Есть контакт!

10.12.201810.02.2019
Курс посвящен современным способам передачи информации. Мы вспомним вехи эволюции систем связи, обсудим самые распространенные сейчас «проводные» и беспроводные способы передачи информации, их достоинства, недостатки и способы взаимодействия. В заключение мы познакомимся с одной из новейших технологий передачи информации, LiFi – могли бы вы подумать, что скоро важным каналом связи станет лампочка под потолком? Возможно, этот курс поможет вам более осмысленно провести очередное обновление своего компьютерно-смартфонного парка.

Мотивационное обращение:

Вся история HomoSapiens– это история передачи информации. Собственно, одним из ключевых признаков человека разумного считается речь, т.е. передача информации от одного человека к другому – хотя и у животных существует множество способов общения друг с другом. Первые ласковые слова только что родившемуся ребенку – это информация, его первые попытки что-то лепетать в ответ – тоже. Как и творения давно ушедших людей, доходящие до нас через книги, компьютер или телевизор. Нынешний человек настолько привык находиться в постоянном информационном потоке, что, возможно, даже не сможет обходиться без новой информации столько, сколько мог бы обходиться без пищи (на эту тему даже написан фантастический рассказ, причем довольно давно). Современные информационные системы достаточно удобны и производительны в смысле скорости и объемов передаваемой информации — настолько. что мы обращаем на них внимание только тогда, когда вдруг «что-то пошло не так». К счастью, это происходит редко. Но в удобство и надежность систем передачи информации вложен огромный труд множества людей, от гениальных ученых, изобретателей и инженеров до рядовых монтеров. Думаю, что вам будет интересно разобраться в этом чуть подробнее – хотя бы для того, чтобы при покупке нового гаджета лучше разбираться в том, что написано под пугающим заголовком «Технические характеристики».

 

Раздел 1. Жизнь до интернета.

Различные способы связи существовали еще в глубокой древности — передача сообщений гонцами и почтовыми голубями, сигнальными флажками и барабанами, кострами и солнечными зайчиками. Зародившийся в древности оптический телеграф просуществовал до середины 19-го века (утверждают, что именно благодаря ему Наполеон одержал много побед), а некоторые древние виды связи дожили до наших дней – государственная почта, морская сигнализация флагами и прожекторами.

 

Первое средство связи, которое можно назвать более или менее современным – это электрический телеграф, передававший буквы с помощью электрического тока по проводу на большие расстояния. Телеграф стал активно использоваться с середины 19-го века. В процессе усовершенствования телеграфа в 1875 году случайно был изобретен телефон, а на границе 19-го и 20-во века начинается внедрение автоматических телефонных станций (АТС), соединявших абонентов без участия операторов-телефонисток. С 1895 года начинается активное использование для связи радиоволн. Собственно, с этой поры и до 60-х годов прошлого века в системах связи кардинально ничего не поменялось. Да, вместо электромагнитных реле в оборудовании стали использоваться электрические лампы, а потом полупроводниковые элементы и интегральные схемы, осваивались новые диапазоны электромагнитных волн, повышалась мощность передатчиков и чувствительность приемников, появилось телевидение как способ передачи изображения на большие расстояния. Но базовая триада средств электрической связи оставалась той же – телеграф (который называли еще телетайпом или телексом), телефон, радио. Правда, в 1930-х годах произошло не слишком известное, но принципиальное событие – инженеры сообразили, что незачем специально тянуть и обслуживать телеграфные провода, когда везде уже проложены телефонные, и придумали специальное устройство для передачи телеграмм по телефонным линиям. Это был прообраз модема как устройства для передачи цифровой информации по аналоговым (телефонным) сетям.

 

С середины 1960-х годов началось использование спутников для передачи телеграфных, телефонных и телевизионных сигналов, что обеспечило связью самые отдаленные уголки нашей планеты, а также дало резкий толчок развитию цифровой передачи информации. Все это подготовило почву для последующей революции в связи – появлению интернета. Конечно, главной предпосылкой этой революции было появление компьютеров, но это уже совсем отдельная история. Нужно только сказать, что в те времена компьютеры в основном производили расчеты для военных нужд.

 

В 1960-х годах подразделение Министерства обороны США под названием ARPA (Advanced Research Projects Agency, т.е.Управление перспективных исследовательских проектов, сейчас называется DARPA) начинает работы по созданию компьютерной сети ARPA Net, сохраняющей работоспособность даже при частичном выводе ее из строя в случае ядерной войны. Первый успешный запуск этой сети состоялся 29 октября 1969 года. Этот день обычно считается днем рождения интернета. Примечательны слова одного из создателей ARPA Net Джозефа Ликлайдера (Joseph Carl Robnett Licklider): «Идет превращение компьютера из арифметического процессора в средство общения. Компьютерная индустрия (производящие компании, университеты) смотрит на компьютер как на арифметическую машину.Это отражается на их проектах, это стоит в основе разработок. Мы должны изменить это представление — и тогда назначение компьютера изменится»(http://www.nestor.minsk.by/kg/2001/46/kg14617.html). Без преувеличения можно сказать, что эти слова изменили мир.

 

Однако от того ARPANet до современного интернета было еще далеко. В техническом смысле современный интернет появился только 1 января 1983 года с переходом ARPAnetна применяемый сейчас сетевой протокол TCP/IP(сетевой протокол – это совокупность обязательных технических правил, регулирующих обмен информацией в интернете). В 1984 году появилась т.н. доменная система имен (DNS), позволяющая давать серверам легко запоминающиеся имена вместо номера из 4 чисел от 0 до 255. В начале 1990-х годов ученым ТимомБернерс-Ли, работающим тогда в CERN, были разработаны протокол http, язык htmlи первый веб-браузер. В 1993 году появился браузер под Windows– Mosaic. Именно с этого времени интернет обрел примерно такой же внешний вид, какой мы видим сейчас, и начал с бешеной скоростью завоевывать мир. В середине 1990-х годов были разработаны средства для разговора через интернет, даже с передачей изображения собеседника – т.н. IP-телефония. Одной из первых очень широко распространенных программ для IP-телефонии стал Skype, появившийся в 2003 году.

 

А что произошло с прежними видами связи – телеграфом, телефоном и радио? Они постепенно поглощаются интернетом. Вместо посылки телеграмм все уже давно пользуются электронной почтой, SMS, социальными сетями или отдельными мессенджерами, поэтому телеграф (точнее, телекс) сохранился только как вид связи для особых ситуаций и далеко не во всех странах. Радиостанции и телевизионные каналы сейчас вещают и через интернет, в крупных городах этот способ вещания становится основным, антенны в квартирах и на крышах домов исчезают. Даже спутниковое телевидение начинает распространяться и через интернет. Персональная радиосвязь (не через мобильный телефон, а именно через переносные радиостанции) никогда не была массовым видом связи, хотя бы из-за ограниченного числа свободных радиочастот, и используется в основном спецслужбами, военными, туристами в малонаселенных районах и частью «дальнобойщиков». Дольше всех сохраняют свою «независимость» от интернета телефонные компании и сотовые операторы, которые и сейчас обычно разделяют телефонные разговоры (сотовые операторы – вместе с SMS) и доступ в интернет. Да, в далеких от сотовой вышки местах мощность сотового сигнала может быть достаточной для разговора и тем более для SMS, но слишком мала для подключения к интернету, Но при наличии хорошей связи и безлимитного интернета многие пользуются бесплатными мессенджерами даже для «живого» разговора. Поэтому сотовые операторы, чтобы не остаться на обочине прогресса, уже начали использование встроенных в современные смартфоны возможностей IP-телефонии (VoLTE). В перспективе и SMS будут посылаться по протоколу RCS (Rich Communication Services), который работает через интернет там, где интернет есть. Скорее всего, в обозримом будущем вся телефонная связь (и SMS, если таковые останутся) будет проходить в основном через интернет. И таким образом интернет станет системой, обеспечивающей любое общение между людьми — возможно, за исключением только специальных правительственных, военных и банковских каналов связи.

 

Сделаем последнее отступление от нашей основной темы в сторону устройства интернета. В первоначальном протоколе TCP/IP, который используется и сейчас, каждому устройству присваивается т.н. IP-адрес – 4 числа от 0 до 255 (2 в 8-й степени минус 1), разделенные точкой. Можно посчитать, что таких адресов может быть чуть больше 4 миллиардов. В 1983 году казалось, что такого количества адресов хватит навсегда, но уже сейчас в мире используется больше 4 миллиардов смартфонов с выходом в интернет. А если учесть еще и планшеты, ноутбуки и «большие» компьютеры, роутеры и точки доступа Wi-Fi, телевизоры и медиаплееры, игровые приставки, навигаторы и другую технику, подсоединенную к интернету, то станет ясно, что «адресная емкость» старой системы IPv4 (4 числа в адресе) исчерпана уже давно. Для решения этой проблемы тоже давно применяются специальные методы (например, NAT), в свою очередь порождающие другие проблемы. Но кардинальным способом решения проблемы нехваткиIP-адресов признан переход с системы  IPv4 на IPv6 (128-битный адрес вместо 32-битного), что делает возможным подключение к интернету10 в 38-ой степени устройств. Поэтому в технических характеристиках любого современного гаджета крайне желательна поддержка IPv6.


Раздел 2. Немного теории.

Первое электрическое средство связи, телеграф, использовало тем не менее вполне современную цифровую двоичную (точка или тире) передачу информации. Цифровую – потому что передается текст, каждая буква которого кодируется определенным сочетанием точек и тире, т.е. как бы двоичным числом (допустим, точка – 0, а тире — 1). Впоследствии точки и тире заменили другой системой кодирования, но суть осталась прежней – информация передается в виде двоичных чисел, т.е. потока нулей и единиц.

 

С изобретением телефона появилась аналоговая передача сигнала. Почему она называется «аналоговой»? Потому что сила тока в телефонном проводе в точности повторяет величину давления звуковой волны на мембрану микрофона, т.е. по линии связи передавается сигнал, аналогичныйпринимаемому (микрофоном). Это позволяло значительно ускорить передачу информации, потому что сказать быстрее, чем написать и закодировать. Но быстро выяснилось, что аналоговая передача информации имеет и свои минусы – у нее слабая помехоустойчивость. Чем длиннее был телефонный провод, тем больше искажалась речь, и при некоторой дальности разобрать слова собеседника становилось практически невозможно. А телеграф без проблем работал на гораздо более длинных дистанциях. Кстати, это уже тогда ярко показало, что скорость и надежность передачи информации всегда находятся в некотором противоречии друг с другом. Конечно, инженеры изобрели множество способов повысить дальность и аналоговой передачи – уменьшение сопротивления проводов, их надежную изоляцию и экранирование, промежуточные усилительные станции. Но тем не менее сейчас аналоговая передача сигналов уходит в прошлое. Например, в будущем году в нашей стране будет отключено аналоговое телевизионное вещание.

 

На самом деле любой канал передачи информации – это некоторая физическая система, в которой информация передается изменением каких-то конкретных физических параметров. Например, силы тока или напряженности электрического поля. Передаваемую информацию надо перевести в определенные значения этих физических параметров, и такой процесс называется модуляцией. Телеграфный ключ включает или выключает ток в телеграфном проводе – это простейший пример цифровой модуляции. Передача аналогового сигнала по радиоволнам происходит обычно изменением амплитуды радиоволны либо изменением её частоты. Второй способ называется частотной модуляцией, по-английски – Frequency Modulation, сокращенно FM. Наверняка вы видели такое сокращение, когда слушали популярные радиостанции.

 

Понятно, что чем больше скорость передачи информации, тем быстрее должны изменяться физические параметры канала связи, передающие сигнал. Но всегда существует некоторый предел скорости изменения этих физических параметров. Например, если передача сигнала идет с помощью радиоволны частотой 1 гигагерц (миллиард колебаний в секунду), то бессмысленно измерять амплитуду или частоту радиоволны намного чаще, чем миллиард раз в секунду. На этом примере можно понять, что скорость передачи информации примерно совпадает с т.н. частотным диапазоном линий связи. Примерно – потому что точное соотношение зависит от требуемой надежности передачи информации, т.е. количества допустимых ошибок. Надежность передачи речи при телефонном разговоре может быть не очень высокой, разговору совсем не помешают слабые помехи, но такая надежность совершенно недостаточна для передачи данных о платежах, где недопустима даже одна ошибка на триллион переданных чисел. Еще скорость передачи информации зависит от силы помех на линии связи, от способа модуляции сигнала, от кодирования информации, и от ряда других факторов, которые изучают в вузах, готовящих специалистов по технике связи и компьютерам.

 

Скорость передачи информации измеряется битами в секунду (бит/с), а также производными от этой единицы измерения – килобит в секунду (кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с). В технике связи обычно принято, как и вообще в международной системе единиц СИ, что «кило» обозначает ровно тысячу, «мега» — миллион, «гига» — миллиард. У компьютерщиков основной единицей информации является байт, равный 8 битам. Поэтому если мы хотим посчитать, сколько байт информации передастся за секунду, надо число бит в секунду разделить на 8. Тут все просто, но путаница начинается, когда мы переходим к килобайтам, мегабайтам и гигабайтам. Для упрощения работы в двоичной системе традиционно считается, что килобайт – это не 1000, а 1024 (2 в 10-й степени) байт. Соответственно, мегабайт – это 1024 в квадрате, а гигабайт – 1024 в кубе байт. Впрочем, законодательно это нигде не закреплено, поэтому производители накопителей информации часто указывают емкость своих изделий как бы считая, что гигабайт – это ровно миллиард байт. А операционная система компьютера считает по-другому, и покупатель диска бывает очень удивлен, когда видит емкость диска в гигабайтах меньше, чем он покупал JНо, в общем, для каналов связи разница между 1000 и 1024 несущественна, поскольку реальная скорость их работы может быть в несколько раз меньше расчетной по многим причинам. Интересующиеся могут посмотреть статью https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_пропускных_способностей_интерфейсов_передачи_данных, где перечислены скорости работы множества линий связи.

 

А какие скорости передачи информации нам нужны? Если взять текстовую информацию, то видимый на экране браузера текст содержит примерно 2 тысячи букв (может быть и в несколько раз больше, и значительно меньше). Для комфортной работы этот текст должен появляться на экране не дольше чем за секунду. Соответственно, если одна буква кодируется одним байтом, то для работы с текстом скорость интернета должна быть не меньше 16 кбит/с, а если применяется современная кодировка Unicode, требующая 2 байта на каждую букву (для возможности кодировки иероглифов), то 32 кбит/с. Для перелистывания картинок требования растут. Если картинка имеет размер во весь стандартный по нынешним временам экран 1080×1920 пикселей и каждый пиксель для максимально правдоподобной цветопередачи кодируется тремя байтами, то такая картинка занимает около 6 мегабайт. Чтобы мы не ждали отрисовки этой картинки больше секунды, скорость интернета должна быть не меньше 48 Мбит/с. Наконец, если мы смотрим кино с таким же разрешением, то за секунду должны сменяться 24 таких кадра, т.е. нужная скорость составит больше 1Гбит/с. И это уже напрягает, поскольку гигабитную скорость обещает мало кто из интернет-провайдеров, да и внутриквартирная локальная сеть может ее не поддерживать.

 

К счастью, существуют способы сжатия информации. Возьмем, например, текст. Если не применяется Unicode, то каждая буква в нем закодирована одним байтом, т.е. числом от 0 до 255. Но если в тексте только русские буквы, пробелы, знаки конца абзаца и стандартные знаки препинания, то из этих 256 возможных чисел используются не больше 80. Причем в основном используются строчные (маленькие) буквы, которых только 33, т.е. 13% от всех возможных символов. В таких случаях говорят, что кодировка информации обладает большой избыточностью. Еще бОльшая избыточность получается для английского текста, поскольку там меньше букв. Математики придумали способы «сжатия» информации в несколько раз, устраняющие избыточность (программы для такого сжатия называются архиваторами). Для текстов при современных объемах хранения и скоростях передачи информации это не очень актуально. Но картинки тоже могут иметь избыточность информации. Например, большой кусок равномерно голубого неба содержит гораздо меньше информации по сравнению с фрагментом, на котором есть множество мелких деталей. Поэтому математические методы сжатия информации хорошо работают и для картинок. Более того, в сжатии визуальной информации математикам помогают физиологи, которые исследуют восприятие картинки глазом и говорят математикам, какую информацию при сжатии можно вообще выкинуть, ибо она все равно не воспринимается глазом (например, тонкости цветопередачи в местах сильного изменения яркости). В таком случае говорят о сжатии информации с потерями. Пример работы алгоритма для сжатия с потерями картинок – файлы .jpegили .jpg.

 

Еще в большей степени можно сжать видеосигнал. Соседние кадры обычно очень похожи друг на друга, и человеческий глаз гораздо слабее различает мелкие детали на движущихся изображениях. Поэтому для просмотра видео с разрешением 1080p может быть вполне достаточно скорости 10 Мбит/с. Для видео в формате 4К самые минимальные требования к скорости сети начинаются от 16 Мбит/с, а скорости 100 Мбит/с, которую предоставляют многие интернет-провайдеры, может хватить даже на одновременный просмотр двух фильмов с очень высоким качеством.


Раздел 3. Тянем-потянем (проводная связь).

До недавнего времени фактическим монополистом на массовые услуги связи (если не считать односторонней «связи» в виде трансляции радио и телепередач) были стационарные телефонные сети. Стационарные — в смысле не мобильные. Да и сейчас эти сети играют очень большую роль в передаче информации, поскольку их услугами пользуются и операторы сотовой связи. Как происходит передача речевого сигнала между абонентами стационарной телефонной сети? Сигнал отправляется от телефонного аппарата одного абонента до ближайшей АТС, к которой этот абонент подключен своим отдельным проводом. Дальше сигнал проходит коммутаторы АТС и попадает в магистральные линии, связывающие между собой разные АТС (будем считать, что абоненты находятся не в одном микрорайоне и подключены к разным АТС). Когда сигнал доходит до нужной  АТС, через ее коммутаторы он попадает в провод, которым подключен телефон второго абонента.

 

Разумеется, самое узкое место в этой системе – магистральные линии связи между АТС, на которые приходится самая большая нагрузка. Повышение надежности и пропускной способности этих линий всегда было крайне актуальной задачей. К концу 1950-х годов стало ясно, что эту задачу может решить только цифровая передача информации между АТС. К тому времени появились важные результаты теории связи и полупроводниковые транзисторы, благодаря которым эти результаты можно было воплотить «в железе». И в начале 1960-х годов в США заработала первая система цифровой связи между АТС под названием T1. Потом и сами АТС, т.е. их коммутаторы, стали по сути одним большим компьютером и стали называться цифровыми АТС. Первая такая цифровая АТС была запущена во Франции в 1975 году.

 

Как мы с вами помним, скорость передачи информации по линии связи главным образом определяется частотным диапазоном этой линии. Для электрических кабелей, соединяющих тогда АТС между собой, этот диапазон нельзя сделать больше нескольких сотен МГц, при бОльшей частоте сигнал затухает очень быстро (см. картинку на http://iptcp.net/polosa-propuskaniya-i-propusknaya-sposobnost.html). Соответственно, по одному кабелю мы вряд ли сможем передавать больше 100 Мбит/с, да и то на расстояние не больше километра, а для бОльших расстояний скорость передачи информации будет значительно ниже. Поэтому уже в 1960-х годах, после создания лазеров, начались исследования по передаче информации с помощью света по стеклянным волокнам-световодам. Свет использовался инфракрасный с длиной волны около 1500 нм (чуть больше. чем у видимого света) и частотой соответственно 200 000 гигагерц. Понятно, что такая частота означает намного бОльшую пропускную способность, чем у самого хорошего электрического кабеля. Кроме того, световоды не подвержены электромагнитным помехам и электрохимической коррозии, передаваемую по ним информацию невозможно перехватить, да и стоит стекло, в общем, дешевле меди. Главный недостаток световодов – их гораздо сложнее соединять. После решения множества технологических проблем (например, тщательной очистки стекла от поглощающих свет примесей) с 1988 года световоды (официально – волоконно-оптические линии связи) стали основным стандартом для магистральных линий связи.

 

При всем колоссальном прогрессе в межстанционных линиях связи сигнал от квартиры абонента до АТС передавался, как и в конце 19-го века, в аналоговой форме по старинному медному проводу. Да и сейчас много где передается так же, потому что никакого другого провода просто нет. У связистов, обеспечивающих население интернетом, это называется проблемой «последней мили» — провести современные цифровые коммуникации в каждый дом и квартиру оказывается сложнее, чем проложить сверхмощный трансанлантический кабель связи и заменить оборудование на всех АТС. Долгое время проблема последней мили в нашей стране решалась с помощью телефонных модемов – устройств для передачи цифровой информации через обычные аналоговые телефонные линии. То есть не то что бы эта проблема как-то решалась связистами, а каждый пользователь интернета решал ее для себя сам при помощи провайдеров интернета, у которых стояли такие же модемы и до которых надо было дозваниваться через обычную телефонную сеть. Учитывая частотный диапазон телефонной линии, о приличной скорости передачи информации говорить не приходилось. Теоретический предел скорости такой связи – 56 кбит/с, но реально коннект на скорости 30-40 кбит/с считался уже удачным. Сейчас телефонные модемы уже почти не применяются.

 

Потом появились провайдеры интернета, работающие через т.н. кабельные модемы, которые передают информацию по телевизионному коаксиальному «круглому» кабелю (стандарт DOCSIS) со скоростью в несколько десятков Мбит/с. Как правило, эти же провайдеры по этому же кабелю транслируют и кабельное телевидение. Система DOCSIS достаточно перспективна – с одной стороны, она не требует прокладки до каждого пользователя нового кабеля, а с другой стороны, может обеспечить очень высокую скорость (до 10 Гбит/с) при применении современного оборудования и хороших кабелей. Недостаток этой системы в том, что для раздачи интернета по квартирам требуется установка на чердаках многоквартирных домов специального и дорогого оборудования, которое надо беречь и обслуживать. Это оборудование в свою очередь соединяется с главными серверами провайдера. Кабели для таких соединений (обычно оптические) вообще-то положено прокладывать под землей, но часто для экономии времени и денег их просто пробрасывают по крышам домов.

 

Еще для проведения интернета в квартиры стали использовать т.н. «витую пару», обычно неэкранированную (UTP, сокращение от UnshieldedTwistedPair), которая изначально была предназначена для создания локальных сетей. Иногда такой кабель называют Ethernet, хотя это не совсем правильно, протокол Ethernetможет работать на нескольких типах кабелей, а витая пара – самый распространенный из них. Витая пара позволяет передавать информацию на расстояние до 100 метров, 4-жильная со скоростью до 100 Мбит/с, а 8-жильная до 1Гбит/с (сейчас существуют кабели и с большей пропускной способностью, но в быту они пока не применяются). Оборудование для работы с такими кабелями массовое и доступное – например, «разветвитель» (switch) можно купить примерно за тысячу рублей. Разъём для подключения витой пары (RJ-45) есть в каждом настольном компьютере, во многих ноутбуках, телевизорах и прочих устройствах. В отличие от телефонных и телевизионных кабелей, которые уже есть, витую пару надо специально прокладывать в каждую квартиру. Но это не так сложно, поскольку витая пара (особенно 4-жильная) тонкая и гибкая, да и недорогая. Недостаток у такой системы подключения к интернету тот же, что и у DOCSIS– необходимость промежуточного оборудования на чердаках многоквартирных домов.

 

Через какое-то время телефонные сети поняли, что от них уходит огромный рынок доступа в интернет. И сделали то, что от них давно ждали – поставили прямо в АТС модем на каждую абонентскую линию, и такой же по сути (но, конечно, совсем другой по исполнению) модем дали каждому абоненту, желающему подключиться к интернету. Это уже другие модемы, им не надо никуда дозваниваться, поскольку «напарник» сидит на другом конце этого же провода. Да и длина этого провода невелика (обычно стараются делать расстояние до АТС не больше 10 км, а в городах еще меньше), поэтому затухание сигнала небольшое, помехи слабые, частотный диапазон не срезан коммутаторами АТС и магистральными каналами, и благодаря всему этому можно получить входящую скорость интернета до 10 Мбит/с. На практике – обычно меньше из-за плохих проводов или большой дальности до АТС. Не шикарно, но видео в youtubeпосмотреть можно. И, в общем, недорого, поскольку новые провода прокладывать и обслуживать не требуется. Такая технология называется ADSLи широко применяется не только в России, но и в других странах, см. https://ru.wikipedia.org/wiki/ADSL.

 

Ну и сравнительно недавно проблема «последней» мили стала решаться действительно кардинально – прокладкой оптического волокна до каждой квартиры или отдельного дома. Сделать это позволила технология пассивных оптических сетей – PON, сокращение от PassiveOpticalNetwork. Современная модификация PONназывается GPON, от Gigabit-capablePassiveOpticalNetworks. Ключевым элементом PON являются пассивные оптические разветвители (сплиттеры), не требующие электропитания и обслуживания, не боящиеся жары и даже влаги. Что называется – установил и забыл. Подробно про оптические сплиттеры можно почитать, например, на http://tehset.ru/2017/02/28/princip-raboty-opticheskogo-splittera-1×4-1×8-primer-ispolzovaniya-v-ork/. Таким образом строится полностью оптическая сеть от оператора до каждого абонента, причем не требующая никакого обслуживания. Абонент может находиться на расстоянии до 20 км, а при установке специального оборудования – до 60 км, что очень ценно для сельской местности. Еще для сельской местности ценна полная невосприимчивость световодов к наводкам от молний. Такие наводки доставили немало неприятностей абонентам уличных линий электросвязи, и среди этих неприятностей сгорание модема еще не самое страшное. Стандартная скорость интернета, предоставляемая по PON– 100 Мбит/с, но бывает и больше. Главный недостаток PON– сложность как первоначальной прокладки сети, так и подключения к сети новых абонентов, для работы с «оптикой» нужны специальные приборы и высокая квалификация. Поэтому доступ по PONобычно предоставляется телефонными сетями, которые имеют в своем распоряжении подземные коммуникации для прокладки кабеля (кабельную канализацию связи), квалифицированных монтеров и, главное, возможность размещения любого оборудования на АТС.

 

Допустим, современный высокоскоростной интернет дотянут до квартиры или собственного дома. Что дальше? Самый простой способ – поставить на входе дешевый роутер с Wi-Fi и на этом успокоиться. Но для требовательных пользователей интернета это не вариант, почему именно – подробнее поймем в следующем разделе. Идеально было бы протянуть от роутера витую пару ко всем основным потребителям интернета, которые есть в доме и имеют разъем RJ-45 – настольный компьютер, телевизор или телевизионная приставка, медиаплеер, игровая приставка и т.д. А Wi-Fi оставить только для смартфонов, планшетов и ноутбуков. Сама по себе прокладка витой пары несложна, но довольно сложно сделать так, чтобы она не нарушила эстетический вид помещений. Хорошо, если строители заранее проложили витую пару внутри стен, но это полностью решает проблему только если вы заранее сказали строителям, где у вас будут стоять подключенные к интернету устройства, роутер и, возможно, дополнительные точки доступа Wi-Fi для большого дома. Можно пользоваться полыми плинтусами, если на пути нет дверных порогов. В общем, эту проблему «последних метров» каждый решает для себя сам, хотя некоторые интернет-провайдеры могут в этом помочь за отдельную плату. Витая пара может быть незаменима и для подключения устройств в труднодоступных местах – например, камеры внешнего наблюдения или уличной точки доступа Wi-Fi– потому что допускает передачу не только информации, но и электропитания (т.н. PoweroverEthernet, сокращенно PoE).

 

Но если совсем нет желания возиться с прокладкой витой пары, то есть другое решение – адаптеры PowerLine или, что то же самое, HomePlugAV (или AV2). Такие адаптеры передают информацию прямо по электрической силовой сети 220 вольт, то есть как бы PoE наоборот. Они требовательны к качеству электропроводки, но в современных домах с этим обычно все хорошо. При наличии в розетках заземления скорость передачи информации может быть не хуже, чем по 8-жильной витой паре. Адаптеров должно быть как минимум два, но может быть и больше, тогда все они образуют единую локальную сеть. Бывают адаптеры, работающие по совместительству точкой доступа Wi-Fi, роутером, инжектором PoE. Способ подключения через PowerLine, возможно, не самый дешевый (комплект из двух адаптеров стоит несколько тысяч руб.), но может оказаться крайне удобным. Для экономии можно использовать PowerLine только там, где прокладка витой пары очень сложна. Следует помнить, что если в доме трехфазная проводка, то адаптеры могут связываться между собой только внутри одной фазы. Включать адаптеры Powerline надо прямо в розетку, в тройники и удлинители не рекомендуется, а в сетевые фильтры вообще бесполезно, адаптеры не будут работать (если сетевой фильтр качественный). Но если «на спине» у адаптера есть розетка, то в нее уже можно включать что угодно.

 

Наконец, для полноты картины и повышения общей эрудиции совсем кратко пробежимся по т.н. внутриблочным и межблочным соединителям. Из внутриблочных кабелей – живущих внутри корпусов компьютеров – до настоящего времени дожил, наверное, лишь SATA для жестких дисков (о проводах питания мы не говорим). Да и он применяется в основном для магнитных HDD, а современные твердотельные накопители SSD обычно вставляются прямо в специальный разъем на материнской плате. В больших корпусах компьютеров можно увидеть еще провода для подключения гнезд USB и гнезд для наушников/микрофона на передней панели корпуса.

 

Межблочные кабели – те, которые соединяют между собой устройства рядом друг с другом, на столе или максимум в пределах одной комнаты. Самый распространенный и универсальный из них тип (что отражено и в его названии «Universal Serial Bus») – USB, сейчас подключающий практически всё. Для подключения к компьютеру монитора используется кабель DVI или DisplayPort, телевизора или домашнего кинотеатра – HDMI или тот же DisplayPort. До сих пор живы и давно устаревшие кабели VGA для аналогового подключения электронно-лучевых мониторов, которых сейчас уже практически не осталось, но тем не менее на некоторых дешевых жидкокристаллических (плоских) мониторах можно обнаружить только такой разъём. Звуковоспроизводящая техника высокого класса подключается через кабель S/PDIF, который бывает оптическим или коаксиальным электрическим (пожалуй, это единственный пример применения оптического кабеля в быту), а обычные компьютерные колонки и микрофон – простым аналоговым трехжильным проводом. Витая пара тоже, разумеется, может использоваться для обмена информацией между близко расположенными устройствами, в таком случае короткий кусок витой пары с разъемами называется «патч-корд». Такие патч-корды можно купить в готовом виде в компьютерных магазинах, если лень делать самому (другие кабели самому сделать, скорее всего, не получится, да и для витой пары нужен специальный инструмент). Из уважения к ветерану можно упомянуть предка USB– последовательный COM-порт RS-232, который когда-то был единственным интерфейсом между компьютерами (модемы тоже подключались через него), но сейчас уходит на заслуженный отдых. Ну и, конечно, провод для подключения наушников, если наушники не беспроводные. Именно от этого провода обычно хочется избавиться больше всего, о чем мы упомянем в следующем разделе.


Раздел 4. Свободный полет (беспроводная связь).

Чем можно заменить кабели, с которыми столько мороки? Конечно, на ум сразу приходят радиоволны. И правильно, в основном именно с помощью радиоволн происходит беспроводная передача информации. Радиоволны – это электромагнитные волны, но не все, а только не слишком высокой частоты, до 3000 ГГц. Для нас достаточно понимать, что радиоволны – это такие электромагнитные волны, которые посылаются и принимаются при помощи антенн. В отличие от, например, инфракрасного или видимого света, который тоже представляет собой электромагнитные волны, но более высокой частоты.

 

Радиоволны очень удобны, но у них есть два недостатка, вытекающих из их же достоинств. Поскольку распространяются они везде, а не только по проводу, то разные радиоканалы могут мешать друг другу. А второй недостаток – радиоволны не ощутимы, но начиная с некоторой мощности могут нанести серьезный вред здоровью. Все мы знаем на примере обычной кухонной СВЧ-печи, на что способно мощное радиоизлучение. Поэтому, кстати, мы вряд ли когда-нибудь избавимся от электрических «силовых» проводов для передачи не информации, а энергии.

 

Для борьбы с этими недостатками в каждой стране существует государственная система регулирования использования радиоволн, которая определяет разрешенные для использования радиочастоты, а также максимальную мощность радиоволн на этих частотах. Причем разную мощность для разных устройств — если максимальная мощность передатчика сотового телефона сейчас 0,75 ватт, то мощность передатчика сотовой вышки на тех же частотах может достигать нескольких десятков ватт. Максимальная мощность регулируется не только для сохранения здоровья, а еще и для того, чтобы разные радиоканалы гарантированно не мешали друг другу при некотором минимальном расстоянии между ними, и даже из соображений информационной или финансовой безопасности. Например, не очень хорошо, если для оплаты покупок смартфоном на кассе его даже не нужно было бы вытаскивать из кармана.

 

В России регулированием использования радиоволн занимаетсяГосударственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ), в США — FederalCommunicationsCommission(FCC), последнее сокращение вы можете видеть на упаковках многих устройств. Во всем мире это регулирование координирует Международный союз электросвязи. Для примера приведем разрешенные в России до недавнего времени частоты и мощности Wi-Fi: частоты2400–2483,5 МГц, 5150 –5350 МГци5650 –6425 МГц, максимальная мощность 100 милливатт  (мощность в принципе можно увеличивать, но по согласованию со специальными службами).

 

Реально устройства используют для связи друг с другом не весь разрешенный диапазон частот, а только его некоторую часть, называемую каналом. Разница между верхней и нижней частотой канала называется шириной канала. Например, в LTE(4G) ширина канала может быть до 20 МГц. Могут использоваться и несколько каналов одновременно.

 

Свободных частот и мощностей всегда не хватает, за них разгорается нешуточная борьба. Поэтому связистами применяются, а математиками разрабатываются все более изощренные алгоритмы кодирования сигналов, позволяющие «упаковать» в доступный радиодиапазон как можно больше передаваемой информации – то есть повысить т.н. спектральную эффективность канала. Многие из этих алгоритмов были теоретически известны уже давно, но на практике не могли раньше использоваться из-за недостаточной мощности процессоров в устройствах связи. Спектральная эффективность современных систем связи доходит почти до 5бит/с на 1 Гц, то есть 100 Мбит/с на один канал шириной 20 МГц.

 

Теперь перейдем к конкретным вещам. Наверное, самый знакомый нам и самый нужный вид беспроводной связи – это сотовая телефония, официально называющаяся системой сотовой радиотелефонной связи. Первые радиотелефоны передавали сигнал по аналоговому радиоканалу и по сути были сильно усовершенствованными радиостанциями. С 1991 года началось внедрение стандарта цифровой сотовой связи GSM, и слово «радиотелефон» стало выходить из употребления по отношению к сотовым телефонам. «Радиотелефоном» называют теперь обычный телефон, подключенный к стационарной телефонной сети, но имеющий телефонную трубку с беспроводным подключением к базе, обычно по стандарту DECT. Мы сейчас упомянули такие телефоны и больше о них говорить не будем, поскольку никакую информацию, кроме чисто телефонной между базой и трубкой, они обычно не передают.

 

Сам по себе стандарт голосовой связи, GSM, со своего зарождения мало изменился, поскольку говорить намного быстрее мы не стали. Но сильно эволюционировали «надстройки» над GSM для передачи данных (не кодированной речи, а любых данных), то есть мобильного доступа в интернет. Обозначения поколений связи 2G, 3G, 4G, или более мудреные GPRS, EDGE, WCDMA, UMTS, HSPA, LTE относятся к этим надстройкам, которые уже имеют малое отношение к первоначальному GSM. Например, одновременная работа LTE и GSM вообще невозможна на телефоне с одним радиомодулем (таких телефонов подавляющее большинство), поэтому при разговоре с 4G телефон переключается на 3G. В сети 4G при благоприятных  условиях скорость интернета уже сравнима с теми скоростями, которые предлагают стационарные провайдеры, а если стационарный провайдер работает через ADSL, то мобильный интернет  может быть и намного быстрее. Тем не менее в городах, как правило, пользоваться мобильным интернетом как основным в доме неэкономично, да и скорость мобильного интернета очень сильно зависит от нагрузки на ближайшую сотовую вышку. Но в сельской местности альтернативы мобильному интернету может не быть вообще. Для таких случаев есть роутеры со встроенным 4G(LTE), которые могут заодно обеспечить в доме и Wi-Fi. Хороший роутер с внешними антеннами может поймать сигнал 4G там, где обычный мобильный телефон увидит только 2G, а если все-таки не поймает 4G, то переключится на 3G.

 

Для полноты картины следует упомянуть отличный от GSM стандарт сотовой связи CDMA, изначально в чем-то более прогрессивный, чем GSM, но по ряду причин сейчас не оставшийся в России, да и во многих других странах сдающий свои позиции. Перспективы еще одного промелькнувшего в России стандарта WiMax также не ясны, если он и останется, то вряд ли в мобильной связи. Сейчас говорят о грядущем приходе 5G, но пока в продаже устройств этого стандарта нет, и российские сотовые операторы начнут работать в этом стандарте вряд ли раньше 2022 года.

 

Сотовым вышкам, так же как и АТС, надо соединяться не только с телефонами абонентов, но и друг с другом. Хорошо, когда вышки можно соединить волоконно-оптической линией связи. Но это может быть неудобно и невыгодно, поскольку вышек гораздо больше, чем АТС. Тогда применяют радиорелейные линии связи – может быть, вы видели на сотовых вышках круглые антенны, примерно такие, как на картинке по ссылкеhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Радиорелейная_связь. Вообще радиорелейная связь используется не только для связи сотовых вышек, но в быту она не применяется.

 

Следующее, что мы можем вспомнить в связи с радиоволнами, после сотовой связи – транслирование «в эфире» радиопередач (фактически остался только диапазон УКВ/FM) и телевизионных программ. Но данные технологии пока обеспечивают связь только в одну сторону и к интернету отношения не имеют. Можно упомянуть как исторический курьез существовавшую некоторое время систему «эфирного интернета». В этой системе информация к пользователю передавалась через обычную телевизионную ДМВ антенну с телевизионной мачты, а вот информация от пользователя должна была передаваться по какому-нибудь другому каналу. Не сказать, чтобы это было удобно, особенно если никакого другого канала не было. Правда, сравнительно недавно появились новости об использовании телевизионных частот для передачи данных, см. https://xakep.ru/2011/11/17/57821/, но о примерах применения этой технологии, по крайней мере в нашей стране, пока не слышно.

 

В связи с телевидением можно вспомнить также спутниковые «тарелки» на домах. И это уже интереснее, поскольку операторы спутникового телевидения дают возможность не только смотреть множество телевизионных программ, но и подключаться к интернету. Правда, в отличие от телевидения, стоит такое удовольствие недешево, но в местах, где нет даже сотовой связи, выбирать не приходится. Интересующиеся могут почитать об этом, например, на https://ru.wikipedia.org/wiki/Спутниковый_Интернет,хотя это статья уже довольно сильно устарела, сейчас российские провайдеры спутникового интернета предлагают скорости в несколько десятков Мбит/с..

 

Самый дорогой вид связи при помощи радиоволн — спутниковые телефоны. Это один из видов мобильной связи, наряду с сотовой связью. Операторов спутниковой связи в мире несколько, и некоторые из них предоставляют сравнительно быстрый (по отношению к остальным) интернет, несколько сотен кбит/с – правда, не через телефон, а с помощью специального переносного терминала. Но на полноценное подключение к интернету мобильная спутниковая связь не рассчитана, потому что у переносных телефонов и терминалов слишком маленькие антенны, которые к тому же совсем не обязательно направлены на спутник.

 

Спутниковая связь имеет дело с самыми большими расстояниями. А на самых маленьких расстояниях, не более 10 см, работает технология NFC(NearFieldCommunication). Она применяется, например, в бесконтактных проездных или банковских картах, при оплате смартфоном на кассовом терминале.

 

На несколько большее расстояние, обычно до 10 метров, рассчитана технология Bluetooth. Она соединяет устройства для решения каких-либо конкретных задач, например, передачи звука к наушникам или сигнала от мышки к компьютеру. Задача определяется т.н. профилем Bluetooth. Мощность сигнала Bluetooth, как правило, совсем невелика, и возможно, что подключенные через Bluetoothнаушники не будут работать в соседней с передатчиком комнате. С какой-то точки зрения это и хорошо, поскольку Bluetooth использует тот же диапазон частот 2.4 ГГц, что и один из диапазонов Wi-Fi и может создавать для Wi-Fi помехи. Да и аккумулятора хватает надолго.

 

Наконец про известный всем Wi-Fi. Это общеупотребительная технология создания с помощью радиосвязи полноценной локальной сети (LAN, т.е. LocalAreaNetwork), наряду с витой парой. В отличие от Bluetooth, сеть имеет свое имя (SSID), все устройства в сети Wi-Fi имеют свой IP-адрес и могут передавать кому угодно информацию какого угодно сорта. Устройства соединяются только со специально предназначенными для этого приемопередатчиками – точками доступа, которые уже дальше передают информацию по назначению. Это называется «режим инфраструктуры». В LAN есть роутер, который следит за порядком в локальной сети, назначает внутри сети IP-адреса, обеспечивает связь LAN с глобальным интернетом. Бытовой роутер обычно совмещен с точкой доступа Wi-Fi, которая в квартире почти всегда является единственной точкой доступа.

 

В принципе, некоторые устройства могут связываться между собой по технологии Wi-Fi не через точки доступа, а напрямую. Раньше такой режим назывался «AdHoc» (когда точек доступа не было вообще). но он уже выходит из употребления, заменяясь более современным Wi-Fi Direct, когда одно из соединенных устройств как бы изображает точку доступа. Такой способ соединения не образует полноценной локальной сети и скорее призван заменить Bluetooth, но в силу большей мощности сигнала, чем у Bluetooth, он создаст и бОльшие помехи другим соединениям Wi-Fi.

 

Скорость передачи информации современными устройствами по Wi-Fi может теоретически достигать нескольких Гбит/с, но для таких скоростей нужно несколько внешних антенн, чего нет, например, у смартфонов. Но и смартфоны могут подключаться к Wi-Fi со скоростью за 100 Мбит/с, что более чем достаточно. Дальность действия Wi-Fi на открытой местности теоретически может достигать нескольких сотен метров – опять же, с несколькими внешними антеннами, и на минимальной скорости. На нескольких десятках метров прямой видимости и смартфон подключится по Wi-Fi с приличной скоростью, если точка доступа современная. Но именно прямой видимости, даже деревянные стены ухудшают распространение сигнала Wi-Fi, а пара железобетонных стен может стать для Wi-Fi непреодолимой преградой. Еще одно важное условие идеальной связи по Wi-Fi– отсутствие помех. А помехами могут быть могут быть другие устройства в той же сети Wi-Fi, свои соединения Wi-Fi Direct и Bluetooth, Wi-Fi соседей, даже микроволновая печка. Для уменьшения помех можно пользоваться диапазоном 5 ГГц вместо общеупотребительного 2.4 Ггц, на 5 ГГц и теоретические скорости больше, но у этого диапазона другая проблема – гораздо худшее прохождение сигнала через стены.

 

В общем, для большого дома и уж тем более для больших офисов или общественных зданий одной точки доступа Wi-Fi будет явно мало. По-хорошему надо ставить несколько точек доступа и соединять их с главным роутером витой парой или даже оптоволокном для больших общественных зданий, а на худой конец, если точек немного – через PowerLine. Причем вся эта система для максимального комфорта пользователей должна обеспечивать автоматическое переключение клиента на ту точку доступа, с которой у клиента в данный момент наилучшая связь – т.н. бесшовный Wi-Fi роуминг. Системы, обеспечивающие такой роуминг, относятся уже к профессиональному классу и имеют соответствующую цену. Без Wi-Fi роуминга пользователь должен при хождении по зданию переключаться вручную на ближайшую точку доступа, что, согласитесь, не слишком удобно. Иначе его смартфон или ноутбук будет, скорее всего, до последнего цепляться за ту точку доступа, с которой он первоначально связался, даже если скорость соединения упадет до 1 Мбит/с.

 

Для решения локальной задачи «добивания» Wi-Fi до какого-то далекого места в доме можно купить еще одну точку доступа, перевести ее в режим повторителя (репитера) и повесить где-то на полпути между главным роутером и тем самым далеким местом. Или купить просто повторитель – точку доступа, которая работает только в таком режиме. При этом новую точку доступа ни к чему подключать не придется, кроме электрической розетки для питания. Для клиентов Wi-Fi это та же самая сеть, никаких обрывов связи при перемещении по дому не будет. Просто и дешево, но при этом по понятным причинам скорость соединения падает – ведь для соединения повторителя с главным роутером используются те же каналы Wi-Fi, что и для соединения с клиентами, а емкость этих каналов не безгранична. Поэтому несколько таких повторителей ставить может быть уже бессмысленно. Существуют еще режимы работы точек доступа «мост» и «клиент», но их применение специфично и мы их рассматривать не будем.

 

Короче, Wi-Fi в доме работает прекрасно, если расстояния небольшие, железобетонных стен на пути нет, ближайшие соседи своим Wi-Fi не мешают, и в доме пользователей Wi-Fi не слишком много.

 

В этом разделе мы все время говорили о радиоволнах. Но существует и беспроводная связь с помощью инфракрасных волн. Когда-то наличие инфракрасного порта связи считалось хорошим тоном для телефона, но потом появились гораздо более удобные и скоростные технологии. Остались пульты к телевизорам, хотя современные устройства могут соединяться со своим пультом через Bluetoothили Wi-Fi. И остался не очень большой выбор беспроводных наушников с инфракрасной связью. Вообще сами по себе инфракрасные волны могут обеспечить очень высокую скорость передачи информации, как мы помним, из-за их очень высокой частоты. Но для больших скоростей с учетом неизбежных помех нужны и большие мощности излучения, которые могут оказаться опасными для здоровья. Поэтому высокоскоростная инфракрасная связь «по воздуху» в быту сейчас не применяется. Но активно применяется в магистральных линиях связи, причем очень удачно дополняя радиорелейные линии. Фишка в том, что радиорелейные линии не любят дождя, но терпимо относятся к туману, а инфракрасные линии не работают при сильном тумане, но дождь им не особо мешает. Интересующиеся могут узнать детали на https://ru.wikipedia.org/wiki/FSO_(технология).

 

Раздел 5. А кто его знает, чего он мигает (LiFi).

Вернемся еще раз к пульту от телевизора или инфракрасному порту телефона. Там есть инфракрасный светодиод, и модулированием (изменением) силы света этого диода передается информация на фотоприемник телевизора или другого устройства. Передается не слишком быстро, потому что диод мощным быть не может. Если излучение мощного инфракрасного светодиода (и уж тем более лазера) случайно попадет в глаз, то глаз не зажмурится и не сожмет зрачок, потому что инфракрасный свет глазу не виден, и вполне возможен ожог сетчатки. Примерно то же происходит при пользовании плохими солнечными очками, только там ожог сетчатки вызывается не инфракрасным светом, а солнечным ультрафиолетом.

 

Вы спросите — а почему нельзя передавать информацию с помощью светодиода, излучающего видимый свет? Ведь такие светодиоды гораздо безопаснее для глаз, а фотоприемник вполне может и видимый свет принимать. Если мигание светодиода будет происходить очень часто (что и требуется для высокоскоростной передачи информации), то глаз такого мигания не заметит и дискомфорта от мигания не почувствует. А частота видимого света еще больше, значит, и скорость передачи информации выше.

 

Еще сравнительно недавно вам бы ответили – ха, а где вы видели такие светодиоды достаточной мощности? Свет из окна или настольная лампа сделают световую связь невозможной или очень медленной. Но теперь этот ответ неверный, поскольку лампочки накаливания и газосветные лампы повсеместно заменяются именно светодиодными лампочками. В 2011 году ученый Харальд Хаас вуниверситете Эдинбурга сумел передать информацию со скоростью 100 Мбит/с при помощи стандартной бюджетной светодиодной лампы. С этого времени появился стандартный термин Li-Fi, хотя исследования по передаче информации с помощью видимого света были начаты раньше. Чуть подробнее про это можно почитать по ссылкам https://ru.wikipedia.org/wiki/Li-Fiиhttps://ru.wikipedia.org/wiki/VLC_(технология_передачи_данных), еще подробнее — http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_121_7.pdf. Про современное состояние дел с Li-Fi можно почитать, например, по ссылкам https://habr.com/post/391011/иhttp://news.ifmo.ru/ru/news/6805/.

 

Мощные светодиоды массово применяются не только в лампочках. Подсветка экранов телевизоров, мониторов и смартфонов – это сейчас тоже светодиоды (только в экранах OLED это не подсветка для работы жидкокристаллических ячеек, а сам свет). Интересно, что идею передачи информации через светодиодную подсветку дисплеев предложили еще в 2007 году, до появления Li-Fi, хотя по сути это тот же Li-Fi– см. предыдущую ссылку или https://3dnews.ru/271278. Вспышки камер смартфонов – тоже светодиоды, которые в принципе могут быть использованы для передачи информации.

 

Да и на автомобилях сейчас тоже ставят светодиоды, если не в фарах, то уж в габаритных огнях, поворотниках и стоп-сигналах точно. Поскольку все больше говорят о беспилотных автомобилях, то обмен информацией между автомобилями становится очень актуальным, и светодиоды в этом могут помочь, см. https://www.ets-electro.ru/news/peredacha-dannykh-s-pomoshchyu-svetodiodov/. Например, едущий впереди автомобиль будет передавать задним соседям свою скорость, планы на перестроение и торможение, что повысит предсказуемость маневров и, следовательно, безопасность движения. И светодиодные светофоры могут передавать информацию автомобилям.

 

У Li-Fi много преимуществ – очень большая скорость передачи данных и, соответственно, возможность одновременного подключения многих устройств, нечувствительность к помехам из соседних помещений, отсутствие опасных для другого оборудования радиопомех (что делает возможным, например, использование Li-Fi в самолетах и операционных), сложность перехвата информации. Но есть и недостатки. Во-первых, на улице при дневном свете использование Li-Fiс высокой скоростью передачи данных может быть проблематично. Во-вторых, дальность связи от одной «точки доступа» ограничивается, вообще говоря, только одним помещением. Хотя если не закрывать двери, то через отраженный свет можно связываться и с соседним помещением, но скорость такой связи будет уже заметно ниже. В-третьих, использование Li-Fi невозможно в темноте, то есть ночью в спальне Li-Fi работать не должен. В общем, не всегда Li-Fi сможет заменить Wi-Fi.

 

Светодиодная лампочка может передавать информацию на подключенное к Li-Fi устройство, но не может ее принимать. Поэтому для передачи информации от устройства в сеть (это называется «обратный канал») нужно либо устанавливать фотоприемник вместе с лампочкой, либо передавать сигнал каким-то другим способом, например, через Wi-Fi. Но Wi-Fi вполне с этим справится, поскольку объем принимаемой из сети информации (по «прямому каналу») гораздо больше, чем передаваемой по обратному каналу. У очень многих интернет-провайдеров скорость обратного канала заметно ниже, чем прямого, и это нормально.


см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Li-Fi

https://3dnews.ru/271278

https://www.ets-electro.ru/news/peredacha-dannykh-s-pomoshchyu-svetodiodov/

http://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_121_7.pdf

Задание

Вопросы к разделу 1

  1. Перечислите устройства в вашем доме, которые уже подключены или могут быть подключены к интернету.
  2. Перечислите устройства в вашем доме, которые получают или передают информацию не через интернет.
  3. Если вы смотрели фильмы про Великую отечественную войну, вспомните и напишите, какие средства связи там показывались.

Вопросы к разделу 2

  1. Возьмите какую-нибудь книгу и посчитайте, сколько примерно байт информации в ней содержится. Сколько времени займет передача этой книги по каналу связи со скоростью 100 Мбит/с?
  2. Возьмите какой-нибудь файл формата .jpeg(.jpg) и оцените эффективность алгоритма сжатия исходя из размера файла, количества пикселей и числа бит на каждый пиксель (глубины цвета). Информацию о количестве пикселей и глубине цвета можно посмотреть в окне свойств файла (в Windowsэто окно открывается через меню при нажатии правой кнопкой мыши на файл) на вкладке «Подробно». Если на вашем компьютере установлен архиватор, попробуйте сжать этот файл и объясните результат.
  3. Воспроизведение звука, записанного в CD-качестве, требует для каждого стереоканала (левого и правого) передачи 16-битного числа 44100 раз в секунду. Какая скорость передачи информации необходима для этого? Оцените эффективность алгоритма сжатия звука mp3 исходя из того, что при битрейте сжатого в mp3 звука 256 кбит/с разницу между «сжатым» и «несжатым» звуком не могут почувствовать даже многие эксперты (https://ru.wikipedia.org/wiki/MP3).

Вопросы к разделу 3

  1. Знаете ли вы, где находится ближайшая к вам АТС? Если знаете, то какое примерно расстояние от нее до вашего дома?
  2. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение имеют намного более высокие частоты, чем применяемый в волоконно-оптических линиях инфракрасный свет, и могли бы поэтому теоретически обеспечить еще бОльшую скорость передачи информации. Почему на практике они для этого не применяются?
  3. Если вы видели провода, натянутые между крышами городских домов, то как вы думаете, для чего они?
  4. Что еще не перечислено среди межблочных кабелей?

Вопросы к разделу 4

  1. Если в вашей местности стационарная телефонная сеть предоставляет доступ в интернет, попробуйте сравнить ее тарифы на безлимитный интернет с тарифами сотовых операторов и выяснить, какое подключение к интернету выгоднее. А какое быстрее?
  2. Попробуйте дополнить перечень применяемых в быту видов беспроводной связи.
  3. Если у вас есть устройство с Wi-Fi, посчитайте, сколько видно доступных сетей Wi-Fiв вашей квартире. Попробуйте сравнить скорость соединения по Wi-Fi рядом с роутером и в самой дальней от него комнате.

ЗАДАНИЯ К КУРСУ

Пока еще технология Li-Fi находится в стадии разработки. Предлагаю вам попробовать внести свой вклад в эту разработку и решить несколько технических проблем.

 

  1. Можно сделать «обратный канал» в Li-Fi тоже с помощью света, т.е. подключенное к Li-Fi устройство каким-то образом излучает и модулирует свет, который принимается подключенным к LAN фотоприемником. Предложите варианты того, как разным устройствам (смартфонам, планшетам, ноутбукам и т.п.) для этого излучать световой сигнал. По возможности предложите несколько вариантов, опишите достоинства и недостатки каждого варианта, в том числе по отношению к «обратному каналу» через Wi-Fi. Укажите лучшие по вашему мнению варианты. Укажите, где при этом лучше размещать фотоприемник или несколько фотоприемников.
  2. Чтобы светодиодная лампочка передавала своим светом информацию, надо до нее эту информацию как-то донести, т.е. подключить ее к LAN. Каким образом это можно сделать? Предложите по возможности несколько вариантов, опишите достоинства и недостатки каждого варианта, укажите лучшие по вашему мнению варианты. Если вы считаете, что фотоприемник для «обратного канала» надо размещать отдельно от лампочки, предложите и варианты подключения к LAN фотоприемника или нескольких фотоприемников.
  3. Вам необходимо сконструировать наушники с микрофоном (гарнитуру), в которых можно слушать музыку с хорошим качеством звука и можно говорить по Skype, WhatsApp или другому мессенджеру. Гарнитура должна быть беспроводной и работать как у дисплея компьютера, так и в других комнатах дома, чтобы можно было ходить во время разговора. Предложите, как бы вы стали применять Li-Fi для решения такой задачи, желательно с подробностями (например, места расположения на гарнитуре фотоприемников и светоизлучателей, если они нужны). Укажите достоинства и недостатки вашего предложения, в том числе с точки зрения расхода энергии аккумуляторов. Можно, но не обязательно, указать несколько вариантов.
  4. Допустим, что вы разработчик системы Li-Fi, который представляет свою разработку потенциальным потребителям. Решите, где будет очевидная польза от внедрения Li-Fi, то есть кому надо представлять разработку в первую очередь. Обоснуйте ваше решение с точки зрения того, почему традиционные решения организации LAN(витая пара, Wi-Fi) в данных случаях невозможны или гораздо хуже Li-Fi. Подумайте при этом и об «узких местах», не относящихся собственно к Li-Fi, но снижающих эффективность его использования. Например, если Li-Fi установить на океанском лайнере, то все его пассажиры в любом случае не смогут пользоваться интернетом на нормальной скорости, потому что не хватит мощности корабельного спутникового канала доступа в интернет. Укажите не более пяти возможных вариантов потребителей.

 

При решении заданий не задумывайтесь о том, как внутри LAN доставлять информацию в нужное место, это задача разработчиков сетевых протоколов.

 

Решения всех заданий необходимо записать в одном файле документа MicrosoftWord(.docили .docx) или презентации MicrosoftPowerPoint(.pptили .pptx) или .pdf. В этом же файле перед решением заданий запишите ответы на вопросы к разделам 1–4. Рекомендуется ответить на эти вопросы до выполнения заданий, чтобы лучше понять материал. Если вы не сможете выполнить все задания, то, конечно, не получите высокую оценку, но если при этом содержательно ответите на вопросы, то не получите и очень низкую. Если вы уверены, что хорошо выполнили все задания к курсу, на вопросы к разделам можете не отвечать, они для вас слишком легкие.

 

Главные критерии оценки работ – подробность, обоснованность и реальность предлагаемых решений заданий. Оригинальность приветствуется, но не старайтесь ее проявлять во что бы то ни стало, если полагаете, что лучше подходят стандартные решения.

 

При ответах на вопросы и выполнении заданий вы можете пользоваться любыми источниками информации, обращаться за помощью к родителям, бабушкам и дедушкам, учителям, старшим товарищам и т.д. Но окончательный текст должны писать вы сами. Картинки можно брать из интернета, если они необходимы вам для иллюстрации своих решений, картинки «для красоты» не обязательны. Допускаются цитаты с указанием источников, но не стоит копировать из интернета готовые тексты и выдавать их за свои, это очень легко проверяется и за такие тексты не будет поставлено больше 1 балла. Плохо также, когда тексты двух и более слушателей полностью или почти полностью совпадают, если явно не обозначена коллективная работа.


За идею курса автор выражает благодарность Григорию Семеновичу Соколовскому, руководителю лаборатории интегральной оптики на гетероструктурах Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук. Этот институт внес свой вклад во многие достижения, о которых здесь рассказывается.