Василенко В.С.

Національний авіаційний університет (НАУ) України

Доступність, цілісність інформаційних об’єктів та пропускна спроможність каналу

Забезпечення доступності та цілісності інформації, яка циркулює в цих системах є однією із основних задач технічного захисту в розподілених обчислювальних мережах (РОМ). Для телекомунікаційних систем, як елементів РОМ, ця задача трансформується в забезпечення їх високої пропускної спроможності при відсутності будь-яких модифікацій (викривлень), які не були санкціоновані її власником, не залежно від причин або джерел виникнення таких викривлень. Наслідком природних впливів в каналах телекомунікаційних мереж (ТКМ) є зменшення співвідношення енергетик сигнал/ шум (сигнал/завада) .

Відомо [1], що у випадку найбільш “неприємної” завади типу “білий шум”, потужність якої рівномірно розподілена у всій смузі частот каналу, справедливе наступне співвідношення: потенційна пропускна спроможність безперервного каналу з завадами дорівнює:

, (1)

де: – ширина смуги частот каналу; h² – співвідношення корисний сигнал/завада.

Вважається, що вираз (1) указує граничне значення пропускної спроможності каналу, якого досягти вельми важко, до нього можна лише наблизитися. При виводі цієї формули передбачалося, що на приймальній стороні сигнали повністю відділяються від завад (шумів) [2]. Враховуючи нереальність цього припущення очікувати в реальних системах близьких до (1) результатів неможливо.

Традиційно вважається, що як витікає із виразу (1), підвищення пропускної спроможності каналів є можливим за рахунок або розширення смуги пропускання , або збільшення відношення сигнал/завада (h²). Це докладно проаналізовано в [2], де показано, що при прямому (безпосередньому) розширенні смуги пропускання межа пропускної спроможності в разі, коли швидкість передачі збільшується необмежено, становить:

, (2)

де: – потужність сигналу та спектральна щільність завад відповідно.

Більш детальний аналіз [2, 3] показує, що у міру збільшення швидкості посимвольної передачі інформації (чи смуги пропускання ΔF каналу) його пропускна спроможність швидко зростає доти, поки середні потужності шуму і сигналу не порівняються. Потім вона зростає поволі, асимптотично наближаючись до визначеного вище значення (2). Ефективне використання смуги пропускання каналу забезпечується до частоти , чи .

Аналіз розглянутих результатів [3] свідчить про те, що традиційний спосіб підвищення пропускної спроможності каналу шляхом розширення смуги пропускання є ефективним лише в досить вузькому діапазоні частот.

Викладена нижче ідея підвищення пропускної спроможності витікає із багаторівневої частотної маніпуляції, коли вихідна двійкова послідовність розбивається на відповідне число біт (дібіти, трибіти і т.д.) для визначення однієї з можливих частот несучої, переданої в даний момент. При цьому для передачі k комбінацій потрібно використовувати k частот із діапазону . Наприклад, при передачі чотирьох комбінацій дібітами потрібно чотири частоти (див. рис. 1), що є не досить економним, оскільки при k частотах можливим є їх комбінацій (якщо k = 4, то ).

Тому для підвищення пропускної спроможності автором пропонується дискретизація (розбиття) загальної, визначеної наперед і, як можна більше широкої, смуги пропускання каналу на певну кількість k частотних дискрет () шириною кожна, по яких одночасно передаються k сигналів так, що їх сукупність утворює певне повідомлення (чи його частину).

Рис. 1. Чотирьохрівнева частотна маніпуляція

Розширення алфавіту для дискретних сигналів можливе при збільшенні кількості k частотних дискрет (за рахунок розширення загальної смуги пропускання чи за рахунок зменшення ширини цих дискрет ). Ширина кожної із і (і = 1, 2, …, k) частотних дискрет та частотний проміжок між ними повинні вибиратися так, щоби виключити взаємні впливи сигналів сусідніх дискрет.

На рис. 2 надано приклад використання частотної дискретизації при одночасній передачі повідомлення 11…0…1, яке складається із k двійкових розрядів. Зрозуміло, що при швидкості передачі інформації В мінімальну ширину кожної із дискрет можна визначити як Гц і тоді можлива кількість частотних дискрет складе , а максимальна швидкість передачі інформації, тобто пропускна спроможність каналу при частотній дискретизації – (біт/с).

Рис. 2. Дискретизація смуги пропускання каналу

Правда, при низькій швидкості передачі в межах дискрет і значеній ширині смуги пропускання кількість частотних дискрет може бути значною і тоді реалізація цього методу є складною технічною задачею.

Зменшити цю кількість можна за рахунок збільшення швидкості передачі інформації в межах кожної із дискрет, а отже, за рахунок збільшення їх смуги пропускання і, як наслідок, – зменшення кількості цих дискрет.

Розрахунки показують, що пропускна спроможність, яка є максимально досяжною для метода прямого розширення смуги пропускання, при використанні наведених вище умов може бути досягнутою при незначній кількості (одиниці) дискрет. Оскільки ширина смуги таких дискрет є значно меншою загальної смуги частот, то при цьому збільшується співвідношення сигнал/завад, а отже цілісність інформаційних об’єктів РОМ, а збільшивши кількість таких дискрет, можна легко підвищити пропускну спроможність каналу, а отже – їх доступність.

Література:

1. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетики: – М., 1963.

2. Алишев Я.В. Предельная пропускная способность и потенциальная помехоустойчивость оптических сетей и систем телекоммуникаций. // Доклады БГУИР. 2004. – Т. 2, № 2. – С. 43-45.

3. Василенко В.С., Дубчак О.В. Частотна дискретизація як метод підвищення перепускної спроможності каналів передачі даних. Матеріали V міжнародної Науково – практичної конференції “Naukowa przestrzen Europa – 2009” 07–15 квітня 2009 roku. Informacyjne technologie. – Перемишль: “Nauka і studia” 2009. – Т. 17, С. 84–87