MEDIUL DE TRANSMISIE - RETELE

MEDIUL DE TRANSMISIE - RETELE

Scopul nivelului fizic este de a transporta o secventa de biti de la o masina la alta. Pentru. transmisie, pot fi utilizate diverse medii fizice. Fiecare dintre ele este definit de largimea lui de banda, întârziere, cost si de usurinta de instalare si de întretinere. Aceste medii pot fii împartite în doua grupe mari: mediile ghidate, cum ar fi cablul de cupru si fibrele optice si mediile neghidate, cum ar fi undele radio si laserul. Vom arunca o privire asupra acestora în sectiunea de fata si în urmatoarea.

Mediul Magnetic

Una din cele mai obisnuite metode de a transporta date de la un calculator la altul este sa se scrie datele pe o banda magnetica sau pe un disc flexibil, sa se transporte fizic banda sau discul la masina de destinatie, dupa care sa se citeasca din nou datele. Cu toate ca aceasta metoda nu este la fel de sofisticata ca folosirea unui satelit de comunicatie geosincron, ea este de multe ori mai eficienta din punct de vedere al costului, mai ales pentru aplicatiile în care o banda de frecventa larga sau costul pe bit sunt factori cheie.

Un calcul simplu va confirma acest punct de vedere. O banda video standard de 8 mm poate înmagazina 7 gigaocteti. într-o cutie cu dimensiunile 50 x 50 x 50 cm pot încape cam 1000 de astfel de benzi, ceea ce înseamna o capacitate totala de 7000 de gigaocteti. O cutie cu benzi poate fi distribuita oriunde în Statele Unite în 24 de ore de catre Federal Express sau de alte companii Banda de frecventa efectiva a acestei transmisii esle de 56 gigabiti / 84600 sec sau 648 Mbps, care este cu putin mai buna decât versiunea rapida a ATM-ului (622 Mbps). Daca destinatia ar fi numai la distanta de 828g62i o ora cu masina, largimea benzii de frecventa s-ar mari la peste 15 Gbps. Pentru o banca cu gigaocteti de date care sunt salvati zilnic pe o alta masina (pentru ca banca sa poata face fata chiar si unor inundatii puternice sau unui cutremur), probabil ca nici o alta tehnologie de transmisie nu e comparabila cu performanta atinsa de banda magnetica.

Daca ne uitam la cost, vom obtine aceeasi situatie. Atunci când sunt cumparate en gros, costul a 1000 de benzi video este probabil de 5000 de dolari. O banda magnetica poate fi refolosita de cel putin 10 ori, reducând costul benzilor la aproximativ 500 de dolari. Daca adaugam înca 200 de dolari pentru transport, vom avea un cost de 700 de dolari pentru a transporta 7000 de gigaocteti. Costul a unui gigaoctet transmis este de 10 centi. Nici una dintre companiile care asigura transportul de date pe retea nu poate concura cu un astfel de pret. Morala povestii:

Niciodata nu subestima largimea benzii de frecventa a unui camion încarcat cu benzi magnetice.

Cablul Torsadat

Desi caracteristicile benzii de frecventa a unei benzi magnetice sunt excelente, caracteristicile! legate de întârziere sunt slabe. Timpul de transmisie nu se masoara în milisecunde, ci în minute si în ore. Pentru multe aplicatii este nevoie de o conexiune on-line. Cel mai vechi si înca cel mai utilizat mediu de transmisie este cablul torsadat. Un cablu torsadat este format din doua fire de cupru izolate, având o grosime tipica de l mm. Firele sunt împletite într-o forma elicoidala, exact ca o molecula de ADN. Scopul împletirii firelor este de a reduce interferenta electrica. (Doua fire paralele constituie o antena; daca le împletim, nu mai formeaza o antena.)

Cea mai cunoscuta aplicatie a cablului torsadat este sistemul telefonic. Aproape toate telefoanele sunt conectate la centrala telefonica printr-un cablu torsadat. Cablurile torsadate se pot întinde pe mai multi kilometri iara amplificare, dar pentru distante mai mari, sunt necesare repetoare. Atunci când sunt grupate în paralel mai multe cabluri torsadate, de exemplu toate firele de la un bloc de locuinte la centrala telefonica, ele sunt legate împreuna si încapsulate într-un material protector. Daca nu ar fi fost împletite perechile de fire, grupate astfel împreuna, ar fi interferat, în anumite parti ale lumii, unde liniile telefonice sunt montate pe stâlpi, sunt des întâlnite cablurile de mai multi centimetri în diametru.

Cablurile torsadate pot fi folosite atât pentru transmisia analogica cât si pentru cea digitala. Banda de frecventa depinde de grosimea firului si de distanta parcursa, dar, în multe cazuri, poate fi atinsa o vite/a de mai multi megabiti pe secunda pe distante de câtiva kilometri. Datorita performantei satisfacatoare si a costului scazut, cablurile torsadate sunt foarte larg folosite în prezent si probabil ca vor ramâne larg folosite si în urmatorii ani.

Exista numeroase feluri de cablaj torsadat, doua dintre acestea fiind importante pentru retelele de calculatoare. Cablurile torsadate din Categoria 3 sunt formate din doua fire izolate împletite împreuna, în mod obisnuit patru astfel de perechi sunt grupate într-un material din plastic, pentru a le proteja si pentru a le tine împreuna. Pâna în 1988, cele mai multe cladiri cu birouri aveau un cablu de categoria 3, care pornea din panoul central de la fiecare etaj catre fiecare birou. Aceasta schema permitea ca pâna la patru telefoane obisnuite, sau doua telefoane cu mai multe linii, aflate într-un birou, sa fie cuplate la centrala telefonica prin panoul central.

începând din 1988, au fost introduse cablurile mai performante din Categoria 5. Ele sunt similare celor din categoria 3, dar au mai multe rasuciri pe centimetru si sunt izolate cu teflon, rezultând o interferenta redusa si o mai buna calitate a semnalului pe distante mari, ceea ce le face mai adecvate comunicatiilor la viteze mari între calculatoare, Pentru a le deosebi de cablurile torsadate voluminoase, ecranate si scumpe, pe care IBM le-a introdus la începutul anilor 80, dar care nu au devenit populare în afara instalatiilor IBM, aceste doua tipuri de cabluri sunt cunoscute sub numele de cabluri UTP (Unshielded Twistcd Pair, - cablu torsadat neecranat).

1.3.3 Cablu Coaxial în Banda de Baza

Un alt mediu uzual de transmisie este cablul coaxial (cunoscut printre utilizatorii sai sub numele de "coax''). El are o ecranare mai buna decât cablurile torsadate, putând acoperi distante mai mari la râie de transfer mai mari. Exista doua tipuri de cabluri coaxiale folosite pe scara larga. Primul, cablul de 50 - ohmi, este folosit în transmisia digitala si constituie subiectul acestei sectiuni. Al doilea tip, cablul de 75 de ohmi, este frecvent folosit în transmisia analogica, aceasta reprezentând subiectul urmatoarei sectiuni. Aceasta clasificare are la baza un criteriu stabilit mai mult pe considerente istorice decât pe considerente tehnice (de exemplu, primele antene dipol aveau o impedanta de 300 de ohmi, transformatoarele de impedanta 4 : l erau usor de construit).

Un cablu coaxial este format dintr-o sârma de cupru dura, protejata de un material izolant. Acest material este încapsulat într-un conductor circular, de obicei sub forma unei plase strâns întretesute Conductorul exterior este acoperit cu un învelis de plastic protector, în Fig. 2-3 este prezentata: vedere în sectiune a cablului coaxial.

Fig. 2-3. Un cablu coaxial.

Structura si ecranarea cablului coaxial asigura o buna împletire a necesitatilor de banda de frecventa larga si totodata de imunitate excelenta la zgomot. Banda de frecventa poate depinde de lungimea cablului. Pentru cabluri de 1 Km, este posibila o viteza de transfer a datelor între l si 2 Gbps. Pot fi folosite si cabluri mai lungi, dar la rate de transfer mai joase sau folosind periodic
amplificatoare. Cablurile coaxiale sunt larg folosite în sistemul telefonic, dar pe distantele lungi, au fost în mare parte înlocuite de fibre optice. Numai în Statele Unite, sunt instalate în fiecare zi 1000 Km de fibre optice (socotind o rola de 100 km cu 10 fire ca fiind echivalenta cu 1000 km). Sprint foloseste deja 100 % fibre optice si multe alte companii vor atinge acest standard în scurt timp. Oricum, cablul coaxial este foarte uzual în televiziunea prin cablu si în unele retele locale. 

Cabluri coaxiale de banda larga

Celalalt model de cablu coaxial este folosit pentru transmisia analogica în sistemele televiziune prin cablu. Acesta este numit cablu de banda larga. Cu toate ca termenul de "banda larga" provine din lumea telefoniei, unde se refera la o banda de frecventa mai larga decât 4 kHz. lumea retelelor de calculatoare "cablu de banda larga" înseamna orice retea prin cablu foloseste transmisia analogica, (vezi Cooper, 1986).

Deoarece retelele de banda larga se bazeaza pe tehnologia standard a televiziunii prin t cablurile pot fi folosite pâna ia 300 MHz (si de multe ori pâna la 450 MHz) si datorita transmisi analogice pot acoperi distante de aproape 100 Km, care este mull mai putin critica decât transmis digitala. Pentru a transmite semnale digitale pe o retea analogica, fiecare interfata trebuie sa contina un echipament electronic care sa converteasca secventa de biti ce urmeaza a fi transmisa în senii analogic si semnalul analogic de la intrare într-o secventa de biti. Depinzând de echipament electronic respectiv, l bps poate ocupa aproximativ l Hz din largimea de banda. La frecvente mai mari, se pot obtine mai multi biti pe Hz folosind tehnici avansate de modulare a semnalului.

Sistemele de banda larga sunt împartite în mai multe canale, în televiziune fiind frecvent folosite canalele de 6 MHz. Fiecare canal poate fi folosit în televiziunea analogica, în transmisia audio de calitatea compact discului (1,4 Mbps), sau într-un flux de date la o viteza de - sa zicemn - 3 Mbps, independent de celelalte. Televiziunea si datele se pot mixa pe acelasi canal.

O diferenta majora între banda de baza si banda larga este aceea ca sistemele de banda larga acopera, de obicei, o suprafata mai mare, fiind nevoie de amplificatoare analogice care sa reamplifice periodic semnalul. Aceste amplificatoare pot transmite semnalul tntr-o singura directie, astfel ca un calculator care transmite un pachet nu poate sa primeasca date de la alte calculatoare, daca între ele se afla un amplificator. Pentru a ocoli aceasta problema, au fost dezvoltate doua tipuri de sisteme de banda larga: sisteme cu cablu dual si sisteme cu cablu simplu.

Sistemele cu cabluri duale au doua cabluri identice care functioneaza în paralel, unul lânga altul. Pentru a traasmite date, un calculator emite pe cablul l, pâna la un echipament numit capat de distributie (head-end), care se afla la radacina arborelui de cabluri. Capatul de distributie transfera semnalul pe cablul 2 pentru transmisia înapoi pe arbore. Toate calculatoarele transmit pe cablul l si receptioneaza pe cablul 2. Un sistem cu cablu dual este prezentat în Fig.-2-4 (a).

Cealalta schema aloca diferite benzi de frecventa pentru transmisie si receptie pe un singur cablu [vezi Fig. 2-4(b)]. Banda de frecvente joasa este folosita pentru comunicatia între calculatoare si capat, apoi capatul transfera semnalul în banda de frecventa înalta si ÎI retransmite, în sistemele cu împartire inegala (subsplit), frecventele de la 5 la 30 MHz sunt folosite pentru transmisie si frecventele de la 40 la 300 MHz sunt folosita pentru receptie.

	Cablu de emisie

Fig. 2-4. Retele de banda larga, (a) Cablu dual. (b) Cablu simplu.

În sistemele cu înjumatatire (midsplit), transmisia se tace în banda 5-116 MHz, iar receptia în banda 168 - 300 MHz. Alegerea acestor frecvente este de ordin istoric si are legatura cu modul în care Comisia Federala a Statelor Unite (U.S. Federal Communications Commission) a atribuit frecventele pentru televiziune, aceasta fiind implementata pe sisteme de banda larga. Pentru ambele sisteme este necesar un capat activ care accepta semnale pe o banda si le retransmite pe alta. Aceste tehnici si frecvente au fost dezvoltate pentru televiziunea prin cablu si au fost preluate de retele fara modificari, datorita fiabilitatii si a echipamentelor relativ ieftine.

Sistemele de banda larga pot ti folosite în numeroase moduri. Unor perechi de calculatoare li se pot atribui canale permanente pentru uzul lor exclusiv. Alte calculatoare pot face o cerere de canal pentru o conectare temporara si apoi pot comuta, pe durata legaturii, frecventele proprii la cele ale canalului. O alta posibilitate este ca toate calculatoarele sa se afle în competitie pentru accesul la un singur canal sau la un grup de canale, folosindu-se în acest scop tehnici ce vor fi prezentate de capitolul 4.

Cablul de banda larga este inferior tehnic cablului pentru banda de baza (cu un singur canal) pentru transmisia datelor digitale, dar are avantajul ca este deja instalat pe scara extrem de larga, in Olanda, de exemplu, 90 Ia suta din case au cablu TV. în Statele Unite, cablul TV acoperi aproximativ 80 la suta din case. Aproape 60 la suta dintre ele sunt conectate. Datorita competitiei aflata în plina desfasurare, dintre companiile telefonice si companiile de televiziune prin cablu, ne putem astepta ca sistemele de televiziune prin cablu sa înceapa sa opereze ca MÂN - uri si sa ofere tot mai frecvent servicii telefonice si alte servicii. Pentru mai multe informatii referitoare la folosirea televiziunii prin cablu pe post de retea de calculatoare vezi (Karshmer and Thomas, 1992).

1.3.5 Fibre optice

Multe persoane din industria calculatoarelor sunt foarte mândre de rapiditatea evolutiei tehnologiei calculatoarelor, în 1970, un calculator rapid (de ex. CDC 6600) putea executa o instructiune în 100 de nsec. Douazeci de ani mai târziu, un calculator CRAY rapid putea executai instructiune în l nsec, o îmbunatatire cu un factor de 10 la fiecare deceniu. Un rezultat care nu este
de neglijat.

In aceeasi perioada, comunicatiile de date au evoluat de fa o viteza de 56 Kbps (ARPANET pâna la l Gbps (comunicatiile optice moderne), un câstig cu un factor mai mare de 100 pe fiecare decada. In aceeasi perioada, frecventa erorilor a scazut de la 10^-5 per bit pâna aproape de zero.

Mai mult, procesoarele se aproprie de limitele lor fizice, date de viteza luminii si problemele de disipare a caldurii. Prin contrast, folosind tehnologiile actuale de fibre optice, banda de frecventa care poate fi atinsa este cu siguranta mai mare decât 50,000 Gbps (50 Tbps) si sunt înca multi oameni care cauta materiale mai performante. Limita practica actuala de aproximativ l Gbps este
consecinta a imposibilitatii de a converti mai rapid semnalele electrice în semnale optice, îl laborator, sunt posibile rate de 100 Gbps pe distante scurte, în doar câtiva ani se va putea obtine viteza de l Terabit/sec. Sunt în curs de realizare sistemele integral optice (inclusiv intrarea si iesirea din calculator) (Miki, 1994a). 

In cursa dintre calculatoare si comunicatii, acestea din urma au învins. Implicatiile unei benzi de frecventa, prin natura ei infinita (desi nu la un cost nul), nu au fost înca remarcate de unii oameni de stiinta si de unii ingineri care au învatat sa gândeasca în termenii limitelor joase ale lui Nyquist si Shannon impuse pentru sârma de cupru. Noua maniera de abordare consta în a considera calculatoarele ca fiind extrem de încete, astfel ca retelele ar trebui sa evite calculele la orice cost indiferent de largimea de banda risipita. In aceasta sectiune vom studia fibrele optice pentru a ne familiariza cu aceasta tehnologic de transmisie.

Un sistem de transmisie optic este format din trei componente: sursa de lumina, mediul de transmisie si detectorul. Prin conventie, un impuls de lumina înseamna bitul l, iar absenta luminii indica bitul zero. Mediul de transmisie este o fibra foarte subtire de sticla. Atunci când intercepteaza un impuls luminos, detectorul genereaza un impuls electric. Prin atasarea unei surse de lumina la un capat al fibrei optice si a unui detector la celalalt, obtinem un sistem unidirectional de transmisie a datelor care accepta semnale electrice, le converteste si ie transmite ca impulsuri luminoase si apoi le reconverteste la iesire în semnale electrice.

Acest sistem de transmisie ar fi fost lipsit de importanta în practica, cu exceptia unui principiu interesant al fizicii. Când o raza luminoasa trece de la un mediu la altul, de exemplu, de la siliciu la aer, raza este refractata (îndoita) la suprafata de separatie siliciu / aer ca în Fig. 2-5. Se observa o raza de lumina incidenta pe suprafata de separatie la un ungi ai care se refracta la un unghi pY Marimea refractiei depinde de proprietatile celor doua medii (în particular, de indicii lor de refractie). Pentru unghiuri de incidenta mai mari decât o anumita valoare critica, lumina este refractata înapoi în siliciu fara nici o pierdere. Astfel o raza de lumina, la un unghi egal sau mai mare decât unghiul critic, este încapsulata în interiorul fibrei, ca în Fig. 2-5(b) si se poate propaga pe multi kilometri, aparent fara pierderi.

Fig. 2-5. (a) Trei exemple de raze de lumina în interiorul unei fibre de siliciu care cad pe suprafata de separatie aer / siliciu la unghiuri diferite.

(b) încapsularea luminii prin reflexie totala.

În Fig. 2-5(b) se poate observa o singura raza încapsulata, dar se pot transmite mai multe raze cu unghiuri de incidenta diferite, datorita faptului ca orice raza de lumina cu unghi de incidenta la suprafata de separatie mai mare decât unghiul critic va fi reflectata total. Se spune ca fiecare raza are un mod diferit, iar fibra care are aceasta proprietate se numeste fibra multi-mod.

Oricum, daca diametrul fibrei este redus la câteva lungimi de unda ale luminii, fibra actioneaza ca un ghid de unda si lumina se va propaga în linie dreapta, fara reflexii, rezultând o fibra mono-mod. Aceste fibre sunt mai scumpe, dar pot fi folosite pe distante mai mari. Fibrele mono-mod curente pot transmite date la mai multi Gbps pe distante de 30 Km. Rate de transfer de date mai mari au fost obtinute în laborator pe distante mai scurte. Experimentele au aratat ca lasere puternice pot transmite pe fibre de lungimi de 100 Km, fara repetoare, însa la viteze mai mici. Cercetarile referitoare la fibrele dopate cu erbium promit transmisii pe distante chiar mai lungi, fara a utiliza repetoare.

Transmisia luminii prin fibre

Fibrele optice sunt fabricate din sticla, iar sticla este fabricata la rândul ei din nisip, un material brut necostisitor, care se gaseste în cantitati nelimitate. Producerea sticlei era cunoscuta de egiptenii din Antichitate, dar sticla lor trebuia sa nu fie mai groasa de l mm pentru ca lumina sa treaca prin ea. Sticla suficient de transparenta pentru a putea fi folosita ca fereastra a aparut în tin Renasterii, Sticla folosita pentru fibrele optice modeme este atât de transparenta încât, daca ocea ar fi fost plin cu sticla în loc de apa, fundul oceanului s-ar vedea tot atât de clar, cum se vede din avion pamântul într-o zi senina.

Atenuarea luminii prin sticla depinde de lungimea de unda a luminii. Pentru tipul de sticla folosit la fibre optice, atenuarea este prezentata în Fig. 2-6 în decibeli pe kilometru linear de fibra. Atenuarea în decibeli este data de formula:

De exemplu, pentru un factor de pierdere egal cu 2 rezulta o atenuare de 10log₁₀2 = 3dB. Figura prezinta valorile atenuarii pentru lungimi de unda apropiate spectrului razelor infrarosu sunt folosite în practica. Lumina vizibila are lungimi de unda putin mai mici, de la 0.4 la 0.7 microni (l micron este 10^-6 metri).

Trei benzi din acest spectru sunt folosite în comunicatii. Ele sunt centrate respectiv la 0.85, l 1.55 microni. Ultimele doua au proprietati bune de atenuare (mai putin de 5 la suta pierderi pe kilometru). Banda de 0.85 microni are o atenuare mai mare, dar o proprietate care o avantajeaza ca, la aceasta lungime de unda, laserul si echipamentul electronic pot fi facute din acelasi material (arseniura de galiu). Toate cele trei benzi au o largime a benzii de 25,000 pâna la 30,000 GHz.

Impulsurile de lumina transmise pe o fibra îsi extind lungimea în timpul propagarii. Aceasta extindere se numeste dispersie. Marimea ei este dependenta de lungimea de.unda. Un mod de a preveni suprapunerea acestor impulsuri extinse este de a mari distanta dintre ele, dar a poate face doar prin reducerea ratei de semnalizare. Din fericire, s-a descoperit ca, dând acestor impulsuri o forma speciala, legata de reciproca cosinusului hiperbolic, se anuleaza toate efectele de dispersie, devenind astfel posibil sa se trimita impulsuri pe mii de kilometri, fara distorsiuni apreciabile ale formei. Aceste impulsuri se numesc solitonuri. Pentru a implementa în practica aceasta solutie de laborator se desfasoara cercetari intense.

Cablurile din fibra de sticla

Cablurile din fibra de sticla sunt similare celor coaxiale, cu singura deosebire ca nu prezinta acel material conductor exterior sub forma unei plase. Figura 2-7(a) prezinta o sectiune a unei singure fibre, în centru se afla miezul de sticla prin care se propaga lumina, în fibrele multi-mod, miezul are un diametru de 50 microni, aproximativ grosimea parului uman, în fibrele mono-mod miezul este de 8 pâna la 10 microni.

Fig. 2-7 (a) Vedere în sectiune a unei singure fibre,
(b) Vedere în sectiune a unei teci cu trei fibre.

Miezul este îmbracat în sticla cu un indice de refractie mai mic decât miezul, pentru a pastra lumina în miez. Totul este protejat cu o învelitoare subtire din plastic. De obicei, mai multe fibre sunt grupate împreuna, protejate de o teaca protectoare. Figura 2-7(b) prezinta un astfel de cablu cu trei fibre.

Aceste teci protectoare sunt îngropate în pamânt pâna la adâncimi de un metru, fiind ocazional deteriorate de buldozere sau de cârtite. Lânga tarm, fibrele sunt îngropate în santuri cu ajutorul unui fel de plug de mare. în apele adânci, ele stau pe fundul apei, unde pot fi agatate de traulere de pescuit sau pot fi mâncate de rechini.

Fibrele pot fi conectate în trei moduri. Primul mod consta în atasarea la capatul fibrei a unor conectori care se pot lega la un soclu pentru fibra. Conectorii pierd aproape 10-20 la suta din lumina, dar aceste sisteme sunt usor de reconfigurat.

Al doilea mod consta în îmbinarea mecanica, îmbinarile mecanice se obtin prin atasarea celor doua capete unul lânga altul, într-un învelis special, si fixarea lor cu ajutorul unor clame. Alinierea se poate face prin trimitere de semnale prin jonctiune si realizarea de mici ajustari pentru a maximiza semnalul. Unui specialist îi trebuie în jur de 5 minute sa faca o îmbinare mecanica, aceasta având ca rezultat o pierdere a luminii cu 10 la suta.

A treia posibilitate este de a îmbina (topi) cele doua bucati de fibra, pentru a forma o conexiune solida. O îmbinare prin sudura este aproape la fel de buna ca si folosirea unui singur fir, dar chiar si aici, apare o mica atenuare.

Fig. 2-8. O comparatie între diodele cu semiconductoare si LED-uri ca surse de lumina.

Pentru semnalizare se pot folosi doua tipuri de surse de lumina, LED-uri (Light Emitting Diode -dioda cu emitere de lumina) si laserul din semiconductori. Ele au proprietati diferite, dupa cum arari Fig. 2-8. Ele se pot ajusta în lungime de unda prin introducerea interferometrelor Fabry-Perot sau Mach-Zender între sursa si fibra optica. Interferometrele Fabry-Perot sunt simple cavitati rezonante, formate din doua oglinzi paralele. Lumina cade perpendicular pe oglinzi. Lungimea acestei cavitati selecteaza acele lungimi de unda care încap în interior de un numar întreg de ori. Interferomtrele Mach-Zender separa lumina în doua fascicole. Cele doua fascicole se propaga pe distante usor diferite. Ele sunt apoi recombinate si se afla în faza doar pentru anumite lungimi de unda.

Capatul fibrei optice care receptioneaza semnalul consta dintr-o fotodioda, care declanseaza un impuls electric când este atinsa do lumina. Raspunsul tipic al unei diode este de l nsec, ceea ce limiteaza viteza de transfer de date la aproximativ l Gbps. Pentru a putea fi detectat, un impuls luminos trebuie sa aiba suficienta energie ca sa evite problema zgomotului termic. Viteza de aparitie a erorilor se poate controla prin asocierea unei puteri suficient de mari a semnalului.

.3.6. Comunicatiile fara fir

Secolul nostru a generat dependenta de informatie : oameni care au nevoie sa fie în permanenta conectati. Pentru acesti utilizatori mobili, cablul torsadat, cablul coaxial si fibrele optice nu sunt de nici un folos. Ei au nevoie de date pentru calculatoarele lor portabile, de buzunar, fara a fi legati de infrastructura comunicatiilor terestre. Pentru acesti utilizatori, raspunsul îl constituie comunicatiile fara fir. în aceasta sectiune vom arunca o privire generala asupra comunicatiilor fara fir, deoarece acestea au multe aplicatii importante peste serviciile de conectare oferite utilizatorilor care doresc sa-si citeasca posta electronica în avion.

Unii oameni cred ca viitorul rezerva numai doua tipuri de comunicatii: prin fibre optice si fara fir. Toate calculatoarele, faxurile, telefoanele fixe (nemobile) vor folosi fibre, iar cele mobile vor folosi comunicatia fara fir.

Oricum, comunicatia fara fir este avantajoasa chiar si pentru echipamentele fixe, în anumite împrejurari. De exemplu, în cazul în care conectarea unei cladiri cu ajutorul fibrei este dificila datorita terenului (munti, jungle, mlastini etc.), comunicatia fara fir este preferabila. Este de remarcat faptul ca sistemele de comunicatie digitala fara fir au aparut în Insulele Hawaii, unde utilizatorii erau despartiti de mari întinderi de apa din oceanul Pacific, sistemul telefonic fiind inadecvat.

Spectrul electromagnetic

Atunci când electronii se afla în miscare, ei creeaza unde electromagnetice care se pot propaga în spatiu (chiar si în vid). Aceste unde au fost prezise de fizicianul britanic James Clerk Maxwell în 1865 si au fost produse si observate pentru prima data de fizicianul german Heinrich Hertz în 1887. Numarul de oscilatii pe secunda este numit frecventa, f, si este masurata în Hz (în onoarea lui Heinrich Hertz). Distanta dintre doua maxime (sau minime) consecutive este numita lungime de unda. Notatia universala a lungimii de unda este A (lambda).

Prin atasarea unei antene corespunzatoare unui circuit, undele electromagnetice pot fi difuzate eficient si interceptate de un receptor, aflat la o anumita distanta. Toate comunicatiile fara fir se bazeaza pe acest principiu.

în vid, toate undele electromagnetice se transmit cu aceeasi viteza, indiferent de frecventa, Aceasta viteza, de obicei numita viteza luminii, c, este de aproximativ de 3 x 108 msec, sau aproape 1 picior (30 cm) pe nanosccunda. In cupru sau în fibra, viteza scade la aproape 2/3 din aceasta valoare si devine usor dependenta de frecventa. Viteza luminii este viteza maxima care se poate atinge. Nici un obiect sau semnal nu se va deplasa vreodata cu o viteza mai mare ca aceasta.

Relatia fundamentala dintre, f, λ si c (în vid) este:

λ f = c

Deoarece c este o constanta, daca stim f, putem afla λ si invers. De exemplu, undele cu o frecventa de l MHz au o lungime de aproape 300 metri, iar cele cu o lungime de l cm au o frecventa de 30GHz.

Spectrul electromagnetic este prezentat în Fig. 2-11. Domeniile corespunzatoare undelor radio, microundelor, undelor infrarosii si luminii vizibile din spectru pot fi folosite pentru transmiterea informatiei prin modularea amplitudinii, frecventei, sau fazei undelor. Lumina ultravioleta, razele X si razele gama ar fi chiar mai performante datorita frecventei lor mai înalte, dar ele sunt greu de produs si de modulat, nu se propaga bine prin cladiri si sunt periculoase fiintelor vii. Benzile listate în partea de jos a Fig. 2-11 sunt numele oficiale ITU si se bazeaza pe lungimile de unda, LF acoperind intervalul de la l Km la 10 Km (aproximativ de la 30 kHz la 300 kHz). Termenii de LF,MF si HF se refera la frecventele joase, medii si respectiv înalte. Este evident ca atunci când au fost date aceste nume, nimeni nu se astepta sa foloseasca frecvente mai mari de 10 MHz. Benzile mai înalte au fost numite mai târziu benzi de frecventa Foarte, Ultra, Super, Extrem si Extraordinar de înalte. Dincolo de aceste frecvente nu mai exista denumiri consacrate, dar am putea sa folosim termeni de frecvente Incredibil, Uimitor si Miraculos de înalte.

Cantitatea de informatie pe care o unda electromagnetica o poate transporta este legata de largimea ei de banda. Folosind tehnologia curenta, este posibil sa codificam câtiva biti pe Hertz la frecvente joase si deseori pâna la 40 biti / Hz în anumite conditii, la frecvente înalte, deci un cablu cu

largime de banda de 500 MHz poate transporta mai multi gigabiti / sec. Din Fig. 2-11 ar trebui sa reiasa acum clar de ce oamenii care se ocupa de retele apreciaza asa de mult fibrele optice.

Daca rezolvam Ec. (2-2) pentru/si o diferentierii în raport cu lungimea de unda, obtinem:

Fig. 2-11. Spectrul electromagnetic asa cum este folosit în comunicatii.

Daca acum trecem la diferente finite în loc de diferentiale si alegem doar valorile pozitive, obtinem:

Astfel, fiind data largimea unei benzi de lungimi de unda, Δλ, putem calcula banda de frecventa corespunzatoare, Δf, si, din aceasta, viteza de transfer de date pe care banda o poate produce. Cu cât banda este mai larga, cu atât creste viteza de transfer a datelor. De exemplu, sa consideram banda de 1.30 microni din Fig. 2-6. Aici avem λ = 1.3 x 10-6 si Δλ = 0.17 x10-6, cu Δf aproape 30 THz.

Pentru a preveni un haos total, exista conventii nationale si internationale relative la ce frecvente pol fi folosite si de catre cine. Fiecare vrea o viteza de transmisie mai mare, adica vrea un spectru de frecvente mai larg. In Statele Unite, FCC aloca spectru pentru radio AM si FM, televiziune si telefoanele celulare si totodata pentru companiile de telefoane, politie, navigatie, armata, guvern si multi alti competitori. Pe scara globala, acest lucru il face o agentie a ITU-R (WARC). De exemplu, Ia întâlnirea din Spania din 1991, WARC a alocat echipamentelor de comunicatie portabile o anumita portiune din spectru. Din pacate, FCC, care nu este limitata de recomandarile WARC, a ales o alta portiune din spectru (deoarece oamenii din Statele Unite care detineau banda respectiva nu au vrut sa renunte la ea si au avut o influenta politica suficienta), în consecinta, echipamentele de comunicatie personale construite pe piata S.U.A. nu vor functiona în Europa sau Asia si vice-versa.

Majoritatea transmisiilor folosesc o banda îngusta de frecventa (Δf / f « 1) pentru a obtine cea mai buna receptie (multi W/Hz). Oricum, in unele cazuri, transmitatorul sare de la o frecventa la alta, în conformitate cu anumite reguli, sau transmisia este intentionat întinsa pe o banda de frecventa larga. Aceasta tehnica se numeste spectru împrastiat (spread spectrum) (Kohno 1995). Ea este foarte populara în comunicatiile armatei, deoarece face transmisia greu de detectat si aproape imposibil de bruiat. Saltul peste frecvente nu este de mare interes pentru noi (în afara de faptul ca a fost co-inventat de actrita de cinema Hedy Lamarr). Spectrele cu adevarat largi, numite uneori spectru împrastiat eu secventa directa (direct sequence .spread spectrum), câstiga popularitate în lumea comerciala si vom reveni la ele în capitolul 4. Pentru o istorie fascinanta si detaliata a comunicatiilor în spectru larg, vezi (Scholtz, 1982).

Pentru moment, vom considera ca toate transmisiunile folosesc o banda de frecventa îngusta. Vom discuta despre diferitele parti ale spectrului, începând cu banda radio.

1.3.6.2. Transmisia radio

Undele radio sunt usor de generat, pot parcurge distante mari, penetreaza cladirile cu usurinta, fiind larg raspândite în comunicatii, atât interioare cât si exterioare. Undele radio sunt de asemenea omnidirectionale, ceea ce înseamna ca se pot propaga în orice directie de la sursa, deci nu este nevoie de o aliniere fizica a transmitatorului si a receptorului.

Uneori aceasta proprietate de propagare omnidirectionala este buna, alteori nu. în anii '70, General Motors a decis sa echipeze noile sale Cadillac-uri cu un calculator care sa previna blocarea frânelor. Atunci când soferul apasa pedala de frâna, calculatorul frâna treptat, în loc sa preseze frâna complet, într-o frumoasa zi de vara, un ofiter de pe o autostrada din Ohio a început sa-si foloseasca statia radio mobila pentru a chema sediul central si deodata Cadillac-ul situat în apropriere a început sa se cabreze ca un cal salbatic. Atunci când ofiterul a oprit masina, soferul a pretins ca el nu a facut nimic si ca masina a înnebunit.

în cele din uima a reiesit ca lucrurile se petreceau dupa un anumit tipar: Cadillac-urile erau scapate uneori de sub control, dar numai pe marile autostrazi din Ohio si numai când patrula era în zona. Pentru o foarte lunga perioada de timp, cei de la General Motors nu au înteles de ce Cadillac-urile mergeau foarte bine în toate celelalte state, ca si pe strazile secundare din Ohio. Dupa îndelungi cautari ei au descoperit ca în Cadillac, cablajul forma o antena foarte buna pentru frecventa folosita de noul sistem radio al politiei rutiere din Ohio.

Proprietatile undelor radio sunt dependente de frecvente. La frecvente joase, undele radio se propaga bine prin obstacole, dar puterea semnalului scade mult odata cu distanta de la sursa, aproximativ cu l/r3 în aer. La frecvente înalte, undele radio tind sa se propage în linie dreapta si sa sara peste obstacole. De asemenea, ele sunt absorbite de ploaie. Toate frecventele radio sunt supuse la interferente datorate motoarelor si altor echipamente electrice.

Datorita capacitatii undelor radio de a se propaga pe distante mari, interferenta dintre utilizatori devine o problema. Din acest motiv, toate guvernele acorda cu foarte mare atentie licentele pentru utilizatorii de transmitatoare radio, cu o singura exceptie (discutata mai jos).

	Unda la suprafata pamântului

Suprafata pamântului (b)

Suprafata pamântului (a)

Fig. 2-12. (a) în benzile VLF, LF si MF, undele radio urmaresc curbura pamântului,
(b) în banda HF undele revin din ionosfera.

În benzile de frecventa foarte joase, joase si medii, undele radio se propaga Ia sol, dupa cum este ilustrat în Fig. 2-12(a). Aceste unde pot fi detectate pâna la aproximativ 1000 Km pentru frecvente joase si mai putin pentru cele mai înalte. Difuzarea undelor radio AM foloseste banda MF, acesta fiind motivul pentru care statia radio AM din Boston nu poate fi auzita cu usurinta în New York, Undele radio în aceasta banda trec usor prin cladiri, fiind astfel posibila utilizarea radiourilor portabile în spatii interioare. Problema principala care apare la comunicarea de date la aceste frecvente este largimea relativ mica a benzii pe care o ofera [vezi Ec. (2-2)].

În benzile înalte si foarte înalte, undele de la sol tind sa fie absorbite de pamânt.

Oricum, undele care ating ionosfera, un strat de particule care învelesc atmosfera la o înaltime de 100 pâna la 500 Km, sunt refractate de aceasta si trimise înapoi spre pamânt, dupa cum arata Fig, 2-12(b). In anumite conditii atmosferice, semnalele pot parcurge acest drum de mai multe ori.

Operatorii radio amatori folosesc aceste benzi pentru a realiza convorbiri la mare distanta. De asemenea, armata comunica în benzile de unda înalte si foarte înalte.

1.3.6.3. Transmisia prin microunde

Peste 100 MHz, undele se propaga în linii drepte si pot fi, din acest motiv, directionale, Concentrând toata energia într-un fascicol îngust, cu ajutorul unei antene parabolice (ca o antena de satelit obisnuita) rezulta o valoare mult mai ridicata a ratei de semnal-zgomot, dar antenele care transmit si cele care receptioneaza trebuie sa fie aliniate cu precizie una cu alta. în plus, faptul ca aceste unde sunt orientate permite ca mai multe transmitatoare sa fie aliniate si sa comunice cu mai multe receptoare fara interferente, înaintea fibrelor optice, microundele au format, timp de decenii, inima sistemului telefonic de comunicatie pe distante mari. De fapt, numele companiei MCI provenea de la Compania de Comunicatii prin Microunde (Microwave Communication Inc.) Datorita faptului ca microundele se propaga în linii drepte, daca turnurile sunt foarte departate, atunci sta în cale pamântul (gânditi-va la o legatura între San Francisco si Amsterdam). De asemenea sunt necesare, periodic, repetoare. Cu cât turnurile sunt mai înalte, cu atât repetoarele se pot afla la distante mai mari. Distanta dintre repetoare creste aproximativ cu radicalul înaltimi turnului. Pentru turnuri cu o înaltime de 100 m, repetoarele se pot afla la distante de 80 Km.

Spre deosebire de undele radio la frecvente joase, microundele nu trec bine prin cladiri, în plus, cu toate ca unda poate fi bine directionala la transmitator, apare o divergenta în spatiu. Unele unde pot fi refractate de straturile atmosferice joase si pot întârzia mai mult decât undele directe. Undele întârziate pot sosi defazate fata de unda directa, anulând astfel semnalul. Acest efect este numit atenuare multi-cai (multipath fading) si constituie deseori o problema serioasa. Este dependenta de vreme si de frecventa. Unii operatori pastreaza nefolosit un procent de 10 la suta din canalul propriu pentru a putea comuta pe acesta atunci când atenuarea multi-cai anuleaza temporar anumite benzi de frecventa.

Cererea de spectre din ce în ce mai larg contribuie la îmbunatatirea tehnologiilor, astfel încât transmisia poate folosi frecvente si mai înalte. Benzi de pâna la 10 GHz sunt acum uzuale, dar la aproape 8 GHz apare o noua problema: absorbtia de catre apa. Aceste unde sunt doar de câtiva centimetri lungime si sunt absorbite de ploaie. Acest efect ar fi fost potrivit pentru cineva care ar încerca sa construiasca un imens cuptor cu microunde în aer liber, dar pentru comunicatii este o problema dificila. La fel ca si în cazul atenuarii multi-cai, singura solutie posibila este de a întrerupe legaturile acolo unde ploua si sa se gaseasca o alta ruta.

Comunicatiile cu microunde sunt atât de larg folosite de telefonia pe distante mari, telefoanele celulare, televiziune si altele, încât a aparut o criza în ceea ce priveste spectrul. Microundele au mai multe avantaje semnificative fata de fibra. Cel mai important avantaj este ca nu sunt necesare drepturi de acces la drum, cumparând un mic teren la fiecare 50 Km si montând un turn pe el, se poate ocoli sistemul telefonic si se poate realiza o comunicare directa. Astfel a reusit MCI sa porneasca atât de rapid ca o companie de telefoane pe distante mari. (Sprint a aplicat o alta tactica : a fost formata de Southern Pacific Railroad (caile feroviare sudice), care deja detinea destule drepturi de acces si tot ce a avut de facut a fost sa îngroape fibra fanga sine.)

Comunicatiile cu microunde, prin comparatie cu alte medii de transmisie, sunt ieftine. Pretul ridicarii a doua turnuri simple (doi stâlpi înalti asigurati cu patru cabluri) si de montare a unei antene pe fiecare turn, poate fi mai mic decât pretul îngroparii a 50 de Km de fibra într-o zona urbana foarte populata sau peste un munte si poate fi mai mic decât costul închirierii fibrei de la o companie telefonica, mai ales atunci când acestea nu au platit înca integral cuprul care a fost înlocuit cu fibra.

In afara de utilizarea pentru transmisia pe distante mari, microundele mai au o alta aplicatie importanta si anume benzile industriale, stiintifice si medicale. Aceste benzi sunt o exceptie de la regula acordarii licentelor: transmitatoarele care folosesc aceste benzi nu necesita licente de la guvern. Este alocata global o singura banda: 2.400-2.484 GHz. în plus în Statele Unite si Canada, .exista benzi între 902-928 MHz si între 5.725 - 5.850 GHz. Aceste benzi sunt folosite de telefoanele fara fir, usile de garaj cu telecomanda, boxe Hi-Fi fara fire, porti securizate etc. Banda de la 900 MHz functioneaza cel mai bine, dar este suprasolicitata, iar echipamentul care o utilizeaza poate fi folosit numai în America de Nord. Benzile mai largi necesita un echipament electronic mai scump si sunt supuse la interferente datorate cuptoarelor cu microunde si instalatiilor radar. Nu mai putin adevarat este faptul ca aceste benzi sunt foarte uzuale pentru diferite forme de retele fara fir pe arii restrânse, deoarece nu necesita procurarea unei licente.

1.3.6.4. Undele infrarosii si milimetrice

Undele infrarosii si milimetrice sunt larg folosite pentru comunicatiile pe distante reduse. Telecomenzile pentru televizoare, aparatele video si stereo folosesc comunicatiile în infrarosu. Ele sunt relativ directionale, ieftine si usor de construit, dar au un dezavantaj major: nu penetreaza obiectele solide (încercati sa stati între telecomanda si televizor si vedeti daca mai merge). In general cum ne deplasam de la undele radio lungi catre lumina vizibila, undele se comporta din ce în ce mai mult ca lumina si din ce în ce mai putin ca unde radio.

Pe de alta parte, faptul ca razele infrarosii nu trec prin obiecte constituie un avantaj. Aceasta înseamna ca un sistem cu infrarosii dintr-o camera a unei cladiri nu va interfera cu un sistem similar situat în camerele adiacente. Mai mult, protectia sistemelor cu infrarosii împotriva interceptarilor este mult mai buna decât sistemele radiofonice, exact din acest motiv. Datorita acestor motive, pentru operarea unui sistem cu infrarosii nu este necesara procurarea unei) licente, spre deosebire de sistemele radiofonice, care trebuie sa detina o licenta.

Aceste proprietati au facut din undele infrarosii un candidai demn de luat în scama pentru LAN-urile interioare fara fir. De exemplu, calculatoarele si birourile dintr-o cladire pot fi echipate a transmitatoare si receptoare infrarosii relativ nedirectionate (adica oarecum omnidirectionale), acest fel, calculatoarele portabile cu posibilitati de comunicare prin infrarosu pot face parte din reteaua locala fara a fi nevoie sa se conecteze fizic la ea. Atunci când mai multi oameni se prezinta b o întâlnire cu calculatoarele lor portabile, ei pot sta într-o sala de conferinte si sa fie total conectai fara a întinde cabluri. Comunicatiile cu infrarosii nu pot fi folosite în exterior, deoarece soarele emite tot atâtea raze infrarosii cât unde în spectrul vizibil. Pentru mai multe informatii despre comunicatiile cu infrarosii vezi (Adams ct al., 1993;si Bantz and Bauchot, 1994).

1.3.6.5. Transmisia de undelor luminoase

Semnalele optice neghidate au fost folosite secole întregi, înaintea faimoasei lui calatorii, Paul Revere a folosit semnale optice binare de la Old North Church. O aplicatie mai moderna este conectarea retelei locale în doua cladiri prin intermediul laserului montat pe acoperisul| lor. Semnalizarea optica folosind laserul este inerent unidirectionala, deci fiecare cladire nevoie de propriul ei laser si de propria ei fotodioda. Aceasta schema ofera o banda foarte larga la un cost foarte redus. De asemenea, este usor de instalat si, spre deosebire microunde, nu necesita o licenta FCC.

Puterea laserului, un fascicol foarte îngust, este aici o slabiciune, îndreptarea unui fascicol lumina de Imm latime catre o tinta de l mm latime aflata la 500 de metri departare necesita tehnica de vârf. De obicei, sunt introduse lentile pentru a defocaliza usor fascicolul.

Un dezavantaj este ca fascicolul laser nu penetreaza ploaia si ceata groasa, dar în mod normal ele functioneaza bine în zilele însorite. Oricum, autorul a participat odata într-un hotel modern din Europa la o conferinta la care organizatorii conferintei s-au gândit sa puna la dispozitie o camera plina cu terminale, în care participantii sa-si poala citi posta electronica în timpul prezentarii plictisitoare. Deoarece PTT-ul local nu dorea sa instaleze un numar mare de linii telefonice pentru 3 zile, organizatorii au montat pe acoperis un laser orientat catre cladirea departamentului de calculatoare al universitatii de calculatoare aliata la o distanta de câtiva kilometri. Ei 1-au testat cu o noapte înainte si totul a decurs perfect. La ora 9, dimineata urmatoare, într-o zi însorita, legatura cazut si a ramas asa toata ziua. Seara, organizatorii au testat-o din nou cu atentie si a functional inca o data perfect. Acelasi lucru s-a întâmplat timp de doua zile consecutiv.

	Fig. 2-13. Curentii de convectie pot interfera cu sistemele de comunicatie prin laser. Aici este prezentat un sistem bidirectional, cu doua lasere.

Dupa conferinta, organizatorii au descoperit problema. Caldura datorata soarelui din timpul zilei a determinat nasterea unor curenti de convectie din acoperisul cladirii, ca în Fig. 2-13. Acest aer turbulent a deviat fascicolul si 1-a facut sa oscileze în jurul detectorului. Aceasta "vedere" atmosferica face ca stelele sa pâlpâie (acesta este motivul pentru care astronomii îsi pun telescoapele pe vârful muntilor - sa fie cât se poate de mult deasupra atmosferei). Efectul respectiv este responsabil si pentru "tremurul" soselei într-o zi însorita si a imaginii în 'valuri' deasupra unui radiator fierbinte.