Det fysiske laget. Kjell Åge Bringsrud. inf3190 Kjell Åge Bringsrud

Transkript

1 Det fysiske laget Kjell Åge Bringsrud inf3190 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 2

3 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 3

4 Maskin arkitektur CPU CACHE Bus interface Medium interface MEMORY I/O BUS NETTVERKS ADAPTER inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 4

5 To klasser av fysiske linker punkt-til-punkt kringkasting; Maskin A Maskin B Maskin A Maskin B Maskin D Maskin C inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 5

6 Tre klasser av medier Galvaniske kabler; elektriske signaler Optiske kabler; lys signaler Trådløst; elektromagnetisk stråling: infrarødt og radiobølger inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 6

7 Det elektromagnetiske spektrum inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 7

8 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 8

9 Tvinnede par Linje driver Linje Linje mottaker Inn Ut Jord moderat følsom for støy bra transmisjonsegenskaper kapasitet Mb/s avstander < 100 m inf3190 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 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 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 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 13

14 Fiber Optic Networks (1) A passive star connection in a fiber optics network. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 14

15 Fiber Optic Networks (2) A fiber optic ring with active repeaters. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 15

16 Optisk bølgelengde multipleksing (WDM) Fiber Prisme Prisme Laser Prisme kan erstattes av et en transparent plate med parallelle streker, kalt gitter Gitter inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 16

17 Optiske nett-komponenter Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj Krysskopler Optisk Add/Drop inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 17

18 To-akse speil inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 18

19 To-akse speil inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 19

20 Nåværende bruk av fiber inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 20

21 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 21

22 Kommunikasjons-Satellitter (1) 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 22

23 Kommunikasjons-satellitter (2) Kommunikasjons-satellitter og noen av deres egenskaper, herunder høyde over jorda, round trip delay og antall satellitter som trengs for global dekning. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 23

24 Kommunikasjons-satellitter (3) De viktigste satellitt-båndene: inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 24

25 Kommunikasjons-Satellitter (4) F opp til satellitten F ned fra satellitten Geostasjonær satellitt (GEO) (VSATer som benytter en hub) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 25

26 LEO satellitter: Iridium (a) Iridium satellittene danner seks halsbånd rundt jorda. (b) 48 celler ( spot beams ) pr. satellitt; Kapasitet 3840 kanaler inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 26

27 Globalstar (a) Relaying in space. (b) Relaying on the ground. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 27

28 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 28

29 Analog og digital transmisjon forsterker analog overføring med forsterker, støy er additiv regenerator og forsterker digital transmisjon støy ikke additiv inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 29

30 Pulsforvrengning gjennom mediet Linje g(t) innsignal Dempning A(f) v(t) utsignal A(f) Frekvensresponsen 0% Ideell Frekv. resp 50% 100% Båndbredde inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 30 f

31 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 31

32 Ut-signal ved liten båndbredde Medium? a(f) 1 1/ f Båndbredde S(t) = 1 sin (2π1ft) + 1/3 sin (2 π3ft) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 32

33 Ut-signal ved ulike båndbredder og 5. harmoniske og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 33

34 Nyquist s teorem (1) transmisjonskanal Inn Ut Maks kanal-kapasitet uten interference og støy: R == 2B log 2 V (b/s) B: båndbredde i Hz 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 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 35

36 Analog til digital omforming Puls-kode-modulasjon (PCM) Televerkenes PCM standard (digitalisert lyd i telefonnettet): g(t) Koder s(t) 8000 samples/sek 8 bit for å beskrive amplityden gir 8 x 8000 b/s = 64 kb/s Klokke Differensiell PCM: Sender forskjellen i amplituden. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 36

37 Delta modulasjon inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 37

38 Effekten av støy Fra 2B log 2 V (b/s) til B log 2 (1+S/N) (b/s) Hvor S/N er signal/støyforholdet inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 38

39 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 + S/N) 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 S/N-forhold lik 30 db, blir kanalkapsiteten lik C = 3000 log 2 ( ) = ~ b/s Merk at: S/N= 10 log 10 Signaleffekt/Støyeffekt (decibel) Hvilket betyr at: S/N = 10 gir 10 db S/N = 100 gir 20 db S/N = 1000 gir 30 db, osv. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 39

40 Modulasjon (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation (varianter ; Quadrature Amplitude Modulation QAM-16 og QAM-64) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 40

41 Modulasjon; digitalt på analogt g(t) Sender Modulator s(t) f 0 bærebølge g(t) Mottaker Demodulator s(t) f 0 bærebølge inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 41

42 Bit synkronisering data Linje driver Linje Linje mottaker klokke klokkepulser Ut Jord Problem: når skal mottaker taste av datasignalet? To alternative løsninger: sender leverer klokkepulser i takt med datasignalet klokke og data kombineres i et signal ved overføringen inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 42

43 Mange like bit i sekvens data Linje koder Linje dekoder klokke klokke Jord forskyver referansepotensialet på mottakersiden løsning: kode hvert bit for eks i 2 bit; data 0 og 1 (Manchester koding) transisjonen midt i databittet kodet benyttes til synkronisering av mottakerklokken inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide

44 Lokalnett (Ethernet) Logisk link lag Medium aksess lag Fysisk lag preamble MAC-hode LLC-hode Data Sjekksum Preamble: manchester-koding av 7 oktetter ( ) pluss en oktett ( ) (start av ramme), nødvendig for å få mottakerklokkene synkronisert til senderens datatakt inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 44

45 Multipleksing n kanaler inn 1 link n kanaler n kanaler ut tids multipleksing frekvens multipleksing pakke multipleksing inf3190 Kjell Åge Bringsrud 45

46 Tids multipleksing (TDM) 1 n n hver kanal får tilgang til mediet en gitt tid (tidsluke) avtaster hver kanal i sekvens om og om igjen ledig kapasitet i en kanal kan ikke utnyttes av en annen kanal inf3190 Kjell Åge Bringsrud 46

47 Frekvens multipleksing (FDM) k 1 k 2 f 1 k 3 f 2 Σ f 1 f 2 f 3 k n f 3 mediet deles inn i frekvensbånd hver kanal sitt frekvensbånd ledig kapasitet i en kanal kan ikke utnyttes av en annen kanal f n inf3190 Kjell Åge Bringsrud 47

48 Wavelength Division Multiplexing (WDM) Wavelength division multiplexing. inf3190 Kjell Åge Bringsrud 48

49 Pakke multipleksing FIFO-kø Svitsj Svitsj demultipleksing basert på adresser i pakkene (ruting) inf3190 Kjell Åge Bringsrud 49

50 Digital Subscriber Lines Operation of ADSL using Discrete Multitone modulation (DMT) inf3190 Kjell Åge Bringsrud 50

51 Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Bruker FDM på en spesiell måte: Reserverer laveste 25kHz for tale (POTS: Plain Old Telephone Service): Bruker bare 4kHz resten er der for å hindre crosstalk Bruker enten ekko-kansellering eller FDM til to frekvens-bånd: lite for oppstrøms og stort for nedstrøms inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 51

52 ADSL inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 52

53 Digital Subscriber Lines A typical ADSL equipment configuration. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 53

54 Linjesvitsjing kontra pakkesvitsjing (a) (b) (a) Linjesvitsjing (b) Pakkesvitsjing inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 54

55 En sammenlikning av linjesvitsjete og pakkesvitsjete nett inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 55

56 Hva skal vi merke oss? Vi kan ikke få bedre overføringskapasitet en det overføringsmediet bestemmer Nødvendig med synkronisering av sender og mottakers klokketakt Vi må alltid ta høyde for støy, Shannon s teorem Grunnpillarene i morgendagens nett fiberoptiske kabler med bølgelengdemulipleksing trådløs og Ethernet nærmest brukeren inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 56