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
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
Maskin arkitektur CPU CACHE Bus interface Medium interface MEMORY I/O BUS NETTVERKS ADAPTER inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 3
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
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
Det elektromagnetiske spektrum inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 6
Enkel linje Linje driver Linje Linje mottaker Inn Ut Jord følsom for støy tap p.g.a. stråling liten kapasitet ( 10-20 kb/s) korte avstander (10-15 m) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud 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 inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 8
Tvistede par Linje driver Linje Linje mottaker Inn Ut Jord mindre følsom for støy bedre transmisjonsegenskaper større kapasitet (10-100 Mb/s) lengre avstander (< 100 m) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 9
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, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 10
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, V2005 Kjell Åge Bringsrud 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 inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 12
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) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud 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 0.15 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 inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 14
Fiber Optic Networks (2) A passive star connection in a fiber optics network. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 15
Fiber Optic Networks A fiber optic ring with active repeaters. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 16
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
Optiske nett-komponenter Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj Krysskopler Optisk Add/Drop inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 18
To-akse speil inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 19
To-akse speil inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 20
Nåværende bruk av fiber inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 21
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
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
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
Communication Satellites (3) F opp til satellitten F ned fra satellitten VSATs using a hub. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud 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 i mediet inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 26
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
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
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, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 29
Ut-signal ved ulike båndbredder 1. 3. og 5. harmoniske 1. 3. 5. og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 30
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
Båndbredde-begrenset Signal (2) (d) (e) Successive approximations to the original signal. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 32
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
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
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
Delta modulasjon inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 36
Effekten av støy inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 37
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) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 38
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
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
Kommunikasjons-satellitter (2) De viktigste satellitt-båndene: inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 41
Kommunikasjons-satellitter (3) VSATs using a hub. Geostasjonær satellitt (GEO) inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 42
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
Globalstar (a) Relaying in space. (b) Relaying on the ground. inf3190, V2005 Kjell Åge Bringsrud Slide 44