Debit ridicat. Lățimea de bandă
Există mulți factori care pot distorsiona sau deteriora un semnal. Cel mai frecvent dintre acestea este interferența sau zgomotul, care este orice semnal nedorit care se amestecă cu și distorsionează semnalul care urmează să fie transmis sau primit. Pentru datele digitale, se pune întrebarea: în ce măsură aceste distorsiuni limitează rata posibilă de transfer de date? Este denumită viteza maximă posibilă în anumite condiții la care informațiile pot fi transmise de-a lungul unei anumite căi de comunicare sau canal trece abilitate canal.
Sunt patru concepte pe care vom încerca să le legăm.
Rata de transfer de date - viteza în biți pe secundă (bit/s) la care puteți
transmite date;
Lățimea de bandă - lățimea de bandă a semnalului transmis, limitată de transmisia la ohmi și de natura mediului de transmisie. Este exprimat în perioade în secunde sau hertzi (Hz).
Zgomot. Nivelul mediu de zgomot pe canalul de comunicare.
Nivel de eroare – frecvența apariției erorilor și a efectelor secundare. O eroare este considerată a fi recepția lui 1 și transmiterea lui 0 și invers.
Problema este aceasta: comunicațiile nu sunt ieftine și, în general, cu cât lățimea de bandă este mai mare, cu atât sunt mai scumpe. Mai mult, toate canalele de transmisie de interes practic au o lățime de bandă limitată. Limitările sunt cauzate de proprietățile fizice ale mediului de transmisie sau de limitările deliberate ale lățimii de bandă în transmițătorul însuși, făcute pentru a preveni interferența cu alte surse.
Desigur, am dori să folosim cât mai eficient lățimea de bandă disponibilă. Pentru datele digitale, aceasta înseamnă că pentru o anumită bandă este de dorit să se obțină rata maximă de date posibilă având în vedere nivelul de eroare existent. Principala limitare în atingerea unei astfel de eficiențe este interferența.
Metode de accesare a mediului în rețelele wireless
Una dintre principalele probleme în construirea sistemelor wireless este rezolvarea problemei accesului multor utilizatori la o resursă limitată a mediului de transmisie. Există mai multe metode de acces de bază (numite și metode de multiplexare sau multiplexare), bazate pe împărțirea unor parametri precum spațiu, timp, frecvență și cod între stații. Scopul multiplexării este de a aloca spațiu, timp, frecvență și/sau cod fiecărui canal de comunicație cu un minim de interferență reciprocă și utilizarea maximă a caracteristicilor mediului de transmisie.
Sigiliucu spațialDivizia
Bazat pe separarea semnalelor în spațiu atunci când emițătorul trimite un semnal folosind un cod Cu, timpul t si frecventa fîn zonă s i. Adică, fiecare dispozitiv fără fir poate transmite date numai în limitele unui anumit teritoriu, în care oricărui alt dispozitiv îi este interzis să-și transmită mesajele.
De exemplu, dacă un post de radio emite pe o frecvență strict definită pe teritoriul său alocat și un alt post din aceeași zonă începe, de asemenea, să emită pe aceeași frecvență, atunci ascultătorii de radio nu vor putea primi un semnal „curat” de la niciun alt post. a acestor statii. Este o altă problemă dacă posturile de radio funcționează pe aceeași frecvență în orașe diferite. Nu va exista nicio distorsiune a semnalelor fiecărei stații radio din cauza gamei limitate de propagare a semnalelor acestor stații, ceea ce elimină suprapunerea acestora între ele. Un exemplu tipic sunt sistemele de telefonie celulară.
Sigiliucu sectiune de frecventalție(Multiplexarea cu diviziune în frecvență, FDM)
Fiecare dispozitiv funcționează la o frecvență strict definită, datorită căreia mai multe dispozitive pot transmite date într-un singur teritoriu (Figura 3.2.6). Aceasta este una dintre cele mai cunoscute metode, într-un fel sau altul folosită în cele mai moderne sisteme de comunicații fără fir.
Figura 3.2.6 – Principiul diviziunii în frecvență a canalelor
O ilustrare clară a unei scheme de multiplexare a frecvenței este funcționarea mai multor posturi de radio care operează la frecvențe diferite într-un oraș. Pentru a detona în mod fiabil unul de celălalt, frecvențele lor de operare trebuie separate printr-un interval de frecvență de protecție pentru a preveni interferențele reciproce.
Această schemă, deși permite utilizarea mai multor dispozitive într-o zonă dată, ea însăși duce la o risipă inutilă a resurselor de frecvență de obicei rare, deoarece necesită alocarea unei frecvențe separate pentru fiecare dispozitiv fără fir.
Sigiliucu sectiune temporaraelene(Multiplexarea pe diviziune în timp, TDM)
În această schemă, distribuția canalelor are loc în timp, adică fiecare transmițător difuzează un semnal la aceeași frecvență fîn zonă s, dar în perioade diferite de timp t i (de obicei se repetă ciclic) cu cerințe stricte pentru sincronizarea procesului de transmisie (Figura 3.2.7).
Figura 3.2.7 – Principiul diviziunii în timp a canalelor
Această schemă este destul de convenabilă, deoarece intervalele de timp pot fi redistribuite dinamic între dispozitivele de rețea. Dispozitivelor cu trafic mai mare li se atribuie intervale mai lungi decât dispozitivelor cu trafic mai puțin.
Principalul dezavantaj al sistemelor time multiplex este pierderea instantanee de informații atunci când sincronizarea în canal este pierdută, de exemplu, din cauza interferențelor puternice, accidentale sau intenționate. Cu toate acestea, experiența de succes în operarea unor astfel de sisteme TDM faimoase precum rețelele de telefonie celulară GSM indică fiabilitatea suficientă a mecanismului de multiplexare temporală.
Sigiliuseparate prin cod(Multiplexare prin diviziune de cod, CDM)
În această schemă, toți transmițătorii transmit semnale la aceeași frecvență f , în zonă s iar în timpul t, dar cu coduri diferite c i.
Numele mecanismului de separare a canalelor bazat pe CDM (CDMA, CDM Access)
a fost denumit chiar standardul de telefonie celulară IS-95a, precum și o serie de standarde pentru a treia generație de sisteme de comunicații celulare (cdma2000, WCDMA etc.).
În schema CDM, fiecare transmițător înlocuiește fiecare bit al fluxului de date original cu un simbol CDM - o secvență de cod cu lungimea 11, 16, 32, 64 etc. biți (se numesc cipuri). Secvența de cod este unică pentru fiecare transmițător. De regulă, dacă un anumit cod CDM este utilizat pentru a înlocui „1” în fluxul de date original, atunci pentru a înlocui „0” se folosește același cod, dar inversat.
Receptorul cunoaște codul CDM al emițătorului ale cărui semnale trebuie să le primească. Primește în mod constant toate semnalele și le digitalizează. Apoi, într-un dispozitiv special (corelator), efectuează operația de convoluție (înmulțire cu acumulare) a semnalului digitizat de intrare cu codul CDM cunoscut de acesta și inversarea acestuia. Într-o formă oarecum simplificată, aceasta arată ca operația produsului scalar al vectorului semnalului de intrare și vectorul cu codul CDM.
Dacă semnalul de la ieșirea corelatorului depășește un anumit nivel de prag setat, receptorul consideră că a primit un 1 sau 0. Pentru a crește probabilitatea de recepție, emițătorul poate repeta trimiterea fiecărui bit de mai multe ori. În acest caz, receptorul percepe semnalele de la alte transmițătoare cu alte coduri CDM ca zgomot aditiv.
Mai mult, datorită redundanței ridicate (fiecare bit este înlocuit cu zeci de cipuri), puterea semnalului recepționat poate fi comparabilă cu puterea de zgomot integrată. Asemănarea semnalelor CDM cu zgomotul aleator (gaussian) este realizată folosind coduri CDM generate de un generator de secvențe pseudoaleatoare. Prin urmare, această metodă este numită și metoda de răspândire a spectrului de semnal folosind secvența directă (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), extinderea spectrului va fi discutată mai jos.
Cel mai puternic aspect al acestui sigiliu constă în securitatea sporită și secretul transmisiei de date: fără cunoașterea codului, este imposibil să primiți un semnal și, în unele cazuri, să detectați prezența acestuia. În plus, spațiul de cod este incomparabil mai mare în comparație cu schema de multiplexare a frecvenței, ceea ce face posibilă atribuirea fiecărui transmițător propriul cod individual fără probleme.
Până de curând, principala problemă a multiplexării codurilor era complexitatea implementării tehnice a receptoarelor și necesitatea asigurării unei sincronizări precise a emițătorului și receptorului pentru a asigura primirea garantată a pachetului.
Mecanism de multiplexare prin frecvențe purtătoare ortogonale (OrtogonalăFrecvențăDivisionMultiplexarea, OFDM)
Întregul interval de frecvență disponibil este împărțit în destul de multe subpurtători (de la câteva sute la mii). Un canal de comunicație (receptor și emițător) sunt alocați pentru transmitere a mai multor astfel de purtători, selectați din întregul set conform unei anumite legi. Transmisia se realizează simultan pe toți subpurtătorii, adică în fiecare transmițător fluxul de date de ieșire este împărțit în N substreams, unde N– numărul de subpurtători alocate acestui transmițător.
Distribuția subpurtătorilor se poate modifica dinamic în timpul funcționării, ceea ce face ca acest mecanism să nu fie mai puțin flexibil decât metoda de multiplexare în timp.
Schema OFDM are mai multe avantaje. În primul rând, doar unele subcanale vor fi supuse estompării selective, nu întregul semnal. Dacă fluxul de date este protejat de un cod de corectare a erorilor de transmisie, atunci această decolorare este ușor de combatet. Dar, mai important, OFDM permite suprimarea interferenței intersimbol. Interferența intersimbol are un impact semnificativ la rate de date ridicate, deoarece distanța dintre biți (sau simboluri) este mică.
În schema OFDM, rata de transmisie a datelor este redusă cu N ori, ceea ce vă permite să măriți timpul de transmitere a simbolului cu N o singura data. Astfel, dacă timpul de transmisie a simbolului pentru fluxul sursă este T s , atunci perioada semnalului OFDM va fi egală cu NT s. Acest lucru vă permite să reduceți semnificativ impactul interferenței intersimbol. La proiectarea unui sistem N este ales astfel încât valoarea NT s a depășit semnificativ rădăcina medie pătrată a întârzierilor canalului.
49. Ce determină debitul unui canal de comunicare?
Un sistem de comunicare este înțeles ca un ansamblu de dispozitive și medii care asigură transmiterea mesajelor de la expeditor la destinatar. În general, un sistem de comunicare generalizat este reprezentat printr-o diagramă bloc.
Lățimea de bandă este viteza maximă posibilă de transfer de informații. Lățimea de bandă este egală cu viteza telegrafică, măsurată prin numărul de apeluri telegrafice transmise pe unitatea de timp. Debitul maxim depinde de lățimea de bandă a canalului și, în general, de raportul Pc / Pп (puterea semnalului la puterea de interferență) și este determinat de formulă. Aceasta este formula lui Shannon, care este valabilă pentru orice sistem de comunicație în prezența interferențelor de fluctuație.
50. Care este esența multiplexării în frecvență/divizării canalelor în sistemele de transmisie a informațiilor multicanal.
Compactare - combinarea semnalelor de abonat într-un singur semnal.
Separarea este separarea semnalelor individuale ale abonatului de un singur semnal de grup.
Esența multiplexării de frecvență este că toți abonații operează pe aceeași bandă de frecvență, dar fiecare în propria bandă.
Odată cu multiplexarea în frecvență, interferența intercanal apare din cauza imperfecțiunii sistemelor de filtrare și a infinitității spectrului de semnal.
Principalul avantaj al sistemelor de comunicații multicanal cu multiplexare de frecvență este utilizarea economică a spectrului de frecvență; dezavantaje semnificative sunt acumularea de interferențe care apare la punctele intermediare de amplificare și, ca urmare, imunitatea relativ scăzută la zgomot.
51. Care este esența multiplexării/separării în timp a canalelor în sistemele de transmitere a informațiilor multicanal?
Cu multiplexarea în timp, toți abonații lucrează în aceeași bandă de frecvență, dar lucrează ciclic, fiecare la timpul său, iar timpul ciclului este determinat de T. Kotelnikova (Cu multiplexarea în timp, care este o dezvoltare logică a sistemelor de comunicație cu impulsuri, o linia de comunicație sau calea de comunicare de grup prin comutatoare electronice este furnizată alternativ pentru a transmite semnale ale fiecărui canal.)
La transmiterea vorbirii T=125 μs
Sistemele de comunicații cu multiplexare în frecvență și timp sunt utilizate pe liniile de cablu principale, liniile de relee radio etc.
52. Care sunt principiile organizării comunicaţiilor radio aeronautice şi telecomunicaţiilor terestre.
Organizarea comunicării este înțeleasă ca o schemă de conectare a abonaților cu canale și de distribuire a resurselor alocate comunicării, asigurând o eficiență ridicată a schimbului de informații între legături.
De bază element de comunicații aeriene aviatice – rețea radio. O rețea radio este un set de RS instalate la locațiile corespondenților care interacționează (în centrul de control și la bordul aeronavei) și unite prin canale radio comune, cele care operează pe aceleași frecvențe radio. De regulă, rețelele radio sunt organizate pe o bază radială. Rețeaua radio permite schimbul de informații între dispecer și echipajul fiecărei aeronave, precum și transmiterea circulară a datelor către toate aeronavele simultan. Rețelele radio sunt create în funcție de numărul de sectoare ATC.
Cel mai important element care asigură continuitatea este procedura reglementată de schimbare a rețelelor radio. În rețelele de comunicații aeronautice, o frecvență este de obicei atribuită pentru transmisie și recepție, iar comunicarea se realizează într-un mod simplex, unde transmisia și recepția alternează între ele.
Elementele rețelelor de comunicații terestre sunt: unitățile de abonat, canalele și nodurile de comunicație. Nodurile de comunicare CS servesc la distribuirea informațiilor de-a lungul liniilor și canalelor de comunicare care duc la diferite locații geografice. Principiul construirii comunicației telegrafice cu fir este radial-nodal, adică sunt furnizate noduri GUS principale, unind grupuri de noduri regionale și canale de comunicație care conectează nodurile cu nodurile principale și între ele. Acest principiu asigură obținerea unei eficiențe ridicate și a fiabilității comunicării, deoarece pot fi utilizate soluții alternative. La crearea rețelelor de comunicații terestre, canalele rețelelor naționale de comunicații sunt utilizate pe scară largă. Telecomunicațiile la sol în aviația civilă servesc pentru comunicarea între aerodromuri, organele de control administrativ și operațional. De asemenea, se organizează o rețea de telefonie fixă.
În orice sistem de comunicație, informațiile sunt transmise printr-un canal. Rata de transfer de informații a fost definită în § 2.9. Această viteză depinde nu numai de canalul în sine, ci și de proprietățile semnalului furnizat la intrarea sa și, prin urmare, nu poate caracteriza canalul ca mijloc de transmitere a informațiilor. Să încercăm să găsim o modalitate de a evalua capacitatea unui canal de a transmite informații. Să considerăm mai întâi un canal discret prin care simbolurile din alfabetul de volum sunt transmise pe unitatea de timp La transmiterea fiecărui simbol, în medie, următoarea cantitate de informații trece prin canal [vezi. (2.135) și (2.140)]:
unde sunt simboluri aleatorii la intrarea și ieșirea canalului. Dintre cele patru entropii care apar aici, informația intrinsecă a simbolului transmis este determinată de sursa semnalului discret și nu depinde de proprietățile canalului. Restul de trei entropii depind în general atât de sursa semnalului, cât și de canal.
Să ne imaginăm că la intrarea canalului pot fi furnizate simboluri din surse diferite, caracterizate de distribuții de probabilitate diferite (dar, desigur, cu aceleași valori pentru toate tipurile de
surse de semnal de intrare, caracterizează canalul în sine și se numește capacitatea canalului. Pe caracter
unde maximizarea este efectuată pe toate distribuțiile de probabilitate multidimensionale. De asemenea, puteți determina capacitatea canalului C pe unitatea de timp (secundă):
Ultima egalitate rezultă din aditivitatea entropiei. În viitor, oriunde acest lucru nu este specificat în mod specific, vom înțelege debitul ca debit pe secundă.
Ca exemplu, să calculăm capacitatea unui canal simetric fără memorie, pentru care probabilitățile de tranziție sunt date prin formula (3.36). Conform (3.52) și (3.53)
Valoarea în acest caz este ușor de calculată, deoarece probabilitatea de tranziție condiționată ia doar două valori: dacă prima dintre aceste valori apare cu probabilitate și a doua cu probabilitate În plus, deoarece este luat în considerare un canal fără memorie, rezultatele de primire a simbolurilor individuale sunt independente unele de altele. De aceea
În consecință, nu depinde de distribuția de probabilitate B, ci este determinată doar de probabilitățile de tranziție ale canalului. Această proprietate este păstrată pentru toate modelele de canale cu zgomot aditiv.
Înlocuind (3.56) în (3.55), obținem
Deoarece în partea dreaptă doar termenul depinde de distribuția probabilității, este necesar să o maximizăm. Valoarea maximă conform (2.123) este egală cu și se realizează atunci când toate simbolurile primite sunt la fel de probabile și independente unele de altele. Este ușor de verificat dacă această condiție este îndeplinită dacă simbolurile de intrare sunt la fel de probabile și independente, deoarece
În același timp
De aici debitul pe secundă
Pentru un canal binar simetric, debitul în unități binare pe secundă
Dependența de conform (3.59) este prezentată în Fig. 3.9.
Cu debitul unui canal binar, deoarece cu o astfel de probabilitate de eroare, o secvență de simboluri binare de ieșire poate fi obținută fără a transmite deloc semnale pe canal, ci prin alegerea lor la întâmplare (de exemplu, pe baza rezultatelor aruncării). o monedă), adică atunci când secvențele de la ieșirea și intrarea canalului sunt independente. Evenimentul se numește pauză de canal. Faptul că debitul at într-un canal binar este același cu la (canal fără zgomot) se explică prin faptul că la este suficient să inversați toate simbolurile de ieșire (adică, înlocuiți 0 cu 1 și 1 cu 0) în pentru a restabili corect semnalul de intrare.
Orez. 3.9. Dependența capacității unui canal binar simetric fără memorie de probabilitatea de recepție eronată a unui simbol
Debitul unui canal continuu este calculat într-un mod similar. Să fie, de exemplu, un canal să aibă o lățime de bandă limitată. Atunci semnalele de la intrarea și de la ieșirea canalului, conform teoremei lui Kotelnikov, sunt determinate de eșantioanele lor prelevate la intervale și, prin urmare, de informațiile care trec prin canal de-a lungul unui timp. este egală cu suma cantităților de informații transmise pentru fiecare astfel de eșantion. Capacitatea canalului pentru un astfel de eșantion
Aici variabilele aleatoare sunt secțiuni transversale ale proceselor la intrarea și la ieșirea canalului, iar maximul este preluat peste toate semnalele de intrare admisibile, adică peste toate distribuțiile.
Debitul C este definit ca suma valorilor Count preluate pe toate probele pe secundă. În acest caz, desigur, entropiile diferențiale din (3.60) trebuie calculate ținând cont de conexiunile probabilistice dintre eșantioane.
Să calculăm, de exemplu, capacitatea unui canal continuu fără memorie cu zgomot alb Gaussian aditiv, care are o lățime de bandă de lățime dacă puterea (varianța) medie a semnalului nu depășește o valoare dată. Notăm puterea (dispersia). zgomot în bandă Eșantioanele semnalelor de intrare și de ieșire, precum și zgomotul, sunt legate de egalitate
n deoarece are o distribuție normală cu așteptare matematică zero, atunci densitatea de probabilitate condiționată pentru fix și va fi, de asemenea, normală - cu așteptare matematică și dispersie Să găsim capacitatea pentru un eșantion:
Conform (2.152), entropia diferențială a distribuției normale nu depinde de așteptarea matematică și este egală. Prin urmare, pentru a o găsi, trebuie să găsim o astfel de densitate de distribuție care să maximizeze Din (3.61), ținând cont de faptul că independent. variabile aleatoare, avem
Astfel, varianța este fixă, așa cum este dat. Conform (2.153), pentru o dispersie fixă, entropia diferențială maximă este furnizată de distribuția normală. Din (3.61) este clar că cu o distribuție unidimensională normală și distribuția va fi normală și, prin urmare,
Revenind la debitul C pe secundă, observăm că informația transmisă pe mai multe eșantioane este maximă atunci când eșantioanele de semnal sunt independente. Acest lucru poate fi realizat dacă semnalul este ales astfel încât densitatea sa spectrală să fie uniformă în bandă. Așa cum s-a arătat în eșantioanele separate prin intervale care sunt multipli ale acestora, sunt necorelate reciproc, iar pentru cantitățile gaussiene necorelate înseamnă independență.
Prin urmare, debitul C (pe secundă) poate fi găsit prin adăugarea debitelor (3.63) pentru eșantioane independente:
Se realizează dacă procesul gaussian are o densitate spectrală uniformă în banda de frecvență (zgomot cvasi-alb).
Din formula (3.64) este clar că dacă puterea semnalului nu ar fi limitată, atunci debitul ar fi infinit. Lățimea de bandă este zero dacă raportul semnal-zgomot al canalului este zero. Pe măsură ce acest raport crește, debitul crește la nesfârșit, dar încet, datorită unei dependențe logaritmice.
Relația (3.64) este adesea numită formula lui Shannon. Această formulă este importantă în teoria informației, deoarece determină dependența capacității canalului continuu luat în considerare de caracteristici tehnice precum lățimea de bandă și raportul semnal-zgomot. Formula lui Shannon indică posibilitatea de a tranzacționa lățimea de bandă pentru puterea semnalului și invers. Cu toate acestea, deoarece C depinde liniar și de logaritmic, este de obicei imposibil să se compenseze o posibilă reducere a lățimii de bandă prin creșterea puterii semnalului. Mai eficient este schimbul invers al puterii semnalului cu lățimea de bandă.
Ilya NazarovInginer de sistem la INTELCOM Line
După evaluarea debitului necesar pe fiecare secțiune a rețelei IP, este necesar să se decidă cu privire la alegerea rețelei OSI și a tehnologiilor stratului de legătură. În conformitate cu tehnologiile selectate, se determină cele mai potrivite modele de echipamente de rețea. Această întrebare este, de asemenea, dificilă, deoarece debitul depinde direct de performanța hardware, iar performanța, la rândul său, depinde de arhitectura hardware și software. Să aruncăm o privire mai atentă asupra criteriilor și metodelor de evaluare a capacității canalelor și echipamentelor din rețelele IP.
Criterii de evaluare a lățimii de bandă
De la apariția teoriei teletraficului, au fost dezvoltate multe metode pentru calcularea capacității canalului. Cu toate acestea, spre deosebire de metodele de calcul aplicate rețelelor cu comutare de circuite, calcularea debitului necesar în rețelele de pachete este destul de complexă și este puțin probabil să ofere rezultate precise. În primul rând, acest lucru se datorează unui număr mare de factori (în special cei inerenți rețelelor multiservicii moderne), care sunt destul de greu de prezis. În rețelele IP, o infrastructură comună este utilizată în mod obișnuit de multe aplicații, fiecare dintre acestea putând folosi propriul model de trafic diferit. Mai mult, în cadrul unei sesiuni, traficul transmis în direcția înainte poate diferi de traficul transmis în sens opus. În plus, calculele sunt complicate de faptul că viteza de trafic între nodurile individuale ale rețelei se poate modifica. Prin urmare, în majoritatea cazurilor când se construiesc rețele, evaluarea capacității este de fapt determinată de recomandările generale ale producătorilor, studiile statistice și experiența altor organizații.
Deveniți membru al Programului de afiliere Aktiv-SB și veți primi:
Plată în rate pentru articolele din depozit (sub rezerva furnizării unui pachet complet de documente);
Plasarea companiei în secțiunea „Instalare”, la achiziționarea lunară de echipamente în valoare de peste 100.000 de ruble;
Cashback în cadrul programului Bonus în valoare de până la 5% din suma achiziției
Pentru a determina mai mult sau mai puțin precis câtă lățime de bandă este necesară pentru rețeaua proiectată, trebuie mai întâi să știți ce aplicații vor fi utilizate. În continuare, pentru fiecare aplicație, ar trebui să analizați modul în care datele vor fi transferate în perioadele de timp selectate și ce protocoale sunt utilizate pentru aceasta.
Pentru un exemplu simplu, luați în considerare aplicațiile dintr-o rețea corporativă mică.
Exemplu de calcul al lățimii de bandă
Să presupunem că există 300 de computere de lucru și același număr de telefoane IP în rețea. Se preconizează utilizarea următoarelor servicii: e-mail, telefonie IP, supraveghere video (Fig. 1). Pentru supraveghere video se folosesc 20 de camere, din care sunt transmise fluxuri video către server. Să încercăm să estimăm ce lățime de bandă maximă este necesară pentru toate serviciile pe canalele dintre switch-urile de bază ale rețelei și la joncțiunile cu fiecare dintre servere.
Trebuie remarcat imediat că toate calculele trebuie efectuate pentru timpul de cea mai mare activitate în rețea a utilizatorilor (în teoria teletraficului - orele de vârf), deoarece, de obicei, în astfel de perioade, performanța rețelei este cea mai importantă, iar întârzierile și eșecurile în funcționarea aplicației sunt asociate cu o lipsă de lățime de bandă, sunt inacceptabile. În organizații, cea mai mare încărcare a rețelei poate apărea, de exemplu, la sfârșitul perioadei de raportare sau în timpul unui aflux sezonier de clienți, când se efectuează cel mai mare număr de apeluri telefonice și se trimit majoritatea mesajelor de e-mail.
E-mail
Revenind la exemplul nostru, luați în considerare un serviciu de e-mail. Utilizează protocoale care rulează peste TCP, ceea ce înseamnă că rata de transfer de date este ajustată în mod constant pentru a ocupa toată lățimea de bandă disponibilă. Astfel, vom începe de la valoarea maximă de întârziere pentru trimiterea unui mesaj - să presupunem că 1 secundă va fi suficientă pentru a face utilizatorul confortabil. În continuare, trebuie să estimați dimensiunea medie a mesajului trimis. Să presupunem că, în timpul activității de vârf, mesajele de e-mail vor conține adesea diverse atașamente (copii ale facturilor, rapoarte etc.), așa că, pentru exemplul nostru, vom considera dimensiunea medie a mesajului la 500 KB. În cele din urmă, ultimul parametru pe care trebuie să-l selectăm este numărul maxim de angajați care pot trimite simultan mesaje. Să presupunem că în perioadele de urgență, jumătate dintre angajați apăsă simultan butonul „Trimite” din clientul de e-mail. Debitul maxim necesar pentru traficul de e-mail ar fi atunci (500 kB x 150 gazde)/1 s = 75.000 kB/s sau 600 Mbps. De aici putem concluziona imediat că pentru a conecta serverul de mail la rețea este necesar să folosiți un canal Gigabit Ethernet. În centrul rețelei, această valoare va fi unul dintre termenii care formează debitul total necesar.
Telefonie si supraveghere video
Alte aplicații - telefonie și supraveghere video - sunt similare în structura lor de transmisie în flux: ambele tipuri de trafic sunt transmise folosind protocolul UDP și au o rată de transmisie mai mult sau mai puțin fixă. Principalele diferențe sunt că în telefonie fluxurile sunt bidirecționale și limitate de timpul apelului, în timp ce în supravegherea video fluxurile sunt transmise într-o singură direcție și, de regulă, sunt continue.
Pentru a estima debitul necesar pentru traficul de telefonie, presupunem că în timpul activității de vârf, numărul de conexiuni simultane care trec prin gateway poate ajunge la 100. Când utilizați codecul G.711 pe rețele Ethernet, viteza unui flux, ținând cont de anteturile și serviciul pachete, este de aproximativ 100 kbit/s. Astfel, în perioadele de cea mai mare activitate a utilizatorului, lățimea de bandă necesară în nucleul rețelei va fi de 10 Mbit/s.
Traficul de supraveghere video este calculat destul de simplu și precis. Să presupunem că, în cazul nostru, camerele video transmit fluxuri de 4 Mbit/s fiecare. Lățimea de bandă necesară va fi egală cu suma vitezelor tuturor fluxurilor video: 4 Mbit/s x 20 camere = 80 Mbit/s.
Tot ce rămâne este să adunăm valorile de vârf rezultate pentru fiecare dintre serviciile de rețea: 600 + 10 + 80 = 690 Mbit/s. Aceasta va fi lățimea de bandă necesară în nucleul rețelei. Designul ar trebui să includă și posibilitatea de scalare, astfel încât canalele de comunicare să poată servi traficul unei rețele în creștere cât mai mult timp posibil. În exemplul nostru, va fi suficient să folosiți Gigabit Ethernet pentru a îndeplini cerințele serviciilor și, în același timp, să puteți dezvolta fără probleme rețeaua prin conectarea mai multor noduri.
Desigur, exemplul dat este departe de a fi unul standard - fiecare caz trebuie luat în considerare separat. În realitate, topologia rețelei poate fi mult mai complexă (Fig. 2), iar evaluarea capacității trebuie făcută pentru fiecare secțiune a rețelei.
Trebuie avut în vedere faptul că traficul VoIP (telefonia IP) este distribuit nu numai de la telefoane către server, ci și între telefoane direct. În plus, activitatea în rețea poate varia în diferite departamente ale organizației: serviciul de asistență tehnică efectuează mai multe apeluri telefonice, departamentul de proiect folosește e-mailul mai activ decât alții, departamentul de inginerie consumă mai mult trafic de internet decât alții etc. Ca rezultat, unele părți ale rețelei pot necesita mai multă lățime de bandă decât altele.
Utilizabil și lățime de bandă completă
În exemplul nostru, la calcularea debitului de telefonie IP, am ținut cont de codecul utilizat și de dimensiunea antetului pachetului. Acesta este un detaliu important de reținut. În funcție de metoda de codificare (codecurile utilizate), cantitatea de date transmise în fiecare pachet și protocoalele la nivel de legătură utilizate, se formează debitul total al fluxului. Este debitul total care trebuie luat în considerare atunci când se estimează debitul necesar al rețelei. Acest lucru este cel mai relevant pentru telefonia IP și alte aplicații care utilizează transmisia în timp real a fluxurilor de viteză redusă, în care dimensiunea antetelor pachetelor este o parte semnificativă din dimensiunea întregului pachet. Pentru claritate, să comparăm două fluxuri VoIP (vezi tabelul). Aceste fluxuri utilizează aceeași compresie, dar dimensiuni diferite ale încărcăturii utile (de fapt, fluxul audio digital) și protocoale diferite ale stratului de legătură.
Rata de transfer de date în forma sa pură, fără a ține cont de anteturile protocolului de rețea (în cazul nostru, un flux audio digital), este lățime de bandă utilă. După cum puteți vedea din tabel, cu același debit util de fluxuri, debitul lor total poate varia foarte mult. Astfel, atunci când se calculează capacitatea de rețea necesară pentru apelurile telefonice în timpul sarcinilor de vârf, în special pentru operatorii de telecomunicații, alegerea protocoalelor de canal și a parametrilor de flux joacă un rol semnificativ.
Alegerea echipamentelor
Alegerea protocoalelor din stratul de legătură nu este de obicei o problemă (astazi se pune mai des întrebarea despre câtă lățime de bandă ar trebui să aibă un canal Ethernet), dar alegerea echipamentului potrivit poate cauza dificultăți chiar și pentru un inginer cu experiență.
Dezvoltarea tehnologiilor de rețea, împreună cu cerințele tot mai mari ale aplicațiilor pentru lățimea de bandă a rețelei, forțează producătorii de echipamente de rețea să dezvolte arhitecturi software și hardware din ce în ce mai noi. Adesea, de la un singur producător există modele de echipamente aparent similare, dar concepute pentru a rezolva diferite probleme de rețea. Luați, de exemplu, comutatoarele Ethernet: majoritatea producătorilor, împreună cu comutatoarele convenționale utilizate în întreprinderi, au comutatoare pentru construirea rețelelor de stocare a datelor, organizarea serviciilor de operator etc. Modelele din aceeași categorie de preț diferă prin arhitectură, „personalizate” pentru sarcini specifice.
Pe lângă performanța generală, alegerea echipamentului ar trebui să se bazeze și pe tehnologiile acceptate. În funcție de tipul de hardware, un anumit set de funcții și tipuri de trafic poate fi procesat la nivel de hardware fără a utiliza CPU și resurse de memorie. În același timp, traficul din alte aplicații va fi procesat la nivel de software, ceea ce reduce foarte mult performanța generală și, ca urmare, debitul maxim. De exemplu, switch-urile multistrat, datorită arhitecturii lor hardware complexe, sunt capabile să transmită pachete IP fără a reduce performanța atunci când toate porturile sunt la sarcină maximă. În plus, dacă dorim să folosim o încapsulare mai complexă (GRE, MPLS), atunci este puțin probabil ca astfel de comutatoare (cel puțin modele ieftine) să ni se potrivească, deoarece arhitectura lor nu acceptă protocoalele corespunzătoare și, în cel mai bun caz, o astfel de încapsulare va avea loc la costul procesorului central productivitate scăzută. Prin urmare, pentru a rezolva astfel de probleme, putem lua în considerare, de exemplu, routerele a căror arhitectură se bazează pe un procesor central de înaltă performanță și depinde într-o măsură mai mare de implementarea software decât hardware. În acest caz, în detrimentul debitului maxim, obținem un set imens de protocoale și tehnologii acceptate care nu sunt acceptate de switch-uri din aceeași categorie de preț.
Performanța generală a echipamentului
În documentația pentru echipamentele lor, producătorii indică adesea două valori maxime de debit: una exprimată în pachete pe secundă, cealaltă în biți pe secundă. Acest lucru se datorează faptului că cea mai mare parte a performanței echipamentelor de rețea este cheltuită, de regulă, pe procesarea antetelor pachetelor. În linii mari, echipamentul trebuie să primească pachetul, să găsească o cale de comutare adecvată pentru acesta, să genereze un nou antet (dacă este necesar) și să îl transmită în continuare. Evident, în acest caz nu volumul de date transmis pe unitatea de timp joacă un rol, ci numărul de pachete.
Dacă comparați două fluxuri transmise la aceeași viteză, dar cu dimensiuni diferite de pachet, atunci fluxul cu o dimensiune mai mică a pachetului va necesita mai multă performanță pentru a transmite. Acest fapt ar trebui luat în considerare dacă, de exemplu, se presupune că se utilizează un număr mare de fluxuri de telefonie IP în rețea - debitul maxim în biți pe secundă aici va fi mult mai mic decât cel menționat.
Este clar că, în cazul traficului mixt, și chiar ținând cont de serviciile suplimentare (NAT, VPN), așa cum se întâmplă în marea majoritate a cazurilor, este foarte dificil de calculat încărcarea resurselor echipamentelor. Adesea, producătorii de echipamente sau partenerii lor testează diferite modele în condiții diferite și publică rezultatele pe Internet sub formă de tabele de comparație. Familiarizarea cu aceste rezultate simplifică foarte mult sarcina de a alege modelul adecvat.
Capcanele echipamentelor modulare
Dacă echipamentul de rețea selectat este modular, atunci pe lângă configurația flexibilă și scalabilitatea promisă de producător, puteți obține multe capcane.
Atunci când alegeți modulele, ar trebui să citiți cu atenție descrierea acestora sau să consultați producătorul. Nu este suficient să te ghidezi doar după tipul de interfețe și numărul acestora - trebuie să te familiarizezi și cu arhitectura modulului în sine. Pentru module similare, nu este neobișnuit ca, atunci când transmit trafic, unii sunt capabili să proceseze pachetele în mod autonom, în timp ce alții pur și simplu înaintează pachetele către modulul central de procesare pentru procesare ulterioară (în consecință, pentru modulele identice din exterior, prețul pentru acestea poate diferi de mai multe ori ). În primul caz, performanța generală a echipamentului și, în consecință, debitul maxim al acestuia sunt mai mari decât în al doilea, deoarece procesorul central își transferă o parte din munca la procesoarele modulelor.
În plus, echipamentele modulare au adesea o arhitectură de blocare (când debitul maxim este mai mic decât viteza totală a tuturor porturilor). Acest lucru se datorează capacității limitate a magistralei interne prin care modulele fac schimb de trafic între ele. De exemplu, dacă un comutator modular are o magistrală internă de 20 Gbps, placa de linie Gigabit Ethernet cu 48 de porturi poate folosi doar 20 de porturi atunci când este complet încărcată. De asemenea, ar trebui să țineți cont de astfel de detalii și să citiți cu atenție documentația atunci când alegeți echipamentul.
La proiectarea rețelelor IP, lățimea de bandă este un parametru cheie care va determina arhitectura rețelei în ansamblu. Pentru o evaluare mai precisă a debitului, puteți urma următoarele recomandări:
- Studiați aplicațiile pe care intenționați să le utilizați în rețea, tehnologiile pe care le folosesc și volumul de trafic transmis. Folosiți sfaturile dezvoltatorilor și experiența colegilor pentru a ține cont de toate nuanțele acestor aplicații atunci când construiți rețele.
- Aprofundați protocoalele de rețea și tehnologiile utilizate de aceste aplicații.
- Citiți cu atenție documentația atunci când alegeți echipamentul. Pentru a avea un stoc de soluții gata făcute, consultați liniile de produse ale diferiților producători.
Ca urmare, cu alegerea corectă a tehnologiilor și echipamentelor, puteți fi sigur că rețeaua va satisface pe deplin cerințele tuturor aplicațiilor și, fiind suficient de flexibilă și scalabilă, va dura mult timp.
Debitul sistemelor de transmitere a informațiilor
Una dintre principalele caracteristici ale oricărui sistem de transmitere a informațiilor, pe lângă cele enumerate mai sus, este debitul acestuia.
Lățime de bandă – cantitatea maximă posibilă de informații utile transmise pe unitatea de timp:
c = max(Imax) / TC ,
c = [bit/s].
Uneori, viteza de transmitere a informațiilor este definită ca cantitatea maximă de informații utile într-un semnal elementar:
s = max(Imax) / n,
s = [bit/element].
Caracteristicile considerate depind doar de canalul de comunicare și de caracteristicile acestuia și nu depind de sursă.
Debitul unui canal de comunicație discret fără interferențe. Într-un canal de comunicație fără interferențe, informațiile pot fi transmise folosind un semnal neredundant. În acest caz, numărul n = m, iar entropia semnalului elementar HCmax = logK.
max(IC) = nHCmax= mHCmax .
Durata unui semnal elementar, unde este durata unui semnal elementar.
unde FC este spectrul semnalului.
Capacitatea canalului de comunicație fără interferențe
Să introducem conceptul de viteză de generare a unui semnal elementar de către o sursă de informație:
Apoi, folosind noul concept, putem transforma formula pentru viteza de transmitere a informațiilor:
Formula rezultată determină viteza maximă posibilă de transmitere a informațiilor într-un canal de comunicație discret fără interferențe. Aceasta rezultă din ipoteza că entropia semnalului este maximă.
Dacă H.C.< HCmax, то c = BHC и не является максимально возможной для данного канала связи.
Capacitatea unui canal de comunicație discret cu interferențe. Într-un canal de comunicație discret cu zgomot, situația prezentată în Fig. 6.
Ținând cont de proprietatea aditivității, precum și de formulele lui Shannon pentru determinarea cantității de informații discutate mai sus, putem scrie
IC = TC FC log (AK PC),
IPOM = jurnal TP FP (APP).
Pentru destinatar, sursa de informații utile și sursa de interferență sunt echivalente, prin urmare, pe partea de recepție este imposibil să izolați componenta de interferență din semnal cu informațiile rezultate.
IRES = TC FC log(AK (PP + PC)), dacă TC = TP, FC = FP.
Receptorul poate fi de bandă îngustă, iar interferența poate fi în alte game de frecvență. În acest caz, nu va afecta semnalul.
Vom determina semnalul rezultat pentru cel mai „neplăcut” caz, când parametrii de semnal și de zgomot sunt apropiați unul de celălalt sau coincid. Informațiile utile sunt determinate de expresie
Această formulă a fost obținută de Shannon. Determină viteza de transmitere a informațiilor pe un canal de comunicație dacă semnalul are putere PC și interferența are putere PP. Toate mesajele cu această viteză vor fi transmise cu o fiabilitate absolută. Formula nu răspunde la întrebarea cum să se obțină o astfel de viteză, dar dă valoarea maximă posibilă a lui c într-un canal de comunicație cu interferență, adică valoarea vitezei de transmisie la care informațiile primite vor fi absolut de încredere. În practică, este mai economic să se permită o anumită eroare în mesaj, deși viteza de transmisie va crește.
Luați în considerare cazul PC >> PP. Dacă introducem conceptul de raport semnal-zgomot
PC >> PP înseamnă că . Apoi
Formula rezultată reflectă viteza maximă a unui semnal puternic în canalul de comunicare. Dacă PC<< PП, то с стремится к нулю. То есть сигнал принимается на фоне помех. В таком канале в единицу времени сигнал получить не удается. В реальных ситуациях полностью помеху отфильтровать нельзя. Поэтому приемник получает полезную информацию с некоторым набором ошибочных символов. Канал связи для такой ситуации можно представить в виде, изображенном на рис. 7, приняв источник информации за множество передаваемых символов {X}, а приемник – за множество получаемых символов {Y}.
Fig.7 Graficul probabilităților de tranziție a unui canal de comunicare K-ary
Există o anumită corespondență unu-la-unu între. Dacă nu există interferență, atunci probabilitatea unei potriviri unu-la-unu este egală cu unu, în caz contrar, este mai mică de unu.
Dacă qi este probabilitatea de a confunda yi cu xi, iar pij = p(yi / xi) este probabilitatea de eroare, atunci
.
Graficul probabilității de tranziție reflectă rezultatul final al influenței interferenței asupra semnalului. De regulă, se obține experimental.
Informațiile utile pot fi estimate ca IPOL = nH(X · Y), unde n este numărul de simboluri elementare din semnal; H(X Y) – entropia reciprocă a sursei X și a sursei Y.
În acest caz, sursa X este sursa de informații utile, iar sursa Y este receptorul. Relația care determină informații utile poate fi obținută pe baza semnificației entropiei reciproce: secțiunea umbrită a diagramei determină mesajele transmise de sursa X și primite de receptorul Y; zonele neumbrite reprezintă semnale de la sursa X care nu au ajuns la receptor și semnale străine primite de receptor care nu au fost transmise de sursă.
B este rata de generare a simbolurilor elementare la ieșirea sursă.
Pentru a obține max, trebuie să creșteți H(Y) și să micșorați H(Y/X) dacă este posibil. Grafic, această situație poate fi reprezentată prin combinarea cercurilor pe diagramă (Fig. 2d).
Dacă cercurile nu se intersectează deloc, X și Y există independent unul de celălalt. În cele ce urmează vom arăta cum poate fi utilizată expresia generală pentru rata maximă de transmisie atunci când se analizează anumite canale de comunicare.
La caracterizarea unui canal discret se folosesc două concepte de viteză: tehnic și informațional.
Rata de transmisie tehnică RT, numită și rata de codificare, se referă la numărul de simboluri (semnale elementare) transmise pe un canal pe unitatea de timp. Depinde de proprietățile liniei de comunicație și de viteza echipamentului de canal.
Luând în considerare diferențele de durată a simbolurilor, viteza tehnică este determinată ca
unde este durata medie a simbolului.
Unitatea de măsură este „baud” - aceasta este viteza cu care este transmis un caracter pe secundă.
Viteza informației sau rata de transmitere a informațiilor este determinată de cantitatea medie de informații care este transmisă pe un canal pe unitatea de timp. Depinde atât de caracteristicile unui anumit canal (cum ar fi volumul alfabetului de simboluri utilizate, viteza tehnică de transmitere a acestora, proprietatea statistică a interferenței în linie), cât și de probabilitățile ca simbolurile să ajungă la intrare și relația lor statistică.
Cu o viteză de manipulare cunoscută, viteza de transmitere a informațiilor pe canal este dată de relația:
,
unde este cantitatea medie de informații purtate de un simbol.
Pentru practică, este important să aflăm în ce măsură și în ce mod poate fi mărită viteza de transmitere a informațiilor pe un anumit canal. Capacitățile maxime ale unui canal de transmitere a informațiilor sunt caracterizate prin debitul acestuia.
Capacitatea canalului cu probabilități de tranziție date este egală cu informațiile transmise maxime pe toate distribuțiile de simbol de intrare ale sursei X:
Din punct de vedere matematic, căutarea capacității unui canal discret fără memorie se rezumă la căutarea distribuției de probabilitate a simbolurilor de intrare ale sursei X, care asigură un maxim de informații transmise. În același timp, se impune o restricție asupra probabilităților simbolurilor de intrare: 
, .
În general, determinarea maximului sub anumite restricții este posibilă folosind metoda multiplicativă a lui Lagrange. Cu toate acestea, o astfel de soluție este prohibitiv de costisitoare.
În cazul particular al canalelor simetrice discrete fără memorie, debitul (maximum) este realizat cu o distribuție uniformă a simbolurilor de intrare ale sursei X.
Apoi, pentru un DSC fără memorie, considerând probabilitatea de eroare ε ca dată și pentru simboluri de intrare la fel de probabile = = = =1/2, putem obține capacitatea unui astfel de canal folosind expresia binecunoscută pentru:
unde = este entropia unui canal binar simetric pentru o probabilitate de eroare dată ε.
Cazurile limită prezintă interes:
1. Transmiterea informațiilor pe un canal silențios (fără interferențe):
, [bit/caracter].
Cu caracteristicile tehnice de bază fixe ale canalului (de exemplu, banda de frecvență, puterea medie și de vârf a transmițătorului), care determină valoarea vitezei tehnice, debitul canalului fără interferență va fi egal cu [bit/sec].
