Sieci światłowodowe

Światłowody mogą służyć zarówno do tworzenia sieci LAN, jak i do transmisji na duże odległości, aczkolwiek podpięcie się do sieci światłowodowej jest bardziej złożone niż połączenie z siecią Et­hernet. Jednym ze sposobów obejścia problemu jest zdanie sobie sprawy, że sieć o topologii pier­ścienia jest tak naprawdę zbiorem łączy dwupunktowych, jak na rysunku 2.7. Interfejs w każdym komputerze przekazuje strumień impulsów światła do następnego łącza, a zarazem służy jako roz­gałęźnik T, pozwalający komputerowi wysyłać i przyjmować wiadomości.

RYSUNEK 2.7. Pierścień światłowodowy z repetytorami aktywnymi

Używane są dwa typy interfejsów. Pasywny składa się z dwóch odprowadzeń nałożonych na główny światłowód. Jedno odprowadzenie ma na końcu diodę LED lub laserową (do nadawania), a drugie fotodiodę (do odbioru). Samo odprowadzenie jest całkowicie pasywne i dzięki temu abso­lutnie niezawodne, ponieważ uszkodzona dioda LED lub fotodioda nie przerywa pierścienia, jedy­nie odłącza komputer od sieci.

Drugim typem interfejsu, pokazanym na rysunku 2.7, jest repetytor aktywny. Przychodzące impulsy światła są przetwarzane na sygnały elektryczne, regenerowane do pełnego poziomu, jeśli przyszły osłabione i ponownie transmitowane jako światło. Interfejsem z komputerem jest zwykły kabel miedziany łączący się z regeneratorem sygnału. Obecnie używane są również czysto optycz­ne repetytory aktywne. Urządzenia te nie wymagają konwersji z sygnału optycznego na elektrycz­ny i z powrotem na optyczny, dzięki czemu mogą pracować z wyjątkowo dużą przepustowością.

Jeśli aktywny repetytor zawiedzie, pierścień zostaje przerwany i sieć przestaje działać. Z dru­giej strony, ponieważ sygnał jest regenerowany w każdym interfejsie, poszczególne łącza między komputerami mogą mieć długość rzędu kilometrów, praktycznie bez ograniczeń wielkości pier­ścienia. Interfejsy pasywne tracą światło na każdym złączu, więc liczba komputerów i całkowita długość pierścienia są znacznie ograniczone.

Topologia pierścienia nie jest jedynym sposobem budowania sieci LAN ze światłowodów. Możliwe jest też rozgłaszanie sprzętowe w układzie pasywnej gwiazdy z rysunku 2.8. W takim układzie z nadajnika każdego interfejsu biegnie światłowód do kwarcowego cylindra, gdzie wej­ściowe włókna są łączone z jednym jego końcem. Analogicznie światłowody połączone z drugim koncern cylindra biegną do wszystkich odbiorników. Impuls świetlny wysłany przez interfejs zo­staje w takiej gwieździe podzielony tak, że oświetla wszystkie odbiorniki, dając funkcję rozgło­szenia. W ten sposób pasywna gwiazda łączy wszystkie wchodzące sygnały i rozsyła sumaryczne wyniki do wszystkich linii. Ponieważ wchodząca energia jest dzielona na wszystkie linie wycho­dzące, czułość fotodiod ogranicza liczbę węzłów w sieci.

Każdy wychodzący światłowód „widzi" światło z wszystkich wchodzących włókien

RYSUNEK 2.8. Układ gwiazdy pasywnej w sieci światłowodowej

Porównanie światłowodu i kabla miedzianego

Warto porównać ze sobą światłowód i kabel miedziany. Światłowody mają wiele zalet. Zacznijmy od tego, że mogą obsługiwać znacznie wyższe przepustowości niż miedź. Już to wystarczy, by były wymagane w sieciach o najwyższych osiągach. Dzięki niskiemu tłumieniu wzmacniaki są nie­zbędne tylko co około 50 kilometrów w długich liniach, w porównaniu z 5 km dla kabla miedziane­go, co daje znaczące oszczędności finansowe. Ponadto światłowody są niewrażliwe na przepięcia, zakłócenia elektromagnetyczne i awarie zasilania, jak również na korozyjne związki chemiczne obecne w powietrzu, dzięki czemu idealnie nadają się do ciężkich warunków przemysłowych.

Co ciekawe, firmy telefoniczne lubią światłowody z innego powodu: są cienkie i lekkie. Wiele istniejących kanałów kablowych jest pełnych, więc nie ma w nich miejsca na dodawanie nowych łączy. Usunięcie wszystkich kabli miedzianych i zastąpienie ich światłowodem opróżnia kanał kablo­wy, a złom miedziany ma doskonałą wartość odsprzedaży dla hutnictwa miedzi, gdzie jest trakto­wany jak bardzo wysokowartościowa ruda tego metalu. Oprócz tego światłowody są o wiele lżejsze od kabla miedzianego. Tysiąc par skrętki o długości 1 km waży 8 ton. Dwa światłowody mają więk­szą przepustowość i ważą przy tej długości tylko 100 kg, co ogromnie zmniejsza zapotrzebowanie na kosztowne mechaniczne systemy nośne wymagające konserwacji. Przy kładzeniu łączy na no­wych trasach światłowód zwycięża bezapelacyjnie dzięki znacznie niższym kosztom instalacji.

Na dodatek światłowody nie emitują na zewnątrz światła i trudno się do nich podpiąć. Te cechy powodują, że światłowód jest doskonale chroniony przed potencjalnym podsłuchem.

Z drugiej strony światłowody są mniej znaną technologią i wymagają umiejętności, który­mi nie wszyscy technicy dysponują, a na dodatek nadmierne zgięcie może z łatwością uszkodzić światłowód. Ponieważ transmisja optyczna jest z natury jednokierunkowa, łączność dwukierun­kowa wymaga albo dwóch włókien światłowodu, albo dwóch pasm częstotliwości w jednym włóknie. Poza tym interfejsy światłowodowe są droższe od elektrycznych. Mimo to przyszłość sta­łych łączy komunikacyjnych do transmisji danych na więcej niż kilka metrów zdecydowanie należ) do światłowodów.

2.3. Transmisja bezprzewodowa

Nasza epoka stworzyła ludzi uzależnionych od informacji, którzy muszą być cały czas online. Dla takich mobilnych użytkowników skrętka, koncentryk i światłowód są nieprzydatne. Muszą oni ja­koś dostać swoją działkę danych dla laptopa, notebooka, palmtopa w kieszeni koszuli lub komputera wbudowanego w zegarek bez przykucia do naziemnej infrastruktury komunikacyjnej. Rozwiąza­niem dla nich jest komunikacja bezprzewodowa. W następnych punktach przedstawimy ogólne pod­stawy łączności bezprzewodowej, ponieważ ma ona wiele innych ważnych zastosowań poza za­pewnieniem łączności użytkowników, dla których surfing na plaży oznacza przeglądanie WWW.

Niektórzy uważają, że w przyszłości będą stosowane tylko dwa typy komunikacji: światłowo­dowa i bezprzewodowa. Wszystkie stacjonarne komputery, telefony, faksy itd. będą używać świa­tłowodów, a mobilne łączy bezprzewodowych.

W pewnych warunkach łączność bezprzewodowa ma swoje zalety nawet dla urządzeń stacjo­narnych. Na przykład, jeśli doprowadzenie światłowodu do jakiegoś budynku będzie trudne z uwagi na przeszkody terenowe (góry, dżungla, bagna itp.), łącze bezprzewodowe może okazać się lepsze. Warto zauważyć, że współczesna bezprzewodowa komunikacja cyfrowa narodziła się na Hawa­jach, gdzie Pacyfik oddziela od siebie użytkowników i system telefoniczny nie wystarczał.

2.3.1. Widmo elektromagnetyczne

Poruszające się elektrony tworzą fale elektromagnetyczne, które mogą rozprzestrzeniać się na odle­głość (nawet w próżni). Istnienie tych fal przewidział brytyjski fizyk James Clerk Maxwell w roku 1865, a zaobserwował je po raz pierwszy w roku 1887 fizyk niemiecki — Heinrich Hertz. Liczba oscylacji fali na sekundę nosi nazwę jej częstotliwości (f) i jest mierzona w hercach (Hz), na pa­miątkę Heinricha Hertza. Odległość pomiędzy dwoma kolejnymi maksymami (lub minimami) no­si nazwę długości fali i standardowo oznacza się ją grecką literą λ (lambda).

Gdy do obwodu elektrycznego dołączona jest antena o odpowiednich rozmiarach, fale elek­tromagnetyczne mogą być skutecznie emitowane i odbierane przez odbiornik w pewnej odległości. Na tej zasadzie funkcjonuje cała komunikacja bezprzewodowa.

W próżni wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się z tą samą prędkością, niezależnie od częstotliwości. Ta prędkość, zwana zwykle prędkością światła (c), wynosi w przybliżeniu 3 • 10⁸ m/s, czyli około 30 cm na nanosekundę (można byłoby zaproponować zmianę definicji stopy, czyli 30,5 cm, na odległość, jaką światło przebywa w próżni w czasie jednej nanosekundy, zamiast nadal opierać ją na rozmiarze buta jakiegoś dawno nieżyjącego króla). W miedzi i w światłowo­dzie szybkość fal elektromagnetycznych spada do około 2/3 tej wartości i staje się nieznacznie zależna od częstotliwości. Szybkość światła jest ostateczną granicą szybkości. Żaden obiekt ani sygnał nie może poruszać się szybciej.

Podstawowa zależność pomiędzy f ,λ i c (w próżni) to:

λf = c (2.2)

Ponieważ c jest stałą, więc jeśli znamy f to będziemy mogli poznać λ i vice versa. Jeśli podamy λ w metrach, a f w MHz, to λf~ 300. Na przykład fale 100 MHz mają około 3 metry długości, 1000 MHz 0,3 metra, a fale o długości 10 cm mają częstotliwość 3000 MHz.

Widmo elektromagnetyczne przedstawia rysunek 2.9. Zakresy radiowy, mikrofalowy, pod­czerwony i światła widzialnego mogą służyć do przesyłania informacji poprzez modulację ampli­tudy, częstotliwości lub fazy fal. Promieniowanie ultrafioletowe, rentgenowskie i gamma byłyby jeszcze lepsze z uwagi na wyższe częstotliwości, lecz trudno je wytwarzać i modulować, nie pro­pagują się zbyt dobrze przez przeszkody i są niebezpieczne dla wszystkiego, co żyje. Pasma wy­mienione na dole rysunku 2.9 są oficjalnymi nazwami ITU i opierają się na długości fal, więc pa­smo LF obejmuje od 10 km do 1 km (mniej więcej od 30 kHz do 300 kHz). Skróty LF, MF i HF oznaczają odpowiednio Iow freąuency (niskie), medium freąuency (średnie) i high freąuency (wy­sokie częstotliwości). Najwyraźniej gdy przydzielano nazwy, nikt nie spodziewał się używać fal powyżej 10 MHz, więc wyższe pasma otrzymały później nazwy Very (bardzo), Ultra, Super, Extremely (wyjątkowo) i Tremendously (ogromnie wysokich częstotliwości). Powyżej nie ma już nazw, ale nieźle brzmiałyby częstotliwości Niewiarygodnie, Zadziwiająco i Potwornie Wysokie.

RYSUNEK 2.9. Widmo elektromagnetyczne i jego zastosowania w komunikacji

Ilość informacji, jaką fala elektromagnetyczna może przenosić, jest związana z szerokością pasma tej fali. Nowoczesne technologie pozwalają zakodować kilka bitów na herc przy niskich częstotliwościach, lecz często nawet 8 przy wysokich częstotliwościach, więc kabel koncentryczny o paśmie przenoszenia 750 MHz może przenosić kilka gigabitów na sekundę. Z rysunku 2.9 po­winno jasno wynikać, dlaczego sieciowcy tak bardzo lubią światłowody.

Jeśli wyliczymy/z równania (2.2) i zróżniczkujemy wynik względem X, otrzymamy:

Jeśli teraz przejdziemy do różnic skończonych zamiast różniczek i popatrzymy tylko na wartości bezwzględne, otrzymamy:

Wobec tego dysponując szerokością pasma długości fal, możemy obliczyć odpowiadające mu pasmo częstotliwości Δf a z tego przepływność, jaką może dać to pasmo. Im szersze jest pasmo, tym wyższa przepływność. Rozważmy na przykład pasmo 1,30 mikrona z rysunku 2.5. Tutaj mamy λ = 1,3 •10^-6 i Δλ = 0,17 • 10^-6, więc Δf wynosi około 30 THz. Przy np. 8 b/Hz dostaniemy 240 Tb/s.

Większość transmisji korzysta z wąskiego pasma częstotliwości (tzn. Δf/f« 1), aby osiągnąć najlepszy odbiór (wysoką wartość W/Hz). Jednakże w pewnych przypadkach używane jest szero­kie pasmo z dwoma wariantami. W modulacji w widmie rozproszonym ze skokową zmianą kanału (ang. freąuency hopping spread spectrum) nadajnik przeskakuje z częstotliwości na częstotliwość kilkaset razy na sekundę. Jest to metoda popularna w technice wojskowej, ponieważ utrudnia wy­krycie i niemal uniemożliwia zakłócenie transmisji. Dodatkowo zapewnia dobrą odporność na wielodrożny zanik sygnału, ponieważ bezpośredni sygnał zawsze dociera do odbiornika pierwszy. Odbite sygnały podążają dłuższą trasą i docierają później. W tym czasie odbiornik mógł już zmie­nić częstotliwość i nie przyjmuje sygnałów na poprzedniej częstotliwości, eliminując przez to za­kłócenia pomiędzy sygnałami bezpośrednimi i odbitymi. Technika ta została ostatnio wykorzysta­na handlowo, na przykład korzystają z niej 802.11 i Bluetooth.

Jako ciekawostkę możemy zanotować, że współwynalazczynią tej techniki była urodzona w Au­stralii bogini seksu Hedy Lamarr — pierwsza kobieta, która pokazała się nago w filmie (był to cze­ski film „Ekstaza" z roku 1933). Jej pierwszy mąż był producentem uzbrojenia, który powiedział jej, jak łatwo można blokować sygnały radiowe używane wówczas do sterowania torpedami. Gdy dowiedziała się, że mąż sprzedaje broń Hitlerowi, wstrząśnięta tym uciekła przed nim w przebra­niu pokojówki i zbiegła do Hollywood, aby kontynuować karierę filmową. W czasie wolnym wy­myśliła modulację ze skokową zmianą kanału, aby wesprzeć Aliantów w wysiłku wojennym. Jej schemat wykorzystywał 88 częstotliwości (tyle klawiszy i częstotliwości ma fortepian). Za ten wynalazek wraz ze swoim przyjacielem, kompozytorem George Antheilem, otrzymała w USA patent nr 2 292 387, jednakże nie udało im się przekonać marynarki USA, że ten wynalazek ma ja­kiekolwiek praktyczne zastosowanie, i nic na nim nie zarobili. Dopiero lata po wygaśnięciu waż­ności patentu technika ta stała się popularna.

Druga forma rozpraszania widma, rozpraszanie widma z wykorzystaniem sekwencji bez­pośredniej (ang. direct seąuence spread spectrum), która rozprasza sygnał na szerokie pasmo często­tliwości, również zyskuje na popularności na rynku. Używają jej zwłaszcza niektóre telefony mo­bilne drugiej generacji i powinna zdominować trzecią generację dzięki dobrej skuteczności widmowej, odporności na zakłócenia i innym właściwościom. Korzystają z niej również niektóre bezprzewodowe sieci LAN. Wrócimy do widma rozproszonego w dalszej części rozdziału. Fascy­nującą i szczegółową historię komunikacji w widmie rozproszonym przedstawił Scholtz (1982).

Na razie załóżmy, że wszystkie transmisje korzystają z wąskich pasm częstotliwości. Omó­wimy teraz zastosowania poszczególnych pasm widma elektromagnetycznego z rysunku 2.9, zaczy­nając od radia.

2.3.2. Transmisja radiowa

Fale radiowe są łatwe do wygenerowania, mogą mieć duży zasięg i z łatwością penetrować budynki, więc powszechnie używa się ich do komunikacji zarówno w pomieszczeniach, jak i w terenie. Fale radiowe są też wszechkierunkowe, co oznacza, że rozchodzą się ze źródła we wszystkich kierun­kach, dzięki czemu nie trzeba dokładnie fizycznie ustawiać nadajnika i odbiornika.

Wszechkierunkowe radio bywa dobre i złe. W latach 70. firma General Motors zdecydowała się wyposażyć wszystkie nowe Cadillaki w sterowane komputerem hamulce przeciwpoślizgowe. Gdy kierowca naciskał pedał hamulca, komputer impulsowo włączał i wyłączał hamulce, zamiast bloko­wać je na sztywno. Pewnego pięknego dnia policjant na Ohio Highway zaczął korzystać ze swojego nowego przenośnego radia, aby połączyć się z centralą, i nagle Cadillac przejeżdżający obok zaczął zachowywać się jak wierzgający mustang na rodeo. Gdy policjant zatrzymał samochód kierowca zarzekał się, że nic nie zrobił, a samochód nagle zaczął zachowywać się „dziko".

W końcu zaczął wyłaniać się wzorzec: Cadillaki od czasu do czasu wpadały w szał, lecz tyli na głównych autostradach, i tylko wtedy, gdy obserwował je Highway Patrol. Przez długi, długi cz w General Motors nikt nie rozumiał, dlaczego te samochody działały bez zarzutu w innych stanach oraz w Ohio, lecz na bocznych drogach. Dopiero po długich poszukiwaniach odkryto, że okablowań samochodu było niezłą anteną odbiorczą dla częstotliwości używanej w nowym systemie radiowym Ohio Highway Patrol.

Właściwości fal radiowych są zależne od częstotliwości. Przy niskich częstotliwościach fale dobrze pokonują przeszkody, lecz moc szybko spada ze wzrostem odległości od źródła, w przybliżeniu z zależnością l/r² w powietrzu. Przy wysokich częstotliwościach fale radiowe rozchodzą s raczej w linii prostej i odbijają od przeszkód, a dodatkowo są tłumione przez deszcz. Na wszystkie częstotliwościach fale radiowe są zakłócane przez silniki i inne urządzenia elektryczne.

Z powodu zdolności radia do rozchodzenia się sygnału na duże odległości poważnym problemem są zakłócenia od innych użytkowników. Dlatego też wszystkie państwa ściśle licencjonuj korzystanie z nadajników radiowych, z jednym wyjątkiem, opisanym poniżej.

W pasmach VLF, LF i MF fale radiowe rozchodzą się równolegle do powierzchni ziemi, jak n rysunku 2.10 (a). Fale takie mogą być odbierane z odległości rzędu 1000 km na niższych częstotliwościach, z mniejszych odległości na wyższych. Nadajniki radiowe AM korzystają z pasma MI dlatego też fal naziemnych stacji radiowych AM z Bostonu nie można z łatwością odebrać w Nowym Jorku. Fale radiowe w tym paśmie z łatwością przenikają budynki, dlatego przenośne radia potrafią działać w pomieszczeniach. Głównym problemem z używaniem tych pasm do transmisji danych jest mała szerokość pasma (patrz równanie 2.3).

RYSUNEK 2.10. (a) W pasmach VLF. LF i MF fale radiowe rozchodzą się wzdłuż zakrzywienia gruntu, (b) W paśmie HF fale odbijają się od jonosfery

W pasmach HF i VHF fale przyziemne są absorbowane przez grunt. Jednakże fale docierające do jonosfery, która jest warstwą naładowanych cząstek otaczającą Ziemię na wysokości od 100 do 500 km, są przez nią załamywane i odsyłane z powrotem, jak na rysunku 2.10 (b). W pewnych wa­runkach atmosferycznych sygnały mogą odbijać się kilka razy. Radioamatorzy wykorzystują te pasma do rozmów na duże odległości. Wojsko również wykorzystuje pasma HF i VHF.

2.3.3. Transmisja mikrofalowa

Powyżej 100 MHz fale rozchodzą się niemal w linii prostej i dzięki temu mogą być dobrze ognisko­wane. Skoncentrowanie całej energii w wąską wiązkę za pomocą anteny parabolicznej (przypomi­nającej popularne „spodki" satelitarne) daje znacznie wyższy stosunek sygnał/szum, lecz anteny nadawcza i odbiorcza muszą być w siebie dokładnie wycelowane. Oprócz tego kierunkowość po­zwala na ustawienie w rzędzie kilku nadajników komunikujących się bez wzajemnego zakłócania z kilkoma odbiornikami również ustawionymi w rzędzie, pod warunkiem, że zostaną zachowane określone minimalne odstępy. Przed epoką światłowodów mikrofale przez całe dziesięciolecia tworzyły podstawy długodystansowych telefonicznych systemów transmisyjnych. W rzeczy samej firma MCI, jeden z pierwszych konkurentów AT&T po uwolnieniu rynku, zbudowała cały swój system z użyciem komunikacji mikrofalowej odbywającej się pomiędzy wieżami odległymi o dziesiątki ki­lometrów. Odzwierciedlała to nawet nazwa firmy (MCI było skrótem od Microwave Communica­tions, Inc.). MCI dawno już przeszła na światłowody i połączyła się z WorldCom.

Ponieważ mikrofale rozchodzą się w linii prostej, to jeśli wieże będą zbyt odległe od siebie, wejdzie w drogę krzywizna Ziemi (pomyślmy o łączu pomiędzy San Francisco i Amsterdamem). Wo­bec tego niezbędne są w pewnych odstępach od siebie stacje wzmacniakowe. Im wyższe wieże, tym dalej od siebie mogą się znajdować. Dla wież o wysokości 100 m odległości mogą wynosić do 80 km.

W przeciwieństwie do fal radiowych o niższych częstotliwościach mikrofale nie przenikają zbyt dobrze budynków. Oprócz tego nawet jeśli wiązka była dobrze zogniskowana w nadajniku, nadal istnieją pewne dywergencje. Niektóre fale mogą być załamywane w dolnych warstwach atmosfe­ry i docierać do celu nieco później niż fale bezpośrednie. Ten efekt nosi nazwę wielodrożnego zaniku sygnału (ang. multipath fading) i często stanowi poważny problem, zależny od pogody i częstotliwości. Niektórzy operatorzy pozostawiają 10% przepustowości swoich kanałów jako zapas, na który prze­łączają się, gdy wielodrożny zanik sygnału tymczasowo zablokuje jakieś pasmo częstotliwości.

Zapotrzebowanie na coraz szersze pasma powoduje, że operatorzy zwracają się ku coraz wyższym częstotliwościom. Powszechnie stosowane są już pasma aż do 10 GHz, lecz w okolicach 4 GHz po­jawia się nowy problem — pochłanianie w wodzie. Te fale mają długość zaledwie kilku centymetrów i są absorbowane przez deszcz. Ten efekt byłby przydatny, gdybyśmy chcieli zbudować gigan­tyczną polową mikrofalówkę do pieczenia przelatujących ptaków, lecz w komunikacji stanowi on poważny problem. Podobnie jak w przypadku wielodrożnego zaniku sygnału jedynym rozwiąza­niem jest wyłączanie łączy, w których po drodze pada, i kierowanie transmisji dookoła.

Reasumując, komunikacja mikrofalowa jest tak powszechnie używana w dalekosiężnej komu­nikacji telefonicznej, telefonii mobilnej, dystrybucji telewizji i innych zastosowaniach, że pojawił się poważny niedobór widma. Komunikacja ta ma kilka poważnych zalet w porównaniu ze świa­tłowodami. Głównym z nich jest to, że nie potrzeba praw przejścia przez tereny prywatne; wystar­czy kupić małe działki gruntu co 50 km i rozmieścić na nich wieże mikrofalowe, aby ominąć sys­tem telefoniczny i komunikować się bezpośrednio. W ten sposób MCI zdołała szybko zaistnieć jako firma telefoniczna oferująca usługi długodystansowe. Firma Sprint poszła inną drogą — zo­stała powołana przez firmę kolejową Southern Pacific Railroad, która już dysponowała prawami przejścia w wielu miejscach i po prostu zakopała światłowody wzdłuż torów.

Komunikacja mikrofalowa jest też stosunkowo tania. Postawienie dwóch prostych wież (wy­starczą wysokie maszty z czterema drutami odciągowymi) i umieszczenie na każdej anten może być tańsze niż zakopywanie 50 kilometrów światłowodu w gęsto zabudowanym obszarze miejskim lub w górach oraz tańsze niż dzierżawienie światłowodu firmy telefonicznej, zwłaszcza jeśli ta jeszcze nie do końca zapłaciła za kable miedziane, które wyrwała z kanałów, by je zastąpić światłowodami.

Polityka widma elektromagnetycznego

Aby zapobiec totalnemu chaosowi, stworzono krajowe i międzynarodowe umowy ustalające, kto ja­kich częstotliwości może używać. Ponieważ każdy chce wyższych szybkości transmisji danych, każdy chce większego pasma. Organy państwowe przyznają pasma dla radia AM i FM, telewizji i telefonii mobilnej oraz dla firm telefonicznych, marynarki, rządu i innych konkurujących ze sobą użytkowników. Na skalę globalną agencja ITU-R (WARC) usiłuje koordynować te przydziały, aby można było produkować urządzenia działające w większej liczbie krajów. Jednakże państwa nie są zobowiązane do stosowania zaleceń ITU-R, a komisja FCC (Federal Communication Commision), która dokonuje przydziałów w USA, okazyjnie odrzucała zalecenia ITU-R (zwykle dlatego, że wy­magały od jakiejś wpływowej politycznie grupy oddania części pasma).

Nawet gdy część widma jest już przydzielona do jakiegoś zastosowania, na przykład telefonii komórkowej, pozostaje problem, który operator ma prawo korzystać z jakich częstotliwości. W prze­szłości powszechnie stosowane były trzy algorytmy. Najstarszy z nich, potocznie nazywany kon­kursem piękności, wymaga od każdego operatora wyjaśnienia, dlaczego jego propozycja najlepiej służy interesowi publicznemu. Następnie urzędnicy organu państwowego decydują, która z bajeczek najbardziej im się podobała. Przyznawanie przez urzędnika państwowego dóbr wartych miliardy dolarów swojej ulubionej firmie często prowadzi do przekupstw, korupcji, nepotyzmu i jeszcze gor­szych rzeczy. Co więcej, nawet sumienny i uczciwy urzędnik państwowy, który zdecyduje, że za­graniczna firma lepiej sprawdzi się od jakiejkolwiek krajowej, będzie musiał się gęsto tłumaczyć.

Te spostrzeżenia doprowadziły do powstania drugiego algorytmu — loterii pomiędzy zainteresowa­nymi firmami. Problem polega tu na tym, że do loterii mogą przystąpić firmy w ogóle niezainteresowane wykorzystaniem przydzielanego pasma. Jeśli wygra np. sieć restauracji fast food albo sklepów obuw­niczych, to będzie mogła odsprzedać pasmo operatorowi z ogromnym zyskiem i bez żadnego ryzyka.

Przyznawanie ogromnych „spadków po bogatym wujku" firmom czujnym, lecz przypadko­wym, zostało mocno skrytykowane i doprowadziło do trzeciego algorytmu: aukcji, na których pasmo przydzielano temu, kto zaoferuje najwyższą cenę. Gdy Wielka Brytania wystawiła w roku 2000 na aukcję częstotliwości potrzebne dla telefonii mobilnej trzeciej generacji, spodziewano się wpływów rzędu 4 miliardów dolarów. W rzeczywistości państwo zdobyło około 40 miliardów, ponieważ ope­ratorzy rzucili się nieprzytomnie na ofertę, śmiertelnie obawiając się wypadnięcia z gry. To zda­rzenie narobiło apetytu sąsiednim rządom i zainspirowało je do przeprowadzania własnych aukcji. Metoda powiodła się, lecz wpędziła niektórych operatorów w takie długi, że są obecnie bliscy ban­kructwa. Nawet w najlepszych przypadkach wiele lat upłynie, zanim opłaty licencyjne się zwrócą.

Całkowicie odmiennym podejściem w przyznawaniu częstotliwości jest nieprzyznawanie ich w ogóle. Można pozwolić nadawać każdemu, lecz ograniczyć używaną moc, aby stacje nadawcze miały na tyle mały zasięg, by nie zakłócały się nawzajem. Zgodnie z tym założeniem większość krajów pozostawiła pewne pasma częstotliwości, zwane ISM (Industrial, Scientific, Medical — przemysłowe, naukowe, medyczne) do używania bez ograniczeń. Z pasm ISM korzystają nadajni­ki do zdalnego otwierania drzwi garażu, telefony bezprzewodowe, zabawki sterowane radiem, bezprzewodowe myszy i liczne inne bezprzewodowe urządzenia domowe. Aby zmniejszyć zakłóce­nia pomiędzy niekoordynowanymi urządzeniami, FCC nakazuje, by wszystkie urządzenia w pa­smach ISM używały technik z widmem rozproszonym. W innych krajach obowiązują podobne reguły.

Położenie pasm ISM zmienia się w zależności od kraju. Na przykład w USA urządzenia o mocy wyjściowej poniżej 1 W mogą korzystać bez licencji FCC z pasm przedstawionych na rysunku 2.11. Pasmo 900 MHz jest najwygodniejsze, lecz zatłoczone i nie na całym świecie dostępne. Pasmo 2,4 GHz jest dostępne w większości państw, lecz podatne na zakłócenia od kuchenek mikrofalo­wych i instalacji radarowych. W tym paśmie działają Bluetooth i niektóre bezprzewodowe sieci LAN 802.11. Pasmo 5,7 GHz jest nowe i stosunkowo mało rozwinięte, więc korzystający z niego sprzęt jest drogi, lecz ponieważ używa go 802.1 la, powinno szybko zyskać na popularności.

RYSUNEK 2.11. Pasma ISM w USA

2.3.4. Fale milimetrowe i podczerwień

Niekierowane fale podczerwone i milimetrowe są powszechnie stosowane do komunikacji na małe odległości. Podczerwieni używają piloty do telewizorów, magnetowidów i sprzętu stereo. Są one stosunkowo kierunkowe, tanie i łatwe do zbudowania, lecz mają sporą wadę — nie przenikają sta­łych obiektów (łatwo to sprawdzić, stając pomiędzy pilotem i telewizorem). Ogólnie mówiąc, w miarę przechodzenia od radia długofalowego w stronę światła widzialnego fale zachowują się coraz bar­dziej jak światło i coraz mniej jak radio.

Z drugiej strony fakt, że fale podczerwone nienajlepiej przenikają przez ściany, jest też plu­sem. Oznacza to, że system podczerwony w jednym pomieszczeniu budynku nie będzie zakłócać podobnego systemu w sąsiednich pomieszczeniach lub budynkach — nie możemy sterować naszym pilotem telewizora sąsiada. Co więcej, z dokładnie tego samego powodu bezpieczeństwo syste­mów na podczerwień wobec podsłuchu jest wyższe niż systemów radiowych. W przeciwieństwie do systemów radiowych, które do działania poza pasmami ISM wymagają licencji państwowej, do eksploatacji systemu na podczerwień nie jest potrzebna żadna licencja. Komunikacja na podczer­wień ma pewne ograniczone zastosowania w komputerach biurkowych, na przykład do łączenia notebooków z drukarkami, lecz nie gra ważnej roli w komunikacji.

2.3.5. Transmisja świetlna

Niekierowane transmisje optyczne są znane od wieków. Bardziej nowoczesne zastosowania obej­mują łączenie sieci LAN w dwóch budynkach za pomocą laserów instalowanych na dachach. Sy­gnalizacja spójną wiązką światła z użyciem laserów jest z natury jednokierunkowa, więc w każdym budynku potrzebny jest laser i fotodetektor. Takie rozwiązanie zapewnia bardzo wysoką przepu­stowość bardzo niskim kosztem. Jest też łatwe do zainstalowania i, w przeciwieństwie do łączno­ści mikrofalowej, nie wymaga licencji.

Zaleta lasera, bardzo wąska wiązka, jest też jego słabością. Wycelowanie wiązką lasera o śred­nicy 1 mm w cel wielkości łebka od szpilki odległy o 500 m wymaga celności przynajmniej Jacka Soplicy. Zwykle do systemu wstawiane są soczewki nieznacznie rozogniskowujące wiązkę.

Wadą tego systemu jest to, że wiązka lasera nie przenika deszczu i gęstej mgły, działając dobrze w pogodne dni. Jednakże autor niniejszej książki kiedyś uczestniczył w konferencji w nowocze­snym hotelu w Europie, gdzie organizatorzy pomyśleli o zapewnieniu pomieszczenia pełnego terminali, aby uczestnicy mogli czytać pocztę podczas nudnych prezentacji. Ponieważ lokalna telekomunikacja nie miała ochoty zainstalować dużej liczby linii telefonicznych na tylko 3 dni, organizatorzy umie­ścili laser na dachu i wycelowali w budynek działu informatyki lokalnej uczelni, odległy o kilka kilometrów. Łącze zostało przetestowane w nocy przed konferencją i działało bez zarzutu. O 9 ra­no następnego (słonecznego) dnia łącze zawiodło całkowicie i przez cały dzień pozostało nieczyn­ne. Wieczorem organizatorzy znowu dokładnie przetestowali łącze, które znowu działało idealnie. Powtarzało się to codziennie, aż do końca konferencji.

Po konferencji organizatorzy odkryli problem. Ciepło od promieni słonecznych podczas dnia powodowało prądy konwekcyjne wstępujące od dachu budynku, jak na rysunku 2.12. To turbulentne powietrze odchylało wiązkę i powodowało, że „tańczyła" dookoła detektora. Podobne zjawisko w atmosferze powoduje migotanie gwiazd (dlatego też astronomowie umieszczają teleskopy na szczytach gór, aby wznieść się ponad jak najgrubszą warstwę atmosfery). Jest też odpowiedzialne za drganie powietrza na drodze w upalnie dni i falujący obraz, gdy patrzymy na coś nad rozgrzaną płytą kuchni.

RYSUNEK 2.12. Prądy konwekcyjne mogą zakłócać systemy komunikacji laserowej. Tutaj został przedstawiony system dwukierunkowy z dwoma laserami

2.4. Satelity telekomunikacyjne

W latach 50. i wczesnych 60. ubiegłego wieku próbowano tworzyć systemy komunikacyjne przez od­bijanie sygnałów od metalizowanych balonów meteorologicznych. Niestety, odbierane sygnały były zbyt słabe, aby nadawały się do praktycznego użytku. Następnie US Navy zauważyła na niebie coś w rodzaju permanentnego balonu — Księżyc — i zbudowała funkcjonujący system komunikacji pomiędzy okrętami i stałym lądem wykorzystujący odbijanie od niego sygnałów.

Dalszy postęp w dziedzinie telekomunikacji kosmicznej musiał zaczekać na wystrzelenie pierwszego satelity telekomunikacyjnego. Podstawową różnicą pomiędzy satelitą sztucznym a na­turalnym jest to, że sztuczny może wzmacniać sygnały przed odesłaniem z powrotem, zmieniając ciekawostkę techniczną w potężny system telekomunikacyjny.

Satelity telekomunikacyjne mają pewne ciekawe właściwości, które sprawiają, że są atrakcyj­nym rozwiązaniem w wielu sytuacjach. W najprostszej formie satelitę telekomunikacyjnego możemy uważać za wielki wzmacniak mikrofalowy na niebie. Zawiera on kilka transponderów, z których każ­dy nasłuchuje w określonym paśmie widma, wzmacnia odbierany sygnał i nadaje go z powrotem na innej częstotliwości, aby uniknąć zakłóceń z przychodzącym sygnałem. Wiązki kierowane na Ziemię mogą być szerokie, obejmując znaczący wycinek powierzchni planety, lub wąskie, o średnicy naj­wyżej kilkuset kilometrów. Ten tryb działania nosi nazwę retransmisji (dosłownie „łuku rurowego", ang. bent pipę).

Zgodnie z prawem Keplera czas obiegu Ziemi przez satelitę jest zależny od promienia orbity do potęgi 3/2. Im wyżej krąży satelita, tym dłuższy okres. W pobliżu powierzchni Ziemi okres ten wynosi około 90 minut. Wobec tego satelity na ciasnych orbitach szybko wychodzą poza widno­krąg, więc do zapewnienia ciągłego pokrycia potrzeba ich wiele. Na wysokości około 35 800 km okres obiegu wynosi 24 godziny. Na wysokości 384 000 okres obiegu jest równy około miesiąca, co może poświadczyć każdy, kto kiedykolwiek regularnie obserwował Księżyc.

Okres obiegu satelity jest ważny, lecz nie stanowi jedynego czynnika w ustalaniu, gdzie go umieścić. Innym problemem są pasy Van Allena — warstwy wysokoenergetycznych cząstek uwięzionych w polu magnetycznym Ziemi. Każdy satelita orbitujący w takim pasie zostałby szyb­ko zniszczony przez te cząstki. Powyższe czynniki zdecydowały o wyborze trzech obszarów, w któ­rych można bezpiecznie umieszczać satelity. Obszary te i ich właściwości przedstawia rysunek 2.13. Poniżej omówimy pokrótce satelity zamieszkujące każdy z tych obszarów.

RYSUNEK 2.13. Satelity telekomunikacyjne i ich niektóre właściwości, w tym wysokość nad powierzchnią Ziemi, opóźnienie podróży sygnału w obie strony i liczba satelitów niezbędnych, by pokryć zasięgiem kulę ziemską

2.4.1. Satelity geostacjonarne

W roku 1945 pisarz science fiction Arthur C. Ciarkę obliczył, że satelita umieszczony na wysokości 35 800 km na kołowej orbicie równikowej będzie sprawiał wrażenie nieruchomego na niebie, więc nie będzie trzeba go śledzić (Ciarkę, 1945). Opisał dalej kompletny system telekomunikacyjny, który korzystał z tych (załogowych) satelitów geostacjonarnych, łącznie z orbitami, panelami słonecznymi, częstotliwościami radiowymi i procedurami wysyłania satelitów w przestrzeń. Nie­stety, doszedł do wniosku, że satelity takie są niepraktyczne z uwagi na niemożliwość wysyłania na orbitę energochłonnych, delikatnych wzmacniaczy lampowych, więc dalej nie rozwijał tego pomysłu, mimo że napisał na ten temat kilka opowiadań.

Sytuację zmieniło wynalezienie tranzystora. Pierwszy satelita telekomunikacyjny, Telstar, został wyniesiony na orbitę w lipcu 1962 roku. Od tamtej pory wykorzystywanie satelitów telekomuni­kacyjnych stało się biznesem wartym wiele miliardów dolarów i jedynym wysoce dochodowym aspektem kosmonautyki. Te satelity umieszczone na wysokiej orbicie noszą nazwę satelitów geosta­cjonarnych (GEO — Geostationary Earth Orbit).

Przy dzisiejszej technologii nie ma większego sensu umieszczać satelity geostacjonarne bliżej siebie niż co 2 stopnie w 360-stopniowej płaszczyźnie równikowej, aby uniknąć zakłócania. Przy od­stępach co 2 stopnie w jednej chwili może działać tylko 360/2 = 180 takich satelitów. Jednakże każdy transponder może używać wielu częstotliwości i polaryzacji, aby zwiększyć dostępne pasmo.

Aby zapobiec totalnemu chaosowi na niebie, miejsca na orbicie przydziela ITU. Ten proces jest wysoce polityczny i kraje, które dopiero co wyszły z epoki kamienia łupanego, domagają się „swo­ich" pozycji na orbicie (aby wydzierżawić je temu, kto zapłaci za to najwięcej). Jednakże inne kraje utrzymują, że prawa własności państwowej nie rozciągają się aż do Księżyca i że żadne państwo nie ma legalnie gwarantowanego prawa do orbity nad swoim terytorium. Aby jeszcze podgrzać sytu­ację, komercyjna telekomunikacja nie jest jedynym zastosowaniem. Stacje telewizyjne, rządy i wojsko również chcą swojego udziału.

Współczesne satelity mogą być całkiem spore, ważąc do 4000 kg i zużywając kilka kilowatów energii elektrycznej generowanej przez baterie słoneczne. Działanie sił grawitacji słonecznej, księ­życowej i ziemskiej powoduje, że satelita traci swoje wyznaczone położenie i orientację; efektowi temu przeciwdziała się za pomocą zainstalowanych na satelicie silniczków rakietowych. Ta czynność nosi nazwę koordynacji satelity (ang. station-keeping). Gdy jednak zużyje się paliwo do tych sil­niczków, zwykle po około 10 latach, satelita zaczyna bezwładnie dryfować i obracać się, więc trzeba go wyłączyć. W końcu satelita schodzi z orbity i wpada do atmosfery, w której spala się, a czasem spada na Ziemię.

Miejsce na orbicie nie jest jedyną kością niezgody. Częstotliwości też, ponieważ transmisje na Ziemię kolidują z istniejącymi łączami mikrofalowymi. Główne pasma przedstawia tabela 2.3. Pa­smo C było pierwszym przyznanym dla komercyjnej łączności satelitarnej. Są w nim przydzielone dwa zakresy częstotliwości, niższy dla ruchu w górę do satelity {uplink) i wyższy dla transmisji w dół z satelity na Ziemię (downlink). Aby możliwa była jednoczesna transmisja w obie strony, niezbędne są dwa kanały, po jednym w każdą stronę. Pasma te już są zatłoczone, ponieważ używają ich rów­nież operatorzy do tworzenia naziemnych łączy mikrofalowych. Pasma L i S zostały dodane przez międzynarodową umowę w roku 2000. Niestety, pasma te są wąskie i zatłoczone.

TABELA 2.3.

Podstawowe pasma satelitarne

Pasmo	W górę	W dół	Szerokość pasma	Problemy
L	1,5 GHz	1,6 GHz	15 MHz	Wąskie pasmo; zatłoczone
C	1,9 GHz	2,2 GHz	70 MHz	Wąskie pasmo; zatłoczone
S	4,0 GHz	6,0 GHz	500 MHz	Zakłócenia naziemne
Ku	11 GHz	14 GHz	500 MHz	Deszcz
Ka	20 GHz	30 GHz	3500 MHz	Deszcz, koszt sprzętu

Następnym pasmem dostępnym dla komercyjnych operatorów telekomunikacyjnych jest pasmo Ku (K under — poniżej pasma absorpcji przez parę wodną w atmosferze). Pasmo to nie jest (jeszcze) zatłoczone, a przy takich częstotliwościach satelity mogą być oddalone od siebie co 1 stopień. Istnieje jednak inny problem — deszcz. Woda stanowi doskonały pochłaniacz krótkich mikrofal. Na szczę­ście intensywne burze są zwykle lokalne, więc można obejść problem przez użycie kilku rozrzuco­nych stacji naziemnych zamiast jednej, lecz za cenę dodatkowych anten, okablowania i elektroniki pozwalającej szybko przełączać pomiędzy stacjami. Zakres częstotliwości dla komercyjnej łączności satelitarnej został też przyznany w paśmie Ka (K above — powyżej pasma absorpcji), lecz potrzebny do jego wykorzystania sprzęt nadal jest drogi. Oprócz tych pasm komercyjnych istnieje też wiele Pasm rządowych i militarnych.

Nowoczesny satelita niesie około 40 transponderów, z których każdy ma pasmo 80 MHz. Zwy­kle każdy transponder działa w trybie retransmisji, lecz najnowsze satelity dysponują możliwością przetwarzania, pozwalającego na bardziej wyrafinowane działanie. W najwcześniejszych satelitach podział transponderów na kanały był statyczny — pasmo było po prostu dzielone na stałe zakresy częstotliwości. Obecnie każda wiązka transpondera jest podzielona na przedziały czasowe zajmo­wane kolejno przez różnych użytkowników. Te dwie techniki (multipleksowanie z podziałem czę­stotliwości i z podziałem czasu) opiszemy bardziej szczegółowo w dalszej części rozdziału.

Pierwsze satelity geostacjonarne miały pojedynczą wiązkę, która pokrywała około 1/3 po­wierzchni Ziemi, zwaną obszarem pokrycia (ang. footprint). Dzięki ogromnemu spadkowi cen, rozmiarów i zapotrzebowania na energię mikroelektroniki stały się możliwe o wiele bardziej wyrafi­nowane strategie nadawania. Każdy satelita jest wyposażony w szereg anten i szereg transponde­rów. Każda wiązka skierowana w dół może być skupiona na małym obszarze geograficznym, więc jednocześnie może odbywać się wiele transmisji w górę i w dół. Zwykle takie tzw. wiązki punktowe (ang. spot beam) mają kształt elipsy i mogą mieć średnicę rządu kilkuset kilometrów. Satelita tele­komunikacyjny dla USA zwykle ma jedną szeroką wiązkę dla 48 stanów przylegających do siebie oraz wiązki punktowe dla Alaski i Hawajów.

Nową techniką w świecie telekomunikacji satelitarnej są tanie mikrostacje nazywane czasami VSAT (Very Smali Aperture Terminal — terminale o bardzo małej aperturze) (Abramson, 2000). Te małe terminale mają anteny o średnicy 1 metra lub niższej (w porównaniu ze standardowymi 10-metrowymi antenami GEO) i mogą emitować około 1 W mocy. Eącze w górę zwykle nadaje się na 19,2 kb/s, lecz łącze w dół często może mieć 512 kb/s i więcej. Radiodyfuzyjna telewizja satelitarna wyko­rzystuje tę technologię do transmisji jednokierunkowej.

W wielu systemach VSAT mikrostacje nie mają wystarczającej mocy, by komunikować się bezpośrednio z innymi (oczywiście poprzez satelitę). Zamiast tego potrzebna jest specjalna stacja na­ziemna (koncentrator) z dużą anteną o wysokim zysku, jak na rysunku 2.14. W tym trybie działa­nia albo nadawca albo odbiorca ma dużą antenę z potężnym wzmacniaczem. W zamian za większe opóźnienia zyskuje się tańsze stacje użytkowników.

RYSUNEK 2.14. Mikrostacje VSAT korzystające z koncentratora

Stacje VSAT mają ogromne znaczenie dla obszarów wiejskich. Nie wszyscy zdają sobie spra­wę, że ponad połowa ludzi na świecie mieszka dalej niż o godzinę piechotą od najbliższego telefo­nu. Poprowadzenie kabli telefonicznych do tysięcy małych wiosek wykracza daleko poza budżety większości państw Trzeciego Świata, lecz instalowanie metrowych anten VSAT zasilanych z bate­rii słonecznych może być ekonomicznie realne. Mikrostacje VSAT udostępniają technologię, która pozwoli „okablować" cały świat.

Satelity telekomunikacyjne mają kilka właściwości, które radykalnie różnią je od naziemnych łączy dwupunktowych. Po pierwsze, mimo że sygnały do i z satelity podróżują z prędkością światła (niemal 300 000 km/s), to długi dystans wprowadza znaczące opóźnienia dla satelitów GEO. W za­leżności od dystansu między użytkownikiem i stacją naziemną oraz wzniesienia satelity nad horyzont całkowity czas przejścia wynosi od 250 do 300 milisekund. Typowa wartość wynosi 270 ms (540 ms dla systemu VSAT z koncentratorem).

Dla porównania, naziemne łącza mikrofalowe wprowadzają opóźnienia propagacji rzędu 3 us/km, a kabel koncentryczny i światłowód rzędu 5 us/km. Ten drugi typ jest wolniejszy, ponieważ sy­gnały elektromagnetyczne rozchodzą się szybciej w powietrzu niż w ciałach stałych.

Kolejną ważną właściwością satelitów jest to, że z natury są medium rozgłoszeniowym. Roze­słanie wiadomości do tysięcy stacji w obszarze pokrycia wiązki nie kosztuje więcej niż wysłanie do jednej stacji. W niektórych zastosowaniach ta właściwość jest bardzo przydatna. Na przykład mo­żemy wyobrazić sobie satelitę wysyłającego popularne strony WWW do pamięci podręcznej tysięcy komputerów rozrzuconych na dużym obszarze. Mimo że rozgłaszanie można zasymulować za po­mocą linii dwupunktowych, to transmisja rozgłoszeniowa z satelity może być znacznie tańsza. Z dru­giej strony z punktu widzenia bezpieczeństwa i prywatności satelity to całkowita porażka — każdy może odebrać wszystko. Tam, gdzie wymaga się bezpieczeństwa, szyfrowanie jest niezbędne.

Oprócz tego w przypadku satelitów koszt przesłania wiadomości jest niezależny od dystansu. Rozmowa międzykontynentalna kosztuje usługodawcę tyle co rozmowa między sąsiednimi budyn­kami. Satelity cechuje też doskonała stopa błędów i możliwość niemal natychmiastowego wpro­wadzenia do użytku, co jest ważnym czynnikiem w łączności wojskowej.

2.4.2. Satelity na orbitach średnich

Na znacznie niższych wysokościach, pomiędzy dwoma pasami Van Allena, znajdziemy satelity MEO (Medium-Earth Orbit). Z powierzchni Ziemi satelity te widać jako przemieszczające się powoli; okrążenie Ziemi zajmuje im około 6 godzin. Wobec tego muszą być śledzone podczas ruchu po niebie. Ponieważ znajdują się niżej niż satelity GEO, mają mniejsze obszary pokrycia wiązką i wy­magają nadajników o mniejszej mocy do komunikowania się z nimi. Obecnie nie są używane do te­lekomunikacji, więc nie będziemy ich dalej omawiać. Przykładem satelitów MEO są 24 satelity GPS (Global Positioning System — globalnego systemu pozycjonowania) orbitujące na wysokości około 18 000 km.

2.4.3. Satelity na orbitach niskich

Schodząc z wysokością w dół dochodzimy do satelitów na niskich orbitach okołoziemskich LEO (Low-Earth Orbit). Z uwagi na szybkie przemieszczanie się do utworzenia kompletnego systemu potrzebne są w dużej liczbie. Z drugiej strony, ponieważ satelity te są blisko Ziemi, stacje naziemne nie potrzebują zbyt dużej mocy, a opóźnienie podróży w obie strony wynosi tylko kilka milisekund. W tym punkcie omówimy trzy przykłady, z których dwa przeznaczone są do komunikacji głosowej, a jeden do świadczenia usług internetowych.

Iridium

Jak wspomniano powyżej, przez pierwszych 30 lat ery satelitarnej satelity na niskich orbitach były rzadko używane, ponieważ bardzo szybko pojawiają się i znikają z pola widzenia. W roku 1990 Motorola otwarła nowe możliwości przez zgłoszenie do FCC zapotrzebowania na wyniesienie 77 satelitów niskoorbitalnych dla projektu Iridium (iryd jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 77). Plany zostały później zmienione na 66 satelitów, więc projekt powinien był otrzymać nową nazwę Dysprosium (dysproz jest pierwiastkiem 66), lecz ta nazwa chyba zbytnio kojarzyła się z chorobą. Pomysł polegał na tym, że zanim jeden satelita znikał z pola widzenia, zastępował go inny. Ta propozycja wywołała gorączkę złota wśród innych firm komunikacyjnych. Nagle każdy chciał mieć własną sieć satelitów niskoorbitalnych.

Po siedmiu latach mozolnego zbierania partnerów i finansów satelity Iridium zostały wynie­sione na orbitę w roku 1997. Usługi telekomunikacyjne zaczęły funkcjonować w listopadzie 1998. Niestety, rynkowe zapotrzebowanie na duże i ciężkie telefony satelitarne okazało się znikome, po­nieważ sieci telefonii komórkowych rozrosły się spektakularnie od roku 1990. W wyniku tego pro­jekt Iridium nie przynosił zysków i został doprowadzony do bankructwa w sierpniu 1999 roku, będąc jednym z najefektowniejszych fiask korporacji w historii. Satelity i inne aktywa (warte 5 miliardów dolarów) zostały zakupione przez inwestora za 25 milionów dolarów w swoistej kosmicznej wy­przedaży. Usługa Iridium została ponownie uruchomiona w marcu 2001.

Ofertą Iridium było (i jest) świadczenie globalnych usług telekomunikacyjnych za pomocą ręcznych urządzeń komunikujących się bezpośrednio z satelitami. Zapewniają one usługi przesyłania głosu, danych, system przywoławczy, faks i usługi nawigacyjne w dowolnym punkcie kuli ziem­skiej. Do klientów zaliczają się marynarka, lotnictwo i przemysł naftowy oraz osoby podróżujące po okolicach, gdzie nie istnieje infrastruktura telekomunikacyjna (pustynie, góry, dżungla i niektó­re kraje Trzeciego Świata).

Satelity Iridium krążą na wysokości 750 kilometrów po kołowych orbitach biegunowych. Są one ułożone w „łańcuchy" północ-południe, z satelitami w odstępach 32 stopni szerokości geogra­ficznej. Sześć łańcuchów pokrywa całą powierzchnię Ziemi, co widać na rysunku 2.15 (a). Czytelnicy nieznający się zbytnio na chemii mogą wyobrazić sobie ten układ jako naprawdę duży atom dysprozu, w którym Ziemia jest jądrem, a satelity elektronami.

Każdy satelita ma do 48 komórek (wiązek punktowych) i w sumie 1628 takich komórek po­krywa całą powierzchnię Ziemi, jak na rysunku 2.15 (b). Każdy satelita może obsługiwać 3840 kanałów, czyli cały system w sumie 253 440. Niektóre z nich są używane do systemów przywoław­czych i nawigacji, a inne do przesyłania danych i głosu.

RYSUNEK 2.15.

(a) Satelity Iridium tworzą sześć łańcuchów dookoła Ziemi.

(b) 1628 ruchomych komórek pokrywających Ziemię

Ciekawą właściwością Iridium jest to, że komunikacja pomiędzy odległymi klientami odbywa się przez przekazywanie danych z satelity do satelity, jak na rysunku 2.16 (a). Widzimy tu użytkow­nika na Biegunie Północnym łączącego się z satelitą bezpośrednio nad głową. Połączenie jest prze­kazywane przez inne satelity i w końcu przesyłane w dół do odbiorcy na Biegunie Południowym.

RYSUNEK 2.16. (a) Przekazywanie na orbicie, (b) Przekazywanie na Ziemię

Globalstar

Alternatywnym względem Iridium projektem jest Globalstar. Ten system opiera się na 48 satelitach LEO, lecz używa innego schematu komutacji niż Iridium. W Iridium połączenie jest przekazywane z satelity do satelity, co wymaga obecności w satelitach wyrafinowanego sprzętu przełączającego. Globalstar stosuje tradycyjną technikę retransmisji. Rozmowa inicjowana na Biegunie Północnym na rysunku 2.16 (b) jest odsyłana z powrotem na Ziemię i odbierana przez dużą stację naziemną. Połączenie jest następnie kierowane przez sieć naziemną do stacji najbliżej odbiorcy i do odbiorcy przez retransmisję poprzez satelitę, jak na rysunku. Zaletą tego schematu jest to, że duża część złożonej infrastruktury pozostaje na Ziemi, gdzie łatwiej nią operować. Ponadto używanie dużych anten naziemnych, które mogą wysyłać potężne sygnały i odbierać słabe oznacza, że można uży­wać telefonów o mniejszej mocy. W końcu telefon emituje tylko kilka miliwatów sygnału, więc sygnał odesłany na Ziemię jest stosunkowo słaby, nawet po wzmocnieniu przez satelitę.

Teledesic

Iridium jest usługą przeznaczoną dla użytkowników telefonów w różnych dziwnych miejscach. Nasz następny przykład, Teledesic, jest przeznaczony dla pragnących dużego pasma użytkowników Internetu na całym świecie. Ten system został wymyślony w roku 1990 przez pioniera telefonii mobilnej, Craiga McCawa, i założyciela Microsoftu, Billa Gatesa, którzy byli niezadowoleni ze ślamazarności, z jaką firmy telefoniczne na świecie udostępniały użytkownikom komputerów szybkie łącza. Zadaniem systemu Teledesic jest udostępnienie milionom jednoczesnych użytkowników Internetu łącza w górę osiągającego nawet 100 Mb/s i łącza w dół aż do 720 Mb/s za pomocą małej, stałej anteny typu VSAT z całkowitym pominięciem systemu telefonicznego. Dla firm telefonicz­nych pozostaje to w sferze marzeń.

Oryginalny projekt systemu obejmował 288 satelitów o małym obszarze pokrycia ułożonych w 12 płaszczyzn tuż pod wewnętrznym pasem Van Allena na wysokości 1350 km. Później zmieniono to na 30 satelitów o większych obszarach pokrycia. Transmisja odbywa się w stosunkowo słabo zatło­czonym paśmie Ka o dużej przepustowości. System stosuje komutację pakietów na orbicie, gdzie każdy satelita może kierować pakiety do swoich sąsiadów. Gdy użytkownik potrzebuje pasma do wysłania pakietów, żądanie i dynamiczny przydział odbywają się w około 50 ms. Włączenie systemu do eksploatacji jest planowane na rok 2005, jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem.

2.4.4. Satelity kontra światłowód

Warto porównać ze sobą komunikację satelitarną i naziemną. Jeszcze 20 lat temu można było dowo­dzić, że przyszłością komunikacji są satelity telekomunikacyjne. W końcu system telefoniczny niewiele zmienił się w ciągu uprzednich 100 lat i nie wykazywał tendencji do zmian przez następne stulecie. Ten żółwi postęp był w niemałym stopniu powodowany przez restrykcyjne środowisko, w którym od firm telefonicznych oczekiwano dobrych usług głosowych za rozsądną cenę (które też świadczyły) i gwarantowanych zysków z inwestycji. Dla tych, którzy chcieli przesyłać jakieś dane, dostępne były modemy 1200 b/s. I tyle.

Wprowadzenie konkurencji w USA w roku 1984 i nieco później w Europie Zachodniej zmieniło to radykalnie. Firmy telefoniczne zaczęły zastępować swoje dalekosiężne sieci światłowodami i wpro­wadzać usługi o dużej przepustowości, jak np. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Skoń­czyły też z odwiecznym zwyczajem sztucznego zawyżania cen na połączenia zamiejscowe, aby subsydiować usługi lokalne.

Nagle naziemne łącza światłowodowe zaczęły wyglądać na dłuższą metę na zwycięzcę. Jed­nakże satelity telekomunikacyjne mają pewne niszowe zastosowania, w których światłowody nie są (i czasem nie mogą być) stosowane. Przyjrzymy się teraz kilku z nich.

Po pierwsze, wprawdzie pojedyncze włókno światłowodu ma w teorii większą potencjalną przepustowość niż wszystkie wystrzelone dotąd satelity razem wzięte, lecz pasmo to nie jest dostęp­ne dla wszystkich użytkowników. Instalowane obecnie światłowody służą w systemach telefonicznych do jednoczesnego przesyłania wielu rozmów zamiejscowych, a nie do udostępniania pojedynczym użytkownikom wysokiej przepustowości. Dzięki satelitom użytkownik może postawić antenę na dachu budynku i całkowicie ominąć system telefoniczny, aby otrzymać duże pasmo. Na tej idei opiera się Teledesic.

Drugą niszą jest komunikacja mobilna. Wielu ludzi chce dzisiaj mieć możliwość komunikacji podczas biegania, prowadzenia samochodu, żeglowania i latania. Naziemne łącza światłowodowe są im nieprzydatne, lecz łącza satelitarne potencjalnie mogą być. Możliwe jest, że połączenie radia ko­mórkowego i światłowodów wystarczy większości użytkowników, lecz nie w powietrzu lub na morzu.

Trzecią niszę tworzą sytuacje, gdy niezbędna jest transmisja rozgłoszeniowa. Wiadomość wysłana przez satelitę może być jednocześnie odbierana przez tysiące stacji naziemnych. Na przykład or­ganizacja rozsyłająca do tysięcy maklerów strumień informacji o cenach akcji, obligacji i produktów może stwierdzić, że system satelitarny będzie o wiele tańszy niż symulowane rozgłaszanie naziemne.

Czwartą niszę stanowi komunikacja w miejscach o niekorzystnie ukształtowanym terenie lub słabo rozwiniętej infrastrukturze naziemnej. Na przykład Indonezja ma własnego satelitę do krajowej łączności telefonicznej. Wysłanie jednego satelity było tańsze niż przeciąganie tysięcy podmor­skich kabli do 13 677 wysp archipelagu.

Piątą niszą rynkową dla satelitów jest pokrywanie obszarów, gdzie nabycie praw do kładzenia światłowodu jest trudne lub przesadnie drogie.

Po szóste, gdy krytyczna jest szybkość tworzenia łączy, jak w militarnych systemach łączności podczas wojny, satelity wygrywają z łatwością.

Krótko mówiąc, wygląda na to, że głównym nośnikiem komunikacji w przyszłości będą świa­tłowody naziemne w połączeniu z radiem komórkowym, lecz w pewnych specjalnych zastosowa­niach satelity będą lepsze. Jednakże do tego stwierdzenia jest jedno zastrzeżenie — ekonomia. Wprawdzie światłowody zapewniają większe pasmo przepustowości, lecz niewykluczone, że ko­munikacja naziemna i satelitarna będzie prowadzić agresywną wojnę cenową. Jeśli jakiś przełom _w technologii radykalnie obniży koszty wynoszenia na orbitę satelitów (np. przyszłościowy prom kosmiczny będzie mógł za jednym razem wynieść kilkadziesiąt satelitów), lub satelity niskoorbitalne przyjmą się na dobre, to nie mamy pewności, czy światłowód wygra na wszystkich rynkach.

2.5. Publiczna komutowana sieć telefoniczna

Gdy potrzebna jest komunikacja między dwoma komputerami należącymi do tej samej firmy lub or­ganizacji i położonymi blisko siebie, często najłatwiej jest po prostu przeciągnąć między nimi ka­bel. Tak działają sieci LAN. Jednakże w przypadku dużych odległości, większej liczby komputerów lub konieczności przeciągnięcia kabla przez drogę publiczną itp., koszty eksploatacji własnych ka­bli są zwykle zaporowe. Co więcej, w prawie każdym kraju na świecie przeciąganie prywatnych linii transmisyjnych przez własność publiczną (lub pod nią) jest też nielegalne. Wobec tego pro­jektanci sieci muszą polegać na istniejących środkach telekomunikacji.

Środki te, zwłaszcza publiczna komutowana sieć telefoniczna (PSTN — Public Switched Telephone Network), były zwykle projektowane lata temu z myślą o zupełnie innym zastosowaniu — przesyłaniu ludzkiego głosu w mniej więcej rozpoznawalnej formie. Ich przydatność do komu­nikacji między komputerami jest często w najlepszym razie marginalna, lecz sytuacja zmienia się gwałtownie wraz z wprowadzeniem światłowodów i technologii cyfrowej. Tak czy tak system tele­foniczny jest tak ściśle powiązany z sieciami komputerowymi (rozległymi), że warto poświęcić trochę czasu na zapoznanie się z nim.

Aby zdać sobie sprawę ze skali problemu, dokonajmy przybliżonego, lecz interesującego po­równania właściwości typowego połączenia dwóch komputerów kablem lokalnym i linią telefoniczną. Kabel biegnący pomiędzy dwoma komputerami może przenosić dane z szybkością 10⁹ b/s lub wyż­szą. W przeciwieństwie do niego komutowana linia telefoniczna ma maksymalną przepływność da­nych równą 56 kb/s, czyli niemal 20 000 razy niższą. Różnica jest jak między kaczką spacerującą w trawie i rakietą mknącą na Księżyc. Jeśli zastąpimy linię komutowaną łączem ADSL, nadal różni­ca będzie rzędu 1000 - 2000 razy.

Problem w tym oczywiście, że projektanci systemów komputerowych są przyzwyczajeni do pracy z systemami komputerowymi i gdy nagle staną wobec systemu, którego wydajność (z ich punktu widzenia) jest o 3 do 4 rzędów wielkości gorsza, to poświęcą (co nie powinno nikogo dziwić) mnóstwo czasu i wysiłków na wymyślenie, jak wydajnie z niego korzystać. W poniższych punktach opiszemy system telefoniczny i pokażemy, jak działa. Dodatkowe informacje o wnętrznościach systemu telefonicznego opisuje Bellamy (2000).

2.5.1. Struktura systemu telefonicznego

Wkrótce po tym jak Alexander Graham Bell opatentował telefon w roku 1876 (wyprzedzając o zale­dwie kilka godzin swojego rywala, którym był Elisha Gray), pojawiło się ogromne zapotrzebowa­nie na jego nowy wynalazek. Początkowo sprzedawano tylko aparaty telefoniczne (parami). Do klienta należało przeciągnięcie pomiędzy nimi pojedynczego drutu. Elektrony wracały przez grunt.

Jeśli właściciel telefonu chciał rozmawiać z n innych właścicieli telefonów, to trzeba było przecią­gnąć osobne druty do wszystkich n domów. W ciągu roku miasta pokryły druty przechodzące przez domy i drzewa w dzikiej plątaninie. Natychmiast stało się oczywiste, że model polegający na łączeniu każdego telefonu z każdym, jak na rysunku 2.17 (a), nie nadawał się do użytku.

RYSUNEK 2.17.

(a) Sieć całkowicie połączona.

(b) Główna centrala.

(c) Hierarchia dwupoziomowa

Należy przyznać, że Bell zauważył ten problem i utworzył firmę Bell Telephone Company, która otwarła pierwszą centralę telefoniczną w roku 1878 w New Haven w stanie Connecticut. Firma pro­wadziła przewód do domu lub biura każdego klienta. Aby przeprowadzić rozmowę, klient kręcił korbką w telefonie, aby uruchomić dzwonek w centrali i zwrócić uwagę operatora, który następnie łączył dzwoniącego z odbiorcą za pomocą kabla złączowego. Model z pojedynczą centralą przed­stawia rysunek 2.17 (b).

Wkrótce centrale telefoniczne Bell System zaczęły pojawiać się wszędzie i klienci chcieli odbywać rozmowy międzymiastowe, więc system Bell zaczął łączyć centrale. Szybko powrócił pierwotny pro­blem — łączenie kablem każdej centrali z każdą stało się niemożliwe do opanowania, więc wynalezio­no centrale drugiego poziomu. Po jakimś czasie pojawiło się zapotrzebowanie na większą liczbę central drugiego poziomu, jak na rysunku 2.17 (c). W końcu hierarchia rozrosła się do pięciu poziomów.

W roku 1890 istniały już trzy podstawowe elementy systemu telefonicznego: centrale, kable łą­czące klientów z centralami (teraz już symetryczna, izolowana skrętka zamiast nieizolowanego drutu z powrotem prądu przez ziemię) oraz dalekosiężne połączenia pomiędzy centralami. Chociaż od tej pory we wszystkich trzech obszarach pojawiło się wiele udoskonaleń, to podstawowy model Bell System pozostał niezmieniony przez ponad 100 lat. Krótką historię techniczną systemów tele­fonicznych przedstawił Hawley (1991).

Przed podziałem AT&T w roku 1984 system telefoniczny był zorganizowany w wysoce re-dundantną hierarchię wielopoziomową. Przedstawiony poniżej opis jest znacznie uproszczony, lecz daje ogólne pojęcie o tym systemie. Z każdego telefonu wychodzą dwa miedziane przewody biegnące bezpośrednio do najbliższej centrali końcowej (inaczej lokalnej). Odległość zwykle wynosi od 1 do 10 km i jest mniejsza w miastach niż na obszarach wiejskich. W samych Stanach Zjednoczonych jest około 22 000 central lokalnych. Dwużyłowe połączenie pomiędzy telefonem abonenta i centralą lokalną nosi w branży nazwę pętli lokalnej. Gdyby wszystkie pętle lokalne na świecie połączyć koniec z końcem, łącznie sięgnęłyby na Księżyc i z powrotem 1000 razy.

W pewnym okresie 80% wartości w kapitale AT&T stanowiła miedź w pętlach lokalnych. Wówczas AT&T była w zasadzie największą kopalnią miedzi na świecie. Na szczęście ten fakt nie był powszechnie znany wśród inwestorów. Gdyby tak się stało, jakiś korporacyjny grabieżca mógłby wykupić AT&T, zakończyć świadczenie wszelkich usług telefonicznych w USA, wyrwać kable i sprzedać je do huty miedzi, aby szybko się wzbogacić.

Gdy abonent podłączony do danej centrali lokalnej dzwoni do innego abonenta podłączonego do tej samej centrali, mechanizm przełączający w centrali tworzy bezpośrednie połączenie elektryczne pomiędzy dwoma pętlami lokalnymi. Połączenie to zostaje nienaruszone przez cały czas rozmowy.

Jeśli telefon, z którym się łączymy, jest podłączony do innej centrali lokalnej, musi zostać użyta inna procedura. Każda centrala lokalna ma pewną liczbę wychodzących linii łączących ją z jedną lub kilkoma pobliskimi centralami tranzytowymi (ang. toll office) lub, jeśli obie są w tym samym obszarze, centralami tandemowymi. Linie te są nazywane dalekosiężnymi przyłączami central tranzytowych (ang. toll connecting trunk). Jeśli centrale lokalne obu rozmówców połączone są łączami dalekosiężnymi z jedną centralą tranzytową (co często się zdarza, gdy rozmówcy są blisko siebie), połączenie może zostać nawiązane poprzez centralę tranzytową. Rysunek 2.17 (c) przedsta­wia sieć telefoniczną składającą się tylko z telefonów (małe kropki), central lokalnych (duże kropki) i central tranzytowych (kwadraty).

Jeśli rozmówcy nie są podłączeni do tej samej centrali tranzytowej, konieczne jest utworzenie ścieżki połączeń gdzieś wyżej w hierarchii. Centrale główne, sekcyjne i regionalne tworzą sieć łączą­cą wszystkie centrale tranzytowe. Centrale główne, sekcyjne, regionalne i tranzytowe komunikują się ze sobą łączami międzycentralowymi o wysokiej przepustowości. Liczba różnych typów central telefonicznych i ich topologia (np. czy dwie centrale sekcyjne mogą mieć bezpośrednie połączenie czy muszą łączyć się przez centralę regionalną) są różne w różnych krajach i zależą od gęstości linii telefonicznych. Rysunek 2.18 pokazuje, jak może być kierowane połączenie na średni dystans.

RYSUNEK 2.18. Typowy obwód dla połączenia na średnią odległość

W telekomunikacji używane są różnorodne nośniki transmisji. Pętle lokalne tworzone są dzisiaj ze skrętki kategorii 3., aczkolwiek u zarania telefonii powszechnie stosowano nieizolowane druty odległe od siebie o 25 cm i rozpięte na słupach telefonicznych. Pomiędzy centralami używane są powszechnie kable koncentryczne, mikrofale, a zwłaszcza światłowody.

W przeszłości transmisja przez cały system telefoniczny odbywała się analogowo — głos był przesyłany w postaci sygnału napięciowego od początku do końca. Z nastaniem światłowodów, elektroniki cyfrowej i komputerów wszystkie łącza międzycentralowe i centrale przeszły na technikę cyfrową, a pętla lokalna pozostała ostatnim kawałkiem technologii analogowej w systemie. Transmi­sja cyfrowa jest preferowana, ponieważ nie wymaga dokładnego odtwarzania fali analogowej przy przechodzeniu przez szereg wzmacniaczy w połączeniu na dużą odległość. Wystarczy zdolność do poprawnego odróżnienia 0 od 1. Ta cecha powoduje, że transmisja cyfrowa jest bardziej nieza­wodna od analogowej, a jednocześnie tańsza i łatwiejsza w utrzymaniu.

Reasumując, system telefoniczny składa się z trzech głównych elementów:

(1) Pętle lokalne (analogowe skrętki biegnące do domów i biur).

(2) Łącza dalekosiężne (światłowody cyfrowe łączące centrale).

(3) Centrale telefoniczne (gdzie rozmowy są przenoszone z jednego łącza do drugiego).

Przejdziemy teraz do bardziej szczegółowego omówienia każdego z tych trzech komponentów. Pętle lokalne dają wszystkim abonentom dostęp do systemu, więc są niezbędne. Niestety, są też najsłabszym ogniwem systemu. Dla łączy dalekosiężnych głównym problemem jest to, jak zebrać razem wiele roz­mów i wysłać je jednym włóknem światłowodu. To zagadnienie nosi nazwę multipleksowania i poznamy czyjego metody. Istnieją dwa fundamentalnie odmienne podejścia do komutacji: przyjrzymy się obu.