Disposisjon Det fysiske laget Kjell Åge Bringsrud (kjellb@ifi.uio.no) 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 1 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 2 Fysisk Lag Maskin arkitektur Fysisk Fysisk CPU 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 CACHE MEMORY I/O BUS Bus interface NETTVERKS ADAPTER Medium interface inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 3 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 4 1
To klasser av fysiske linker Tre klasser av medier Maskin A Maskin A punkt-til-punkt kringkasting; Maskin B Maskin D Maskin B Maskin C Galvaniske kabler; elektriske signaler Optiske kabler; lys signaler Trådløst; elektromagnetisk stråling: infrarødt og radiobølger inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 5 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 6 Det elektromagnetiske spektrum 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) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 7 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 8 2
Tvinnede par Koaksial kabel driver mottaker driver Koaksialkabel mottaker Inn Ut Inn Ut Jord Jord moderat følsom for støy bra transmisjonsegenskaper kapasitet 10-100 Mb/s avstander < 100 m inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 9 lite følsom for støy stor kapasitet (100-300 Mb/s) lange avstander 20 30 km Ethernet < 500 m inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 10 Karakteristisk impedans Optisk fiber driver Laser diode Fiber Foto diode Inn Tre ulike situasjoner: kortsluttet ende; refleksjoner åpen ende; refleksjoner terminert (Z K ) (50-110 ) ingen refleksjoner Tvistet par/koaks to glass-sorter med forskjellig brytningsindeks totalrefleksjon på overgangen mellom glasstypene multimodus fiber monomodus fiber ufølsom for elektronisk støy inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 11 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 12 3
Optisk fiber Fiber Optic Networks (1) A passive star connection in a fiber optics network. 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) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 13 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 14 Fiber Optic Networks (2) A fiber optic ring with active repeaters. Optisk bølgelengde multipleksing (WDM) Fiber Laser Prisme Prisme Prisme kan erstattes av et en transparent plate med parallelle streker, kalt gitter Gitter inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 15 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 16 4
Optiske nett-komponenter To-akse speil Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj Krysskopler Optisk Add/Drop inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 17 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 18 To-akse speil Nåværende bruk av fiber inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 19 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 20 5
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. 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 21 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 22 Kommunikasjons-satellitter (2) Kommunikasjons-satellitter (3) De viktigste satellitt-båndene: 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 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 24 6
Kommunikasjons-Satellitter (4) LEO satellitter: Iridium F opp til satellitten F ned fra satellitten Geostasjonær satellitt (GEO) (VSATer som benytter en hub) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 25 (a) (b) (a) Iridium satellittene danner seks halsbånd rundt jorda. (b) 48 celler ( spot beams ) pr. satellitt; Kapasitet 3840 kanaler inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 26 Globalstar Overføringskapasitet/kvalitet Faktorer som påvirker kvalitet og kapasitet: (a) Relaying in space. (b) Relaying on the ground. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 27 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 7
Analog og digital transmisjon Pulsforvrengning gjennom mediet forsterker analog overføring med forsterker, støy er additiv g(t) innsignal A(f) Dempning A(f) Frekvensresponsen v(t) utsignal 0% Ideell Frekv. resp regenerator og forsterker digital transmisjon støy ikke additiv inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 29 50% 100% Båndbredde inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 30 f s(t) V 0 Fourier transformering Matematisk kan hvert periodiske signal beskrives som en sum av harmoniske komponenter (sinus og cosinus funksjoner av tiden) T T: periodetiden s(t) = c/2 + a n sin (2 n f 0 t) + b n cos (2 n f 0 t) n=1 n=1 f 0 = 1/T : grunnfrekvensen inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 31 Ut-signal ved liten båndbredde Medium a(f) 1 1/3 f 1 2 3 Båndbredde S(t) = 1 sin (2 1ft) + 1/3 sin (2 3ft) inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 32? 8
Ut-signal ved ulike båndbredder Nyquist s teorem (1) transmisjonskanal 1. 3. og 5. harmoniske Inn Ut 1. 3. 5. og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom 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 Kjell Åge Bringsrud Slide 33 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 34 Nyquist s samplings teorem (2) Analog til digital omforming Filter AD-omformer DA-omformer Puls-kode-modulasjon (PCM) Klokke Klokke B f for et signal med frekvenskomponenter innen intervallet f < B g(t) Koder s(t) Televerkenes PCM standard (digitalisert lyd i telefonnettet): 8000 samples/sek 8 bit for å beskrive amplityden kan signalet gjenskapes eksakt ved hjelp av 2B samples/sek gir 8 x 8000 b/s = 64 kb/s i praksis benyttes oversampling inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 35 Klokke Differensiell PCM: Sender forskjellen i amplituden. inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 36 9
Delta modulasjon 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 37 inf3190 Kjell Åge Bringsrud 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 + 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 (1+ 1000) = ~30.000 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 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 10
Modulasjon; digitalt på analogt Bit synkronisering g(t) Sender Modulator s(t) data driver mottaker f 0 bærebølge klokke klokkepulser Ut Jord g(t) Mottaker Demodulator f 0 bærebølge s(t) 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 41 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 42 data klokke Mange like bit i sekvens koder 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 dekoder 0 1 0 1 1 0 0 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 43 + - klokke preamble Lokalnett (Ethernet) 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 Logisk link lag Medium aksess lag Fysisk lag inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 44 11
Multipleksing Tids multipleksing (TDM) 1 n kanaler inn 1 link n kanaler n kanaler ut n....... 3 2 1 tids multipleksing frekvens multipleksing pakke multipleksing inf3190 Kjell Åge Bringsrud 45 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 Frekvens multipleksing (FDM) Wavelength Division Multiplexing (WDM) k 1 Wavelength division multiplexing. f 1 k 2 k 3 f 2 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 inf3190 Kjell Åge Bringsrud 48 12
Pakke multipleksing FIFO-kø Digital Subscriber Lines Operation of ADSL using Discrete Multitone modulation (DMT) Svitsj Svitsj demultipleksing basert på adresser i pakkene (ruting) inf3190 Kjell Åge Bringsrud 49 inf3190 Kjell Åge Bringsrud 50 Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) 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 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 52 13
Digital Subscriber Lines A typical ADSL equipment configuration. (a) svitsjing kontra pakkesvitsjing (b) (a) svitsjing (b) Pakkesvitsjing inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 53 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 54 En sammenlikning av linjesvitsjete og pakkesvitsjete nett 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 55 inf3190 Kjell Åge Bringsrud Slide 56 14