стоимость передачи.

• Спутниковые системы связи имеют существенные отличия от наземных систем точка-точка. Несмотря на то, что сигнал распространяется со скоростью света, задержка велика - 250-300 mсек, против 3-5сек/км на коаксиале, оптоволокне и т.д.
• Спутниковые системы принципиально вещательного типа. Для некоторых приложений это очень важно. Стоимость передачи не зависит скольким получателям сообщение предназначено. Однако, проблема безопасности передаваемой информации здесь требует особого внимания - все слышат все, что передается. Выход - только шифрование.
• Стоимость передачи не зависит от расстояния.
• Этот способ передачи имеет очень низкий коэффициент ошибок при передаче.

Низкоорбитальные спутники

Изначально низко летящие спутники серьезно не рассматривались. Слишком быстро они проносились над определенным местом. В 1990 компания Моторола обратилась с проектом системы низко летящих спутников. Идея была очень проста: когда один спутник исчезал, подлетал другой, так что передача не прерывалась. Компания подсчитала, что потребуется 77 спутников на высоте 750 км. Позднее, уточнив, это число сократилось до 66. Этот проект получил название Иридиум ( 77 элемент - Иридий).

Основной задачей этого проекта  обеспечить связь с наземными  средствами, даже портативными, во всем мире. Этот проект вызвал ожесточенную конкуренцию со стороны других компаний. Все захотели строить низколетящие спутниковые системы. Было предложено множество других проектов, но все они похожи на Иридиум. Поэтому мы рассмотрим его. Надо отметить что этот проект непосредственно конкурирует с РСS/PCN сотовыми системами и, в случае успеха, делает их не столь необходимыми.

По оценкам компании Моторола стоимость  проекта не превысит $3 с клиента  за минуту. Это недорого и наверняка  найдет сбыт. Однако, это вызовет жесткую конкуренцию со стороны сотовой телефонной связи.

14. Цифровое кодирование

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные  и импульсные коды.

В потенциальных кодах  для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам  цифрового кодирования

При использовании прямоугольных  импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно достигал бы нескольких целей:

•    имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

•    обеспечивал синхронизацию  между передатчиком и приемником;

•   обладал способностью распознавать ошибки;

•   обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника  нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются  так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для  передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код  обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам  кодирования, являются взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

Потенциальный код без  возвращения к нулю

На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). Метод NRZ прост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхронизации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по входному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита.

Другим серьезным недостатком  метода NRZ является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кода NRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кода NRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоники fo, которая равна N/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других методов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Метод биполярного кодирования  с альтернативной инверсией

Одной из модификаций метода NRZ является метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (Bipolar Alternate Mark Inversion, AMI). В этом методе (рис. 2.16, б) используются три уровня потенциала — отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMI частично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсутствия самосинхронизации, присущие коду NRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кода NRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникой N/2 Гц (где N — битовая скорость передачи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кода AMI, как и для кода NRZ — сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому код AMI требует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается — осталось справиться только с последовательностями нулей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоника fo имеет частоту N/4 Гц. Код AMI предоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signal violation).

В коде AMI используются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Потенциальный код с  инверсией при единице

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При передаче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице

(Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптических кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала — свет и темнота. Для улучшения потенциальных кодов, подобных AMI и NRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на линии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble — свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоичные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в  сетях используются и импульсные коды, когда данные представлены полным импульсом или же его частью — фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль — другой (рис. 2.16, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутствовать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZ и в четыре раза выше основной гармоники кода AMI при передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.