Стоимость микроволновой связи относительно невелика. Возведение двух примитивных вышек (это могут быть просто большие столбы с четырьмя тросами) и установка антенн может обойтись намного дешевле, чем проведение 50 км оптоволокна под землей в густонаселенном городе или, скажем, в горах. Даже аренда оптоволоконной сети у телефонной компании может сильнее ударить по карману, особенно если эта компания еще не полностью расплатилась за медный провод, от которого отказалась в пользу оптоволокна.

2.3.3. Передача данных в инфракрасном диапазоне

Инфракрасные волны без использования кабеля широко применяются для связи на короткие расстояния. Пульты дистанционного управления телевизорами, Blue-ray плеерами и стереосистемами используют связь в ИК-диапазоне. Они относительно направленные, дешевые, а их производство не представляет сложности. Впрочем, есть у них и очень крупный недостаток: сигнал не проходит сквозь плотные объекты (попробуйте встать между пультом дистанционного управления и телевизором и проверьте, будет ли он работать). В целом по мере перехода от длинноволнового радио к видимому свету волны все больше напоминают световые и все меньше — радиоволны.

С другой стороны, неспособность инфракрасных волн проникать через сплошные стены — положительное качество. Ведь инфракрасная система в одной комнате не будет мешать аналогичной системе в соседних помещениях: вы не сможете управлять соседским телевизором с помощью своего пульта. Более того, благодаря этому свойству инфракрасные системы защищены от перехвата информации лучше, чем радио. Следовательно, для их работы не нужна государственная лицензия, в отличие от радиосистем, работающих за пределами ISM-диапазонов частот. В ограниченном объеме инфракрасная связь применяется и в настольных ПК, например, для подключения ноутбуков и принтеров по стандарту IrDA (Infrared Data Association), но на рынке связи ее роль второстепенна.

2.3.4. Передача данных в видимом диапазоне

Беспроводная оптическая коммуникация, или оптика свободного пространства (free-space optics), применялась на протяжении столетий. Пол Ревир (Paul Revere)17 накануне своей знаменитой «Скачки» посылал двоичные световые сигналы (с помощью фонаря. — Примеч. ред.) из бостонской Старой Северной церкви. Сегодня оптическая коммуникация используется для соединения двух LAN: на крышах зданий, в которых они развернуты, устанавливаются лазеры. Лазерная связь по своей природе является однонаправленной, так что на каждой стороне нужен свой лазер и свой фотодатчик. Такая архитектура обеспечивает очень широкую полосу пропускания за небольшие деньги. При этом она достаточно хорошо защищена, ведь перехват узкого лазерного луча — непростая задача. Установка оборудования проста и, в отличие от передачи в микроволновом диапазоне, не требует лицензии от Федеральной комиссии по связи (Federal Communications Commission, FCC) в США и аналогичных правительственных органов в других странах.

Главное преимущество лазера, узкий луч, одновременно является его недостатком. Попасть лучом миллиметровой ширины в цель размером с булавочную головку на расстоянии 500 м может разве что современная Энни Оукли (Annie Oakley)18. Обычно в систему включаются специальные линзы для небольшой расфокусировки луча. Проблема усугубляется тем, что луч подвержен искажению из-за ветра и температурных изменений, а дождь или сильный туман становятся непреодолимой преградой. При этом лазер прекрасно работает в солнечный день. Впрочем, эти факторы не имеют значения, если речь идет о соединении двух космических аппаратов.

Однажды в 1990-х один из авторов книги, Эндрю Таненбаум, посетил конференцию, проходившую в современном европейском отеле. Организаторы заботливо предоставили конференц-зал с терминалами, чтобы участники могли проверять свою электронную почту во время нудных докладов. Местная телефонная компания отказалась проводить множество телефонных линий ради трех дней конференции. Тогда организаторы поставили на крыше лазер и нацелили его на здание факультета вычислительной техники своего университета, расположенное в нескольких километрах. В ночь перед мероприятием связь работала отлично. Однако в 9 утра следующего дня — ясного и солнечного — канал полностью отказал и не работал до вечера. В оставшиеся два дня повторилась та же картина. Только после конференции организаторы выяснили причину: в дневное время из-за солнечного тепла с крыши здания поднимались конвекционные потоки воздуха (илл. 2.11). Эти турбулентные потоки отклоняли лазерный луч, в результате чего он плясал вокруг датчика. Подобный эффект можно наблюдать над шоссе в жаркий день. Мораль истории такова: чтобы беспроводные оптические каналы связи хорошо работали не только в идеальных, но и в сложных условиях, необходимо проектировать их с учетом возможных погрешностей.

Илл. 2.11. Конвекционные потоки воздуха мешают работе систем лазерной связи. На рисунке приведена двунаправленная система с двумя лазерами

Использование беспроводной оптической связи для построения сетей может показаться странной идеей, но у нее есть потенциал. В повседневной жизни нас окружают светочувствительные камеры и дисплеи, излучающие свет при помощи LED и других технологий. Эти устройства можно усовершенствовать, добавив возможность обмена данными. Информация будет зашифрована в паттернах мигания светодиодов за рамками восприятия человека. Передача данных при помощи видимого света вполне безопасна и создает низкоскоростную сеть в непосредственной близости от дисплея. Она позволяет повсеместно реализовывать самые разнообразные вычислительные сценарии. Проблесковые маячки на автомобилях экстренных служб могут сигнализировать ближайшим светофорам и машинам о необходимости уступить дорогу. Информационные табло могут транслировать карты. Даже праздничные гирлянды можно использовать для проигрывания музыки синхронно с миганием огоньков.

17 Герой Войны за независимость США 1775–1783 гг. Прославился тем, что оповестил повстанцев о наступлении британских отрядов. — Примеч. ред.

18 Легендарная американская женщина-стрелок, способная пулей погасить пламя свечи. — Примеч. ред.

2.4. От форм волн к битам

В этом разделе мы обсудим передачу сигналов по физическим средам, описанным выше. Начнем с теоретических основ обмена данными, а затем расскажем о модуляции (процессе преобразования аналоговых форм волн в биты) и мультиплексировании (с помощью которого одна физическая среда может служить проводником для передачи нескольких сигналов одновременно).

2.4.1. Теоретические основы обмена данными

Информацию можно передавать по проводам путем варьирования какой-либо физической величины, например напряжения или силы тока. Если представить значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени f(t), можно смоделировать поведение сигнала и проанализировать его математически. Этому анализу и посвящены следующие разделы.

Гармонический анализ

В начале XIX столетия французский математик Жан-Батист Фурье (Jean-Baptiste Fourier) доказал, что любую обычную периодическую функцию g(t) с периодом T можно представить в виде суммы ряда (возможно, бесконечного) синусов и косинусов:

где f = 1/T — частота основной гармоники, an и bn — амплитуды n-х гармоник (членов ряда), а с — константа, определяющая среднее значение функции. Подобное разложение называется рядом Фурье (Fourier series). Функцию