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 можно восстановить по ее ряду Фурье. Другими словами, зная период T и амплитуды, можно восстановить исходную функцию времени путем вычисления сумм уравнения (2.2).

Можно представить, что информационный сигнал конечной длительности (а все информационные сигналы именно такие) повторяет весь паттерн снова и снова до бесконечности (то есть интервал от T до 2T идентичен интервалу от 0 до T и т.д.).

Вычислить амплитуды an для любой заданной функции g(t) можно путем умножения обеих сторон уравнения (2.2) на sin(2?kft) и взятия интеграла по отрезку от 0 до T. А поскольку

то остается только один из членов суммы: an. Сумма с коэффициентами bn исчезает полностью. Аналогично, умножив уравнение (2.2) на cos(2?kft) и взяв интеграл по отрезку от 0 до T, можно определить bn. Чтобы найти c, достаточно проинтегрировать обе половины уравнения в его первоначальном виде. В результате этих операций получаем: