Беспроводные системы связи

 

Беспроводные системы связи осуществляются по радиоканалам. Первую такую беспроводную связь – радиотелеграф (тогда его называли «беспроволочный телеграф») – изобрёл А.С. Попов и развил Г. Маркони. Главную роль в создании радиовещания (или звукового вещания) сыграли изобретения Ф. Брауна, Ли де Фореста, А. Мейсснера, Э.Г. Армстронга. В 1913 г. Э. Армстронг изобрёл регенеративный радиоприемник (с обратной связью), а в 1918 г. – супергетеродинный радиоприёмник, схема которого используется и сегодня. Однако в них тогда применялась амплитудная модуляция, не позволявшая получить высокое качество звука радиоприёмника из-за невозможности подавления помех в радиоэфире. Она обеспечивала верхнюю границу частотного диапазона не более 5000 Гц.

1934 г. Э. Армстронг изобрёл частотную модуляцию (ЧМ), позволившую избавиться от помех и обеспечивавшую высококачественное воспроизведение звука радиоприёмника и передачу полного диапазона слышимости человеческого уха – звуков от барабана до флейты, в диапазоне от 50 Гц до 15 000 Гц.

В 1930-е гг. были освоены метровые, а в 40-е – дециметровые и сантиметровые волны, распространяющиеся прямолинейно, не огибая земной поверхности (т.е. в пределах прямой видимости), что ограничивает прямую связь на этих волнах расстоянием в 40–50 км в равнинной местности, а в горных районах – в несколько сотен километров. Поскольку ширина диапазонов частот, соответствующих этим длинам волн, – от 30 Мгц до 30 Ггц – в 1000 раз превышает ширину всех диапазонов частот ниже 30 Мгц (волны длиннее 10 м), они могут передавать огромные потоки информации и осуществлять многоканальную связь. В то же время ограниченная дальность распространения и возможность получения острой направленности с антенной несложной конструкции позволяют использовать одни и те же длины волн во множестве пунктов без взаимных помех. Передача на значительные расстояния достигается применением многократной ретрансляции в линиях радиорелейной связи или с помощью спутников связи, находящихся на большой высоте (около 40 тыс. км) над Землей (см. «Космическая связь»). Позволяя вести на больших расстояниях одновременно десятки тысяч телефонных разговоров и передавать десятки телевизионных программ, радиорелейная и спутниковая связь по своим возможностям являются значительно более эффективными, чем обычная дальняя радиосвязь на метровых волнах.

 

6.2.1. Радиорелейные линии связи

Радиорелейная связь первоначально применялась для организации многоканальных линий телефонной связи, в которых сообщения передавались с помощью аналогового электрического сигнала. Первая такая линия протяжённостью 200 км с 5 телефонными каналами появилась в США в 1935 г. Она соединяла Нью-Йорк и Филадельфию.

В 50-х гг. были созданы многоканальные радиорелейные станции (РРС), использующие диапазон сверхвысоких частот и методы частотного и(или) временного разделения каналов. К началу 1970-х гг. во всех развитых странах была создана густая сеть многоканальных линий радиорелейной связи с несколькими тысячами каналов в каждой линии.

В России первая магистральная радиорелейная система была создана в 1958 г. В 1970 г. появился комплекс унифицированных радиорелейных систем «КУРС». Всё это позволило в 1960–1970-е гг. развить сеть связи страны, обеспечить качественную телефонию и наладить передачу программ центрального телевидения. К середине 1970-х гг. в стране была построена радиорелейная линия с огромной ёмкостью каналов связи, протяжённость которой составляет около 10 тыс. км. Суммарная протяжённость радиорелейных линий в СССР превысила к середине 1970-х гг. 100 тыс. км.

В настоящее время существуют цифровые радиорелейные системы передачи данных, способные обмениваться цифровой информацией.

 

6.2.2. Спутниковая связь и навигация

Космическая или спутниковая связь по существу является разновидностью радиорелейной связи и отличается тем, что её ретрансляторы находятся не на поверхности Земли, а на спутниках в космическом пространстве.

В 1965 г. в СССР был запущен первый спутник связи «Молния-1». Позднее была создана система дальней космической связи «Орбита». Она состоит из сети наземных станций и искусственных спутников Земли «Молния», «Радуга», «Горизонт». На территории России размещено около 100 таких станций. Через спутники передаются телеграфные сообщения, телефонные разговоры, телевизионные и фотоизображения в страны всех континентов. Однако спутники «Молния» вращаются вокруг Земли по вытянутым эллиптическим орбитам. Для слежения за ними антенны наземных приёмных станций должны постоянно поворачиваться. Гораздо проще решают эту задачу спутники, вращающиеся по стационарной круговой орбите, которая находится в плоскости экватора на высоте 36 000 км. Они совершают один оборот вокруг Земли за 24 ч и поэтому кажутся наземному наблюдателю висящими неподвижно над одной точкой нашей планеты. Трёх таких спутников достаточно для обеспечения связью всей Земли. Уже используются работающие на стационарных орбитах спутники связи «Радуга» и телевизионные спутники «Экран». Для приёма их сигналов не нужны сложные наземные станции. Телевизионные передачи с таких спутников принимаются прямо на несложные коллективные и даже индивидуальные антенны.

Уже созданы международная спутниковая система для спасения экипажей терпящих бедствие судов и самолётов КОСПАС-САПСАТ, международная космическая система «Инмарсат» – для обеспечения телеграфной и телефонной связи между кораблями, плавающими в любых точках Земли.

В 1980-е гг. началось развитие персональной спутниковой связи. В начале XXI в. число её абонентов составляет несколько миллионов человек, а ещё через 10 лет – значительно больше. Произойдёт объединение спутниковых и наземных систем связи в единую глобальную систему персональной связи. Будет обеспечена досягаемость любого абонента путём набора его телефонного номера независимо от его местонахождения. В этом состоит преимущество спутниковой связи по сравнению с сотовой (она рассматривается ниже в этой главе), поскольку она не имеет привязки к конкретной местности. Ведь в начале XXI века зона охвата сотовой связи составляет только 15 % земной поверхности. Поэтому спрос на персональную подвижную связь во многих регионах мира можно обеспечить только с помощью спутниковых систем связи. Кроме речевой (радиотелефонной) связи они позволяют определять месторасположение (координаты) потребителей.

Спутниковый телефон непосредственно соединяется со спутником, находящимся на околоземной орбите. Со спутника сигнал поступает на наземную станцию, откуда передаётся в обычную телефонную сеть. Число спутников, необходимое для стабильной связи в любой точке планеты, зависит от радиуса орбиты той или иной системы спутников.

В настоящее время действует первая глобальная система связи «Иридиум». Она позволяет клиенту оставаться на связи, где бы он не находился, и пользоваться при этом одним и тем же телефонным номером.

Система состоит из 66 низкоорбитальных спутников, расположенных на расстоянии 780 км от поверхности Земли. Она обеспечивает приём и передачу сигнала с мобильного телефона, находящегося в любой точке земного шара. Сигнал, поступивший на спутник, передаётся по цепочке на следующий спутник, пока не дойдёт до ближайшей к вызываемому абоненту наземной станции системы. Таким образом обеспечивается высокое качество сигнала.

Основной недостаток персональной спутниковой связи – её относительная дороговизна по сравнению с сотовой. Кроме того, в спутниковые телефоны встраиваются передатчики большой мощности. Поэтому они считаются небезопасными для здоровья пользователей.

Самые надёжные спутниковые телефоны работают в сети Инмарсат, созданной более 20 лет назад. Спутниковые телефоны системы Инмарсат представляют собой чемоданчик с откидной крышкой размером с первые портативные компьютеры. Крышка спутникового телефона по совместительству является и антенной, которую необходимо поворачивать по направлению к спутнику (на дисплее телефона отображается уровень сигнала). В основном такие телефоны используются на судах, поездах или большегрузных автомобилях. Каждый раз, когда необходимо позвонить или ответить на чей-то звонок, нужно будет устанавливать спутниковый телефон на какую-нибудь ровную поверхность, раскрывать крышку и крутить его, определяя направление максимального сигнала.

 

6.2.3. Спутниковое цифровое телевидение

Благодаря развитию космонавтики и цифровых технологий в последние годы возникло спутниковое цифровое телевидение. Главным его отличием является возможность прямого приёма со спутника на индивидуальную домашнюю антенну, обеспечивающая свободу выбора большого числа телевизионных каналов и программ – на все вкусы.

Цифровое телевидение представляет собой современную замену традиционному аналоговому телевидению. Оно даёт возможность передавать и принимать большое число телевизионных программ с идеальным «цифровым» качеством. Поясним, что означает это «цифровое» качество. В аналоговом телевидении качество телевизионных программ зависит от уровня принимаемого сигнала и соотношения сигнал/шум, т.е. оно в значительной степени зависит от помех. В цифровом телевидении качество телевизионных программ неизменное и всегда высокое. Для этого только нужно, чтобы принимаемый сигнал превышал некоторый пороговый уровень. Как только этот порог перейдён, то телевизионные передачи принимаются с постоянным качеством, не зависящим от помех, а зависящим лишь от качества передаваемого видеоматериала и скорости передаваемого цифрового потока. Он может передаваться с помощью спутниковых, кабельных и наземных эфирных каналов связи. Наибольшее распространение в настоящее время получило спутниковое цифровое телевидение, а в России оно является единственной возможностью приёма цифрового телевидения. За четыре года существования оно сумело в значительной степени вытеснить аналоговое телевидение. Сегодня доля цифровых телевизионных программ – около 90 % от общего числа спутниковых телевизионных каналов. Это объясняется не только высоким качеством цифрового телевидения, но и его низкой стоимостью: вместо одного аналогового телеканала в каждой частоте можно разместить 4–8 цифровых каналов. Сегодня для жителей Европы доступно более 2000 телевизионных и радиоканалов.

 

6.2.4. Пейджинговая связь

Пейджинговая связь – это радиотелефонная связь, пересылка по телефону продиктованных абонентом-отправителем сообщений и приём их по радиоканалу абонентом-получателем с помощью пейджера – радиоприёмника с жидкокристаллическим дисплеем, на котором высвечиваются принятые буквенно-цифровые тексты. Пейджер – это средство односторонней связи: на него можно только получать сообщения, но отправлять с него сообщения нельзя.

История пейджинга как средства персонального радиовызова началась с середины 1950-х гг. в Англии. Первое такое устройство было разработано в 1956 г. Количество абонентов могло быть не более 57. Когда абонент получал тоновый сигнал, он должен был поднести устройство к уху и в речевой форме прослушать сообщение, которое передавал диспетчер. Пользователями первой сети в Англии стали врачи. Сети, существовавшие в то время, носили местный характер и служили нуждам конкретных служб. Самыми крупными из них были службы аэропортов. Некоторые подобные сети существуют и сегодня. Широкое распространение пейджинга началось в конце 1970-х гг. в США.

С тех пор системы пейджинга получили достаточно широкое распространение в городах Европы и США. В это же время пейджинг пришёл в Россию.

Первые пейджеры были простыми приёмниками частотно-моду-лированного сигнала. Они содержали несколько настроенных контуров, отслеживающих характерную последовательность низкочастотных сигналов (тонов). При получении этих тонов устройство подавало звуковые сигналы. Поэтому такие пейджеры называют тональными.

Переход к цифровым системам был неизбежен. Тональное кодирование не подходило для передачи буквенно-цифровых сообщений.

В 1990-х гг. пейджинг начал бурно развиваться, но только до тех пор, пока не появились сотовые телефоны – средство двухсторонней связи. Правда, был разработан твейджер – пейджер с возможностью отправления сообщений, более дешёвый, чем сотовый телефон. Но он не смог конкурировать с сотовым телефоном, обеспечивающим двухстороннюю голосовую связь.

Поэтому с момента начала развития сотовой связи развитие пейджинга остановилось. В столичных и в большинстве крупных городов пейджинговые компании закрылись, уступив место операторам сотовой связи. Число пользователей сотовой связи исчисляется многими миллионами. Она стала массовой и конкурирует со стационарной телефонной связью, а цена телефонных аппаратов и тарифы сотовой связи резко снизилась. Пейджинговая связь сохранилась только в регионах, а число клиентов пейджинговых компаний не превышает ста тысяч.

 

6.2.5. Стандарты беспроводной связи IRDA

IrDA – это международная организация, которая разрабатывает и внедряет стандарты беспроводной связи. IrDA обеспечивает беспроводную связь для устройств, которые в противном случае использовали бы для подобных целей кабель.

Для соединения по ИК-порту устройства должны быть в прямой видимости друг от друга (инфракрасный луч испускается в виде 30° конуса) и на расстоянии от полного контакта до одного метра. Скорость передачи варьируется от 9600 bps до 16 Mbps. Популярность этого стандарта связи объяснима – дешевизна и простота в использовании. Главным недостатком возможно назвать то, что для связи устройства должны находиться в прямой видимости. Плюс к тому, некоторые виды освещения (например, солнечное) могут помешать связи, ведь используется, хоть и невидимый глазу, но световой поток. Следующее ограничение – это дальность связи.

 

6.2.6. Bluetooth

В настоящее время возможна отправка сигнала настольного компьютера к принтеру, копирование файлов с одного декстопа на другой или синхронизация Palm с ноутбуком, причём все эти устройства физически не связаны друг с другом. Иными словами, принтер не подключён к компьютеру, компьютеры не соединены сетевыми проводами, а КПК вообще находится на расстоянии семи метров от ноутбука. Дело в том, что все эти устройства могут быть оснащены маленькими передатчиками, которые были разработаны специально для беспроводных коммуникаций на расстояниях до 10 м. Эти маленькие чипы – первая волна Bluetooth-продуктов. Сегодня некоторые фирмы уже предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 м.

Bluetooth – это высокоскоростной микроволновый стандарт, позволяющий передавать данные на расстоянии до 10 м. Работает Bluetooth на частоте 2, 56 Ghz и способен одновременно соединять до 8 устройств. Этот стандарт не требует никаких навыков у пользователя – как только Bluetooth-устройства сближаются на определённое расстояние, они тут же обмениваются информацией и устанавливают небольшую локальную сеть. Модуль Bluetooth невелик и потребляет около 1 миливатта энергии, что не очень много даже для мобильных устройств.

Самым большим преимуществом этого стандарта является то, что для связи устройств совершенно не требуется прямой видимости – устройства начинают «видеть» друг друга будучи сближенными на определенное расстояние. С его помощью возможно создавать небольшие сети в условиях квартиры, а например, соединение карманного компьютера с мобильным телефоном может быть осуществлено вообще без извлечения последнего скажем, из кармана.

В глобальном смысле Bluetooth – это технология беспроводной передачи данных для любых устройств с её поддержкой: мобильных телефонов, КПК, ноутбуков, настольных компьютеров, принтеров, цифровых устройств и даже бытовой техники. Материальное воплощение Bluetooth – это маленький чип, представляющий собой высокочастотный приёмопередатчик малого радиуса действия, работающий в диапазоне частот ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2, 4465–2, 4835 ГГц. Диапазон рассчитан на работу медицинских приборов, бытовой техники, беспроводных телефонов, беспроводных локальных сетей стандарта IEEE.