Fysisk Lag. Den primære oppgave

Transkript

1 Fysisk Lag Fysisk Fysisk Den primære oppgave flytte bits fra avsender til mottaker krever: standardisert måte å representere bit inn på transmisjonsmediet standardisering av kabler og tilkoplingsutstyr synkronisering av klokketakt mellom sender og mottaker inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 1

2 Disposisjon ulike medier og deres egenskaper båndbredde og datarate; øvre grenser følsomhet for elektrisk støy Nyquist s og Shannon s teoremer modulasjonsmetoder bit-takt synkronisering multipleksing inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 2

3 Maskin arkitektur CPU CACHE Bus interface Medium interface MEMORY I/O BUS NETTVERKS ADAPTER inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 3

4 To klasser av fysiske linker punkt-til-punkt kringkasting; Maskin A Maskin B Maskin A Maskin B Maskin D Maskin C inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 4

5 Tre klasser av medier Galvaniske kabler; elektriske signaler Optiske kabler; lys signaler Trådløst; elektromagnetisk stråling: infrarødt og radiobølger inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 5

6 Det elektromagnetiske spektrum inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 6

7 Enkel linje Linje driver Linje Linje mottaker Inn Ut Jord følsom for støy tap p.g.a. stråling liten kapasitet ( kb/s) korte avstander (10-15 m) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 7

8 RS-232 standarden DTE Ground (1) transmit (2) receive (3) request to send (4) clear to send (5) data set ready (6) signal-ground (7) carrier detect (8) data terminal ready (20) DCE (Data Terminal Equipment) Terminal eller datamaskin (Data Communication Equipment) Modem inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 8

9 Tvistede par Linje driver Linje Linje mottaker Inn Ut Jord mindre følsom for støy bedre transmisjonsegenskaper større kapasitet ( Mb/s) lengre avstander (< 100 m) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 9

10 Koaksial kabel Linje driver Koaksialkabel Linje mottaker Inn Ut Jord lite følsom for støy stor kapasitet ( Mb/s) lange avstander km Ethernet < 500 m inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 10

11 Karakteristisk impedans Linje driver Inn Tvistet par/koaks Tre ulike situasjoner: kortsluttet ende; refleksjoner åpen ende; refleksjoner terminert (Z K ) ( Ω) ingen refleksjoner inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 11

12 Optisk fiber Laser diode Fiber Foto diode to glass-sorter med forskjellig brytningsindeks totalrefleksjon på overgangen mellom glasstypene multimodus fiber monomodus fiber ufølsom for elektronisk støy inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 12

13 Optisk fiber Oslo-Trondheim med 1 eller 2 forsterkere via elektroptikk eller rent optisk 2.4, 10, 40 Gb/s ved bruk av en bølgelengde og monomodus fiber Gb/s ved bruk av mange bølgelengder samtidig (WDM) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 13

14 Et mål for fiberkapasiteten Kaller vi: bølgelengde (m) : λ frekvens (svingninger pr sek) : f (Hz) lyshastigheten (m/sek) : c Har vi følgende relasjoner: λ * f = c eller f = c/λ Deriverer vi f med hensyn på λ får vi: δf = c * δλ/ λ 2 For et gitt bølgelengdeområde λ vil det korresponderende frekvensområdet være: f = c * λ/ λ 2 For 1.55 mikrometer (µm) og et bølgelengdeområde på 0.15 µm, og med 20 bit pr Hz, får vi at f blir ~20 * Hz blir oppnåelig bitkapasitet lik 400 * b/s == 400 Terrabit/s inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 14

15 Fiber Optic Networks (2) A passive star connection in a fiber optics network. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 15

16 Fiber Optic Networks A fiber optic ring with active repeaters. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 16

17 Optisk bølgelengde multipleksing Fiber Prisme Prisme Laser Prisme kan erstattes av et en transparent plate med parallelle streker, kalt gitter Gitter inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 17

18 Optiske nett-komponenter Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj Krysskopler Optisk Add/Drop inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 18

19 To-akse speil inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 19

20 To-akse speil inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 20

21 Nåværende bruk av fiber inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 21

22 Hel-optisk transmisjonsnett OXC OXC OXC LAN LAN OXC OXC OXC OXC OXC OXC Optisk svitsj LAN LAN Ruter inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 22

23 Robusthet mot fysiske feil ADM ADM OXC OXC OXC ADM OXC Ved for eks linjefeil, ønsker vi automatisk innkopling av en backup løype. Denne funksjonaliteten kalles protection inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 23

24 Radio Transmission (a) In the VLF, LF, and MF bands, radio waves follow the curvature of the earth. (b) In the HF band, they bounce off the ionosphere. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 24

25 Communication Satellites (3) F opp til satellitten F ned fra satellitten VSATs using a hub. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 25

26 Overføringskapasitet/kvalitet Faktorer som påvirker kvalitet og kapasitet: båndbredden til mediet gangtiden varierer med frekvensen av signalet termisk generert støy indusert støy tap p.g.a. ohmsk motstand og stråling refleksjoner p.g.a.inhomogeniteter i mediet inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 26

27 Pulsforvrengning gjennom mediet Linje g(t) innsignal Dempning A(f) v(t) utsignal A(f) 0% Frekvensresponsen Ideell Frekv. resp 50% 100% Båndbredde inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 27 f

28 Fourier transformering s(t) V 0 T T: periodetiden Matematisk kan hvert periodiske signal beskrives som en sum av harmoniske komponenter (sinus og cosinus funksjoner av tiden) s(t) = c/2 + a n sin (2π n f 0 t) + b n cos (2 π n f 0 t) n=1 n=1 f 0 = 1/T : grunnfrekvensen inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 28

29 Ut-signal ved liten båndbredde Medium? a(f) 1 1/ f Båndbredde S(t) = 1 sin (2π1ft) + 1/3 sin (2 π3ft) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 29

30 Ut-signal ved ulike båndbredder og 5. harmoniske og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 30

31 Båndbredde-begrenset Signal (1) A binary signal and its root-mean-square Fourier amplitudes. (b) (c) Successive approximations to the original signal. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 31

32 Båndbredde-begrenset Signal (2) (d) (e) Successive approximations to the original signal. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 32

33 Periodisk bytesekvens 2000 b/s = 2000/8 bytes/s = 250 B/s 1. Harmoniske = 250 /s Periodetiden = 1/250 s = 4 ms inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 33

34 Nyquist s teorem 1 transmisjonskanal Inn Ut Maks kanal-kapasitet uten intersymbol interference og støy: B: båndbredde i Hz R == 2B log 2 V (b/s) V: antall signalnivåer Eks. V = 2 bit 1: V 1 Vi kan øke symbolraten ut over dette, men da bit 0: V 2 øker feilsannsynligheten inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 34

35 Nyquist s samplings teorem (2) Filter AD-omformer DA-omformer B f Klokke Klokke for et signal med frekvenskomponenter innen intervallet f < B kan signalet gjenskapes eksakt ved hjelp av 2B samples/sek i praksis benyttes oversampling inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 35

36 Delta modulasjon inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 36

37 Effekten av støy inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 37

38 Shannon s kanal-kapasitet teorem Gitt en kommunikasjonskanal; kanalkapasiteten C kan nå defineres slik: det er mulig å overføre data med rate R < C med vilkårlig liten feilsannsynlighet. C == B log 2 (1 + SNR) b/s Det er mulig å overføre data ved en høyere rate, men med økt feilsannsynlighet For en typisk talekanal med båndbredde B = 3000Hz og SNR-forhold lik 30 db, blir kanalkapsiteten lik C = 3000 log 2 ( ) = ~ b/s SNR= 10 log 10 Signaleffekt/støyeffekt (decibel) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 38

39 Kommunikasjons-Satellitter Geostasjonære satellitter (GEO) Satellitter i middels høye baner (MEO): Sirkler jorda på 6 timer Satellitter i lave baner (LEO): Sirkler raskt over polene 750km oppe inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 39

40 Kommunikasjons-satellitter Kommunikasjons-satellitter og noen av deres egenskaper, herunder høyde over jorda, round trip delay og antall satellitter som trengs for global dekning. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 40

41 Kommunikasjons-satellitter (2) De viktigste satellitt-båndene: inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 41

42 Kommunikasjons-satellitter (3) VSATs using a hub. Geostasjonær satellitt (GEO) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 42

43 LEO satellitter: Iridium (a) (a) Iridium satellittene danner seks halsbånd rundt jorda. (b) 1628 celler som beveger seg dekker jorda (b) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 43

44 Globalstar (a) Relaying in space. (b) Relaying on the ground. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 44