В любой системе связи через канал передается информация. Скорость передачи информации была определена в § 2.9. Эта скорость зависит не только от самого канала, но и от свойств подаваемого на его вход сигнала и поэтому не может характеризовать канал как средство передачи информации. Попытаемся найти способ оценки способности канала передавать информацию. Рассмотрим вначале дискретный канал, через который передаются в единицу времени символов из алфавита объемом При передаче каждого символа в среднем по каналу проходит следующее количество информации [см. (2.135) и (2.140)]:

где случайные символы на входе и выходе канала. Из четырех фигурирующих здесь энтропий -собственная информация передаваемого символа - определяется источником дискретного сигнала и не зависит от свойств канала. Остальные три энтропии в общем случае зависят как от источника сигнала, так и от канала.

Представим себе, что на вход канала можно подавать символы от разных источников, характеризуемых различными распределениями вероятностей (но, конечно, при тех же значениях . Для каждого такого источника количество информации, переданной по каналу, принимает свое значение. Максимальное количество переданной информации, взятое по всевозможным

источникам входного сигнала, характеризует сам канал и называется пропускной способностью канала. В расчете на один символ

где максимизация производится по всем многомерным распределениям вероятностей Можно также определить пропускную способность С канала в расчете на единицу времени (секунду):

Последнее равенство следует из аддитивности энтропии. В дальнейшем везде, где это особо не оговорено, будем под пропускной способностью понимать пропускную способность в расчете на секунду.

В качестве примера вычислим пропускную способность симметричного канала без памяти, для которого переходные вероятности заданы формулой (3.36). Согласно (3.52) и (3.53)

Величина в данном случае легко вычисляется, поскольку условная переходная вероятность принимает только два значения: , если еслн Первое из этих значений возникает с вероятностью а второе с вероятностью К тому же, поскольку рассматривается канал без памяти, результаты приема отдельных символов независимы друг от друга. Поэтому

Следовательно, не зависит от распределения вероятности В, а определяется только переходными вероятностями канала. Это свойство сохраняется для всех моделей канала с аддитивным шумом.

Подставив (3.56) в (3.55), получим

Поскольку в правой части только член зависит от распределения вероятностей то максимизировать необходимо его. Максимальное значение согласно (2.123) равно и реализуется оно тогда, когда все принятые символы равновероятны и независимы друг от друга. Легко убедиться, что это условие удовлетворяется, еслн входные символы равновероятны и независимы, поскольку

При этом и

Отсюда пропускная способность в расчете на секунду

Для двоичного симметричного канала пропускная способность в двоичных единицах в секунду

Зависимость от согласно (3.59) показана на рис. 3.9.

При пропускная способность двоичного канала поскольку при такой вероятности ошибки последовательность выходных двоичных символов можно получить, совсем не передавая сигналы по каналу, а выбирая их наугад (например, по результатам бросания монеты), т. е. при последовательности на выходе и входе канала независимы. Случай называют обрывом канала. То, что пропускная способность при в двоичном канале такая же, как при (канал без шумов), объясняется тем, что при достаточно все выходные символы инвертировать (т. е. заменить 0 на 1 и 1 на 0), чтобы правильно восстановить входной сигнал.

Рис. 3.9. Зависимость пропускной способности двоичного симметричного канала без памяти от вероятности ошибочного приема символа

Пропускная способность непрерывного канала вычисляется аналогично. Пусть, например, канал имеет ограниченную полосу пропускания шириной Тогда сигналы на входе и выходе канала по теореме Котельникова определяются своими отсчетами, взятыми через интервал и поэтому информация, проходящая по каналу за некоторое время равна сумме количеств информации, переданных за каждый такой отсчет. Пропускная способность канала на один такой отсчет

Здесь случайные величины - сечения процессов на входе и выходе канала и максимум берется по всем допустимым входным сигналам, т. е. по всем распределениям .

Пропускная способность С определяется как сумма значений Сотсч» взятая по всем отсчетам за секунду. При этом, разумеется, дифференциальные энтропии в (3.60) должны вычисляться с учетом вероятностных связей между отсчетами.

Вычислим, например, пропускную способность непрерывного канала без памяти с аддитивным белым гауссовским шумом, имеющим полосу пропускания шириной если средняя мощность сигнала (дисперсия не превышает заданной величины Мощность (дисперсию) шума в полосе обозначим Отсчеты входного и выходного сигналов, а также шума связаны равенством

н так как имеет нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием, то и условная плотность вероятности при фиксированном и будет также нормальной - с математическим ожиданием и и дисперсией Найдем пропускную способность на один отсчет:

Согласно (2.152) дифференциальная энтропия нормального распределения не зависит от математического ожидания и равна Поэтому для нахождения нужно найти такую плотность распределения при которой максимизируется Из (3.61), учитывая, что независимые случайные величины, имеем

Таким образом, дисперсия фиксирована, так как заданы. Согласно (2.153), при фиксированной дисперсии максимальная дифференциальная энтропия обеспечивается нормальным распределением. Из (3.61) видно, что при нормальном одномерном распределении распределение будет также нормальным и, следовательно,

Переходя к пропускной способности С в расчете на секунду, заметим, что информация, переданная за несколько отсчетов, максимальна в том случае, когда отсчеты сигналов независимы. Этого можно достичь, если сигнал выбрать так, чтобы его спектральная плотность была равномерной в полосе Как было показано в отсчеты, разделенные интервалами, кратными взаимно некоррелированны, а для гауссовских величин некоррелированность означает независимость.

Поэтому пропускную способность С (за секунду) можно найти, сложив пропускные способности (3.63) для независимых отсчетов:

Она реализуется, если гауссовский процесс с равномерной спектральной плотностью в полосе частот (квазибелый шум).

Из формулы (3.64) видно, что если бы мощность сигнала не была ограничена, то пропускная способность была бы бесконечной. Пропускная способность равна нулю, если отношение сигнал/шум в канале равно нулю. С ростом этого отношения пропускная способность увеличивается неограниченно, однако медленно, вследствие логарифмической зависимости.

Соотношение (3.64) часто называют формулой Шеннона. Эта формула имеет важное значение в теории информации, так как определяет зависимость пропускной способности рассматриваемого непрерывного канала от таких его технических характеристик, как ширина полосы пропускания и отношение сигна/шум. Формула Шеннона указывает на возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала и наоборот. Однако поскольку С зависит от линейно, а от по логарифмическому закону, компенсировать возможное сокращение полосы пропускания увеличением мощности сигнала, как правило, нецелесообразно. Более эффективным является обратный обмен мощности сигнала на полосу пропускания.

Пропускная способность

Пропускная способность - метрическая характеристика, показывающая соотношение предельного количества проходящих единиц (информации , предметов, объёма) в единицу времени через канал, систему, узел.

Используется в различных сферах:

• в связи и информатике П. С. - предельно достижимое количество проходящей информации;
• в транспорте П. С. - количество единиц транспорта;
• в машиностроении - объем проходящего воздуха (масла, смазки).

Может измеряться в различных, иногда сугубо специализированных, единицах - штуки, бит/сек , тонны , кубические метры и т. д.

В информатике определение пропускной способности обычно применяется к каналу связи и определяется максимальным количеством переданной или полученной информации за единицу времени.
Пропускная способность - один из важнейших с точки зрения пользователей факторов. Она оценивается количеством данных, которые сеть в пределе может передать за единицу времени от одного подсоединенного к ней устройства к другому.

Пропускная способность канала

Наибольшая возможная в данном канале скорость передачи информации называется его пропускной способностью. Пропускная способность канала есть скорость передачи информации при использовании «наилучших» (оптимальных) для данного канала источника, кодера и декодера, поэтому она характеризует только канал.

Пропускная способность дискретного (цифрового) канала без помех

C = log(m) бит/символ

где m - основание кода сигнала, используемого в канале. Скорость передачи информации в дискретном канале без шумов (идеальном канале) равна его пропускной способности, когда символы в канале независимы, а все m символов алфавита равновероятны (используются одинаково часто).

Пропускная способность нейронной сети

Пропускная способность нейронной сети - среднее арифметическое между объемами обрабатываемой и создаваемой информации нейронной сетью за единицу времени.

См. также

• Список пропускных способностей интерфейсов передачи данных

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Гареев, Муса Гайсинович
• Борколабовская икона Божией Матери

Смотреть что такое "Пропускная способность" в других словарях:

Пропускная способность - расход воды через водосливную арматуру при незатопленной воронке выпуска. Источник: ГОСТ 23289 94: Арматура санитарно техническая водосливная. Технические условия оригинал док … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Пропускная способность - общее количество нефтепродуктов, которые могут быть перекачены по трубопроводу (через терминал) в единицу времени. Емкость хранения резервуара (резервуарного парка) общее количество нефтепродуктов, которые могут быть помещены на хранение в… … Финансовый словарь

пропускная способность - Весовой расход рабочей среды через клапан. [ГОСТ Р 12.2.085 2002] пропускная способность КV Расход жидкости (м3/ч), с плотностью, равной 1000 кг/м3, пропускаемой регулирующим органом при перепаде давления на нем в 1 кгс/см2 Примечание. Текущее… … Справочник технического переводчика

Пропускная Способность - максимальное количество информации, которая может быть обработана в единицу времени, измеряемая в бит/с … Психологический словарь

пропускная способность - производительность, мощность, отдача, емкость Словарь русских синонимов … Словарь синонимов

Пропускная способность - — см. Механизм обслуживания … Экономико-математический словарь

пропускная способность - Категория. Эргономическая характеристика. Специфика. Максимальное количество информации, которая может быть обработана в единицу времени, измеряемая в бит/с. Психологический словарь. И.М. Кондаков. 2000 … Большая психологическая энциклопедия

пропускная способность - Максимальное количество транспортных средств, которое может проехать на данном участке дороги за конкретное время … Словарь по географии

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ - (1) дороги наибольшее количество единиц наземного транспорта (млн. пар поездов), которое данная дорога может пропустить за единицу времени (час, сутки); (2) П. с. канала связи максимальная скорость безошибочной передачи (см.) по данному каналу… … Большая политехническая энциклопедия

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ - наивысшая скорость передачи данных аппаратуры, с которой информация поступает в запоминающее устройство без потерь при сохранении скорости выборки и аналого цифрового преобразования. для приборов с архитектурой на параллельной шине пропускная… … Словарь понятий и терминов, сформулированных в нормативных документах российского законодательства

Приветствую дорогой читатель! Сегодня мы с вами осветим такую тему, как скорость интернета и как её проверить. Дело в том, что неопытные пользователи часто задают такие вопросы, многие начинают спрашивать, мол надо подключиться к новому провайдеру, какую скорость мне выбрать в тарифе или какой провайдер лучше чтобы скорость хорошая была.

Сегодня мы разберем:

Что же есть скорость интернета?

Не обязательно быть техником, чтобы понять что это такое. Попробуем просто привести аналогии. Дело в том, что в повседневной жизни мы часто сталкиваемся со скоростью. К примеру мы двигаемся, измеряя скорость ходьбы или движения автомобиля. Скорость вращения стиральной машины мы ставим в зависимости от режима стирки. Пытаемся определить как быстро растает снег (просто за окном весна, хочется чтоб снег быстро растаял)))). И так далее и все измеряется относительно времени.

В электронике, технике компьютерной, интернете — измеряется информационный объем, переданный в единицу времени. За время берутся секунды. За объем — Килобиты (kb) или Килобайты (Kb), и еще Мегабайты (Mb). Биты это минимальная единица информации и компьютер работает с группами бит, называемыми Байтами. 1 Байт = 8 Бит. И тут все просто, чем больше Бит может проходить (скачиваться) за секунду, тем лучше. Другими словами, вы можете быстро скачивать музыку или фильмы, да что угодно.

Сейчас много провайдеров существует, и каждый из них гарантирует высокую скорость. Если хотите узнать скорость интернета у вашего провайдера, вы можете смело позвонить на горячую линию и вам сообщат все что вас интересует. Но будет ли эта скорость реальной? Не факт. Об альтернативных способах проверить скорость своего интернета расскажу позже.

Хочу отметить, что самая максимальная скорость, доступная и существующая для всех пользователей — 100 Мб/с. Это тот максимум который может дать вам сетевая карта. компьютера. По сути, скорость интернета во всем мире одна — 100 Мб/с. Или приведем пример, допустим обычный музыкальный файл, весит примерно 4-5 Мб. При это 1 Мб перведем в байты и получим что скорость скачивания 1 Мб будет равна 125 кбит/с а значит 4 Мб скачаются за 40 секунд. Это максимум возможного.

Пропускная способность

Бытовые пользователи часто путаю такие понятия, как скорость интернета и пропускная способность . Последнее понятие — это как раз то, что вам может предоставить провайдер. Многие, и я в том числе, задавались вопросом, почему же у провайдеров разные скорости стоят по разному. Из выше изложенного мы же поняли что скорость интернета то одна.

Понятия очень похожи, но значения разные у них, хоть и измеряются одинаково. Скорость интернета — скорость передачи информации (объем информации) в единицу времени, то есть как быстро информация поступает от источника к получателю.

Пропускная способность — измеряется точно так же, как и скорость интернета в Кбайт/с или Мбайт/с, максимально возможная скорость передачи данных от источника к получателя по конкретному каналу связи . То есть эта скорость показывает конкретно какой объем информации можно передать по конкретному каналу связи в единицу времени.

В сетях передачи данных по конкретному каналу может передаваться много информации от одного источника нескольким получателям, и в зависимости от многих факторов, для каждого получателя скорость будет разная, а вот скорость самого канала — как правило постоянная.

Вот и получается, что сумма всех скоростей передачи данных по конкретному каналу, не может превышать скорость пропускного канала! Вот и получается, что провайдер не может гарантировать на пред заданную скорость передачи данных от любого источника. Клиенту они могут предоставить только максимальную пропускную способность. Вот почему вы подключили, к примеру, 25 Мб/с, а замеренная скорость у вас примерно 15 Мб/с.

Пропускная способность и провайдер.

В договорах пишут почему то именно скорость интернета, но по сути они предоставляют именно пропускную способность. Так же то что у вас сегодня будет 15 Мб/с, ничего не значит. Завтра или через час она будет 20 Мб/с. а может и 5 Мб/с. Она меняется постоянно и зависит от многих факторов, в том числе и количестве самих получателей (как говорится сколько в данный момент сидит народу на данном канале связи).

В свою очередь сам Провайдер может гарантировать пропускную способность именно принадлежащих ему каналов связи. Это может быть канал как от клиента к прямому выходу в глобальную связь Интернет, так и от клиента до центрального узла провайдера, где находятся информационные ресурсы, так и от одной точки подключения клиента к другой. Так же провайдер отвечает за магистральный канал к другому Провайдеру. Поэтому, то что находится дальше, провайдер не отвечает. И уж если там дальше пропускная способность ниже, она уже никак выше не станет.

Популярные ошибки при анализе скорости интернета.

Почему же у нас всегда получается ситуация, когда скорость именно ниже чем мы хотим (на что подключались). Очень много факторов. Самая распространенная это сам человек, который пытается определить скорость. Просто не правильно понимает то, что видит.

У меня многие друзья, коллеги пытаются выпытать что и как и почему и дать им всем советы, чтобы за меньшие день получить максимум возможностей. Да все дело в том, где вы находитесь, что вы хотите делать и так далее. Лично для себя я вот подключил оптоволоконный интернет от Ростелекома на 25 Мб/с. Меня устроила цена, меня устроило качество обслуживания, и сама скорость. Мне хватает смотреть онлайн фильмы, играть онлайн, скачивать данные. Если что-то большое скачать надо, ставлю на ночь и иду спать. Вам это может не подойти, все индивидуально. Но это мое мнение, отношение и вопросы о том какая скорость интернета у меня, не возникают. Просто потому, что ее тяжело точно определить, все примерно, все относительно.

Но что-то я ушел в стороны. И так, я выделил две самые распространенные ошибки:

1. При скачивании данных оказывается неправильные данные именно самого загрузчика и не внимательность пользователя. Сам загрузчик показывает примерную скорость скачивания и не является точной. Скорость всегда скачет и зависит от множества факторов. Плюс бывали случаи, когда загрузчик показывает скорость 782 Кбит/с, а пользователь сразу говорит, мол вот она в 10 раз меньше заявленной: 8192 кбайт/с. Нужно внимательнее посмотреть на значение скоростей. В первом случае Килобайты, во втором килобиты. Что получается: 782*8=6256 кбайт/с. Вот на какой скорости качался файл. При том, что данные примерны и близки к заявленной скорости, это нормально.
2. Многие смотрят на значок внизу справа в виде двух мониторов и видят там надпись «скорость подключения 100 Мб» (на версия Windows 7 и выше нет такого, хотя и там мне говорили пишется, но где, не нашел), а у них подключено например 512 кбит/с, и начинают думать, что это же значение больше, значит Провайдер нас обманывает и начинают ему звонить. Дело опять в невнимательности. Там внизу, показывается скорость подключения между модемом и компьютером и не имеет никакой связи со скоростью интернета.

От чего зависит скорость передачи данных?

От многих вещей, но самых распространенных я выделил три. Для начала, если вы попробовали допустим скачать данные в г. Мариинске с сервера в Новосибирске, потом поделили объем данных на время скачивания и получили скорость, то Вы не получите достоверной информации. Ваша полученная скорость интернета будет меньше и ваш Провайдер ни в чем не виноват.

Вот почему:

1. Перегруженность какого-то канала связи между Новосибирском и Мариинском, а их много, цепочка длинная. Могут даже быть иностранные провайдеры. Проще говоря, Ваш сигнал не идет прямо из Мариинска в Новосибирск по прямой, там много ответвлений и много других провайдеров, у которых свои каналы связи с разной пропускной способностью. И Ваша скорость не может быть больше самого медленного канала связи. Вот и получается, что если где-то есть канал с самой низкой пропускной способностью, то ваша скорость будет именно той самой низкой.
2. Большая загруженность самого сервера или ограничение по отдаче информации самим владельцем сервера.
3. Низкая производительность Вашего сетевого оборудования, или сильная загруженность Вашего компьютера во время измерений.
4. Вообще, сами загружаемые данные не идут одним потоком в одну сторону, там разделено на пакеты. Ваш компьютер отправляет запросы, пакеты приходят, битые или не принятые пакеты повторно отправляются, В общем двухсторонняя связь идет постоянно, на это тратится время еще плюсом.
5. Еще можно отметить сами вычислительные мощности серверов, ведь чем больше заявленная скорость, тем больше нужны вычислительных ресурсов. Это сложные процессы, требующие серьезного железа.

Как правильно определить скорость.

Почему-то многие думают, что Провайдеры их все время хотят обмануть. Выше я уже написал, почему я выбрал Ростелеком и сижу спокойно и не волнуюсь. Все крупные провайдеры наоборот заинтересованны в том, чтобы предоставлять вам именно ту скорость, точнее пропускную способность, за которую вы платите. И дело не в том, что любой может проверить скорость и пожаловаться.

Но как же измерить скорость?

Сегодня очень много способов это сделать. Достаточно просто в поисковике вбить запрос «измерить скорость интернета» и выберите к примеру speedtest.net.

Сначала выбираем регион, тот провайдер, который у вас.

Нажимаем проверить, через несколько секунд, может минут, вы узнаете свою скорость интернета. НО, это просто покажет вам скорость обмена информации между вами и сайтом и никак не покажет пропускную способность вашего провайдера. О чем я и рассказывал выше.

А вот чтобы проверить пропускную способность, делаем следующее:

1. Скачиваем и устанавливаем любую программу, которая умеет считывать и показывать объем полученным и отправленных данных. Например TMeter, DUMeter и т.д.
2. А теперь пытаемся любыми способами загрузить свой канал, качая как можно больше информации одновременно и файлы должны бить большими, и в свою очередь файлы нужно скачивать с разных сайтов. К стати программа Torrent вам очень может помочь. Там ставим как можно больше закачек и анализируем полученные данные.
3. Теперь вы можете определить вашу скорость интернета, точнее пропускную способность до провайдера. Ведь больше чем вам позволил провайдер, к вам не пролезет))).

И в заключение хочу сказать, Вам спасибо, за то что читаете мои статьи, оставляете комментарии, поправляйте, если что не так, я всегда за адекватную критику. Читайте следующие советы. Делитесь информацией в соц сетях, Всем пока!

Что такое скорость интернета? обновлено: Сентябрь 11, 2017 автором: Субботин Павел

Существует множество факторов, способных исказить или повредить сигнал. Наиболее распространенные из них – помехи или шумы, представляющие собой любой нежелательный сигнал, который смешивается с сигналом, предназначенным для передачи или приема, и искажает его. Для цифровых данных возникает вопрос: насколько эти искажения ограничивают возможную скорость передачи данных. Максимально возможная при определенных условиях скорость, при которой информация может передаваться по конкретному тракту связи, или каналу, называется пропускной способностью канала.

Существуют четыре понятия, которые мы попытаемся связать воедино.

Скорость передачи данных – скорость в битах в се к у нду (бит / с), с которой мо г у т

передаваться данны е;

Ширина полосы – ширина полосы передаваемого сигнал а, ограничиваемая передатчи к ом и природой передающей среды. Выраж а ется в периодах в се к унд у, или герцах (Гц).

Ш ум. Средний у рове н ь ш у м а в канале связи.

Уровень ошибок – частота появления ош и бок. Ошибкой счита е тся прием 1 п р и переданном 0 и наоборот.

Проблема, заключается в следующем: средства связи недешевы и, в общем случае, чем шире их полоса, тем дороже они стоят. Более того, все каналы передачи, представляющие практический интерес, имеют ограниченную ширину полосы. Ограничения обусловлены физическими свойствами передающей среды или преднамеренными ограничениями ширины полосы в самом передатчике, сделанными для предотвращения интерференции с другими источниками.

Естественно, нам хотелось бы максимально эффективно использовать имеющуюся полосу. Для цифровых данных это означает, что для определенной полосы желательно получить максимально возможную при существующем уровне ошибок скорость передачи данных. Главным ограничением при достижении такой эффективности являются помехи.

1. Методы доступа к среде в беспроводных сетях

Одна из основных проблем построения беспроводных систем – это решение задачи доступа многих пользователей к ограниченному ресурсу среды передачи. Существует несколько базовых методов доступа (их еще называют методами уплотнения или мультиплексирования), основанных на разделении между станциями таких параметров, как пространство, время, частота и код. Задача уплотнения – выделить каждому каналу связи пространство, время, частоту и/или код с минимумом взаимных помех и максимальным использованием характеристик передающей среды.

Уплотнение с пространственным разделением

Основано на разделении сигналов в пространстве, когда передатчик посылает сигнал, используя код с , время t и частоту f в области s i . To есть каждое беспроводное устройство может вести передачу данных только в границах одной определенной территории, на которой любому другому устройству запрещено передавать свои сообщения.

К примеру, если радиостанция вещает на строго определенной частоте на закрепленной за ней территории, а какая-либо другая станция в этой же местности также начнет вещать на той же частоте, то слушатели радиопередач не смогут получить «чистый» сигнал ни от одной из этих станций. Другое дело, если радиостанции работают на одной частоте в разных городах. Искажений сигналов каждой радиостанции не будет в связи с ограниченной дальностью распространения сигналов этих станций, что исключает их наложение друг на друга. Характерный пример – системы сотовой телефонной связи.

Уплотнение с частотным разде л ением (Frequency Division Multiplexing, FDM)

Каждое устройство работает на строго определенной частоте, благодаря чему несколько устройств могут вести передачу данных на одной территории (рисунок 3.2.6). Это один из наиболее известных методов, так или иначе используемый в самых современных системах беспроводной связи.

Рисунок 3.2.6 – Принцип частотного разделения каналов

Наглядная иллюстрация схемы частотного уплотнения - функционирование в одном городе нескольких радиостанций, работающих на разных частотах. Для надежной отстройки друг от друга их рабочие частоты должны быть разделены защитным частотным интервалом, позволяющим исключить взаимные помехи.

Эта схема, хотя и позволяет использовать множество устройств на определенной территории, сама по себе приводит к неоправданному расточительству обычно скудных частотных ресурсов, поскольку требует выделения отдельной частоты для каждого беспроводного устройства.

Уплотнение с временным разд е лением (Time Division Multiplexing, TDM)

В данной схеме распределение каналов идет по времени, т. е. каждый передатчик транслирует сигнал на одной и той же частоте f в области s , но в различные промежутки времени t i (как правило, циклически повторяющиеся) при строгих требованиях к синхронизации процесса передачи (рисунок 3.2.7).

Рисунок 3.2.7 – Принцип временного разделения каналов

Подобная схема достаточно удобна, так как временные интервалы могут динамично перераспределяться между устройствами сети. Устройствам с большим трафиком назначаются более длительные интервалы, чем устройствам с меньшим объемом трафика.

Основной недостаток систем с временным уплотнением – это мгновенная потеря информации при срыве синхронизации в канале, например, из-за сильных помех, случайных или преднамеренных. Однако успешный опыт эксплуатации таких знаменитых TDM-систем, как сотовые телефонные сети стандарта GSM, свидетельствует о достаточной надежности механизма временного уплотнения.

Уплотнение с кодовым разделением (Code Division Multiplexing, CDM)

В данной схеме все передатчики передают сигналы на одной и той же частоте f , в области s и во время t , но с разными кодами c i .

Именем основанного на CDM механизма разделения каналов (CDMA, CDM Access)

даже назван стандарт сотовой телефонной связи IS-95a, а также ряд стандартов третьего поколения сотовых систем связи (cdma2000, WCDMA и др.).

В схеме CDM каждый передатчик заменяет каждый бит исходного потока данных на CDM-символ - кодовую последовательность длиной в 11, 16, 32, 64 и т.п. бит (их называют чипами). Кодовая последовательность уникальна для каждого передатчика. Как правило, если для замены «1» в исходном потоке данных используют некий CDM-код, то для замены «0» применяют тот же код, но инвертированный.

Приемник знает CDM-код передатчика, сигналы которого должен воспринимать. Он постоянно принимает все сигналы, оцифровывает их. Затем в специальном устройстве (корреляторе) производит операцию свертки (умножения с накоплением) входного оцифрованного сигнал с известным ему CDM-кодом и его инверсией. В несколько упрощенном виде это выглядит как операция скалярного произведения вектора входного сигнала и вектора с CDM-кодом.

Если сигнал на выходе коррелятора превышает некий установленный пороговый уровень, приемник считает, что принял 1 или 0. Для увеличения вероятности приема передатчик может повторять посылку каждого бита несколько раз. При этом сигналы других передатчиков с другими CDM-кодами приемник воспринимает как аддитивный шум.

Более того, благодаря большой избыточности (каждый бит заменяется десятками чипов), мощность принимаемого сигнала может быть сопоставима с интегральной мощностью шума. Похожести CDM-сигналов на случайный (гауссов) шум добиваются, используя CDM-коды, порожденные генератором псевдослучайных последовательностей. Поэтому данный метод еще называют методом расширения спектра сигнала посредством прямой последовательности (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), о расширении спектра будет рассказано ниже.

Наиболее сильная сторона данного уплотнения заключается в повышенной защищенности и скрытности передачи данных: не зная кода, невозможно получить сигнал, а в ряде случаев - и обнаружить его присутствие. Кроме того, кодовое пространство несравненно более значительно по сравнению с частотной схемой уплотнения, что позволяет без особых проблем присваивать каждому передатчику свой индивидуальный код.

Основной же проблемой кодового уплотнения до недавнего времени являлась сложность технической реализации приемников и необходимость обеспечения точной синхронизации передатчика и приемника для гарантированного получения пакета.

Механизм мультиплексирования посредством ортогональных несущих частот (Orthogonal Frequency Div i sion Multiplexing , OFDM )

Весь доступный частотный диапазон разбивается на достаточно много поднесущих (от нескольких сот до тысяч). Одному каналу связи (приемнику и передатчику) назначают для передачи несколько таких несущих, выбранных из всего множества по определенному закону. Передача ведется одновременно по всем поднесущим, т. е. в каждом передатчике исходящий поток данных разбивается на N субпотоков, где N – число поднесущих, назначенных данному передатчику.

Распределение поднесущих в ходе работы может динамически изменяться, что делает данный механизм не менее гибким, чем метод временного уплотнения.

Схема OFDM имеет несколько преимуществ. Во-первых, селективному замиранию будут подвержены только некоторые подканалы, а не весь сигнал. Если поток данных защищен кодом прямого исправления ошибок, то с этим замиранием легко бороться. Но что более важно, OFDM позволяет подавить межсимвольную интерференцию. Межсимвольная интерференция оказывает значительное влияние при высоких скоростях передачи данных, так как расстояние между битами (или символами) является малым.

В схеме OFDM скорость передачи данных уменьшается в N раз, что позволяет увеличить время передачи символа в N раз. Таким образом, если время передачи символа для исходного потока составляет T s , то период сигнала OFDM будет равен NT s . Это позволяет существенно снизить влияние межсимвольных помех. При проектировании системы N выбирается таким образом, чтобы величина NT s значительно превышала среднеквадратичный разброс задержек канала.

Пропускная способность выступает универсальной характеристикой, описывающей максимальное количество единиц объектов, проходящих канал, узел, сечение. Характеристика широко используется связистами, транспортниками, гидравликами, оптиками, акустиками, машиностроением. Каждый даёт собственное определение. Обычно подводят черту, применяя единицы времени, явно увязывая физический смысл на скорость прохождения процесса. Канал связи передаёт информацию. Поэтому характеристикой пропускной способности выступает битрейт (бит/с, бод).

Единица измерения

Стандартный бит/с чаще дополняют приставками:

1. Кило: кбит/с = 1000 бит/с.
2. Мега: Мбит/с = 1000000 бит/с.
3. Гига: Гбит/с = 1 млрд. бит/с.
4. Тера: Тбит/с = 1 трлн. бит/с.
5. Пета: Пбит/с = 1 квадриллион бит/с.

Реже применяются размерности байтов (1Б = 8 бит). Величина обычно касается физического слоя иерархии OSI. Часть ёмкости канала отбирают условности протокола: заголовки, стартовые биты… Бодами принято измерять модулированную скорость, показывающую число символов в единицу времени. Для двоичной системы (0, 1) оба понятия эквиваленты. Кодирование уровней, например, псевдо-шумовыми последовательностями изменяет расстановку сил. Бодов становится меньше при том же битрейте, разницу определяет база наложенного сигнала. Теоретически достижимая верхняя граница модулированной скорости связана с шириной спектра канала законом Найквиста:

бод ≤ 2 x ширина (Гц).

Практически порог достигается одновременным выполнением двух условий:

• Однополосная модуляция.
• Линейное (физическое) кодирование.

Коммерческие каналы демонстрируют пропускную способность вдвое ниже. Реальная сеть передаёт также фреймовые биты, избыточную информацию исправления ошибок. Последнее касается вдвойне беспроводных протоколов, сверхскоростных медных линий. Заголовки каждого последующего уровня OSI последовательно снижают реальную пропускную способность канала.

Отдельно эксперты оговаривают пиковые значения – числа полученные с применением идеальных условий. Реальная скорость соединения устанавливается специализированным оборудованием, реже программным обеспечением. Онлайн-измерители показывают зачастую нереальные значения, описывающие состояние одной-единственной ветки мировой паутины. Путаницы добавляет отсутствие стандартизации. Иногда битрейт подразумевает физическую скорость, реже – сетевую (вычитающую объем служебной информации). Величины соотносятся следующим образом:

сетевая скорость = физическая скорость х кодовая скорость.

Последняя величина учитывает наличие возможности корректировать ошибки, всегда меньше единицы. Сетевая скорость однозначно ниже физической. Пример:

1. Сетевая скорость протокола IEEE 802.11a составляет 6..54 Мбит/с. Чистый битрейт – 12..72 Мбит/с.
2. Реальная скорость передачи 100Base-TX Ethernet равна 125 Мбит/с, благодаря принятой системе кодирования 4B5B. Однако применяемая методика линейной модуляции NRZI позволяет указать символьную скорость 125 Мбод.
3. Ethernet 10Base-T лишён кода коррекции ошибок, сетевая скорость равна физической (10 Мбит/с). Однако применяемый манчестерский код обусловливает присвоение итоговой символьной – значения 20 Мбод.
4. Общеизвестна асимметрия скорости восходящего (48 кбит/с), нисходящего (56 кбит/с) каналов голосового модема V.92. Аналогично работают сети многих поколений сотовой связи.

Ёмкость канала получила имя Шеннона – теоретический верхний предел сетевого битрейта в отсутствии ошибок.

Теория повышения пропускной способности

Теорию информацию развивал Клод Шеннон, наблюдая ужасы Второй мировой войны, ввёл понятие ёмкости канала, разработал математические модели. Имитация связной линии включает три блока:

1. Передатчик.
2. Зашумлённый канал (наличие источника помех).
3. Приёмник.

Переданная, принятая информация представлены условными функциями распределения. Ёмкостную модель Шеннона описывают графами. Пример Википедии даёт обзор среды, характеризующейся пятью дискретными уровнями полезного сигнала. Шум выбирают из интервала (-1..+1). Тогда пропускная способность канала равна сумме полезного сигнала, помех по модулю 5. Полученное значение часто оказывается дробным. Поэтому сложно определить размер изначально переданной информации (округлять в верхнюю или нижнюю сторону).

Величины, отстоящие дальше (например, 1; 3), невозможно перепутать. Каждый набор, сформированный тремя и более различимыми сообщениями, дополнен одним нечётким. Хотя номинальная ёмкость канала позволяет передать одновременно 5 значений, эффективной оказывается пара, позволяющая кодировать послания, избегая ошибок. Чтобы увеличить объем, используют комбинации: 11, 23, 54, 42. Кодовое расстояние последовательностей всегда больше двух. Поэтому помехи бессильны помешать правильному распознаванию комбинации. Становится возможным мультиплексирование, повышающее значительно пропускную способность канала связи.

Пять дискретных значений тоже объединяют равносторонним графом. Концы рёбер указывают пары значений, которые приёмник может перепутать, благодаря наличию шума. Тогда число комбинаций представлено независимым множеством составленного графа. Графически набор собран комбинациями, исключающими присутствие обеих точек одного ребра. Модель Шеннона для пятиуровневого сигнала составлена исключительно парами значений (см. выше). Внимание, вопрос!

• Какое отношение сложные теоретические выкладки имеют к обсуждаемой теме ёмкости канала?

Самое непосредственное. Первая цифровая система передачи кодированной информации Зелёный шмель (Вторая мировая война) применяла 6-уровневый сигнал. Теоретические выкладки учёных снабдили союзников надёжной зашифрованной связью, позволив провести свыше 3000 конференций. Вычислительная сложность графов Шеннона остаётся неизвестной. Значение пытались получить окольными путями, продолжая ряды по мере усложнения случая. Число Ловаса считаем красочным примером сказанного.

Битрейт

Пропускная способность реального канала вычисляется согласно теории. Строится модель шума, например, аддитивная Гауссова, получают выражение теоремы Шеннона-Хартли:

С = В log2 (1 + S/N),

В – полоса пропускания (Гц); S/N – отношение сигнал/шум. Логарифм по основанию 2 позволяет посчитать битрейт (бит/с). Величины сигнала, шума записываются квадратами вольта, либо ваттами. Подстановка децибелов даёт неправильный результат. Формула пиринговых беспроводных сетей немного отличается. Берут спектральную плотность шума, помноженную на ширину полосы пропускания. Выведены отдельные выражения каналов с быстрыми и медленными замираниями.

Мультимедийные файлы

Применительно к развлекательным приложениям битрейт показывает количество информации, сохраняемой, воспроизводимой ежесекундно:

1. Частота сэмплирования данных различна.
2. Выборки разного размера (бит).
3. Иногда проводится шифрование.
4. Специализированные алгоритмы сжимают информацию.

Выбирается золотая середина, способствующая минимизации битрейта, обеспечивающая приемлемое качество. Иногда сжатие необратимо искажает исходный материал помехами компрессии. Часто скорость показывает число битов в единице воспроизводимого времени аудио, видео (отображается плеером). Иногда величину вычисляют делением размера файла на общую длительность. Поскольку размерность задана байтами, вводят множитель 8. Часто мультимедийный битрейт скачет. Скоростью энтропии называют минимальную, обеспечивающую полное сохранение исходного материала.

Компакт-диски

Стандарт audio CD предписывает передавать поток частотой выборки 44,1 кГц (глубина 16 бит). Типичная музыка формата стерео составлена двумя каналами (левая, правая колонка). Битрейт удваивается к моно. Пропускаемая способность канала кодово-импульсной модуляции определена выражением:

• битрейт = частота выборки х глубина х число каналов.

Стандарт audio CD даёт итоговую цифру 1,4112 Мбит/с. Нехитрый подсчёт показывает: 80 минут записи занимают 847 МБ без учёта заголовков. Большим размером файла определяется потребность содержимое сжимать. Приведём цифры формата MP3:

• 32 кбит/с – приемлемо для членораздельной речи.
• 96 кбит/с – низкокачественная запись.
• .160 кбит/с – слабый уровень.
• 192 кбит/с – нечто среднее.
• 256 кбит/с – типичное значение большинства треков.
• 320 кбит/с – качество премиум.

Эффект налицо. Снижение скорости с одновременным ростом качества воспроизведения. Простейшие телефонные кодеки занимают 8 кбит/с, Opus – 6 кбит/с. Видео более требовательное. 10-битный несжатый поток Full HD (24 кадра) занимает 1,4 Гбит/с. Становится понятной необходимость провайдерам постоянно превосходить ранее установленные рекорды. Элементарный семейный воскресный просмотр измеряется общими впечатлениями зрителей. Близким сложно объяснить, что такое погрешность оцифровывания изображения.

Реальные каналы строят, обеспечивая солидный запас. Аналогичными причинами обусловлен прогресс стандартов цифровых носителей. Dolby Digital (1994) предусматривал однозначно потерю информации. Первый показ Бэтмен возвращается (1992) проигрывали с 35-мм плёнки, несущей сжатый звук (320 кбит в секунду). Кадры видео переносил CCD сканер, попутно оборудование распаковывало звуковое сопровождение. Оснащённый системой 5.1 Digital Surround зал требовал дальнейшей цифровой обработки потока.

Реальные системы чаще образованы набором каналов. Сегодня былой шик вытесняется Dolby Surround 7.1, растёт популярность Atmos. Одинаковые технологи могут реализоваться практически самобытно. Приведём примеры восьмиканального (7.1) звукового сопровождения:

• Dolby Digital Plus (3/1,7 Мбит/с).
• Dolby TrueHD (18 Мбит/с).

Заданная пропускная способность различна.

Примеры пропускной способности каналов

Рассмотрим эволюцию технологий цифровой передачи информации.

Модемы

1. Акустическая пара (1972) – 300 бод.
2. Модем Вадик&Белл 212А (1977) – 1200 бод.
3. Канал ISDN (1986) – 2 канала 64 кбит/с (итоговая скорость – 144 кбит/с).
4. 32bis (1990) – до 19,2 кбит/с.
5. 34 (1994) – 28,8 кбит/с.
6. 90 (1995) – 56 кбит/с нисходящий поток, 33,6 кбит/с – восходящий.
7. 92 (1999) – 56/48 кбит/с нисходящий/восходящий потоки.
8. ADSL (1998) – до 10 Мбит/с.
9. ADSL2 (2003) – до 12 Мбит/с.
10. ADSL2+ (2005) – до 26 Мбит/с.
11. VDSL2 (2005) – 200 Мбит/с.
12. fast (2014) – 1 Гбит/с.

Локальная сеть Ethernet

1. Экспериментальная версия (1975) – 2,94 Мбит/с.
2. 10BASES (1981, коаксиальный кабель) – 10 Мбит/с.
3. 10BASE-T (1990, витая пара) – 10 Мбит/с.
4. Fast Ethernet (1995) – 100 Мбит/с.
5. Gigabit Ethernet (1999) – 1 Гбит/с.
6. 10 Gigabit Ethernet (2003) – 10 Гбит/с.
7. 100 Gigabit Ethernet (2010) – 100 Гбит/с.

Wi-Fi

1. IEEE 802.11 (1997) – 2 Мбит/с.
2. IEEE 802.11b (1999) – 11 Мбит/с.
3. IEEE 802.11a (1999) – 54 Мбит/с.
4. IEEE 802.11g (2003) – 54 Мбит/с.
5. IEEE 802.11n (2007) – 600 Мбит/с.
6. IEEE 802.11ac (2012) – 1000 Мбит/с.

Сотовая связь

1. Первое поколение:
   1. NMT (1981) – 1,2 кбит/с.
2. 2G:
   1. GSM CSD, D-AMPS (1991) – 14,4 кбит/с.
   2. EDGE (2003) – 296/118,4 кбит/с.
3. 3G:
   1. UMTS-FDD (2001) – 384 кбит/с.
   2. UMTS HSDPA (2007) – 14,4 Мбит/с.
   3. UMTS HSPA (2008) – 14,4/5,76 Мбит/с.
   4. HSPA+ (2009) – 28/22 Мбит/с.
   5. CDMA2000 EV-DO Rev. B (2010) – 14,7 Мбит/с.
   6. HSPA+ MIMO (2011) – 42 Мбит/с.
4. 3G+:
   1. IEEE 802.16e (2007) – 144/35 Мбит/с.
   2. LTE (2009) – 100/50 Мбит/с.
5. 4G:
   1. LTE-A (2012) – 115 Мбит/с.
   2. WiMAX 2 (2011-2013, IEEE 802.16m) – 1 Гбит/с (максимум, обеспечиваемый неподвижными объектами).

Япония сегодня внедряет пятое поколение мобильной связи, увеличивая возможности передачи цифровых пакетов.