Bande passante

Bande passante- caractéristique métrique montrant le rapport quantité maximale faire passer des unités (informations, objets, volume) par unité de temps à travers un canal, un système, un nœud.

Utilisé dans divers domaines :

• en communication et en informatique, P.S. est la quantité maximale réalisable de transmission d'informations ;
• dans les transports PS - le nombre d'unités de transport ;
• en génie mécanique - le volume d'air qui passe (huile, graisse).

Il peut être mesuré dans diverses unités, parfois très spécialisées : pièces, bits/sec, tonnes, mètres cubes, etc.

En informatique, la définition du débit s'applique généralement à un canal de communication et est définie comme la quantité maximale d'informations transmises ou reçues par unité de temps.
La bande passante est l’un des facteurs les plus importants du point de vue de l’utilisateur. Il est estimé par la quantité de données que le réseau peut, dans la limite, transférer par unité de temps d'un appareil qui y est connecté à un autre.

Capacité des canaux

La vitesse de transmission d'informations la plus élevée possible dans un canal donné est appelée son débit. La capacité du canal est la vitesse de transmission des informations lors de l'utilisation de la « meilleure » source, du codeur et du décodeur pour un canal donné, elle caractérise donc uniquement le canal.

Débit d'un canal discret (numérique) sans interférence

C = log(m) bits/symbole

où m est la base du code de signal utilisé dans le canal. Vitesse de transfert des informations canal discret sans bruit (canal idéal) est égal à sa capacité lorsque les symboles du canal sont indépendants et que tous les m symboles de l'alphabet sont également probables (utilisés également souvent).

Bande passante du réseau neuronal

Le débit d'un réseau de neurones est la moyenne arithmétique entre les volumes d'informations traitées et créées réseau neuronal par unité de temps.

Voir aussi

• Liste des capacités d'interface de données

Fondation Wikimédia.

• 2010.
• Gareev, Musa Gaisinovitch

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débit - vitesse la plus élevéeéquipement de transmission de données à partir duquel les informations pénètrent dans le dispositif de stockage sans perte tout en conservant la vitesse d'échantillonnage et l'analogique transformation numérique. pour les appareils avec architecture de bus parallèle, débit... ... Dictionnaire de concepts et de termes formulés dans documents réglementaires Législation russe

Ilya Nazarov
Ingénieur système chez INTELCOM Line

Après avoir évalué la bande passante requise sur chaque tronçon du réseau IP, il est nécessaire de décider du choix des technologies de réseau et de canal. Niveaux OSI. Conformément aux technologies sélectionnées, les modèles d'équipements réseau les plus adaptés sont déterminés. Cette question est également difficile, car le débit dépend directement des performances du matériel, et les performances, à leur tour, dépendent de l'architecture matérielle et logicielle. Examinons de plus près les critères et méthodes d'évaluation de la capacité des canaux et des équipements dans les réseaux IP.

Critères d'évaluation de la bande passante

Depuis l’émergence de la théorie du télétrafic, de nombreuses méthodes ont été développées pour calculer la capacité des canaux. Cependant, contrairement aux méthodes de calcul appliquées aux réseaux à commutation de circuits, le calcul du débit requis dans les réseaux par paquets est assez complexe et il est peu probable qu'il permette d'obtenir un débit suffisant. des résultats précis. Tout d’abord, cela est dû à une somme énorme facteurs (notamment inhérents aux réseaux multiservices modernes) assez difficiles à prévoir. Sur les réseaux IP infrastructure générale, généralement utilisé par plusieurs applications, chacune pouvant utiliser son propre modèle de trafic. De plus, au sein d'une session, le trafic transmis dans le sens aller peut différer du trafic transmis dans le sens opposé. De plus, les calculs sont compliqués par le fait que la vitesse du trafic entre les différents nœuds du réseau peut changer. Par conséquent, dans la plupart des cas, lors de la construction de réseaux, l'estimation de la capacité est en réalité déterminée par recommandations générales les fabricants, recherche statistique et l'expérience d'autres organisations.

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Pour déterminer plus ou moins précisément la quantité de bande passante requise pour le réseau en cours de conception, vous devez d'abord savoir quelles applications seront utilisées. Ensuite, pour chaque application, vous devez analyser comment les données seront transférées pendant les périodes sélectionnées et quels protocoles sont utilisés pour cela.

Pour exemple simple envisager une petite application réseau d'entreprise.

Exemple de calcul de bande passante

Supposons qu'il y ait 300 ordinateurs de travail et le même nombre de téléphones IP sur le réseau. Il est prévu d'utiliser les services suivants : email, téléphonie IP, vidéosurveillance (Fig. 1). Pour la vidéosurveillance, 20 caméras sont utilisées, à partir desquelles les flux vidéo sont transmis au serveur. Essayons d'estimer quelle bande passante maximale est requise pour tous les services sur les canaux entre les commutateurs centraux du réseau et aux jonctions avec chacun des serveurs.

Il convient de noter d'emblée que tous les calculs doivent être effectués pour la période de plus grande activité réseau des utilisateurs (dans la théorie du télétrafic - heures de pointe), car généralement pendant ces périodes, les performances du réseau sont les plus importantes et les retards et pannes de fonctionnement des applications associés à un manque de bande passante se produit, sont inacceptables. Dans les organisations charge la plus élevée sur le réseau peut survenir, par exemple, à la fin de la période de reporting ou lors d'un afflux saisonnier de clients, lorsque le plus grand nombre appels téléphoniques et va la plupart messages électroniques.

E-mail
Revenant à notre exemple, considérons un service de messagerie. Il utilise des protocoles qui s'exécutent sur TCP, ce qui signifie que le taux de transfert de données est constamment ajusté pour utiliser toute la bande passante disponible. Ainsi, nous partirons de valeur maximale délai d'envoi d'un message - supposons qu'une seconde suffise pour que l'utilisateur se sente à l'aise. Ensuite, vous devez estimer la taille moyenne du message envoyé. Supposons que lors des pics d'activité messages électroniques contiendra souvent diverses pièces jointes (copies de factures, rapports, etc.), donc pour notre exemple taille moyenne Prenons 500 Ko de messages. Et enfin, dernier paramètre, que nous devons choisir - nombre maximum des employés qui envoient simultanément des messages. Supposons qu'en période d'urgence, la moitié des employés appuient simultanément sur le bouton « Soumettre » dans client de messagerie. Le débit maximum requis pour le trafic de courrier électronique serait alors de (500 Ko x 150 hôtes)/1 s = 75 000 Ko/s ou 600 Mbps. De là, nous pouvons immédiatement conclure que pour la connexion serveur de messagerie avec le réseau, vous devez utiliser un canal Gigabit-Ethernet. Au cœur du réseau, cette valeur sera l’un des termes qui composent le débit total requis.

Téléphonie et vidéosurveillance
D'autres applications - téléphonie et vidéosurveillance - sont similaires dans leur structure de transmission de flux : les deux types de trafic sont transmis via Protocole UDP et ont une vitesse de transmission plus ou moins fixe. Les principales différences sont qu'en téléphonie, les flux sont bidirectionnels et limités par la durée de l'appel, tandis qu'en vidéosurveillance, les flux sont transmis dans un sens et, en règle générale, sont continus.

Pour estimer le débit requis pour le trafic téléphonique, supposons qu'en période de pointe d'activité, le nombre de connexions simultanées passant par la passerelle puisse atteindre jusqu'à 100. Lors de l'utilisation du codec G.711 dans Réseaux Ethernet La vitesse d'un flux, compte tenu des en-têtes et des paquets de service, est d'environ 100 kbit/s. Ainsi, pendant les périodes de plus grande activité des utilisateurs, la bande passante requise dans le cœur du réseau sera de 10 Mbit/s.

Le trafic de vidéosurveillance est calculé de manière simple et précise. Disons que dans notre cas, les caméras vidéo transmettent des flux de 4 Mbit/s chacune. La bande passante requise sera égale à la somme des vitesses de tous les flux vidéo : 4 Mbit/s x 20 caméras = 80 Mbit/s.

Il ne reste plus qu'à additionner les valeurs maximales résultantes pour chacun des services réseau: 600 + 10 + 80 = 690 Mbit/s. Ce sera la bande passante requise dans le cœur du réseau. La conception doit également inclure la possibilité d'évoluer afin que les canaux de communication puissent desservir le plus longtemps possible le trafic d'un réseau en croissance. Dans notre exemple, il suffira d'utiliser Gigabit Ethernet pour répondre aux exigences du service et en même temps pouvoir développer le réseau de manière transparente en connectant plus de nœuds.

Bien entendu, l’exemple donné est loin d’être standard : chaque cas doit être considéré séparément. En réalité, la topologie du réseau peut être beaucoup plus complexe (Fig. 2) et une évaluation de la capacité doit être effectuée pour chaque section du réseau.

Il convient de noter que le trafic VoIP (téléphonie IP) est distribué non seulement des téléphones vers le serveur, mais également directement entre les téléphones. De plus, dans différents départements de l'organisation activité du réseau peut varier : le service d'assistance technique passe plus d'appels téléphoniques, le service projet l'utilise plus activement que les autres par email, le service d'ingénierie consomme plus de trafic Internet que les autres, etc. Par conséquent, certaines parties du réseau peuvent nécessiter plus de bande passante que d’autres.

Débit utilisable et complet

Dans notre exemple, lors du calcul du débit de téléphonie IP, nous avons pris en compte le codec utilisé et la taille des en-têtes de paquets. C’est un détail important à garder à l’esprit. En fonction de la méthode de codage (codecs utilisés), de la quantité de données transmises dans chaque paquet et des protocoles utilisés couche de liaison la pleine capacité de débit est formée. C'est le débit total qui doit être pris en compte lors de l'estimation du débit réseau requis. Ceci est particulièrement pertinent pour la téléphonie IP et d'autres applications qui utilisent la transmission en temps réel de flux à faible vitesse, dans lesquels la taille des en-têtes de paquet représente une partie significative de la taille du paquet entier. Pour plus de clarté, comparons deux flux VoIP (voir tableau). Ces flux utilisent la même compression mais des tailles différentes charge utile(en fait un flux audio numérique) et divers protocoles de couche liaison.

Le taux de transfert de données sous sa forme pure, sans tenir compte des en-têtes de protocole réseau (dans notre cas, un flux audio numérique), constitue une bande passante utile. Comme vous pouvez le voir sur le tableau, avec le même débit utile de flux, leur débit total peut varier considérablement. Ainsi, lors du calcul de la capacité réseau requise pour les appels téléphoniques lors des pics de charge, notamment pour les opérateurs télécoms, le choix des protocoles de canal et des paramètres de flux joue un rôle important.

Sélection d'équipement

Le choix des protocoles de couche liaison ne pose généralement pas de problème (aujourd'hui, la question se pose plus souvent de savoir quelle doit être la bande passante). Canal Ethernet), mais voici un choix équipement adapté Même un ingénieur expérimenté peut trouver cela difficile.

Développement technologies de réseau Parallèlement à la demande croissante des applications en matière de bande passante réseau, les fabricants d'équipements réseau sont contraints de développer des architectures logicielles et matérielles toujours nouvelles. Souvent, chez un seul fabricant, il existe des modèles d'équipement apparemment similaires, mais conçus pour résoudre des problèmes différents. tâches réseau. Prenons, par exemple, Commutateurs Ethernet: la plupart des fabricants, outre les commutateurs conventionnels utilisés dans les entreprises, disposent de commutateurs pour construire des réseaux de stockage de données, pour organiser les services des opérateurs, etc. Modèles d'un catégorie de prix diffèrent par leur architecture, « adaptée » à des tâches spécifiques.

Outre les performances globales, le choix des équipements doit également être basé sur les technologies prises en charge. Selon le type d'équipement, un certain ensemble de fonctions et de types de trafic peuvent être traités sur niveau matériel sans utiliser les ressources CPU et mémoire. Dans ce cas, le trafic provenant d'autres applications sera traité sur niveau du programme, ce qui réduit considérablement les performances globales et, par conséquent, le débit maximal. Par exemple, les commutateurs multicouches, grâce à leur architecture matérielle complexe, sont capables de transmettre des paquets IP sans réduire les performances lorsqu'ils sont connectés. charge maximale tous les ports. De plus, si l'on souhaite utiliser une encapsulation plus complexe (GRE, MPLS), alors de tels commutateurs (par au moins modèles bon marché) ne nous conviennent probablement pas, car leur architecture ne prend pas en charge les protocoles correspondants, et dans meilleur scénario une telle encapsulation se fera au détriment d'un processeur central peu performant. Par conséquent, pour résoudre de tels problèmes, on peut considérer, par exemple, des routeurs dont l'architecture est basée sur un processeur central hautes performances et dépend davantage de la mise en œuvre logicielle que matérielle. Dans ce cas, au détriment du débit maximal, nous obtenons un vaste ensemble de protocoles et de technologies pris en charge qui ne sont pas pris en charge par les commutateurs de la même catégorie de prix.

Performance globale de l'équipement

Dans la documentation de leurs équipements, les constructeurs indiquent souvent deux valeurs de débit maximum : l'une exprimée en paquets par seconde, l'autre en bits par seconde. Cela est dû au fait que la majeure partie des performances des équipements réseau est généralement consacrée au traitement des en-têtes de paquets. En gros, l'équipement doit recevoir le paquet, lui trouver un chemin de commutation approprié, générer un nouvel en-tête (si nécessaire) et le transmettre davantage. Évidemment, dans ce cas, ce n'est pas le volume de données transmises par unité de temps qui joue un rôle, mais le nombre de paquets.

Si l'on compare deux flux transmis à la même vitesse, mais avec différentes tailles paquets, la transmission d'un flux avec une taille de paquet plus petite nécessitera plus de performances. Ce fait doit être pris en compte si le réseau est destiné à utiliser, par exemple, grand nombre Flux de téléphonie IP - le débit maximum en bits par seconde sera ici bien inférieur à celui déclaré.

Il est clair qu'avec un trafic mixte, et même en tenant compte services supplémentaires(NAT, VPN), comme c'est le cas dans la grande majorité des cas, il est très difficile de calculer la charge sur les ressources des équipements. Souvent, les fabricants d'équipements ou leurs partenaires effectuent test de charge différents modèlesà conditions différentes et les résultats sont publiés sur Internet sous la forme tableaux comparatifs. La familiarisation avec ces résultats simplifie grandement la tâche de choix modèle approprié.

Les pièges des équipements modulaires

Si sélectionné équipement de réseau est modulaire, alors, en plus de la configuration flexible et de l'évolutivité promises par le constructeur, vous pouvez vous heurter à de nombreux pièges.

Lors du choix des modules, vous devez lire attentivement leur description ou consulter le fabricant. Il ne suffit pas de se laisser guider uniquement par le type d'interfaces et leur nombre, il faut aussi se familiariser avec l'architecture du module lui-même. Pour des modules similaires, il n'est pas rare que lors de la transmission du trafic, certains soient capables de traiter les paquets de manière autonome, tandis que d'autres transmettent simplement les paquets au module de traitement central pour un traitement ultérieur (en conséquence, pour des modules extérieurement identiques, leur prix peut différer plusieurs fois ). Dans le premier cas performance globaleéquipement et, par conséquent, son débit maximum s'avère plus élevé que dans le second, puisqu'une partie de son travail Processeur transferts vers les processeurs du module.

De plus, les équipements modulaires ont souvent une architecture bloquante (lorsque le débit maximum est inférieur à la vitesse totale de tous les ports). Cela est dû à la capacité limitée du bus interne par lequel les modules échangent du trafic entre eux. Par exemple, si un commutateur modulaire dispose d'un bus interne avec une bande passante de 20 Gbit/s, alors pour sa carte de ligne avec 48 ports Ethernet Gigabit à entièrement chargé Seuls 20 ports peuvent être utilisés. Vous devez également garder ces détails à l’esprit et lire attentivement la documentation lors du choix de l’équipement.

Lors de la conception de réseaux IP, la bande passante est un paramètre clé qui déterminera l'architecture du réseau dans son ensemble. Pour une évaluation plus précise du débit, vous pouvez suivre les recommandations suivantes :

1. Étudiez les applications que vous envisagez d'utiliser sur le réseau, les technologies qu'elles utilisent et le volume du trafic transmis. Profitez des conseils des développeurs et de l'expérience de vos collègues pour prendre en compte toutes les nuances de ces applications lors de la construction de réseaux.
2. Étudier en détail protocoles réseau et les technologies utilisées par ces applications.
3. Lisez attentivement la documentation lors du choix de l'équipement. Avoir de la réserve solutions toutes faites, vérifier gammes de produits différents fabricants.

En conséquence, lorsque faire le bon choix technologies et équipements, vous pouvez être sûr que le réseau est en au maximum satisfera aux exigences de toutes les applications et, étant suffisamment flexible et évolutif, durera longtemps.

De nombreux facteurs peuvent déformer ou endommager un signal. Le plus courant d’entre eux est l’interférence ou le bruit, c’est-à-dire tout signal indésirable qui se mélange et déforme le signal destiné à être transmis ou reçu. Pour les données numériques, la question se pose : dans quelle mesure ces distorsions limitent-elles le débit de transfert possible des données ? La vitesse maximale possible dans certaines conditions à laquelle les informations peuvent être transmises le long d'un chemin ou canal de communication spécifique est appelée passer capacité canal.

Il y a quatre concepts que nous essaierons de relier ensemble.

Taux de transfert de données - la vitesse en bits par seconde (bit/s) à laquelle vous pouvez

transmettre des données ;

Bande passante - la bande passante du signal transmis, limitée par la transmission aux ohms et la nature du support de transmission.

Elle s'exprime en périodes en secondes, ou hertz (Hz).

Bruit. Niveau de bruit moyen dans le canal de communication.

Niveau d'erreur – fréquence d'apparition des erreurs et des effets secondaires.

Une erreur est considérée comme la réception du 1 et l’émission du 0 et vice versa.

1. Le problème est le suivant : les communications ne sont pas bon marché et, en général, plus leur bande passante est large, plus elles sont chères. De plus, tous les canaux de transmission présentant un intérêt pratique ont une bande passante limitée. Les limitations sont causées par les propriétés physiques du support de transmission ou par des limitations délibérées de la bande passante de l'émetteur lui-même, conçues pour éviter les interférences avec d'autres sources.

L'un des principaux problèmes liés à la construction de systèmes sans fil est de résoudre le problème de l'accès de nombreux utilisateurs à une ressource limitée du support de transmission. Il existe plusieurs méthodes d'accès de base (également appelées méthodes de multiplexage ou de multiplexage), basées sur la répartition de paramètres tels que l'espace, le temps, la fréquence et le code entre les stations. Le but du multiplexage est d'attribuer de l'espace, du temps, de la fréquence et/ou du code à chaque canal de communication avec un minimum d'interférences mutuelles et une utilisation maximale des caractéristiques du support de transmission.

Jointavec spatialdivision

Basé sur la séparation des signaux dans l'espace lorsque l'émetteur envoie un signal à l'aide d'un code Avec, temps t et fréquence f dans la région s je. Autrement dit, chaque appareil sans fil ne peut transmettre des données que dans les limites d'un territoire spécifique, dans lequel il est interdit à tout autre appareil de transmettre ses messages.

Par exemple, si une station de radio diffuse sur une fréquence strictement définie sur son territoire et qu'une autre station dans la même zone commence également à émettre sur la même fréquence, alors les auditeurs de radio ne pourront pas recevoir de signal « propre » d'aucun pays. de ces gares. C’est une autre affaire si les stations de radio fonctionnent sur la même fréquence dans différentes villes. Il n'y aura pas de distorsion des signaux de chaque station radio en raison de la portée limitée de propagation des signaux de ces stations, ce qui élimine leur chevauchement les uns avec les autres. Un exemple typique est celui des systèmes de téléphonie cellulaire.

Jointavec section de fréquencejetion(Multiplexage par répartition en fréquence, FDM)

Chaque appareil fonctionne à une fréquence strictement définie, grâce à laquelle plusieurs appareils peuvent transmettre des données sur un même territoire (Figure 3.2.6). C'est l'une des méthodes les plus connues, utilisée d'une manière ou d'une autre dans les systèmes de communication sans fil les plus modernes.

Figure 3.2.6 – Principe de répartition fréquentielle des canaux

Une illustration claire d'un système de multiplexage de fréquences est l'exploitation de plusieurs stations de radio fonctionnant à des fréquences différentes dans une même ville. Pour se désaccorder de manière fiable, leurs fréquences de fonctionnement doivent être séparées par un intervalle de fréquence de protection pour éviter les interférences mutuelles.

Ce système, bien qu'il permette l'utilisation de plusieurs appareils dans une zone donnée, entraîne lui-même un gaspillage inutile de ressources de fréquence généralement rares, car il nécessite l'attribution d'une fréquence distincte pour chaque appareil sans fil.

Jointavec section temporaireeparesse(Multiplexage temporel, TDM)

Dans ce schéma, la distribution des canaux est basée sur le temps, c'est-à-dire que chaque émetteur diffuse un signal à la même fréquence. f dans la région s, mais à des périodes différentes t i (généralement à répétition cyclique) avec des exigences strictes en matière de synchronisation du processus de transmission (Figure 3.2.7).

Figure 3.2.7 – Principe de répartition temporelle des chaînes

Ce schéma est très pratique car les intervalles de temps peuvent être redistribués dynamiquement entre les périphériques réseau. Les appareils avec plus de trafic se voient attribuer des intervalles plus longs que les appareils avec moins de trafic.

Le principal inconvénient des systèmes de multiplexage temporel est la perte instantanée d'informations lorsque la synchronisation dans le canal est perdue, par exemple en raison de fortes interférences, accidentelles ou intentionnelles. Cependant, une expérience réussie dans l'exploitation de systèmes TDM aussi célèbres que le cellulaire réseaux téléphoniques La norme GSM indique une fiabilité suffisante du mécanisme de compactage temporaire.

Jointcode séparé(Multiplexage par répartition en code, CDM)

Dans ce schéma, tous les émetteurs transmettent des signaux à la même fréquence f , dans la région s et pendant t, mais avec des codes différents c je.

Le nom du mécanisme de séparation des canaux basé sur CDM (CDMA, CDM Access)

la norme de téléphonie cellulaire IS-95a a même été nommée, ainsi qu'un certain nombre de normes pour la troisième génération de systèmes de communication cellulaire (cdma2000, WCDMA, etc.).

Dans le schéma CDM, chaque émetteur remplace chaque bit du flux de données d'origine par un symbole CDM - une séquence de codes de longueur 11, 16, 32, 64, etc. bits (on les appelle des chips). La séquence de codes est unique pour chaque émetteur. En règle générale, si un certain code CDM est utilisé pour remplacer « 1 » dans le flux de données d'origine, alors pour remplacer « 0 », le même code est utilisé, mais inversé.

Le récepteur connaît le code CDM de l'émetteur dont il doit recevoir les signaux. Il reçoit en permanence tous les signaux et les numérise. Puis, dans un dispositif spécial (corrélateur), il effectue l'opération de convolution (multiplication avec accumulation) du signal numérisé d'entrée avec le code CDM qu'il connaît et son inversion. Sous une forme quelque peu simplifiée, cela ressemble au fonctionnement du produit scalaire du vecteur de signal d'entrée et du vecteur avec le code CDM.

Si le signal à la sortie du corrélateur dépasse un certain seuil défini, le récepteur considère qu'il a reçu un 1 ou un 0. Pour augmenter la probabilité de réception, l'émetteur peut répéter l'envoi de chaque bit plusieurs fois. Dans ce cas, le récepteur perçoit les signaux provenant d'autres émetteurs avec d'autres codes CDM comme du bruit additif.

De plus, en raison de la redondance élevée (chaque bit est remplacé par des dizaines de puces), la puissance du signal reçu peut être comparable à la puissance du bruit intégré. La similarité des signaux CDM avec le bruit aléatoire (gaussien) est obtenue à l'aide de codes CDM générés par un générateur de séquence pseudo-aléatoire. Par conséquent, cette méthode est également appelée méthode d'étalement du spectre du signal à l'aide d'une séquence directe (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum), l'étalement du spectre sera discuté ci-dessous.

L'aspect le plus fort de ce sceau réside dans la sécurité et le secret accrus de la transmission des données : sans connaître le code, il est impossible de recevoir un signal et, dans certains cas, d'en détecter la présence. De plus, l'espace de code est incomparablement plus grand par rapport au schéma de multiplexage de fréquence, ce qui permet d'attribuer sans problème à chaque émetteur son propre code individuel.

Jusqu'à récemment, le principal problème du multiplexage de codes était la complexité de la mise en œuvre technique des récepteurs et la nécessité d'assurer une synchronisation précise de l'émetteur et du récepteur pour garantir la réception du paquet.

Mécanisme de multiplexage via orthogonal fréquences porteuses (OrthogonalFréquenceDivisionjesionMultiplexage, OFDM)

L'ensemble de la gamme de fréquences disponible est divisée en plusieurs sous-porteuses (de plusieurs centaines à des milliers). Un canal de communication (récepteur et émetteur) est affecté à la transmission de plusieurs porteuses de ce type, sélectionnées parmi l'ensemble selon une certaine loi. La transmission s'effectue simultanément sur toutes les sous-porteuses, c'est-à-dire dans chaque émetteur le flux de données sortant est divisé en N sous-flux, où N– le nombre de sous-porteuses attribuées à cet émetteur.

La répartition des sous-porteuses peut changer dynamiquement pendant le fonctionnement, ce qui rend ce mécanisme non moins flexible que la méthode de multiplexage temporel.

Le schéma OFDM présente plusieurs avantages. Premièrement, seuls certains sous-canaux seront soumis à un évanouissement sélectif, et non l’ensemble du signal. Si le flux de données est protégé par un code de correction d'erreurs directe, cet évanouissement est alors facile à combattre. Mais plus important encore, l’OFDM permet de supprimer les interférences intersymboles. L'interférence entre symboles a un impact significatif à des débits de données élevés car la distance entre les bits (ou symboles) est petite.

Dans le schéma OFDM, le débit de transmission des données est réduit de N fois, ce qui permet d'augmenter le temps de transmission des symboles de N une fois. Ainsi, si le temps de transmission des symboles pour le flux source est T s , alors la période du signal OFDM sera égale à NT s. Cela vous permet de réduire considérablement l'impact des interférences intersymboles. Lors de la conception d'un système N est choisi pour que la valeur NT s ont largement dépassé la propagation quadratique moyenne des retards de canal.

Débit des systèmes de transmission d’informations

L'une des principales caractéristiques de tout système de transmission d'informations, outre celles énumérées ci-dessus, est son débit.

Bande passante – la quantité maximale possible d'informations utiles transmises par unité de temps :

c = max(Imax) / TC,

c = [bit/s].

Parfois, le débit de transmission de l'information est défini comme la quantité maximale d'informations utiles dans un signal élémentaire :

s = max(Imax) / n,

s = [bit/élément].

Les caractéristiques considérées dépendent uniquement du canal de communication et de ses caractéristiques et ne dépendent pas de la source.

Débit d'un canal de communication discret sans interférence. Dans un canal de communication sans interférence, les informations peuvent être transmises à l'aide d'un signal non redondant. Dans ce cas, le nombre n = m, et l'entropie du signal élémentaire HCmax = logK.

max(IC) = nHCmax= mHCmax .

Durée d'un signal élémentaire, où est la durée d'un signal élémentaire.

où FC est le spectre du signal.

Capacité du canal de communication sans interférence

Introduisons la notion de taux de génération d'un signal élémentaire par une source d'information :

Ensuite, en utilisant le nouveau concept, nous pouvons transformer la formule de la vitesse de transmission de l'information :

La formule résultante détermine le maximum vitesse possible transmettre des informations dans un canal de communication discret sans interférence. Cela découle de l'hypothèse que l'entropie du signal est maximale.

Si H.C.< HCmax, то c = BHC и не является максимально возможной для данного канала связи.

Capacité d'un canal de communication discret avec interférence. Dans un canal de communication discret avec du bruit, la situation illustrée à la Fig. 6.

En tenant compte de la propriété d'additivité, ainsi que des formules de Shannon pour déterminer la quantité d'informations discutées ci-dessus, nous pouvons écrire

IC = journal TC FC (AK PC),

IPOM = journal TP FP (APP).

Pour le destinataire, la source d'informations utiles et la source d'interférence sont équivalentes, donc du côté réception, il est impossible d'isoler la composante d'interférence dans le signal avec les informations résultantes

IRES = TC FC log(AK (PP + PC)), si TC = TP, FC = FP.

Le récepteur peut être à bande étroite et les interférences peuvent se situer dans d'autres gammes de fréquences. Dans ce cas, cela n’affectera pas le signal.

Nous déterminerons le signal résultant pour le cas le plus « désagréable », lorsque les paramètres du signal et du bruit sont proches les uns des autres ou coïncident. Informations utiles est déterminé par l'expression

Cette formule a été obtenue par Shannon. Il détermine la vitesse de transmission des informations sur le canal de communication si le signal a une puissance PC et l'interférence a une puissance PP. Tous les messages à cette vitesse seront transmis avec une fiabilité absolue. La formule ne répond pas à la question de savoir comment atteindre une telle vitesse, mais elle donne la valeur maximale possible de c dans un canal de communication avec interférence, c'est-à-dire la valeur de la vitesse de transmission à laquelle les informations reçues seront absolument fiables. En pratique, il est plus économique d’autoriser un certain nombre d’erreurs dans le message, même si la vitesse de transmission augmentera.

Considérons le cas PC >> PP. Si l'on introduit la notion de rapport signal sur bruit

PC >> PP signifie que . Alors

La formule résultante reflète la vitesse maximale d'un signal puissant dans le canal de communication. Si PC<< PП, то с стремится к нулю. То есть сигнал принимается на фоне помех. В таком канале в единицу времени сигнал получить не удается. В реальных ситуациях полностью помеху отфильтровать нельзя. Поэтому приемник получает полезную информацию с некоторым набором ошибочных символов. Канал связи для такой ситуации можно представить в виде, изображенном на рис. 7, приняв источник информации за множество передаваемых символов {X}, а приемник – за множество получаемых символов {Y}.

Fig.7 Graphique des probabilités de transition d'un canal de communication K-ary

Il existe une certaine correspondance biunivoque entre les deux. S’il n’y a pas d’interférence, alors la probabilité d’une correspondance biunivoque est égale à un, sinon elle est inférieure à un.

Si qi est la probabilité de confondre yi avec xi, et pij = p(yi / xi) est la probabilité d'erreur, alors

.

Le graphique de probabilité de transition reflète le résultat final de l'influence des interférences sur le signal. En règle générale, il est obtenu expérimentalement.

Les informations utiles peuvent être estimées par IPOL = nH(X · Y), où n est le nombre de symboles élémentaires dans le signal ; H(X Y) – entropie mutuelle de la source X et de la source Y.

Dans ce cas, la source X est la source des informations utiles et la source Y est le récepteur. La relation qui détermine les informations utiles peut être obtenue sur la base de la signification de l'entropie mutuelle : la partie grisée du diagramme détermine les messages transmis par la source X et reçus par le récepteur Y ; les zones non ombrées représentent les signaux de la source X qui n'ont pas atteint le récepteur et les signaux parasites reçus par le récepteur qui n'ont pas été transmis par la source.

B est le taux de génération des symboles élémentaires en sortie source.

Pour obtenir le maximum, vous devez augmenter H(Y) et diminuer H(Y/X) si possible. Graphiquement, cette situation peut être représentée en combinant des cercles sur le diagramme (Fig. 2d).

Si les cercles ne se coupent pas du tout, X et Y existent indépendamment l’un de l’autre. Dans ce qui suit, nous montrerons comment l'expression générale du débit de transmission maximal peut être utilisée lors de l'analyse de canaux de communication spécifiques.

Lors de la caractérisation d'un canal discret, deux notions de vitesse sont utilisées : technique et informationnelle.

Le débit de transmission technique RT, également appelé taux de clé, fait référence au nombre de symboles (signaux élémentaires) transmis sur un canal par unité de temps. Cela dépend des propriétés de la ligne de communication et de la vitesse de l'équipement du canal.

Compte tenu des différences de durée des symboles, la vitesse technique est déterminée comme

où est la durée moyenne du symbole.

L'unité de mesure est le "baud" - c'est la vitesse à laquelle un caractère est transmis par seconde.

La vitesse des informations ou le taux de transmission des informations est déterminé par la quantité moyenne d'informations transmises sur un canal par unité de temps. Cela dépend à la fois des caractéristiques d'un canal particulier (telles que le volume de l'alphabet des symboles utilisé, la vitesse technique de leur transmission, la propriété statistique d'interférence dans la ligne), et des probabilités d'arrivée des symboles à l'entrée et leur relation statistique.

A vitesse de manipulation connue, la vitesse de transmission des informations sur le canal est donnée par la relation :

,

où est la quantité moyenne d’informations portées par un symbole.

Pour la pratique, il est important de savoir dans quelle mesure et de quelle manière la vitesse de transmission des informations sur un canal spécifique peut être augmentée. Les capacités maximales d'un canal de transmission d'informations sont caractérisées par son débit.

La capacité du canal avec des probabilités de transition données est égale à l'information maximale transmise sur toutes les distributions de symboles d'entrée de la source X :

D'un point de vue mathématique, rechercher la capacité d'un canal discret sans mémoire revient à rechercher la distribution de probabilité des symboles d'entrée de la source X, qui garantit un maximum d'informations transmises. Dans le même temps, une restriction est imposée sur les probabilités des symboles d'entrée : , .

En général, il est possible de déterminer le maximum sous des restrictions données en utilisant la méthode multiplicative de Lagrange. Cependant, une telle solution est d’un coût prohibitif.

Dans le cas particulier des canaux symétriques discrets sans mémoire, le débit (maximum) est atteint avec une répartition uniforme des symboles d'entrée de la source X.

Alors pour un DSC sans mémoire, en considérant la probabilité d'erreur ε comme donnée et pour des symboles d'entrée également probables = = = =1/2, on peut obtenir la capacité d'un tel canal en utilisant l'expression bien connue pour :

où = est l'entropie d'un canal symétrique binaire pour une probabilité d'erreur donnée ε.

Les cas limites sont intéressants :

1. Transmission d'informations sur un canal silencieux (sans interférence) :

, [bit/caractère].

Avec des caractéristiques techniques de base fixes du canal (par exemple, bande de fréquence, puissance moyenne et crête de l'émetteur), qui déterminent la valeur de la vitesse technique, le débit du canal sans interférence sera égal à [bit/sec].

Le débit est une caractéristique universelle qui décrit le nombre maximum d'unités d'objets passant par un canal, un nœud ou une section. Cette caractéristique est largement utilisée par les signaleurs, les travailleurs des transports, l'hydraulique, l'optique, l'acoustique et l'ingénierie mécanique. Chacun donne sa propre définition. Habituellement, ils tracent la ligne en utilisant des unités de temps, liant clairement la signification physique à la vitesse du processus. Le canal de communication transmet des informations. Par conséquent, la caractéristique du débit est le débit binaire (bit/s, bauds).

Unité de mesure

Le bit/s standard est souvent complété par des préfixes :

1. Kilo : kbps = 1000 bps.
2. Méga : Mbps = 1 000 000 bps.
3. Giga : Gbit/s = 1 milliard de bit/s.
4. Téra : Tbit/s = 1 000 milliards. bps
5. Peta : Pbit/s = 1 quadrillion bit/s.

Les dimensions en octets sont utilisées moins fréquemment (1B = 8 bits). La valeur fait généralement référence à la couche physique de la hiérarchie OSI. Une partie de la capacité du canal est supprimée par les conventions protocolaires : en-têtes, bits de démarrage... Les Bauds sont utilisés pour mesurer la vitesse modulée, qui indique le nombre de symboles par unité de temps. Pour le système binaire (0, 1), les deux concepts sont équivalents. Le codage des niveaux, par exemple avec des séquences de pseudo-bruit, modifie le rapport de force. Le débit en bauds diminue au même débit binaire ; la différence est déterminée par la base du signal superposé. La limite supérieure théoriquement réalisable du débit modulé est liée à la largeur du spectre du canal par la loi de Nyquist :

bauds ≤ 2 x largeur (Hz).

En pratique, le seuil est atteint par la réalisation simultanée de deux conditions :

• Modulation à bande latérale unique.
• Codage linéaire (physique).

Les chaînes commerciales affichent un débit moitié moins élevé. Le réseau réel transmet également des bits de trame, des informations de correction d'erreurs redondantes. Cette dernière s’applique doublement aux protocoles sans fil et aux lignes de cuivre à ultra haut débit. Les en-têtes de chaque couche OSI suivante réduisent successivement le débit réel du canal.

Séparément, les experts stipulent des valeurs maximales - des nombres obtenus dans des conditions idéales. La vitesse de connexion réelle est définie par un équipement spécialisé, ou moins souvent par un logiciel. Les compteurs en ligne affichent souvent des valeurs irréalistes décrivant l'état d'une seule branche du World Wide Web. Le manque de standardisation ajoute à la confusion. Parfois, le débit binaire implique une vitesse physique, moins souvent – ​​la vitesse du réseau (en soustrayant la quantité d'informations de service). Les valeurs sont liées comme suit :

vitesse du réseau = vitesse physique x vitesse du code.

Cette dernière valeur prend en compte la capacité à corriger les erreurs, toujours inférieure à une. La vitesse du réseau est nettement inférieure à la vitesse physique. Exemple:

1. La vitesse du réseau du protocole IEEE 802.11a est de 6 à 54 Mbit/s. Débit binaire pur – 12..72 Mbit/s.
2. La vitesse de transmission réelle de l'Ethernet 100Base-TX est de 125 Mbps, grâce au système d'encodage 4B5B adopté. Cependant, la technique de modulation linéaire NRZI appliquée permet de spécifier un débit de symboles de 125 Mbauds.
3. Ethernet 10Base-T est dépourvu de code correcteur d'erreur, la vitesse du réseau est égale à la vitesse physique (10 Mbit/s). Cependant, le code Manchester utilisé détermine l'attribution de la valeur symbolique finale à 20 Mbauds.
4. L'asymétrie du débit des canaux montant (48 kbit/s) et descendant (56 kbit/s) d'un modem vocal V.92 est bien connue. Les réseaux de plusieurs générations de communications cellulaires fonctionnent de la même manière.

La capacité du canal a été nommée Shannon - la limite supérieure théorique du débit binaire du réseau en l'absence d'erreurs.

Théorie du renforcement des capacités

La théorie de l'information a été développée par Claude Shannon, observant les horreurs de la Seconde Guerre mondiale, introduisant le concept de capacité de canal et développant des modèles mathématiques. La simulation d'une ligne connectée comprend trois blocs :

1. Émetteur.
2. Canal bruyant (présence d'une source d'interférence).
3. Récepteur.

Les informations transmises et reçues sont représentées par des fonctions de distribution conditionnelle. Le modèle capacitif de Shannon est décrit par des graphiques. L'exemple de Wikipédia donne un aperçu d'un support caractérisé par cinq niveaux discrets de signal utile. Le bruit est sélectionné dans l'intervalle (-1..+1). La capacité du canal est alors égale à la somme du signal utile et de l'interférence modulo 5. La valeur obtenue est souvent fractionnaire. Il est donc difficile de déterminer la taille des informations initialement transmises (arrondie à l’augmentation ou à l’inférieur).

Les valeurs les plus éloignées (par exemple 1 ; 3) ne peuvent pas être confondues. Chaque ensemble formé de trois messages distinctifs ou plus est complété par un message flou. Bien que la capacité nominale du canal permette de transmettre 5 valeurs simultanément, une paire qui permet d'encoder les messages sans erreurs est efficace. Pour augmenter le volume, utilisez les combinaisons suivantes : 11, 23, 54, 42. La distance de code des séquences est toujours supérieure à deux. Les interférences sont donc impuissantes à empêcher la reconnaissance correcte de la combinaison. Le multiplexage devient possible, augmentant considérablement le débit du canal de communication.

Cinq valeurs discrètes sont également combinées par un graphe équilatéral. Les extrémités des bords indiquent des paires de valeurs que le récepteur peut confondre en raison de la présence de bruit. Ensuite, le nombre de combinaisons est représenté par un ensemble indépendant du graphe construit. Graphiquement, l'ensemble est assemblé par des combinaisons qui excluent la présence des deux points d'une même arête. Le modèle de Shannon pour un signal à cinq niveaux est composé exclusivement de paires de valeurs (voir ci-dessus). Attention, question !

• Qu’est-ce que les calculs théoriques complexes ont à voir avec le sujet abordé de la capacité des canaux ?

La chose la plus directe. Le premier système de transmission d'informations codées numériques, le Green Bumblebee (Seconde Guerre mondiale), utilisait un signal à 6 niveaux. Les calculs théoriques des scientifiques ont fourni aux alliés des communications cryptées fiables, leur permettant de tenir plus de 3 000 conférences. La complexité informatique des graphes de Shannon reste inconnue. Ils essayèrent d'obtenir un sens par des moyens détournés, continuant la série à mesure que l'affaire devenait plus complexe. Nous considérons le nombre de Lovas comme un exemple coloré de ce qui a été dit.

Débit

La capacité d'un canal réel est calculée selon la théorie. Un modèle de bruit est construit, par exemple gaussien additif, et l'expression du théorème de Shannon-Hartley est obtenue :

C = B log2 (1 + S/N),

B – bande passante (Hz); S/N – rapport signal/bruit. Le logarithme base 2 permet de calculer le débit (bit/s). L'amplitude du signal et du bruit est écrite en volts carrés ou en watts. La substitution des décibels donne un mauvais résultat. La formule des réseaux sans fil peer-to-peer est légèrement différente. Prenez la densité spectrale du bruit multipliée par la bande passante. Des expressions distinctes pour les canaux à fondu rapide et lent sont dérivées.

Fichiers multimédia

En ce qui concerne les applications de divertissement, le débit indique la quantité d'informations stockées et lues chaque seconde :

1. Les taux d'échantillonnage des données varient.
2. Échantillons de différentes tailles (bits).
3. Parfois, un cryptage est effectué.
4. Des algorithmes spécialisés compressent les informations.

Un juste milieu est sélectionné pour minimiser le débit binaire et garantir une qualité acceptable. Parfois, la compression déforme de manière irréversible le matériau source avec du bruit de compression. Souvent, la vitesse indique le nombre de bits par unité de temps de lecture audio ou vidéo (affiché par le lecteur). Parfois, la valeur est calculée en divisant la taille du fichier par la durée totale. Puisque la dimension est spécifiée en octets, un multiplicateur de 8 est saisi. Souvent, le débit multimédia fluctue. Le taux d'entropie est appelé taux minimum qui assure la préservation complète du matériau d'origine.

CD

La norme CD audio exige que le flux soit transmis à une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz (profondeur de 16 bits). La musique stéréo typique est composée de deux canaux (haut-parleurs gauche et droit). Le débit binaire double en mono. Le débit du canal de modulation d'impulsions codées est déterminé par l'expression :

• débit = taux d'échantillonnage x profondeur x nombre de canaux.

La norme CD audio donne un chiffre final de 1,4112 Mbit/s. Un calcul simple montre : 80 minutes d'enregistrement occupent 847 Mo, hors en-têtes. La grande taille du fichier détermine la nécessité de compresser le contenu. Voici les numéros du format MP3 :

• 32 kbit/s – acceptable pour la parole articulée.
• 96 kbps – enregistrement de faible qualité.
• 0,160 kbit/s est un niveau faible.
• 192 kbps est quelque chose entre les deux.
• 256 kbps est typique pour la plupart des pistes.
• 320 kbps – qualité supérieure.

L'effet est évident. Réduire la vitesse tout en augmentant la qualité de lecture. Les codecs téléphoniques les plus simples prennent 8 kbit/s, Opus - 6 kbit/s. La vidéo est plus exigeante. Un flux Full HD 10 bits non compressé (24 images) consomme 1,4 Gbit/s. La nécessité pour les prestataires de dépasser continuellement les records précédemment établis devient évidente. L'écoute de base du dimanche en famille est mesurée par l'expérience globale du public. Il est difficile d'expliquer aux proches ce qu'est une erreur de numérisation d'image.

De véritables filières se construisent, assurant une offre solide. Des raisons similaires expliquent les progrès des normes relatives aux médias numériques. Dolby Digital (1994) prévoyait clairement la perte d'informations. La première projection de Batman Returns (1992) a été diffusée à partir d'un film 35 mm contenant un son compressé (320 kbps). Les images vidéo ont été transférées par un scanner CCD et l'équipement a décompressé l'audio en cours de route. Équipée d'un système Digital Surround 5.1, la salle nécessitait un traitement numérique supplémentaire du flux.

Les systèmes réels sont souvent constitués d’un ensemble de canaux. Aujourd'hui, l'ancien chic est remplacé par Dolby Surround 7.1 et Atmos gagne en popularité. Des technologies identiques peuvent être mises en œuvre de manière presque originale. Voici des exemples d’audio à huit canaux (7.1) :

• Dolby Digital Plus (3/1,7 Mbit/s).
• Dolby TrueHD (18 Mbit/s).

La bande passante spécifiée varie.

Exemples de capacité de canal

Considérons l'évolution des technologies de transmission d'informations numériques.

Modems

1. Paire acoustique (1972) – 300 bauds.
2. Modem Vadik&Bell 212A (1977) – 1200 bauds.
3. Canal RNIS (1986) – 2 canaux 64 kbit/s (vitesse totale – 144 kbit/s).
4. 32bis (1990) – jusqu'à 19,2 kbit/s.
5. 34 (1994) – 28,8 kbit/s.
6. 90 (1995) – 56 kbit/s en aval, 33,6 kbit/s en amont.
7. 92 (1999) – 56/48 kbps en aval/en amont.
8. ADSL (1998) – jusqu'à 10 Mbit/s.
9. ADSL2 (2003) – jusqu'à 12 Mbit/s.
10. ADSL2+ (2005) – jusqu'à 26 Mbit/s.
11. VDSL2 (2005) – 200 Mbit/s.
12. rapide (2014) – 1 Gbit/s.

Réseau local Ethernet

1. Version expérimentale (1975) – 2,94 Mbit/s.
2. 10BASES (1981, câble coaxial) – 10 Mbit/s.
3. 10BASE-T (1990, paire torsadée) – 10 Mbit/s.
4. Fast Ethernet (1995) – 100 Mbit/s.
5. Gigabit Ethernet (1999) – 1 Gbit/s.
6. 10 Gigabit Ethernet (2003) – 10 Gbit/s.
7. 100 Gigabit Ethernet (2010) – 100 Gbit/s.

Wi-Fi

1. IEEE 802.11 (1997) – 2 Mbit/s.
2. IEEE 802.11b (1999) – 11 Mbit/s.
3. IEEE 802.11a (1999) – 54 Mbit/s.
4. IEEE 802.11g (2003) – 54 Mbit/s.
5. IEEE 802.11n (2007) – 600 Mbit/s.
6. IEEE 802.11ac (2012) – 1 000 Mbit/s.

Connexion cellulaire

1. Première génération :
   1. NMT (1981) – 1,2 kbit/s.
2. 2G :
   1. GSM CSD, D-AMPS (1991) – 14,4 kbit/s.
   2. BORD (2003) – 296/118,4 kbps.
3. 3G :
   1. UMTS-FDD (2001) – 384 kbit/s.
   2. UMTS HSDPA (2007) – 14,4 Mbit/s.
   3. UMTS HSPA (2008) – 14,4/5,76 Mbit/s.
   4. HSPA+ (2009) – 28/22 Mbit/s.
   5. CDMA2000 EV-DO Rév. B (2010) – 14,7 Mbit/s.
   6. HSPA+ MIMO (2011) – 42 Mbit/s.
4. 3G+ :
   1. IEEE 802.16e (2007) – 144/35 Mbit/s.
   2. LTE (2009) – 100/50 Mbit/s.
5. 4G :
   1. LTE-A (2012) – 115 Mbit/s.
   2. WiMAX 2 (2011-2013, IEEE 802.16m) – 1 Gbit/s (maximum fourni par les objets fixes).

Le Japon présente aujourd'hui la cinquième génération de communications mobiles, augmentant ainsi les capacités de transmission de paquets numériques.