Физические среды передачи данных: проводные, радиоканалы и оптоволокно

Введение в физические среды передачи данных. Физические среды передачи данных представляют собой материальную основу, по которой осуществляется перенос сигналов между сетевыми узлами. Эти сигналы могут кодировать речь, цифровые данные, управляющую информацию или их комбинации. Каждая из существующих сред обладает уникальными эксплуатационными характеристиками, преимуществами и недостатками. Несмотря на многообразие, все физические среды можно классифицировать на три обширные категории: проводные средства связи, радиосредства и оптоволоконные кабели. Выбор конкретной среды зависит от технических требований, экономических факторов и условий эксплуатации.

Проводные средства связи и их особенности. К классическим проводным средствам связи относят витую пару, коаксиальный кабель и воздушные линии. Эти технические решения повсеместно применяются в абонентских, межстанционных и магистральных линиях дальней связи. Как демонстрирует рис. 1.22, провод является старейшим и наиболее простым типом физической среды, оставаясь фундаментальной основой для построения телекоммуникационных сетей. Полный отказ от кабелей связи, согласно экспертных оценок, представляется маловероятным в ближайшие десятилетия. Однако проводные технологии сопряжены с существенными недостатками, такими как высокая стоимость, значительная масса и большой объем.

Рис. 1.22. Типичные представители проводных средств связи

Недостатки проводных сред передачи. Ключевыми проблемами проводниковых носителей являются высокая стоимость их монтажа и последующей замены, что осложняет выбор в пользу современных альтернатив. Кроме того, проводниковый носитель крайне восприимчив к агрессивным воздействиям окружающей среды. Он подвержен коррозии, электромагнитным помехам и броскам напряжения, что может нарушать целостность и доступность передаваемой информации. Эти ограничения стимулируют развитие и внедрение более совершенных и устойчивых технологий передачи данных, таких как беспроводные и оптические решения.

Радиосредства и беспроводные каналы связи. Радиоканалы, или каналы беспроводной связи, включают спутниковые и наземные системы, работающие в УКВ-диапазоне. Их основное преимущество перед проводными решениями проявляется при построении сетей дальней и межстанционной связи. Стандартный СВЧ-канал способен обрабатывать свыше 40 тысяч аналоговых голосовых каналов. Реконфигурация и модернизация таких сетей не требует масштабных земляных работ по прокладке кабелей, а стоимость их обслуживания традиционно ниже. На рис. 1.23 представлена архитектура типичной радиорелейной линии связи.

Рис. 1.23. Пример построения радиорелейной линии связи

Ограничения и проблемы радиосистем. К негативным аспектам применения радиосредств относят значительные капитальные затраты на строительство сооружений, закупку оборудования и приобретение земельных участков. Работа этих систем сильно зависит от состояния атмосферы и проблем распространения радиоволн. Такие физические явления, как отражение, преломление, дифракция, экранирование и интерференция от других источников излучения, приводят к ослаблению и искажению полезного сигнала. Эти факторы требуют тщательного планирования и реализации сетей.

Волноводы как альтернативная среда. Волновод занимает промежуточное положение между проводными и радиосредствами. Эта технология позволяет передавать СВЧ-сигнал через пустотелый металлический проводник, внешне напоминающий кабель. Волновод сочетает преимущества радиопередачи, при этом эффективно защищая сигнал от атмосферных воздействий, вызывающих его искажение. Он обеспечивает сопоставимую с открытым радиоканалом полосу пропускания при минимальных потерях на распространение. На рис. 1.24 иллюстрируются две наиболее распространенные разновидности волноводов, используемых в телекоммуникациях.

Рис. 1.24. Разновидности волноводов, используемых для передачи сигнала

Практические сложности использования волноводов. Несмотря на технические преимущества, волновод характеризуется значительно более высокой стоимостью и сложностью монтажа и эксплуатации по сравнению с традиционными проводными средствами. Использование таких систем, как правило, ограничивается короткими расстояниями передачи сигнала. Даже незначительные механические повреждения или коррозия внутренней поверхности волновода приводят к резкому возрастанию потерь сигнала, что предъявляет строгие требования к качеству его изготовления и условиям прокладки.

Оптоволоконный кабель и его конструкция. Оптическое волокно, или оптоволоконный кабель, совершило революционный прорыв в телекоммуникациях, предложив принципиально новую физическую среду для распространения сигнала. Сердцевина световода изготавливается из высококачественных стеклянных нитей и окружается оболочкой со более низким показателем преломления. Для создания локальных вычислительных сетей с небольшими расстояниями иногда применяется более дешевое пластиковое волокно. Световой поток, введенный в волокно, распространяется в нем, многократно отражаясь от границы раздела сердцевины и оболочки, что схематично показано на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Конструкция оптоволоконного кабеля и распространение в нем света

Ключевые преимущества оптоволоконных технологий. Оптоволоконные кабели обладают рядом существенных преимуществ: малый вес, небольшой диаметр и высокая прочность на разрыв. Стандартный кабель обеспечивает передачу сигнала на огромные расстояния с затуханием менее 0,3 дБ/км, что позволяет размещать усилители через каждые 20-30 км. Широкая полоса пропускания позволяет одному волокну передавать десятки тысяч голосовых каналов одновременно. Поскольку передача ведется светом, а не электрическим током, система невосприимчива к электромагнитным помехам, перекрестным наводкам и проблемам заземления.

Недостатки и сложности волоконно-оптических систем. Естественно, у оптоволоконного кабеля есть и недостатки. Особые меры безопасности и надежности, необходимые при прокладке и соединении волокон, значительно увеличивают стоимость монтажных работ. Высокая концентрация каналов в одном кабеле создает риск: при его повреждении одновременно выходит из строя огромное количество соединений. Для предотвращения этого на магистральных линиях часто прокладывают резервный кабель по альтернативному маршруту, хотя такое решение не всегда экономически оправдано в городских условиях.

Заключение и перспективы развития. Несмотря на отмеченные недостатки, волоконно-оптические системы связи продолжают активно развиваться и доминировать в сегменте магистральных линий. Их исключительные характеристики по пропускной способности, дальности и устойчивости делают их идеальным выбором для современных телекоммуникационных инфраструктур. Эволюция физических сред передачи данных демонстрирует постоянный поиск компромисса между стоимостью, надежностью и производительностью, определяя дальнейший прогресс в области глобальных и локальных сетей.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.