Эндрю Уэзеролл - Компьютерные сети. 5-е издание

Теперь рассмотрим использование различных частей электромагнитного спектра, показанного на рис. 2.8, начиная с радиосвязи. Если не указано иное, будем предполагать, что передача данных осуществляется в узкой полосе частот.

2.3.2. Радиосвязь

Радиоволны просто сгенерировать, они могут преодолевать большие расстояния, проходить сквозь стены и огибать здания, поэтому их область применения довольно широка. Радиосвязь устанавливают как в помещениях, так и вне зданий. Кроме того, радиоволны могут распространяться одновременно во всех направлениях, поэтому для низких частот не требуется тщательного наведения антенн передатчика и приемника.

В некоторых случаях такое свойство радиоволн является удобным, но иногда оно нежелательно. В 1970-х годах компания General Motors решила оснастить новые автомобили «Кадиллак» управляемой с помощью компьютера системой антиблокировки тормозов. Когда водитель нажимал на педаль тормоза, компьютер, чтобы тормоза не заблокировались, выдавал серию импульсов команд включения и выключения тормозов. В один прекрасный день полицейский, патрулирующий шоссе в штате Огайо, решил связаться со своим участком с помощью новой портативной радиостанции. При этом едущий рядом с ним «Кадиллак» внезапно стал скакать, как дикая лошадь. Когда офицер остановил машину, водитель клялся, что не предпринимал никаких действий и что машина вдруг просто взбесилась.

Подобные случаи стали повторяться: «Кадиллаки» иногда сходили с ума, но только на главных автострадах штата Огайо и только под присмотром дорожного патруля. В течение очень долгого времени компания General Motors никак не могла понять, почему во всех других штатах и на небольших дорогах в Огайо «Кадиллаки» вели себя прекрасно. Только после долгих упорных исследований было обнаружено, что проводка «Кадиллака» представляла собой прекрасную антенну для частот, используемых новой радиосистемой дорожного патруля штата Огайо.

Свойства радиоволн зависят от частоты. При работе на низких частотах радиоволны хорошо проходят сквозь препятствия, однако мощность сигнала в воздухе резко падает по мере удаления от передатчика. Соотношение мощности и удаленности от источника выражается примерно так: Энергия сигнала распределяется

по большой поверхности более тонким слоем. Такое ослабление называется потерей на траектории. На высоких частотах радиоволны вообще имеют тенденцию распространяться исключительно по прямой линии и отражаться от препятствий. Потеря на траектории снижает мощность, однако полученный сигнал также сильно может зависеть от отражений. Высокочастотные радиоволны намного сильнее низкочастотных поглощаются дождем и другими препятствиями. Радиосигналы любых частот подвержены помехам со стороны двигателей с искрящими щетками и другого электрического оборудования.

Интересно сравнить ослабление радиоволн с ослаблением сигналов в проводниковых средах. В оптоволокне, коаксиальном кабеле и витой паре сигнал ослабевает пропорционально расстоянию, например, для витой пары это 20 дБ на каждые 100 м. Радиосигнал же ослабевает пропорционально квадрату расстояния, например, 6 дБ при удвоении расстояния в свободном пространстве. Это означает, что радиоволны способны распространяться на большие расстояния, и взаимные помехи, вызываемые одновременно работающими пользователями, представляют серьезную проблему. Поэтому все государства ведут очень строгий учет владельцев радиопередатчиков, за несколькими важными исключениями (обсуждаемыми ниже).

В диапазонах VLF, LF и MF радиоволны огибают поверхность земли, как показано на рис. 2.10, а. Эти волны можно поймать радиоприемником на расстоянии около 1000 км, если используются низкие частоты, и на несколько меньших расстояниях, если частоты повыше. Радиовещание с амплитудной модуляцией (AM) использует диапазон средних волн (MF), по этой причине, например, передачи Бостонской средневолновой радиостанции не слышны в Нью-Йорке. Радиоволны этих диапазонов легко проникают сквозь здания, вследствие чего переносные радиоприемники работают и в помещениях. Основным препятствием для использования этих диапазонов для передачи данных является их относительно низкая пропускная способность (см. выражение (2.2)).

Рис. 2.10. Волны диапазонов VLF, LF и MF огибают неровности поверхности земли (а); волны диапазона HF отражаются от ионосферы (б)

Радиоволны диапазонов HF и VHF поглощаются землей. Однако те из них, которые доходят до ионосферы, представляющей собой слой заряженных частиц, расположенный на высоте от 100 до 500 км, отражаются ею и посылаются обратно к поверхности Земли, как показано на рис. 2.10, б. При определенных атмосферных условиях сигнал может отразиться несколько раз. Радиолюбители используют такие диапазоны частот для дальней связи. Военные также осуществляют связь в диапазонах HF и VHF.

2.3.3. Связь в микроволновом диапазоне

На частотах выше 100 МГц радиоволны распространяются почти по прямой, поэтому могут быть сфокусированы в узкие пучки. Концентрация энергии в виде узкого пучка при помощи параболической антенны (вроде всем известной спутниковой телевизионной тарелки) приводит к улучшению соотношения сигнал/шум, однако для подобной связи передающая и принимающая антенны должны быть довольно точно направлены друг на друга. Кроме того, подобная направленность позволяет использовать несколько передатчиков, установленных в ряд, сигналы от которых принимаются также установленными в ряд приемными антеннами без взаимных помех. До изобретения оптоволоконной связи подобные микроволновые антенны в течение десятков лет составляли основу междугородной телефонной связи. На самом деле, компания MCI, один из основных конкурентов AT&T, построила целую систему микроволновой связи с передачей сигнала от одной башни к другой. Расстояние между антеннами составляло десятки километров. Эта технология нашла отражение даже в названии компании: аббревиатура оператора междугородной связи MCI изначально расшифровывалась как Microwave Communications, Inc. С тех пор, впрочем, MCI уже успела перейти

на оптоволоконные сети и после множества корпоративных слияний и банкротств в сфере коммуникаций стала частью компании Verizon.

Микроволны распространяются строго по прямой, поэтому при слишком большом удалении антенн друг от друга на пути следования сигнала может оказаться земная поверхность (например, так случится, если поставить передатчик в Сиэттле, а приемник — в Амстердаме). Следовательно, на пути сигнала должны встречаться повторители. Чем выше ретрансляционные башни, тем больше может быть расстояние между ними. Максимальное расстояние между повторителями можно очень грубо оценить как корень квадратный из их высоты. Так, при высоте ретрансляторов 100 м расстояние между ними может быть около 80 км.