Коаксіальні кабелі

Таблица 8.2.1. Частотные диапазоны, используемые для спутниковых телекоммуникаций

Диапазон	Канал снижения (downlink)[ГГц]	Канал подъема (uplink)[ГГц]	Источники помех
С	3,7-4,2	5,925-6,425	Наземные помехи
ku	11,7-12,2	14,0-14,5	Дождь
ka	17,7-21,7	27,5-30,5	Дождь

Из таблицы видно, что передача ведется на более высокой частоте, чем прием сигнала со спутника. Обычный спутник обладает 12-20 транспондерами (приемопередатчиками), каждый из которых имеет полосу 36-50МГц, что позволяет сформировать поток данных 50 Мбит/с. Такая пропускная способность достаточна для получения 1600 высококачественных телефонных каналов (32кбит/c). Современные спутники используют узкоапертурную технологию передачи VSAT (very small aperure terminals). Такие терминалы используют антенны диаметром 1 метр и выходную мощность около 1 Вт. При этом канал к спутнику имеет пропускную способность 19,2 кбит/с, а со спутника более 512 кбит/c. Непосредственно такие терминалы не могут работать друг с другом, разумеется через телекоммуникационный спутник. Для решения этой проблемы используются промежуточные наземные антенны с большим усилением, что, правда увеличивает задержку. Схема связей в технологии VSAT.

Рис. 8.2.2. Схема спутниковой связи VSAT

Терминальные антены vsat имеют диаметр 1-1,5 м и излучаемую мощность 1-4 Вт, обеспечивая широкополосность до 64 кбит/с. Такие небольшие антенны не позволяют таким терминалам общаться непосредственно. На рис. 8.2.2. станции А и Б не могут непосредственно друг с другом. Для передачи данных используется промежуточная станция с большой антенной и мощностью (на рис. антенна В). Для создания постоянных каналов телекоммуникаций служат геостационарные спутники, висящие над экватором на высоте около 36000 км.

Теоретически три таких спутника могли бы обеспечить связью практически всю обитаемую поверхность земли (см. рис. 8.2.3.). Спутники, работающие на одной и той же частоте должны быть разнесены по углу на 2^o. Это означет что число таких спутников не может быть больше 180. В противном случае они должны работать в разных частотных диапазонах. При работе в Q-диапазоне угловое расстояние между спутниками можно сократить до 1^o. Влияние дождя можно минимизировать, используя далеко отстоящие наземные станции (размеры урагана конечны!).

Рис. 8.2.3.

Реально геостационарная орбита переполнена спутниками различного назначения и национальной принадлежности. Обычно спутники помечаются географической долготой мест, над которым они висят. На практике геостационарный спутник не стоит на месте, а выполняет движение по траектории, имеющей вид цифры 8. Угловой размер этой восьмерки должен укладываться в рабочую апертуру антенны, в противном случае антенна должна иметь сервопривод, обеспечивающий автоматическое слежение за спутником. Из-за энергетических проблем телекоммуникационный спутник не может обеспечить высокого уровня сигнала. По этой причине наземная антенна должна иметь большой диаметр, а приемное оборудование низкий уровень шума. Это особенно важно для северных областей, для которых угловое положение спутника над горизонтом невысоко (это особенно существенно для широт более 70⁰), а сигнал проходит довольно толстый слой атмосферы и заметно ослабляется. Спутниковые каналы могут быть рентабельны для областей, отстоящих друг от друга более чем на 400-500 км (при условии что других средств не существует). Правильный выбор спутника (его долготы) может заметно снизить стоимость канала.

Число позиций для размещения геостационарных спутников ограничено. В последнее время для телекоммуникаций планируется применение так называемых низколетящих спутников (<1000 км; период обращения ~1 час). Эти спутники движутся по эллиптическим орбитам и каждый из них по отдельности не может гарантировать стационарный канал, но в совокупности эта система обеспечивает весь спектр услуг (каждый из спутников работает в режиме “запомнить и передать”). Из-за малой высоты полета наземные станции в этом случае могут иметь небольшие антенны и малую стоимость.

Типичный спутник имеет 12-20 транспондеров, каждый из которых имеет полосу 36-50 МГц. Один транспондер может обеспечить информационный поток в 50 Мбит/с или 800 64-килобитных каналов цифровой телефонии. Два транспондера могут использовать разную поляризацию сигнала и по этой причине работать на одной и той жк частоте. Каждый телекоммуникационный спутник снабжен несколькими антеннами. Низходящий луч может быть сфокусирован на достаточно ограниченную область на земле (с диаметром несколько сот км). Что также упрощает осуществление двунаправленного обмена.

Существует несколько способов работы совокупности наземных терминалов со спутником. При этом может использоваться мультиплексирование по частоте (FDM), по времени (TDM), CDMA (Code Division Multiple Access), ALOHA или метод запросов.

Схема запросов предполагает, что наземные станции образуют логическое кольцо, вдоль которого двигается маркер. Наземная станция может начать передачу на спутник, лишь получив этот маркер.

Простая система ALOHA (разработана группой Нормана Абрамсона из Гавайского университета в 70-х годах) позволяет каждой станции начинать передачу тогда, когда она этого захочет. Такая схема с неизбежностью приводит к столкновениям. Связано это отчасти с тем, что передающая сторона узнает о столкновении лишь спустя ~270 мсек. После столкновения станция ожидает некоторое псевдослучайное время и совершает повторную попытку передачи еще раз. Такой алгоритм доступа обеспечивает эффективность использования канала на уровне около 18%, что совершенно недопустимо для таких дорогостоящих каналов, как спутниковые. По этой причине чаще используется доменная версия системы ALOHA, которая удваивает эффективность. Одна наземная станция (эталонная) периодически посылает специальный сигнал, который используется всеми участниками для синхронизации. Если длина временного домена равна T, тогда домен с номером k начинается в момент времени kT по отношению к упомянутому выше сигналу. Так как часы разных станций работают немного по разному, необходима периодическая ресинхронизация. Другой проблемой является разброс времени распространения сигнала для разных станций.

Метод мультиплекcирования по частоте (FDM) является старейшим и наиболее часто используемым. Типичный транспондер с полосой 36 Мбит/с может быть использован для получения 500 64кбит/с ИКМ-каналов, каждый из которых работает со своей уникальной частотой, чтобы исключить интерференцию с другими. Соседние каналы должны отстоять на достаточном расстоянии друг от друга. Кроме того, должен контролироваться уровень передаваемого сигнала, так как при слишком большой выходной мощности могут возникнуть интерференционные помехо в соседнем канале. Если число станций невелико и постоянно, частотные каналы могут быть распределены стационарно. Но при переменном числе терминалов или при заметной флуктуации загрузки приходится переходить на динамическое распределение ресурсов. Одним из механизмов такого распределение имеет название SPADE, он использовался в первых версиях систем связи на базе INTELSAT. Каждый транспондер системы SPADE содержит 794 симплексных ИКМ-каналов по 64-кбит/c и один сигнальный канал с полосой 128 кбит/c. ИКМ-каналы используются попарно для обеспечения полнодуплексной связи. При этом восходящий и ниcходящий каналы имеют полосу по 50 Мбит/с. Сигнальный канал делится на 50 доменов по 1 мсек (128 бит). Каждый домен принадлежит одной из наземной станции, число которых не превышает 50. Когда станция готова к передаче, она произвольным образом выбирает неиспользуемый канал и записывает номер этого канала в очередной свой 128 битный домен. Если один и тот же канал попытаются занять две или более станции происходит столкновение и они вынуждены будут повторить попытку позднее.

Метод мультиплекирования по времени сходен с FDM и довольно широко применяется на практике. Здесь также необходима синхронизация для доменов. Это делается как и в доменной системе ALOHA c помощью эталонной станции. Присвоение доменов наземным станциям может выполняться централизовано или децентрализовано. Рассмотрим систему ACTS (Advanced Communication Technology Satellite). Система имеет 4 независимых канала (TDM) по 110 Мбит/c (два восходящих и два ниcходящих). Каждый из каналов структурированы в виде 1-милисекундных кадров, каждый из которых имеет по 1728 временных доменов. Каждый из временных доменов имеет 64-битовое поле данных, что позволяет реализовать голосовой канал с полосой в 64 кбит/c. Управление временными доменами с целью минимизации времени на перемещения вектора излучения спутника предполагает знание географического положения наземных станций. Управление временными доменами осуществляется одной из наземных станций (MCS - Master Control Station). Работа системы ACTS представляет собой трехшаговый процесс. Каждый из шагов занимает 1 мсек. На первом шаге спутник получает кадр и запоминает его в 1728-ячеечном буфере. На втором - бортовая ЭВМ копирует каждую входную запись в выходной буфер (возможно для другой антенны). И, наконец, выходная запись передается наземной станции.

В исходный момент каждой наземной станции ставится в соответствие один временной домен. Для получения дополнительного домена, например для организации еще одного телефонного канала, станция посылает запрос MCS. Для этих целей выделяется специальный управляющий канал емкостью 13 запросов в сек. Существуют и динамические методы распределения ресурсов в TDM (методы Кроузера [Crowther], Биндера [Binder] и Робертса [Roberts]).

Метод CDMA (Code Division Multiple Access) не требует синхронизации и является полностью децентрализованным. Как и другие методы он не лишен недостатков. Во-первых, емкость канала CDMA в присутствии шума и отсутствии координации между станциями обычно ниже, чем в случае TDM. Во-вторых, система требует быстродействующего и более дорогого оборудования.

Інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоні безпровідні мережі використовують

для передачі даних інфрачервоні промені. У подібних системах необхідно

генерувати дуже сильний сигнал, оскільки інакше значне

вплив чинитимуть інші джерела.

Мережі на розсіяному інфрачервоному випромінюванні. При цій технології

сигнали, відбиваючись від стін і стелі, врешті-решт досягають приймача.

Ефективна область обмежується приблизно 30 м Швидкість передачі невелика

(оскільки усі сигнали відбиті).

Мережі на відбитому інфрачервоному випромінюванні. У таких мережах оптичні

трансивери, розташовані поряд з комп'ютером, передають сигнали

у певне місце, з якого вони транслюються відповідному комп'ютеру.

Широкосмугові оптичні мережі. Ці інфрачервоні безпровідні

мережі надають широкосмугові послуги магістралі, відповідають жорстким

вимогам мультимедійного середовища і практично не поступаються кабельним

мережам. Хоча швидкість і зручність використання інфрачервоних мереж дуже

пррггягательны, виникають труднощі при передачі сигналів на відстань більш

10 м. До того ж такі мережі схильні до перешкод з боку сильних джерел

світла, які є в більшості приміщень.

У комп'ютерних мережах нині застосовують практично усі описані

типи фізичних середовищ передачі даних, але найбільш перспективними

являються волоконно-оптичні. На них сьогодні будують як магістралі великих

територіальних мереж, так і високошвидкісні лінії зв'язку локальних

мереж. Популярним середовищем є також вита пара, яка характеризується

відмінним співвідношенням якості до вартості і простотою монтажу. З

допомогою витої пари зазвичай підключають кінцевих абонентів мереж на відстанях

до 100 м від концентратора. Супутникові канали і радіозв'язок використовують

найчастіше у випадках, коли кабельні зв'язки застосувати не можна

- наприклад, при проходженні каналу через малонаселену місцевість або

же для зв'язку з мобільним користувачем мережі.

Коаксіал є добрим розв’язанням для малих мереж. Оскільки вони звичайно мають топологію шини, то вони потребують менше кабеля від інших, а також не потребують габа. В загальномувипадку просто здійснити сполучення. Коаксіал також має відносно високу стійкість до завад від зовнішніх джерел шуму, які часто наявні в умовах виробництва.

Недоліки коаксіалу полягають в тому, що в топології шини складно знайти причини несправностей; крім того, новітні швидкісні мережеві технології не підтримують цей кабель. Тому в нових мережах застосування коаксіалу не рекомендується.

Магістральний коаксіальний кабель Thicknet.

а) б) Рис. 8.2.2.1. Коаксіальний кабель Thicknet фірми Belden (IEEE 802.3, 10Base-5) - звичайний або типу plenum (а) та армований (б).

Два взірці кабелів типу Thicknet зображені на рис. 8.2.2.1 Кабель містить суцільний мідний центральний провідник, покритий пінистим поліетиленовим діелектриком, перший екран - стрічка з фольги, другий екран - мідна луджена оловом плетена сітка із щільністю 94%, третій екран - фольга з повздовжнім швом, четвертий екран - мідна луджена оловом плетена сітка із щільністю 90%. Оболонка жовтого кольору з поліхлорвінілу з кільцевими смужками, розташованими через кожних 2.5 м, які допомагають користувачам розміщати розгалужувачі. Кабель типу plenum має пінистий тефлоновий діелектрик, оранжеву флюорокополімерну оболонку.

Параметри:

Номінальний характеристичний опір 50 Ом

Коефіцієнт сповільнення (NVP) 0.78

Погонна ємність 85.3 пФ/м

Коефіцієнт загасання 0.33 дБ/км при частоті 50 Мгц (на нижчих частотах ненормований).

Максимальний натяг 1130 Н

Мінімальний радіус згину 216 мм (8.5 дюйма)

Оцінка температури - не більше від 60°С (150°C для plenum)

Діапазон напруг - не більше 30 В.

Промисловий кабель Ethernet Thinnet.

Взірець кабеля Thinnet (фірма Belden) показаний на рис. 8.2.2.2. Кабель має багатожильний мідний луджений оловом центральний провідник діаметром 20 AWG (0.914 мм), покритий пінистою поліетиленовою ізоляцією. Перший екран - стрічка з фольги, другий - плетена мідна луджена оловом сітка щільністю 93%. Поліхлорвінілова оболонка сірого кольору. Кабель типу plenum має пінистий тефлоновий діелектрик, сіру флюорокополімерну оболонку.

Рис. 8.2.2.2. Коаксіальний кабель Thinnet (IEEE 802.3, 10Base-2).

Параметри:

Номінальний характеристичний опір 50 Ом

Коефіцієнт сповільнення (NVP) 0.8

Погонна ємність 82.0 пФ/м

Коефіцієнт загасання 0.33 дБ/км при частоті 10 Мгц.

Діапазон робочих температур - -40°C..+75°C (-20°C..+150°C для plenum)

Діапазон напруг - не більше 300 В.

Загальні відомості про кабелі типу "скручена пара".

8.2.3 Кабель "скручена пара"

Кабель "скручена пара" є зараз найпоширенішим середовищем

передавання у локальних комп’ютерних мережах завдяки своїй відносно

невеликій вартості та високим електричним характеристикам.

Конструктивно кабель "скручена пара" складається з чотирьох пар

мідних ізольованих провідників скручених між собою по довжині. В кожній

парі провідники також скручені між собою. Цим досягається незалежність

сигналів (навіть малої амплітуди), що передаються кабелем, від впливу

зовнішніх електромагнітних завад. Така незалежність дозволяє передавати

сигнали без проміжного підсилення на відносно велику відстань (до 2 км) з

достатньо великою швидкістю (до 1 Гбіт/с).

В залежності від конструкції кабелі поділяють на:

неекрановані (UTP - Unshielded Twisted Pair);

фольговані (FTP - Folded Twisted Pair);

екрановані (STP - Shielded Twisted Pair).

Механічна міцність кабелю дуже низька із-за необхідності під час

монтажу та експлуатації забезпечувати збереження геометрії розташування

провідників всередині кабелю. Порушення цієї геометрії призводить до

погіршення його електричних характеристик. З цієї причини кабель "кручена

пара" повинен прокладатись виключно у спеціальних коробах з дотриманням

усіх необхідних технологічних вимог.

Фізичний опис.

Кабелі “скручена пара” є найбільш поширеним передавальним середовищем для аналогових та цифрових даних.

Скручена пара складається з двох ізольованих провідників, розташованих один відносно одного у вигляді правильних спіралей за певним взірцем. В телефонії застосовують кабелі з мідними або сталевими провідниками з мідним покриттям; мідь забезпечує провідність, а сталь - міцність. Пара провідників діє як окреме комунікаційне сполучення. Звичайно декілька таких пар розміщені разом в кабелі і отчені захисною оболонкою. Для великих відстаней кабелі можуть містити сотні пар. Скручування індивідуальних пар мінімізує електромагнітну інтерференцію між ними. Змінюючи довжину скруток у сусідніх парах, можна змінімізувати здатність до завад (інтерференції) між парами в одній кабельній оболонці. Товщина провідників у парі звичайно лежить в межах від 0.4 мм до 0.91 мм. Кабелі типу "скручена пара" дуже поширені, зокрема в телефонії. Однак з часом сигнали стають все складнішими і швидкість їх передавання зросла від 1200 б/с до понад 100 Мб/с. Багато джерел завад можуть спотворити ці сигнали. Коаксіальні кабелі та оптоволоконні кабелі були опрацьовані для широкосмугових застосувань і підтримують новітні технології, однак і кабелі типу "скручена пара" можуть передавати сигнали з великою швидкістю.

Відомі два основні види кабелів типу "скручена пара" - неекранований (Unshielded Twisted Pair - UTP) і екранований (Shielded Twisted Pair - STP). Ці кабелі, особливо UTP, звичайно дешевші від коаксіальних кабелів. Іншою їх перевагою є те, що вони часто застосовуються в новітніх будинках також для сучасих телефонних систем. Число пар провідників у кабелях UTP такого призначення може лежати в межах від 2 до 100. UTP з чотирьома парами провідників може використовуватися як для телефонних, так і для комп’ютерних систем. Кабелі UTP наявні в п’ятьох Категоріях, від 1 до 5, які мають різні характеристики. З’єднувачі для кабелів UTP позначають RJ-45. В загальному порівняння кабелів UTP з іншими типами кабелів приводить до висновку, що вони простіші з точки зору додавання нових комп’ютерів до мережі, їх переміщення, знаходження і корекції проблем з кабелями, обслуговування комп’ютерів.

Деякі кабелі типу "скручена пара" мають металеві екрани для зменшення здатності до сприйняття електромагнітних завад (Electromagnetic Interference - EMI). Електромагнітні завади можуть бути викликані різними джерелами, такими як електромотори, лінії електропередачі, потужними радіосигналами і створюють шуми в кабелі. Кабелі STP містять провідники, що переносять сигнали, всередині провідного екрану. На перший погляд здається, що ці провідники фізично відділені від джерел завад, однак насправді це не так. Подібно до інших провідників, екран діє як антена, перетворюючи електромагнітне поле завад в струм, який тече по екрані, коли він правильно заземлений. Цей струм у свою чергу викликає синфазні та протифазні струми у провідниках скрученої пари. Доки ці два струми симетричні, вони компенсують один одного і не викликають шумів у приймачі. Однак будь-яка неоднорідність в екрані або інша асиметрія між струмом в екрані та струмами в скручених провідниках викликає появу завад (шумів). Кабелі STP ефективні при запобіганні випромінюванню та блокуванні інтерференції тільки доти, доки сполучення екрановане від одного кінця до іншого і правильно заземлене. Кожна компонента системи з екранованим кабелем повинна бути також повністю екранована. Кабелі STP більш широко застосовуються до мереж Token Ring.

Кабелі STP мають також недоліки; наприклад, їх загасання зростає на високих частотах і їх баланс (або повздовжні втрати перетворення - longitudinal conversion loss) зменшується, якщо вплив екрану не компенсується, що приводить до перехресних зв'язків та шумів. Ефективність екранування залежить від матеріалу екрану, його товщини, типу поля електромагнітної завади, його частоти, відстані від джерела шуму до екрану, будь-яких неоднорідностей екрану та структури заземлення. У загальному випадку не можна гарантувати, що сам екран не містить дефектів.

Деякі кабелі STP мають товстий плетений екран. Ці кабелі важчі, товстіші і твердіші від їх відповідників - кабелів UTP. Окремі кабелі STP використовують відносно товсту оболонку понад зовнішнім фольговим екраном. Ці кабелі називають screened twisted pair (ScTP) або foil twisted pair (FTP), вони тонші та дешевші від кабелів з товстим плетеним екраном. Однак вони не простіші при укладанні, бо необхідно жорстко контролювати дотримання вимог щодо мінімального радіусу згину та максимального зусилля натягу; інакше екран може обірватися.

З другого боку, кабелі UTP не базуються на фізичному екрануванні для запобігання інтерференції, а тільки на техніці балансування та фільтрації за допомогою фільтрів та симетризаторів. Завади однаково індукуються в двох провідниках і компенсуються в приймачі. Для правильно спроектованих та виготовлених кабелів ця техніка простіша в обслуговуванні, ніж дотримання нерозривності екрану і заземлення для кабелів STP.

Техніка кабелів UTP розвивалася протягом років і тепер наявні їх різні варіанти для різноманітних потреб. Все ще наявні базові телефонні кабелі. Багаторічні вдосконалення, такі як варіанти скруток або індивідуальні оболонки провідників чи зовнішніх оболонок, привели до опрацювання кабелів UTP Категорії 3 (для ширини смуги до 16 Мгц), Категорії 4 (для ширини смуги до 20 Мгц) і Категорії 5 (для ширини смуги 100 Мгц і більше) відповідно до стандарту EIA/TIA 568. Оскільки кабелі UTP є легкі, тонкі і гнучкі, а також надійні, недорогі і придатні до різносторонніх застосувань, то мільйони вузлів оснащені кабелями UTP, у тому числі для високошвидкісних застосувань. Кабелі UTP можуть використовуватися як частина структурованої кабельної системи.

Кабелі UTP звичайно укладають з дотриманням топології зірки, оскільки з цим пов’язані переваги при пошуку несправностей. Хоч більшість технологій потребують тільки двох пар (4 провідники), але різні типи мереж застосовують різні пари. Телефонія потребує одну пару для однієї телефонної лінії. Якщо укладена 4-парна кабельна система, то вона може підтримувати будь-яку прийнятну комбінацію без необхідності внесення змін у сполучення (встановлення нових з’єднувачів) при зміні типу мережі.