Det fysiske laget Kjell Åge Bringsrud (med foiler fra Pål Spilling)
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 2
Maskin arkitektur CPU CACHE Bus interface Medium interface MEMORY I/O BUS NETTVERKS ADAPTER inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 3
Tre klasser av medier Galvaniske kabler; elektriske signaler Optiske kabler; lys signaler Trådløst; elektromagnetisk stråling: infrarødt og radiobølger inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 4
Det elektromagnetiske spektrum inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 5
Tvistede par Linje driver Linje Linje mottaker Inn Ut Jord moderat følsom for støy bra transmisjonsegenskaper kapasitet 10-100 Mb/s avstander < 100 m inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 6
Koaksial kabel Linje driver Koaksialkabel Linje mottaker Inn Ut Jord lite følsom for støy stor kapasitet (100-300 Mb/s) lange avstander 20 30 km Ethernet < 500 m inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 7
Karakteristisk impedans Linje driver Inn Tvistet par/koaks Tre ulike situasjoner: kortsluttet ende; refleksjoner åpen ende; refleksjoner terminert (Z K ) (50-110 Ω) ingen refleksjoner inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 8
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 9
Fiber Optic Networks (1) A passive star connection in a fiber optics network. inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 10
Fiber Optic Networks (2) A fiber optic ring with active repeaters. inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 11
Optisk bølgelengde multipleksing Fiber Prisme Prisme Laser Prisme kan erstattes av et en transparent plate med parallelle streker, kalt gitter Gitter inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 12
Optiske nett-komponenter Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj Krysskopler Optisk Add/Drop inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 13
To-akse speil inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 14
To-akse speil inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 15
Nåværende bruk av fiber inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 16
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 17
Communication Satellites F opp til satellitten F ned fra satellitten VSATs using a hub. inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 18
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 19
Pulsforvrengning gjennom mediet Linje g(t) innsignal Dempning A(f) v(t) utsignal A(f) Frekvensresponsen 0% Ideell Frekv. resp 50% 100% Båndbredde inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 20 f
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 21
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) inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 22
Ut-signal ved ulike båndbredder 1. 3. og 5. harmoniske 1. 3. 5. og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 23
Nyquist s teorem (1) transmisjonskanal Inn Ut Maks kanal-kapasitet uten 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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 24
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 25
Delta modulasjon inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 26
Effekten av støy inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 27
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 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 Det er mulig å overføre data ved en høyere rate, men med økt feilsannsynlighet SNR= 10 log 10 Signaleffekt/støyeffekt (decibel) inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 28
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 29
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 30
Kommunikasjons-satellitter (2) De viktigste satellitt-båndene: inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 31
Analog og digital transmisjon forsterker analog overføring med forsterker, støy er additiv regenerator og forsterker digital transmisjon støy ikke additiv inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 32
Modulasjon (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 33
Modulasjon; digitalt på analogt Sender g(t) s(t) Modulator f 0 bærebølge Mottaker g(t) s(t) Demodulator f 0 bærebølge inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 34
Modulasjon; analogt på analogt g(t) Modulator s(t) f 0 bærebølge inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 35
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 36
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 0 1 0 1 1 0 0 inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 37 + -
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 inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 38
Wavelength Division Multiplexing Wavelength division multiplexing. inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 39
Hovedkomponenter i telefonsystemet Local loops Analoge tvinnede par som går til private hus og næringsliv Trunks Digital fiberoptikk som knytter sammen svitsjestasjonene ( switching offices ) Switching offices Der hvor oppkall flyttes fra en trunk til en annen inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 40
The Local Loop: Modems, ADSL Bruk av både analog og digital overføring for maskin til maskin oppkall. Konvertering skjer i modemer og codec-er. inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 41
Analog til digital omforming Puls-kode-modulasjon (PCM) 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 inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 42
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 43
ADSL inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 44
Digital Subscriber Lines (3) A typical ADSL equipment configuration. inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 45
Linjesvitsjing kontra pakkesvitsjing (a) (b) (a) Linjesvitsjing (b) Pakkesvitsjing inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 46
En sammenlikning av linjesvitsjete og pakkesvitsjete nett inf3190, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 47
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, V2006 Kjell Åge Bringsrud Slide 48