Значит скорость передачи данных. Пропускная способность каналов связи

Думаете, скорость вашего широкополосного подключения к интернету быстрая? Осторожно, после прочтения данной статьи ваше отношение к слову "быстро" относительно передачи данных может сильно измениться. Представьте объем вашего жесткого диска на компьютере и определитесь, какая скорость его заполнения является быстрой -1 Гбит/с или может быть 100 Гбит/с, тогда 1 терабайтный диск заполнится уже через 10 сек? Если бы книга рекордов Гиннеса констатировала рекорды по скорости передачи информации, то ей бы пришлось обработать все приведенные далее эксперименты.

В конце ХХ в., то есть еще относительно недавно, скорости в магистральных каналах связи не превышали десятков Гбит/с. В то же время пользователи интернета с помощью телефонных линий и модемов наслаждались скоростью в десятки килобит в секунду. Интернет был по карточкам и цены за услугу были немаленькие - тарифы приводились, как правило, в у.е. На загрузку одной картинки порой даже уходило несколько часов и как точно подметил один из пользователей интернета того времени: "Это был интернет, когда за одну ночь можно было только несколько женщин в интернете посмотреть". Такая скорость передачи данных медленная? Возможно. Однако стоит помнить, что все в мире относительно. Например, если бы сейчас был 1839 г., то неким подобием интернета для нас бы представляла самая протяженная в мире оптическая телеграфная линии связи Петербург-Варшава. Длина этой линии связи для ХIХ века кажется просто заоблачной - 1200 км, состоит она из 150 ретранслирующих транзитных вышек. Любой гражданин может воспользоваться этой линией и послать "оптическую" телеграмму. Скорость "колоссальная" - 45 символов на расстояние 1200 км можно передать всего за 22 минуты, никакая конная почтовая связь здесь и рядом не стояла!

Вернемся в ХХI век и посмотрим, что в сравнении с описанными выше временами мы сегодня имеем. Минимальные тарифы у крупных провайдеров проводного интернета исчисляются уже не единицами, а несколькими десятками Мбит/с; смотреть видео с разрешением менее 480pi мы не уже хотим, такое качество картинки нас уже не устраивает.

Посмотрим среднюю скорость интернета в разных странах мира. Представленные результаты составлены CDN-провайдером Akamai Technologies. Как видно, даже в республике Парагвай уже в 2015 году средняя скорость соединения по стране превышала 1.5 Мбит/с (кстати, Парагвай имеет близкий для нас русских по транслитерации домен - *.py).

На сегодняшний день средняя скорость интернет соединений в мире составляет 6.3 Мбит/с . Наибольшая средняя скорость наблюдается в Южной Корее 28.6 Мбит/с, на втором месте Норвегия -23.5 Мбит/с, на третьем Швеция - 22.5 Мбит/с. Ниже приведена диаграмма, показывающая среднюю скорость интернета по лидирующим в этом показателе странам на начало 2017 года.

Хронология мировых рекордов скоростей передачи данных

Поскольку сегодня неоспоримым рекордсменом по дальности и скорости передачи являются волоконно-оптические системы передачи, акцент будет делаться именно на них.

С каких скоростей все начиналось? После многочисленных исследований в период с 1975 по 1980 гг. появилась первая коммерческая волоконно-оптическая система, работающая с излучением на длине волны 0,8 мкм на полупроводниковом лазере на основе арсенида галлия.

22 апреля 1977 года в Лонг-Бич, штат Калифорния, компания General Telephone and Electronics впервые использовала оптический канал для передачи телефонного трафика на скорости 6 Мбит/с . При такой скорости, можно организовать одновременную передачу до 94 простейших цифровых телефонных каналов.

Максимальная скорость оптических систем передачи в экспериментальных исследовательских установках этого времени доходило до 45 Мбит/с , максимальное расстояние между регенераторами - 10 км .

В начале 1980-х передача светового сигнала проходила в многомодовых волокнах уже на длине волны 1,3 мкм с помощью InGaAsP-лазеров. Максимальная скорость передачи была ограничена значением 100 Мбит/с вследствие дисперсии.

При использовании одномодовых ОВ в 1981 году при лабораторных испытаниях добились рекордной для того времени скорости передачи 2 Гбит/с на расстоянии 44 км .

Коммерческое внедрение таких систем в 1987 году обеспечивало скорость до 1,7 Гбит/с с протяженностью трассы 50 км .

Как можно было заметить, оценивать рекорд системы связи стоит не только по скорости передачи, здесь также крайне важно на какое расстояние данная система способна обеспечить данную скорость. Поэтому для характеристики систем связи обычно пользуются произведением общей пропускной способности системы B [бит/с] на ее дальность L [км].

В 2001 году при применении технологии спектрального уплотнения была достигнута скорость передачи 10,92 Тбит/с (273 оптических канала по 40 Гбит/с), но дальность передачи была ограничена значением 117 км (B∙L = 1278 Тбит/с∙км).

В этом же году был проведен эксперимент по организации 300 каналов со скоростью 11,6 Гбит/с каждый (общая пропускная способность 3.48 Тбит/с ), длина линии составила свыше 7380 км (B∙L = 25 680 Тбит/с∙км).

В 2002 г. была построена межконтинентальная оптическая линия протяженностью 250 000 км с общей пропускной способностью 2.56 Тбит/с (64 WDM канала по 10 Гбит/с, трансатлантический кабель содержал 4 пары волокон).

Теперь с помощью единственного оптоволокна можно одновременно передавать 3 миллиона! телефонных сигналов или 90 000 сигналов телевидения.

В 2006 г. Nippon Telegraph и Telephone Corporation организовали скорость передачи 14 триллион бит в секунду (14 Тбит/с ) по одному оптическому волокну при длине линии 160 км (B∙L = 2240 Тбит/с∙км).

В этом эксперименте они публично продемонстрировали передачу за одну секунду 140 цифровых HD фильмов. Величина 14 Тбит/с появилась в результате объединения 140 каналов по 111 Гбит/с каждый. Использовалось мультиплексирование с разделением по длине волны, а также поляризационное уплотнение.

В 2009 г. Bell Labs достигли параметра B∙L = 100 пета бит в секунду умножить на километр, преодолев, таким образом, барьер в 100 000 Тбит/с∙км.

Для достижения таких рекордных результатов исследователи из лаборатории Bell Labs в Villarceaux, Франция, использовали 155 лазеров, каждый из которых работает на своей частоте и осуществляет передачу данных на скорости 100 Гигабит в секунду. Передача осуществлялась через сеть регенераторов, среднее расстояние между которыми составляло 90 км. Мультиплексирование 155 оптических канала по 100 Гбит/с позволило обеспечить общую пропускную способность 15,5 Тбит/с на расстоянии 7000 км . Чтобы осмыслить значение этой скорости, представьте, что идет передача данных из Екатеринбурга во Владивосток со скоростью 400 DVD-дисков в секунду.

В 2010 г. NTT Network Innovation Laboratories добились рекорда скорости передачи 69.1 терабит в секунду по одному 240-километровому оптическому волокну. Используя технологию волнового мультиплексирования (WDM), они мультиплексировали 432 потока (частотный интервал составил 25 ГГц) с канальной скоростью 171 Гбит/с каждый.

В эксперименте применялись когерентные приемники, усилители с низким уровнем собственных шумов и с ультра-широкополосным усилением в С и в расширенном L диапазонах. В сочетании с модуляцией QAM-16 и поляризационного мультиплексирования, получилось достичь значения спектральной эффективности 6.4 бит/с/Гц.

На графике ниже видна тенденция развития волоконно-оптических систем связи на протяжении 35 лет с начала их появления.

Из данного графика возникает вопрос: "а что дальше?" Каким образом можно еще в разы повысить скорость и дальность передачи?

В 2011 г. мировой рекорд пропускной способности установила компания NEC, передав более 100 терабит информации в секунду по одному оптическому волокну. Этого объема данных, переданного за 1 секунду, достаточно, чтобы просматривать HD фильмы непрерывно в течение трех месяцев. Или это эквивалентно передаче за секунду содержимого 250 двухсторонних Blu-ray дисков.

101,7 терабит были переданы за секунду на расстояние 165 километров с помощью мультиплексирования 370 оптических каналов, каждый из которых имел скорость 273 Гбит/с.

В этом же году National Institute of Information and Communications Technology (Токио, Япония) сообщил о достижении 100-терабного порога скорости передачи посредством применения многосердцевинных ОВ. Вместо того чтобы использовать волокно только с одной световедущей жилой, как это происходит современных коммерческих сетях, команда использовали волокно с семью сердцевинами. По каждой из них осуществлялась передача со скоростью 15.6 Тбит/с, таким образом, общая пропускная способность достигла 109 терабит в секунду.

Как заявили тогда исследователи, использование многосердцевинных волокон пока является достаточно сложным процессом. Они имеют большое затухание и критичны к взаимным помехам, поэтому сильно ограничены по дальности передачи. Первое применение таких 100 терабитных систем будет внутри гигантских центров обработки данных компаний Google, Facebook и Amazon.

В 2011 г. команда ученых из Германии из технологического института Karlsruhe Institute of Technology (KIT) без использования технологии xWDM передала данные по одному ОВ со скоростью 26 терабит в секунду на расстояние 50 км . Это эквивалентно передачи в одном канале одновременно 700 DVD-дисков в секунду или 400 миллионов телефонных сигналов.

Начали появляться новые услуги, такие как облачные вычисления, трехмерное телевидение высокой четкости и приложения виртуальной реальности, что опять требовало беспрецедентной высокой емкости оптического канала. Для решения этой проблемы исследователи из Германии продемонстрировали применение схемы оптического быстрого преобразования Фурье для кодирования и передачи потоков данных со скоростью 26.0 Тбит/с. Для организации такой высокой скорости передачи была использована не просто классическая технология xWDM, а оптическое мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) и соответственно декодирование оптических OFDM потоков.

В 2012 г. японская корпорация NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) и три ее партнера: фирма Fujikura Ltd., университет Hokkaido University и университет Technical University of Denmark установили мировой рекорд пропускной способности, передав 1000 терабит (1 Пбит / с ) информации в секунду по одному оптическому волокну на расстояние 52.4 км . Передача одного петабита в секунду эквивалентна передаче 5000 двухчасовых HD фильмов за одну секунду.

С целью значительного улучшения пропускной способности оптических коммуникационных систем, было разработано и протестировано волокно с 12-тью сердцевинами, расположенных особым образом в виде соты. В данном волокне благодаря его особой конструкции взаимные помехи между соседними сердцевинами, которые обычно являются главной проблемой в обычных многосердцевинных ОВ, значительно подавлены. В результате применения поляризационного мультиплексирования, технологии xWDM, квадратурной амплитудной модуляции 32-QAM и цифрового когерентного приема, ученые успешно повысили эффективность передачи в расчете на одну сердцевину более чем в 4 раза, в сравнении с предыдущими рекордами для многосердцевинных ОВ.

Пропускная способность составила 84.5 терабит в секунду на одну сердцевину (скорость канала 380 Гбит/с х 222 каналов). Общая пропускная способность на одно волокно составила 1.01 петабит в секунду (12 х 84.5 терабит).

Также в 2012 г. немного позднее исследователи из лаборатории NEC в Принстоне, Нью-Джерси, США, и Нью-Йоркского научно-исследовательского центра Corning Inc., успешно продемонстрировали сверхвысокую скорость передачи данных со скоростью 1.05 петабит в секунду. Данные передавались с помощью одного многосердцевинного волокна, которое состояло из 12 одномодовых и 2 маломодовых сердцевин.

Данное волокно было разработано исследователями Corning. Объединив технологии спектрального и поляризационного разделения с пространственным мультиплексированием и оптической системы MIMO, а также используя многоуровневые форматы модуляции, исследователи в результате достигли общей пропускной способности 1.05 Пбит/с, поставив, таким образом, новый мировой рекорд самой высокой скорости передачи по одному оптическому волокну.

Летом 2014 года рабочая группа в Дании, используя новое волокно, предложенное японской компанией Telekom NTT, установила новый рекорд -организовав с помощью одного лазерного источникаскорость в 43 Тбит/с . Сигнал от одного лазерного источника передавался по волокну с семью сердцевинами.

Команда Датского технического университета совместно с NTT и Fujikura ранее уже достигала самой высокой в мире скорости передачи данных в 1 петабит в секунду. Однако тогда были использованы сотни лазеров. Сейчас же рекорд в 43 Тбит/с был достигнут с помощью одного лазерного передатчика, что делает систему передачи более энергоэффективной.

Как мы убедились, в связи есть свои интересные мировые рекорды. Для новичков в этой области стоит отметить, что многие представленные цифры до сих пор не встречаются повсеместно в коммерческой эксплуатации, поскольку были достигнуты в научных лабораториях в единичных экспериментальных установках. Однако и сотовый телефон когда-то был прототипом.

Чтобы не перегружать ваш носитель информации, пока остановим текущий поток данных.

Продолжение следует…

В случае со скоростью передачи информации эти “красивые цифры” запутывают. Конечно, тут ситуация всё-таки другая- это путаница между стандартом (где скорость названа по тому, какова она на канальном уровне) и реальностью, но смысл очень похож: цифра на наклейке не соответствует тому, что вы видите глазами, включив компьютер. Вот с этой путаницей и попытаемся разобраться.

Существуют два типа подключения- с помощью кабеля, и по воздуху, беспроводным способом.

Подключение кабелем.

В этом случае проблем с цифрами меньше всего. Подключение происходит на скорости 10, 100 или 1000 мегабит (1 гигабит) в секунду. Это – не “скорость интернета”, не скорость открытия страниц или скачки файлов. Это только скорость между двумя точками, которые соединяет такой кабель. Из вашего компьютера кабель может идти в рутер (модем), в другой компьютер или в подъезд, к аппаратуре провайдера, но в любом случае эта скорость говорит только о том, что соединение между этими двумя точками произошло на указанной скорости.

Скорость передачи данных ограничена не только типом кабеля, но в и довольно сильно– скоростью вашего жёсткого диска. На гигабитном подключении скорость передачи файла упрётся именно в это, и достичь реальных 120 мегабайт в секунду можно только в некоторых случаях.

Скорость подключения выбирается автоматически в зависимости от того, как “договорятся” ваши соединяемые устройства, по самому медленному из них. Если у вас гигабитная сетевая карта (а их сейчас большинство в компьютерах), а с другого конца- 100 мегабитная аппаратура, то скорость подключения будет установлена в 100mbit. Никаких дополнительных установок скорости делать не надо, если это требуется-это показатель того, что есть проблема с кабелем, или с аппаратурой у вас или на другом конце, и потому максимальная скорость автоматически не выставляется.

Беспроводное подключение.

А вот с этим типом подключения проблем и путаницы намного больше. Дело в том, что при беспроводном подключении скорость передачи данных- примерно в два раза меньше, чем говорит цифра стандарта. Как это выглядит в реальных данных- смотрим таблицу.

Стандарт	Частота и ширина полосы пропускания	Скорость по стандарту	Реальная скорость передачи файлов	Дополнительная информация
Wi-Fi 802.11a	5Ghz. (20Mhz)	54 mbit/s		В настоящее время в бытовой аппаратуре используется редко, встречается в сетях провайдеров.
Wi-Fi 802.11b	2,4Ghz(20Mhz)	11 mbit/s	ок. 0.6 мегабайт (4,8 мегабита) в секунду	В настоящее время используется только для связи “компьютер-компьютер” (Ad-Hoc)
Wi-Fi 802.11g	2,4Ghz(20Mhz)	54 mbit/s	ок. 3 мегабайт (24 мегабита) в секунду	Пока что самый распространённый тип подключения.
Wi-Fi 802.11n	2,4Ghz/5Ghz(20Mhz/40Mhz)	150, 300, 600 mbit/s	5-10 мегабайт в секунду.	Условно 1 поток (антенна) – 150 мегабит, рутер (сетевая) с 4мя антеннами поддерживает 600mbps

Как видите, все очень печально и некрасиво, а хвалёный “N” вообще и близко не показывает тех цифр, которые хотелось бы увидеть. Кроме того, такая скорость обеспечивается при условиях окружающей среды, близких к идеальным: нет помех, нет стен с металлом между рутером и компьютером (лучше-прямая видимость), и чем меньше расстояние, тем лучше. В типовой трёхкомнатной квартире железобетонного дома беспроводная точка доступа, установленная в дальней части квартиры, может быть практически неуловима из противоположной части. Стандарт “N” обеспечивает лучшее покрытие, и это его преимущество лично для меня важнее, чем скорость; да и на скорости качественное покрытие сказывается хорошо: там, где скорость передачи данных при использовании аппаратуры с “G” равна 1 мегабиту, только лишь использование “N” способно увеличить её в несколько раз. Однако совершенно не факт, что так будет всегда- дело в диапазонах, в некоторых случаях такое переключение не даёт результата.

На скорость влияет так же производительность устройства, раздающего интернет (рутера, точки доступа) При активном использовании торрентов, например, скорость передачи данных через рутер может существенно упасть- его процессор просто не справится с потоком данных.

Ещё на скорость влияет выбранный тип шифрования. Из самого названия понятно, что “шифрование” –это обработка данных с целью их закодировать. Могут использоваться разные методы шифрования, а отсюда-разная производительность устройства, которое это шифрование-дешифрование выполняет. Поэтому рекомендуется выставлять в параметрах беспроводной сети тип шифрования WPA2 – это максимально быстрый и наиболее защищённый на данный момент тип шифрования. Собственно говоря, по стандарту любой другой тип шифрования и не даст включиться “N” на “полную мощность”, но некоторые китайские рутеры плюют на стандарты.

Ещё один момент. Для того, чтоб получить все преимущества стандарта N (особенно для аппаратуры, поддерживающей MIMO), точка доступа должна обязательно быть выставлена в режим “N Only”.

Если вы выбрали “G+N Mixed” (любой “смешанный” режим), велика вероятность того, что ваши устройства будут стараться связаться не на на максимальной скорости. Это плата за совместимость стандартов. Если ваши устройства поддерживают “N”, забудьте об остальных режимах- зачем терять предлагаемые преимущества? Использование в одной сети одновременно и G, и N аппаратуры лишит вас их. Однако существуют рутеры, имеющие два передатчика, и позволяющие работать в двух разных частотных диапазонах одновременно, но это скорее редкость, а цена их гораздо выше (пример- Asus RT-N56U).

Другие типы подключения.

Помимо описанных, конечно, существуют и другие типы подключения. Устаревший вариант– подключение по коаксиальному кабелю, необычный вариант подключения через электросеть здания, множество вариантов подключения с использованием сетей мобильной связи- 3G, новый LTE, относительно малораспространённый WiMAX. Любой из этих типов подключения имеет характеристики скорости, и любой из них оперирует понятием “скорость ДО”. Вас не обманывают (ну формально не обманывают), но обращать внимание на эти цифры имеет смысл, понимая, что в реальности они значат.

Единицы измерения.

Существует путаница, вызванная неправильным использованием единиц измерения. Наверно, это тема для другой статьи (по сетям и подключениям, которую я в скором времени напишу), но всё-таки и тут (сжато) будет к месту.

В компьютерном мире принята двоичная система счисления. Наименьшая единица измерения- бит. Следующая- байт.

По возрастающей:

1 байт = 8 бит

1024 бит = 1 килобит (kb)

8 килобит = 1 килобайт (KB)

128 килобайт = 1 мегабит (mb)

8 мегабит = 1 мегабайт (MB)

1024 килобайт = 1 мегабайт (MB)

128 мегабайта = 1 гигабит (gb)

8 гигабит = 1 гигабайт (GB)

1024 мегабайт = 1 гигабайт (GB)

Вроде бы всё понятно. Но! Вдруг оказывается, что и тут есть путаница. Вот что говорит википедия :

При обозначении скоростей телекоммуникационных соединений, например, 100 Мбит/с в стандарте 100BASE-TX («медный» Fast Ethernet) соответствует скорости передачи именно 100 000 000 бит/с, а 10 Гбит/с в стандарте 10GBASE-X (Ten Gigabit Ethernet) — 10 000 000 000 бит/с.

Кому верить? Решайте сами, как вам удобнее, почитайте ту же википедию. Дело в том,что написанное в википедии –не является истиной в последней инстанции, её пишут люди (фактически-любой человек может там что-то написать). А вот в учебниках (в частности,в учебнике “Компьютерные сети” от Олифер В.Г., Олифер Н.А.) – исчисление нормальное, двоичное, и в 100 мегабитах –12.5 мегабайт, и именно 12 мегабайт вы увидите, скачивая файл по 100-мегабитной локалке, практически в любой программе.

Разные программы отображают скорость по-разному –какие-то в килобайтах, какие-то в килобитах. Формально, если речь идёт о *байтах, ставится большая буква, о *битах-маленькая (обозначение КB (КБ, иногда kB или кБ, или Кбайт)) –обозначает “килобайт”, kb (кб, или кбит)- “килобит”, и т.д.), но это не закреплённое железно правило.

Общая информация

В большинстве случаев в сетях информация передается последовательно. Биты данных поочередно передаются по каналу связи, кабельному или беспроводному. На Рисунке 1 изображена последовательность бит, передаваемая компьютером или какой-либо другой цифровой схемой. Такой сигнал данных часто называют исходным. Данные представлены двумя уровнями напряжения, например, логической единице соответствует напряжение +3 В, а логическому нулю - +0.2 В. Могут использоваться и другие уровни. В формате кода без возврата к нулю (NRZ) (Рисунок 1) сигнал не возвращается к нейтральному положению после каждого бита, в отличие от формата с возвращением к нулю (RZ).

Битрейт

Скорость передачи данных R выражается в битах в секунду (бит/с или bps). Скорость является функцией продолжительности существования бита или времени бита (T B) (Рисунок 1):

Эту скорость называют также шириной канала и обозначают буквой C. Если время бита равно 10 нс, то скорость передачи данных определится как

R = 1/10 × 10 - 9 = 100 млн. бит/с

Обычно это записывается как 100 Мб/с.

Служебные биты

Битрейт, как правило, характеризует фактическую скорость передачи данных. Однако в большинстве последовательных протоколов данные являются только частью более сложного кадра или пакета, включающего в себя биты адреса источника, адреса получателя, обнаружения ошибок и коррекции кода, а также прочую информацию или биты управления. В кадре протокола данные называются полезной информацией (payload). Биты, не являющиеся данными, называются служебными (overhead). Иногда количество служебных бит может быть существенным - от 20% до 50%, в зависимости от общего числа полезных бит, передаваемых по каналу.

К примеру, кадр протокола Ethernet, в зависимости от количества полезных данных, может иметь до 1542 байт или октетов. Полезных данных может быть от 42 до 1500 октетов. При максимальном числе полезных октетов служебных будет только 42/1542, или 2.7%. Их было бы больше, если полезных байт было бы меньше. Это соотношение, известное также под названием эффективность протокола, обычно выражают в процентах количества полезных данных от максимального размера кадра:

Эффективность протокола = количество полезных данных/размер кадра = 1500/1542 = 0.9727 или 97.3%

Как правило, чтобы показать истинную скорость передачи данных по сети, фактическая скорость линии увеличивается на коэффициент, зависящий от количества служебной информации. В One Gigabit Ethernet фактическая скорость линии равна 1.25 Гб/с, тогда как скорость передачи полезных данных составляет 1 Гб/с. Для 10-Gbit/s Ethernet эти величины равны, соответственно, 10.3125 Гб/с и 10 Гб/с. При оценке скорости передачи данных по сети также могут использоваться такие понятия, как пропускная способность, скорость передачи полезных данных или эффективная скорость передачи данных.

Скорость передачи в бодах

Термин «бод» происходит от фамилии французского инженера Эмиля Бодо (Emile Baudot), который изобрел 5-битовый телетайпный код. Скорость передачи в бодах выражает количество изменений сигнала или символа за одну секунду. Символ - это одно из нескольких изменений напряжения, частоты или фазы.

Двоичный формат NRZ имеет два представляемых уровнями напряжения символа, по одному на каждый 0 или 1. В этом случае скорость передачи в бодах или скорость передачи символов - то же самое, что и битрейт. Однако на интервале передачи можно иметь более двух символов, в соответствии с чем на каждый символ отводится несколько бит. При этом данные по любому каналу связи могут передаваться только с помощью модуляции.

Когда средство передачи не может обработать исходный сигнал, на первый план выходит модуляция. Конечно, речь идет о беспроводных сетях. Исходные двоичные сигналы не могут передаваться непосредственно, они должны переноситься на несущую радиочастоту. В некоторых протоколах кабельной передачи данных также применяется модуляция, позволяющая повысить скорость передачи. Это называется «широкополосной передачей».
Выше: модулирующий сигнал, исходный сигнал

Используя составные символы, в каждом можно передавать по несколько бит. Например, если скорость передачи символов равна 4800 бод, и каждый символ состоит из двух бит, полная скорость передачи данных будет 9600 бит/с. Обычно количество символов представляется какой-либо степенью числа 2. Если N - количество бит в символе, то число требуемых символов будет S = 2N. Таким образом, полная скорость передачи данных:

R = скорость в бодах × log 2 S = скорость в бодах × 3.32 log 1 0 S

Если скорость в бодах равна 4800, и на символ отводится два бита, количество символов 22 = 4.

Тогда битрейт равен:

R = 4800 × 3.32log(4) = 4800 × 2 = 9600 бит/с

При одном символе на бит, как в случае с двоичным форматом NRZ, скорости передачи в битах и бодах совпадают.

Многоуровневая модуляция

Высокий битрейт можно обеспечить многими способами модуляции. Например, при частотной манипуляции (FSK) в каждом символьном интервале для представления логических 0 и 1 обычно используются две различные частоты. Здесь скорость передачи в битах равна скорости передачи в бодах. Но если каждый символ представляет два бита, то требуются четыре частоты (4FSK). В 4FSK скорость передачи в битах в два раза превышает скорость в бодах.

Еще одним распространенным примером является фазовая манипуляция (PSK). В двоичной PSK каждый символ представляет 0 или 1. Двоичному 0 соответствует 0°, а двоичной 1 - 180°. При одном бите на символ скорость в битах равна скорости в бодах. Однако соотношение числа бит и символов несложно увеличить (см. Таблицу 1).

Таблица 1.	Двоичная фазовая манипуляция.
Биты Фазовый сдвиг (градусов)

Например, в квадратурной PSK на один символ приходится два бита. При использовании такой структуры и двух бит на бод скорость передачи в битах превышает скорость в бодах в два раза. При трех битах на один бод модуляция получит обозначение 8PSK, и восемь различных фазовых сдвигов будут представлять три бита. А при 16PSK 16 фазовых сдвигов представляют 4 бита.

Одной из уникальных форм многоуровневой модуляции является квадратурная амплитудная модуляция (QAM). Для создания символов, представляющих множество битов, QAM использует комбинацию различных уровней амплитуд и смещений фаз. Например, 16QAM кодирует четыре бита на символ. Символы представляют собой сочетание различных уровней амплитуды и фазовых сдвигов.

Для наглядного отображения амплитуды и фазы несущей для каждого значения 4-битного кода используется квадратурная диаграмма, имеющая также романтическое название «сигнальное созвездие» (Рисунок 2). Каждая точке соответствует определенная амплитуда несущей и фазовый сдвиг. В общей сложности 16 символов кодируются четырьмя битами на символ, в результате чего битрейт превышает скорость передачи в бодах в 4 раза.

Почему несколько бит на бод?

Передавая больше одного бита на бод можно отправлять данные с высокой скоростью по более узкому каналу. Следует напомнить, что максимально возможная скорость передачи данных определяется пропускной способностью канала передачи.
Если рассмотреть наихудший вариант чередования нулей и единиц в потоке данных, то максимальная теоретическая скорость передачи C в битах для данной полосы пропускания B будет равна:

Или полоса пропускания при максимальной скорости:

Для передачи сигнала со скоростью 1 Мб/с требуется:

B = 1/2 = 0.5 МГц или 500 кГц

При использовании многоуровневой модуляции с несколькими битами на символ максимальная теоретическая скорость передачи данных будет равна:

Здесь N - количество символов в символьном интервале:

log 2 N = 3.32 log10N

Полоса пропускания, требуемая для обеспечения желаемой скорости при заданном количестве уровней, вычисляется следующим образом:

Например, полоса пропускания, необходимая для достижения скорости передачи 1 Мб/с при двух битах на один символ и четырех уровнях, может быть определена как:

log 2 N = 3.32 log 10 (4) = 2

B = 1/2(2) = 1/4 = 0.25 МГц

Количество символов, необходимых для получения желаемой скорости передачи данных в фиксированной полосе пропускания, может быть вычислено как:

3.32 log 10 N = C/2B

Log 10 N = C/2B = C/6.64B

N = log-1 (C/6.64B)

Используя предыдущий пример, количество символов, необходимых для передачи со скоростью 1 Мб/с по каналу 250 кГц, определится следующим образом:

log 10 N = C/6.64B = 1/6.64(0.25) = 0.60

N = log-1 (0.602) = 4 символа

Эти расчеты предполагают, что в канале отсутствуют шумы. Для учета шума нужно применить теорему Шеннона-Хартли:

C = B log 2 (S/N + 1)

C -пропускная способность канала в битах в секунду,
В - полоса пропускания канала в герцах,
S/N -отношение сигнал/шум.

В форме десятичного логарифма:

C = 3.32B log 10 (S/N + 1)

Какова максимальная скорость в канале 0.25 МГц с отношением S/N равным 30 дБ? 30 дБ переводится в 1000. Следовательно, максимальная скорость:

C = 3.32B log 10 (S/N + 1) = 3.32(0.25) log 10 (1001) = 2.5 Мб/с

Теорема Шеннона-Хартли конкретно не утверждает, что для достижения этого теоретического результата должна применяться многоуровневая модуляция. Используя предыдущую процедуру, можно узнать, сколько бит требуется на один символ:

log 10 N = C/6.64B = 2.5/6.64(0.25) = 1.5

N = log-1 (1.5) = 32 символа

Использование 32 символов подразумевает пять бит на символ (25 = 32).

Примеры измерения скорости передачи в бодах

Практически все высокоскоростные соединения используют какие-либо формы широкополосной передачи. В Wi-Fi в схемах модуляции с мультиплексированием с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) применяются QPSK, 16QAM и 64QAM.

То же самое верно для WiMAX и технологии сотовой связи Long-Term Evolution (LTE) 4G. Передаче сигналов аналогового и цифрового телевидения в системах кабельноого ТВ и высокоскоростного доступ в Интернет основана на 16QAM и 64QAM, в то время как в спутниковой связи используют QPSK и различные версии QAM.

Для систем наземной мобильной радиосвязи, обеспечивающих общественную безопасность, недавно были приняты стандарты модуляции речевой информации и данных с помощью 4FSK. Этот сужающий полосу пропускания способ разработан для сокращения полосы с 25 кГц на канал до 12.5 кГц, и, в конечном счете, до 6.25 кГц. В результате в том же спектральном диапазоне можно разместить больше каналов для других радиостанций.

Телевидение высокой четкости в США использует метод модуляции, называемый eight-level vestigial sideband (8-уровневая передача сигналов с частично подавленной боковой полосой), или 8VSB. В этом методе отводится три бита на символ при 8 уровнях амплитуды, что позволяет передавать 10,800 тыс. символов в секунду. При 3 битах на символ полная скорость будет равна 3 × 10,800,000 = 32.4 Мб/с. В сочетании с методом VSB, который передает только одну полную боковую полосу частот и часть другой, видео- и аудиоданные высокой четкости могут передаваться по телевизионному каналу шириной 6 МГц.

Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени - секунду.

Единица измерения скорости передачи данных - бит в секунду.

Примечание. Часто используется единица измерения скорости - бод. Бод - число изменений состояния среды передачи в секунду. Так как каждое изменение состояния может соответствовать нескольким битам данных, то реальная скорость в битах в секунду может превышать скорость в бодах.

Скорость передачи данных зависит от типа и качества канала связи, типа используемых модемов и принятого способа синхронизации.

Так, для асинхронных модемов и телефонного канала связи диапазон скоростей составляет 300-9600 бит/с, а для синхронных -1200- 19200 бит/с.

Для пользователей вычислительных сетей значение имеют не абстрактные биты в секунду, а информация, единицей измерения которой служат байты или знаки. Поэтому более удобной характеристикой канала является его пропускная способность, которая оценивается количеством знаков, передаваемых по каналу за единицу времени - секунду. При этом в состав сообщения включаются и все служебные символы. Теоретическая пропускная способность определяется скоростью передачи данных. Реальная пропускная способность зависит от ряда факторов, среди которых и способ передачи, и качество канала связи, и условия его эксплуатации, и структура сообщений.

Единица измерения пропускной способности канала связи - знак в секунду.

Существенной характеристикой коммуникационной системы любой сети является достоверность передаваемой информации. Так как на основе обработки информации о состоянии объекта управления принимаются решения о том или ином ходе процесса, то от достоверности информации в конечном счете может зависеть судьба объекта. Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура, так и канал связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если относительно уровня достоверности канал связи не обеспечивает необходимых требований.

Единица измерения достоверности: количество ошибок на знак - ошибок/знак.

Для вычислительных сетей этот показатель должен лежать в пределах 10-6 -10-7 ошибок/знак, т.е. допускается одна ошибка на миллион переданных знаков или на десять миллионов переданных знаков.

Наконец, надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы.

Единица измерения надежности: среднее время безотказной работы - час.

Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов.