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 Slide 1 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 Slide 2 Maskin arkitektur CPU CACHE Bus interface Medium interface MEMORY I/O BUS NETTVERKS ADAPTER Slide 3 1
To klasser av fysiske linker punkt-til-punkt kringkasting; Maskin A Maskin B Maskin A Maskin B Maskin D Maskin C Slide 4 Tre klasser av medier Galvaniske kabler; elektriske signaler Optiske kabler; lys signaler Trådløst; elektromagnetisk stråling: infrarødt og radiobølger Slide 5 Det elektromagnetiske spektrum Slide 6 2
Enkel linje driver mottaker Inn Ut Jord følsom for støy tap p.g.a. stråling liten kapasitet ( 10-20 kb/s) korte avstander (10-15 m) Slide 7 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 Slide 8 Tvistede par driver mottaker Inn Ut Jord mindre følsom for støy bedre transmisjonsegenskaper større kapasitet (10-100 Mb/s) lengre avstander (< 100 m) Slide 9 3
Koaksial kabel driver Koaksialkabel mottaker Inn Ut Jord lite følsom for støy stor kapasitet (100-300 Mb/s) lange avstander 20 30 km Ethernet < 500 m Slide 10 Karakteristisk impedans driver Inn Tvistet parr/koaks Tre ulike situasjoner: kortsluttet ende; refleksjoner åpen ende; refleksjoner terminert (Z K ) (50-110 Ω ingen refleksjoner Slide 11 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 Slide 12 4
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 100-1000 Gb/s ved bruk av mange bølgelengder samtidig (WDM) Slide 13 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 015 µm, og med 20 bit pr Hz, får vi at f blir ~20 * 10 12 Hz blir oppnåelig bitkapasitet lik 400 * 10 12 b/s == 400 Terrabit/s Slide 14 Fiber Optic Networks A fiber optic ring with active repeaters. Slide 15 5
Fiber Optic Networks (2) A passive star connection in a fiber optics network. Slide 16 Optisk bølgelengde multipleksing Fiber Laser Prisme Prisme Prisme kan erstattes av et en transparent plate med parallelle streker, kalt gitter Gitter Slide 17 Optiske nett-komponenter Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj crossconnect Optisk Add/Drop Slide 18 6
To-akse speil Slide 19 To-akse speil Slide 20 Nåværende bruk av fiber Slide 21 7
Hel-optisk transmisjonsnett LAN LAN Optisk svitsj Ruter LAN LAN Slide 22 Robusthet mot fysiske feil ADM ADM ADM Ved for eks linjefeil, ønsker vi automatisk innkopling av en backup løype. Denne funksjonaliteten kalle protection Slide 23 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. Slide 24 8
Communication Satellites (3) VSATs using a hub. Slide 25 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 Slide 26 Pulsforvrengning gjennom mediet g(t) innsignal Dempning A(f) v(t) utsignal A(f) Frekvensresponsen 0% 50% 100% Båndbredde f Slide 27 9
Fourier transformering V s(t) 0 T T: periodentiden 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 Slide 28 Ut-signal ved liten båndbredde Medium? a(f) 1 1/3 1 2 3 f Båndbredde S(t) = 1 sin (2π1ft) + 1/3 sin (2 π3ft) Slide 29 Ut-signal ved ulike båndbredder 1. 3. og 5. harmoniske 1. 3. 5. og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom Slide 30 10
Båndbredde-begrenset Signal (1) A binary signal and its root-mean-square Fourier amplitudes. (b) (c) Successive approximations to the original signal. Slide 31 Båndbredde-begrenset Signal (2) (d) (e) Successive approximations to the original signal. Slide 32 Periodisk bytesekvens 2000 b/s = 2000/8 bytes/s = 250 B/s 1. Harmoniske = 250 /s Periodetiden = 1/250 s = 4 ms Slide 33 11
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 Slide 34 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 Slide 35 Analog til digital omforming Puls-kode-modulasjon Televerkenes PCM standard: g(t) Koder s(t) 8000 samples/sek 8 bit for å beskrive amplityden gir 8 x 8000 b/s = 64 kb/s Klokke Slide 36 12
Delta modulasjon Slide 37 Effekten av støy Slide 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 (1+ 1000) = ~30.000 b/s SNR= 10 log 10 Signaleffekt/støyeffekt (decibel) Slide 39 13
Analog og digital transmisjon forsterker analog overføring med forsterker, støy er additiv regenerator og forsterker digital transmisjon støy ikke additiv Slide 40 Modulasjon (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation Slide 41 Modulasjon; digitalt på analogt g(t) Sender Modulator s(t) f 0 bærebølge g(t) Mottaker Demodulator s(t) f 0 bærebølge Slide 42 14
Modulasjon; analogt på analogt g(t) Modulator s(t) f 0 bærebølge Slide 43 Modulasjon og båndbreddebehov Bærebølge umodulert Bærebølge modulert Frekv. -f F 0 +f Frekv. Bredden av frekvensfordelingen er gitt av frekvensen f til det det modulerende signal Slide 44 Bit synkronisering data driver 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 Slide 45 15
Mange like bit i sekvens data koder 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 + - 0 1 0 1 1 0 0 Slide 46 Lokalnett (Ethernet) Logisk link lag Medium aksess lag Fysisk lag preamble MAC-hode LLC-hode Data Sjekksum Preamble: manchester-koding av 7 oktetter (10101010) pluss en oktett (10101011) (start av ramme), nødvendig for å få mottakerklokkene synkronisert til senderens datatakt Slide 47 Multipleksing n kanaler inn 1 link n kanaler n kanaler ut tids multipleksing frekvens multipleksing pakke multipleksing Slide 48 16
Tids multipleksing 1 n....... 3 2 1 n hver kanal for 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 Slide 49 Frekvens multipleksing k 1 f 1 k 2 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 Slide 50 Pakke multipleksing FIFO-kø Svitsj Svitsj demultipleksing basert på adresser i pakkene (ruting) Slide 51 17
The Local Loop: Modems, ADSL The use of both analog and digital transmissions for a computer to computer call. Conversion is done by the modems and codecs. Slide 52 ADSL Slide 53 ADSL/DMT Slide 54 18
Digital Subscriber Lines (2) Operation of ADSL using discrete multitone modulation. Slide 55 Digital Subscriber Lines (3) A typical ADSL equipment configuration. Slide 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 Slide 57 19