Компьютерные сети. 6-е изд.

2.3. Применение спектра электромагнитных волн для передачи данных

В этом разделе мы поговорим об использовании различных частей спектра электромагнитных волн, представленных на илл. 2.8, и начнем с радиоволн. Будем считать, что все передаваемые сигналы — узкополосные (если не указано иное).

2.3.1. Радиосвязь

Радиоволны легко генерировать, они способны преодолевать большие расстояния и с легкостью проходить сквозь стены. Поэтому их повсеместно используют для связи как в помещениях, так и на открытом пространстве. Радиоволны являются всенаправленными, то есть расходятся во все стороны от источника, а значит, нет необходимости тщательно нацеливать передатчик на приемник.

Иногда всенаправленность радиоволн полезна, но порой она может сыграть злую шутку. В 1970-х компания General Motors решила оборудовать все свои новые кадиллаки электронной антиблокировочной системой. При нажатии на педаль тормоза устройство подавало сигналы включения/выключения тормозов вместо их блокировки. Однажды дорожный патрульный штата Огайо попытался связаться с управлением по своей новенькой рации, и внезапно проезжающий мимо кадиллак стал вести себя как необъезженный жеребец. Когда офицер наконец остановил эту машину, водитель заявил, что ничего не делал и что автомобиль вдруг будто взбесился.

В конце концов начала прослеживаться закономерность: иногда кадиллаки «бунтовали», но только на крупных шоссе Огайо и только когда за ними наблюдал дорожный патруль. Долгое время в General Motors не могли понять, почему эта проблема не возникает во всех остальных штатах, а также на небольших дорогах Огайо. Только после тщательных исследований они обнаружили, что электропроводка кадиллака служит прекрасной антенной для частот, используемых новой радиосистемой дорожного патруля штата Огайо.

Свойства радиоволн зависят от частоты. Низкочастотные радиоволны легко проходят сквозь препятствия, но их мощность резко падает с удалением от источника — со скоростью минимум 1/r2 в воздухе, — поскольку энергия сигнала распределяется более тонким слоем по большей поверхности. Подобное затухание называется потерями в тракте передачи (path loss). Высокочастотные радиоволны движутся по прямой и отражаются от препятствий. Эти отражения сильно влияют на мощность сигнала помимо уже упомянутых потерь в тракте передачи. Высокочастотные радиоволны сильнее поглощаются дождем и остальными препятствиями, чем низкочастотные. При этом радиоволны любой частоты подвержены помехам от моторов и прочего электрического оборудования.

Интересно сравнить затухание радиоволн и сигналов в направляющих средах передачи. В оптоволокне, коаксиальном кабеле и витой паре мощность сигнала падает на одинаковую долю за единицу расстояния, например, на 20 дБ за 100 м для витой пары. В случае радиоволн мощность сигнала падает на одинаковую долю при удвоении расстояния, например, в вакууме эта доля равна 6 дБ. Это означает, что радиоволны могут проходить большие расстояния, при этом основной проблемой являются взаимные помехи между пользователями. Поэтому правительства всех стран жестко регулируют использование радиопередатчиков (за несколькими исключениями, которые мы обсудим далее).

В диапазонах ОНЧ, НЧ и СЧ радиоволны следуют вдоль земной поверхности, как показано на илл. 2.10 (а). Прием этих волн возможен на расстоянии до 1000 км для низких частот и на меньшем — для чуть более высоких. Для AM-радиовещания используется диапазон СЧ, именно поэтому поверхностный сигнал бостонских AM-радиостанций не так-то просто услышать в Нью-Йорке. Радиоволны в этих диапазонах легко проникают сквозь здания, поэтому радио прекрасно работает в помещении. Основная проблема с использованием этих диапазонов частот для передачи данных — низкая полоса пропускания.

Илл. 2.10. (а) Радиоволны ОНЧ, НЧ и СЧ следуют вдоль земной поверхности. (б) Радиоволны ВЧ отражаются от ионосферы

В диапазонах ВЧ и ОВЧ поверхностный сигнал поглощается почвой. Впрочем, те волны, что достигают ионосферы — слоя заряженных частиц, окружающих нашу планету на высоте от 100 до 500 км, — отражаются от нее и попадают обратно на землю, как показано на илл. 2.10 (б). При определенных атмосферных условиях сигнал даже может отразиться туда и обратно несколько раз. Радиолюбители применяют диапазоны ВЧ и ОВЧ для переговоров на больших расстояниях. Эти диапазоны также используются военными.

2.3.2. Микроволновая связь

На частоте выше 100 МГц волны движутся практически по прямой, а значит, их можно сфокусировать в узкий пучок с помощью параболической антенны наподобие всем привычной спутниковой тарелки. Концентрация энергии сигнала в виде узкого луча позволяет добиться гораздо лучшего соотношения сигнал/шум. Но для этого нужно тщательно выровнять передающую и принимающую антенны относительно друг друга. Этот подход позволяет выстроить в ряд несколько передатчиков и направить их на расположенные друг за другом приемники. Направленность позволяет осуществлять связь без взаимных помех, конечно, при соблюдении минимального расстояния между объектами. До появления оптоволоконных кабелей именно на таких микроволнах десятилетиями основывалась вся система междугородних телефонных разговоров. На самом деле вся система MCI (одного из первых конкурентов AT&T, основанного после распада последней) была построена на базе микроволновой связи между разнесенными на десятки километров вышками. Этот факт отражен в самом названии упомянутой компании: MCI расшифровывается как Microwave Communications, Inc. — Корпорация «Микроволновая связь». С тех пор MCI уже успела перей­ти на оптоволокно и, пройдя через ряд корпоративных слияний и банкротств, стала частью Verizon.

Микроволны являются направленными (directional). Они движутся по прямой, так что если вышки находятся слишком далеко друг от друга, на пути сигнала может оказаться земная поверхность (представьте себе канал связи Сиэтл — Амстердам). Поэтому необходимо периодически устанавливать повторители. Чем больше высота вышек, тем реже их можно ставить. Расстояние между повторителями примерно пропорционально квадратному корню их высоты. К примеру, в случае 100-метровых вышек повторители могут располагаться на расстоянии в 80 км.

В отличие от радиоволн более низкой частоты, микроволны плохо проходят через здания. Кроме того, даже если пучок волн на стороне передатчика хорошо сфокусирован, он вполне может разойтись в пути. Некоторые волны могут отра­зиться от низших слоев атмосферы и поступить в приемник позже, чем прямые. Подобные волны могут попадать в приемник со сдвигом по фазе с прямой волной и тем самым гасить сигнал. Этот эффект носит название многолучевого замирания (multipath fading) и зачастую представляет собой серьезную проблему. Его степень зависит от погодных условий и частот волн. Некоторые операторы связи держат около 10 % каналов в качестве резерва на случай, если многолучевое замирание приведет к потере какой-нибудь полосы частот.

Потребность в высокоскоростной передаче данных заставляет операторов беспроводных сетей переходить на все более высокие частоты. Сейчас повсеместно применяются полосы частот до 10 ГГц, но в районе 4 ГГц возникает новая проблема: поглощение волн водой. Длина этих волн всего несколько сантиметров, и они гасятся дождем. Этот эффект пригодился бы, если бы кто-то решил построить под открытым небом огромную микроволновую печь для жарки пролетающих мимо птиц. Но для связи он представляет серьезную проблему. Как и в случае многолучевого замирания, единственное решение — отключать каналы, на пути которых идет дождь, и использовать запасные варианты.

Микроволновая связь так широко применяется — для междугородней и мобильной телефонной связи, телевидения и других целей, — что возникла серьезная нехватка частот. У нее есть несколько важных преимуществ перед оптоволокном. Главное, для этого вида связи не требуются права на прокладку кабелей. Достаточно купить по одному крошечному клочку земли на каждые 50 км и расставить на них микроволновые вышки — и можно полностью отказаться от использования телефонной системы. Именно благодаря этому MCI смогла так быстро выйти на рынок компаний междугородней телефонной связи. Компания Sprint (еще один конкурент распавшейся AT&T) пошла совсем другим путем. Ее основателем стала Южная Тихоокеанская железнодорожная компания, уже владевшая правами на значительные участки земли. Оптоволоконный кабель просто прокладывался вдоль железнодорожного полотна.

Стоимость микроволновой связи относительно невелика. Возведение двух примитивных вышек (это могут быть просто большие столбы с четырьмя тросами) и установка антенн может обойтись намного дешевле, чем проведение 50 км оптоволокна под землей в густонаселенном городе или, скажем, в горах. Даже аренда оптоволоконной сети у телефонной компании может сильнее ударить по карману, особенно если эта компания еще не полностью расплатилась за медный провод, от которого отказалась в пользу оптоволокна.

2.3.3. Передача данных в инфракрасном диапазоне

Инфракрасные волны без использования кабеля широко применяются для связи на короткие расстояния. Пульты дистанционного управления телевизорами, Blue-ray плеерами и стереосистемами используют связь в ИК-диапазоне. Они относительно направленные, дешевые, а их производство не представляет сложности. Впрочем, есть у них и очень крупный недостаток: сигнал не проходит сквозь плотные объекты (попробуйте встать между пультом дистанционного управления и телевизором и проверьте, будет ли он работать). В целом по мере перехода от длинноволнового радио к видимому свету волны все больше напоминают световые и все меньше — радиоволны.

С другой стороны, неспособность инфракрасных волн проникать через сплошные стены — положительное качество. Ведь инфракрасная система в одной комнате не будет мешать аналогичной системе в соседних помещениях: вы не сможете управлять соседским телевизором с помощью своего пульта. Более того, благодаря этому свойству инфракрасные системы защищены от перехвата информации лучше, чем радио. Следовательно, для их работы не нужна государственная лицензия, в отличие от радиосистем, работающих за пределами ISM-диапазонов частот. В ограниченном объеме инфракрасная связь применяется и в настольных ПК, например, для подключения ноутбуков и принтеров по стандарту IrDA (Infrared Data Association), но на рынке связи ее роль второстепенна.

2.3.4. Передача данных в видимом диапазоне

Беспроводная оптическая коммуникация, или оптика свободного пространства (free-space optics), применялась на протяжении столетий. Пол Ревир (Paul Revere)17 накануне своей знаменитой «Скачки» посылал двоичные световые сигналы (с помощью фонаря. — Примеч. ред.) из бостонской Старой Северной церкви. Сегодня оптическая коммуникация используется для соединения двух LAN: на крышах зданий, в которых они развернуты, устанавливаются лазеры. Лазерная связь по своей природе является однонаправленной, так что на каждой стороне нужен свой лазер и свой фотодатчик. Такая архитектура обеспечивает очень широкую полосу пропускания за небольшие деньги. При этом она достаточно хорошо защищена, ведь перехват узкого лазерного луча — непростая задача. Установка оборудования проста и, в отличие от передачи в микроволновом диапазоне, не требует лицензии от Федеральной комиссии по связи (Federal Communications Commission, FCC) в США и аналогичных правительственных органов в других странах.

Главное преимущество лазера, узкий луч, одновременно является его недостатком. Попасть лучом миллиметровой ширины в цель размером с булавочную головку на расстоянии 500 м может разве что современная Энни Оукли (Annie Oakley)18. Обычно в систему включаются специальные линзы для небольшой расфокусировки луча. Проблема усугубляется тем, что луч подвержен искажению из-за ветра и температурных изменений, а дождь или сильный туман становятся непреодолимой преградой. При этом лазер прекрасно работает в солнечный день. Впрочем, эти факторы не имеют значения, если речь идет о соединении двух космических аппаратов.

Однажды в 1990-х один из авторов книги, Эндрю Таненбаум, посетил конференцию, проходившую в современном европейском отеле. Организаторы заботливо предоставили конференц-зал с терминалами, чтобы участники могли проверять свою электронную почту во время нудных докладов. Местная телефонная компания отказалась проводить множество телефонных линий ради трех дней конференции. Тогда организаторы поставили на крыше лазер и нацелили его на здание факультета вычислительной техники своего университета, расположенное в нескольких километрах. В ночь перед мероприятием связь работала отлично. Однако в 9 утра следующего дня — ясного и солнечного — канал полностью отказал и не работал до вечера. В оставшиеся два дня повторилась та же картина. Только после конференции организаторы выяснили причину: в дневное время из-за солнечного тепла с крыши здания поднимались конвекционные потоки воздуха (илл. 2.11). Эти турбулентные потоки отклоняли лазерный луч, в результате чего он плясал вокруг датчика. Подобный эффект можно наблюдать над шоссе в жаркий день. Мораль истории такова: чтобы беспроводные оптические каналы связи хорошо работали не только в идеальных, но и в сложных условиях, необходимо проектировать их с учетом возможных погрешностей.

Илл. 2.11. Конвекционные потоки воздуха мешают работе систем лазерной связи. На рисунке приведена двунаправленная система с двумя лазерами

Использование беспроводной оптической связи для построения сетей может показаться странной идеей, но у нее есть потенциал. В повседневной жизни нас окружают светочувствительные камеры и дисплеи, излучающие свет при помощи LED и других технологий. Эти устройства можно усовершенствовать, добавив возможность обмена данными. Информация будет зашифрована в паттернах мигания светодиодов за рамками восприятия человека. Передача данных при помощи видимого света вполне безопасна и создает низкоскоростную сеть в непосредственной близости от дисплея. Она позволяет повсеместно реализовывать самые разнообразные вычислительные сценарии. Проблесковые маячки на автомобилях экстренных служб могут сигнализировать ближайшим светофорам и машинам о необходимости уступить дорогу. Информационные табло могут транслировать карты. Даже праздничные гирлянды можно использовать для проигрывания музыки синхронно с миганием огоньков.

17 Герой Войны за независимость США 1775–1783 гг. Прославился тем, что оповестил повстанцев о наступлении британских отрядов. — Примеч. ред.

18 Легендарная американская женщина-стрелок, способная пулей погасить пламя свечи. — Примеч. ред.