ίκτυα Υπολογιστών και Επικοινωνία ίκτυα Υπολογιστών & Επικοινωνία ΙΑΛΕΞΗ 8 Η Παντάνο Ρόκου Φράνκα 1 ιάλεξη 8: Το Φυσικό Επίπεδο

Transcript

1 ίκτυα Υπολογιστών & Επικοινωνία ΙΑΛΕΞΗ 8 Η ιδάσκουσα: Παντάνο Ρόκου Φράνκα Παντάνο Ρόκου Φράνκα 1

2 ιάλεξη 8 η : Το Φυσικό Επίπεδο Το Φυσικό Επίπεδο ιάδοση Σήµατος Ηλεκτροµαγνητικά Κύµατα Οπτικές Ίνες Γραµµές Μεταφοράς Οπτική µετάδοση των Bits LEDs ( ίοδος εκποµπής φωτός Οπτικοί εκτές Ράδιο Κύµατα Συγχρονισµός και Πλαίσια Παντάνο Ρόκου Φράνκα 2

3 ιάδοση Σήµατος Ηπιο βασική λειτουργία για τη µετάδοση σήµατος είναι η µετατροπή ακολουθιών από bits σε ηλεκτρικά ή οπτικά σήµατα Τα βασικά βήµατα για την µετάδοση ψηφιακής πληροφορίας είναι: Μετάδοση των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων από ένα κόµβο στο άλλο Μετατροπή των bits σε ηλεκτροµαγνητικά κύµατα στον αρχικό κόµβο Μετατροπή των ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων σε bits στον κόµβο προορισµού ιαδικασίες ελέγχου λαθών, οι οποίες συνοδεύουν τις διαδικασίες µετάδοσης Παντάνο Ρόκου Φράνκα 3

4 ιάδοση Σήµατος: Ηλεκτροµαγνητικά Κύµατα Ηλεκτροµαγνητικά κύµατα. Η πληροφορία, το σήµα, µεταδίδεται µε την µορφή ηλεκτροµαγνητικών κυµάτων. Αυτά είναι κατάλληλα για µετάδοση γιατί: διαδίδονται και περιέχουν ενέργεια που χρησιµοποιείται για την µετάδοση των σηµάτων. Τα κύµατα αυτά κατά την διάδοση τους αλλοιώνονται, διαφοροποιούνται και εξασθενούν. Οι µεταβολές αυτές περιορίζουν τον ρυθµό µετάδοσης τους µε αξιοπιστία. Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα είναι ρεύµα φωτονίων Η διάδοση των κυµάτων περιγράφεται από τις εξισώσεις του Maxwell. ιαδίδονται στο χώρο λόγω ταλαντευόµενων µαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων που «σπρώχνουν» το ένα το άλλο. Η ταχύτητα µετάδοσης τους c= m/s στο κενό, µειώνεται δραστικά ανάλογα µε το µέσο και εξαρτάται από την συχνότητα. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 4

5 ιάδοση Σήµατος:Οπτικές Ίνες Τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα διαδίδονται και µέσω ηλεκτρικών καλωδίων, (οµοαξονικά, παράλληλου ζεύγους) κυµατο-οδηγούς και οπτικές ίνες. Μια ίνα από κλιµακωτό δείκτη διάθλασης αποτελείται από ένα κυλινδρικό πυρήνα από γυαλί ή πλαστικό διαφανές µε καθορισµένο δείκτη διάθλασης και αυτός µε τη σειρά του περιβάλλεται από ένα γυάλινο ή πλαστικό σωλήνα (περιένδυση) µε µικρότερο δείκτη διαθλάσεως (ώστε να παθαίνουν ολική ανάκλαση). Παρόλα αυτά µέρος της ενέργειας του σήµατος χάνεται στις διαδοχικές ανακλάσεις ώστε αυτό τελικά εξασθενεί. Έτσι µόνο ένας πεπερασµένος αριθµός ρυθµών µπορούν να διαδοθούν κατά µήκος µιας ίνας. Αν αυτή είναι αρκετά µικρή διαδίδεται µόνο ένας ρυθµός (µονότροπη οπτική ίνα). Η διάδοση σε ίνες υπόκειται σε πολύτροπη παλµική εξάπλωση, εξασθένηση λόγω απορρόφησης και σκέδασης και διασπορά. Τα αποτελέσµατα αυτά περιορίζουν τον ρυθµό µετάδοσης και το χρήσιµο µήκος της ίνας. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 5

6 Οι οπτικές ίνες Οι οπτικές ίνες αφορούν το πρώτο επίπεδο του µοντέλου OSI Με βάση την εξέλιξη των τεχνολογιών είναι δυνατή η ακόλουθη κατηγοριοποίηση των δικτύων: δίκτυα µε καλώδια χαλκού ή τεχνολογίες µικροκυµάτων (π.χ. Ethernet, ορυφόροι κ.α.) δίκτυα µε συνδυασµό καλωδίων χαλκού και οπτικών ινών. Οι λειτουργίες δροµολόγησης γίνονται σε ηλεκτρική µορφή και η µεταφορά των δεδοµένων µε τη χρήση οπτικών σηµάτων. Τα δίκτυα τρίτης γενιάς όπου χρησιµοποιούνται οπτικές ίνες Οι λειτουργίες δροµολόγησης και µεταφοράς δεδοµένων γίνονται µε βάση την οπτική τεχνολογία, χωρίς καµιά ενδιάµεση µετατροπή των σηµάτων σε ηλεκτρική µορφή. Μεγάλη αύξηση του παρεχόµενου bandwidth. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 6

7 Μετάδοση Σήµατος Ένα οπτικό σύστηµα µετάδοσης έχει τρία στοιχεία την πηγή φωτός, το µέσο µετάδοσης και τον ανιχνευτή. Συµβατικά ένας παλµός φωτός αντιστοιχεί στο bit 1, ενώ η απουσία φωτός στο bit 0. Το µέσο µετάδοσης είναι µία εξαιρετικά λεπτή ίνα γυαλιού. Ο ανιχνευτής δηµιουργεί έναν ηλεκτρικό παλµό όταν πέφτει πάνω του φως. Συνδέοντας µια πηγή φωτός στο ένα άκρο οπτικής ίνας και έναν ανιχνευτή στο άλλο, δηµιουργείται ένα µονοκατευθυντικό σύστηµα µετάδοσης δέχεται ένα ηλεκτρικό σήµα, το µετατρέπει σε παλµούς φωτός και το µεταδίδει, ενώ στο τέλος το µετατρέπει σε ηλεκτρικό σήµα στη λήψη. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 7

8 Οπτική ίνα Μια οπτική ίνα αποτελείται από µία δέσµη γυάλινων νηµάτων(fibers), κάθε µία από τις οποίες είναι ικανή να µεταδίδει µηνύµατα διαµορφωµένα σε κύµατα φωτός. Οι οπτικές ίνες έχουν αρκετά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τα παραδοσιακά µέσα: µεγαλύτερο εύρος ζώνης (bandwidth) και κατά συνέπεια µπορούν να µεταφέρουν περισσότερες πληροφορίες Επηρεάζονται, από παρεµβολές, λιγότερο από ότι τα µεταλλικά καλώδια είναι πιο λεπτές και πιο ελαφρές µπορούν να µεταδώσουν δεδοµένα σε ψηφιακή αντί για αναλογική µορφή. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 8

9 Οπτική ίνα Τι είναι µια οπτική ίνα; αποτελείται από: Πυρήνα εγκλωβίζει τις ακτίνες φωτός Επικάλυψη Περίβληµα Οπτικό σήµα στον πυρήνα Αυτός αποτελείται από: Γυαλί ή Πλαστικό Bit Error Rate Core Coating Cladding Παντάνο Ρόκου Φράνκα 9

10 Οπτική Ίνα / Οπτικό δίκτυο Μετάδοση Οφείλεται στην ανάκλαση του σήµατος όταν: Ο είκτης διάθλασης εξωτερικού υλικού-> είκτης διάθλασης εσωτερικού Η Γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας > της οριακής τιµής -> (οπτικές ίνες µικρού διαµετρήµατος) Η ηµιουργία της φωτεινής δέσµης οφείλεται σε Laserή LED (light emitting diode) Συνεπώς, µια ακτίνα φωτός προσπίπτουσα µε γωνία ίση ή µεγαλύτερη της οριακής τιµής παγιδεύεται εντός της ίνας. Με αυτό τον τρόπο η ακτίνα µπορεί να διαδοθεί για πολλά χιλιόµετρα, µε σχεδόν µηδενική απώλεια. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 10

11 Οπτική Ίνα / Οπτικό δίκτυο Η µέθοδος µε Laser παρέχει: Μεγάλη ισχύς εκποµπής Υψηλό Bit rate Στενή δέσµη φωτός Χρήση και σε µονότροπη και σε πολύτροπη οτπική ίνα Η µέθοδος µε LED παρέχει: Χαµηλότερο κόστος Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής Μικρή ευαισθησία στην θερµοκρασία Πολύτροπη οπτική ίνα ιάµετρος: 50, 62,5, 100 µm Ανάκλαση ακτινών οπτικού σήµατος µε διαφορετικές γωνίες Μείωση της διαµέτρου -> µείωση «δρόµων διάδοσης» Μονότροπη οπτική ίνα ιάµετρος = µήκος κύµατος εκπεµπόµενου σήµατος Step index, graded index Ανάλογα µε µείωση δείκτη διάθλασης Παντάνο Ρόκου Φράνκα 11

12 ιάχυση σήµατος ηδιάχυση του φωτεινού σήµατος µας αναγκάζει να υποτετραπλασιάσουµε την χωρητικότητα. ταχύτητα φωτός c=3x10 8 m/s. Το φως µπορεί επίσης να ταξιδεύει µέσα σε οποιοδήποτε διαφανές υλικό, τότε όµως: η ταχύτητά του θα είναι µικρότερη από ότι στο κενό. Ο λόγος της ταχύτητας στο κενό προς την ταχύτητα του µέσα στο υλικό ονοµάζεται δείκτης διάθλασης. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 12

13 Οπτικοί έκτες & Ενισχυτές Οπτικοί έκτες Παθητικοί Πλεονέκτηµα: Επιτυγχάνουν υψηλή ανάλυση Μειονεκτήµατα: Σηµαντικές απώλειες, µεγάλος χρόνος συντονισµού (αφού αποτελούνται από µηχανικά στοιχεία) Ενεργοί και ιόδου laser Συντονίζονται µε µεγαλύτερες ταχύτητες Παρέχουν µικρότερη ανάλυση Οπτικοί ενισχυτές (optical amplifiers) Αναγέννηση οπτικών σηµάτων χωρίς ανάγκη οπτικο ηλεκτρονικών µεταλλακτών Παντάνο Ρόκου Φράνκα 13

14 Οπτικό Εύρος Ζώνης UV IR 125 GHz/nm l Visible 850 nm 980 nm 1310 nm 1480 nm 1550 nm Ωφέλιµο οπτικό εύρος ζώνης = 30THz, σε µήκη κύµατος από 1,2 έως 1.6 µm Παντάνο Ρόκου Φράνκα 14

15 ιάδοση Σήµατος: Γραµµές Μεταφοράς Γραµµές µεταφοράς. Τα ζεύγη συρµάτων και τα οµοαξονικά καλώδια είναι παραδείγµατα γραµµών µεταφοράς. Καθοδηγούν τα ηλεκτροµαγνητικά κύµατα µέσω αλληλοεπιδράσεων του ηλεκτρικού και µαγνητικού πεδίου σε διηλεκτρικό και αγωγούς. Το οµοαξονικό καλώδιο είναι ένας µεταλλικός αγωγός ο οποίος περιβάλλεται από ένα άλλο κυλινδρικό αγωγό που ονοµάζεται πλέγµα. Οι δυο αγωγοί χωρίζονται από διηλεκτρικό υλικό. Επειδή καλώδια του είδους δηµιουργούν µόνο ένα ασθενές ηλεκτροµαγνητικό πεδίο έξω από το σύρµα ενώ σχεδόν καθόλου ρεύµα δεν επάγεται από εξωτερικά ηλεκτροµαγνητικά πεδία σε αντίθεση από τα ζεύγη συρµάτων παρουσιάζουν πλεονέκτηµα σε σχέση µε αυτά. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 15

16 ιάδοση Σήµατος: Γραµµές Μεταφοράς Γενικά η διάδοση σε µια γραµµή µεταφοράς υπόκειται σε εξασθένηση και καθυστέρηση. Τα αποτελέσµατα αυτά εξαρτώνται από την συχνότητα του κύµατος και περιορίζουν τον ρυθµό µετάδοσης. Για µια µεγάλη περιοχή συχνοτήτων η εξασθένηση αυτή είναι µεγαλύτερη στα σύρµατα από τις οπτικές ίνες. Η καθοδηγούµενη διάδοση υπόκειται σε διασπορά εξασθένηση και θόρυβο ο οποίος περιορίζει το χαρακτηριστικό γινόµενο: ρυθµός επί απόσταση της γραµµής µεταφοράς. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 16

17 Οπτική µετάδοση των Bits Οι οπτικοί ποµποί περιλαµβάνουν LEDs και LD, οι δέκτες περιλαµβάνουν φωτοδιόδους PN, διόδους PIN και APDs. Η ανάλυση Fourier είναι η κύρια τεχνική ανάλυσης γραµµικών και χρονικά αναλλοίωτων συστηµάτων Οι ασύγχρονες µεταδόσεις στέλνουν µικρές ακολουθίες από σταθερού µήκους bits. Η µέθοδος αυτή απλοποιεί τον συγχρονισµό του δέκτη. Η σύγχρονη µετάδοση βελτιώνει την απόδοση της ασύγχρονης µετάδοσης στέλνοντας µεγάλα πακέτα. Ο δέκτης µπορεί να συγχρονισθεί χρησιµοποιώντας ένα κώδικα αυτοσυγχρονισµού και ένα PLL. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 17

18 Οπτική µετάδοση των Bits Το RS-232-C είναι µια ευρέως χρησιµοποιούµενη σύνδεση µε χαλαρούς ρυθµούς µετάδοσης και µικρές αποστάσεις. Η πολυπλεξία µε διαίρεση συχνότητας καθίσταται δυνατή µε µεθόδους µετάδοσης ευρείας ζώνης όπως η FSK, PSK, ASK και QAM. Τα σήµατα ανακτώνται µε σύγχρονη αποδιαµόρφωση. Το RS-232-C είναι µια ευρέως χρησιµοποιούµενη σύνδεση µε χαλαρούς ρυθµούς µετάδοσης και µικρές αποστάσεις. Η πολυπλεξία µε διαίρεση συχνότητας καθίσταται δυνατή µε µεθόδους µετάδοσης ευρείας ζώνης όπως η FSK, PSK, ASK και QAM. Τα σήµατα ανακτώνται µε σύγχρονη αποδιαµόρφωση Παντάνο Ρόκου Φράνκα 18

19 Οπτική µετάδοση των Bits Το θεώρηµα Shannon καθορίζει τη χωρητικότητα ενός διαύλου. Η χωρητικότητα είναι ο µέγιστος ρυθµός στον οποίο τα bits µπορούν να µεταδοθούν αξιόπιστα µέσα από ένα δίαυλο. Τα λάθη µπορούν να τεθούν υπό έλεγχο µε κώδικες διόρθωσης λαθών όπως BCH Redd-Solomon. Τα λάθη µπορούν να ανιχνευθούν χρησιµοποιώντας ένα CRC. Το θεώρηµα δειγµατοληψίας του Nyquist καθορίζει ότι ένα σήµα µπορεί να ανακτηθεί ακριβώς όπως στα δείγµατα εάν η συχνότητα δειγµατοληψίας είναι τουλάχιστον διπλάσια από την µεγίστη συχνότητα του σήµατος. όµως ο κβαντισµός των δειγµάτων του σήµατος εισάγει θόρυβο κβαντισµού. Παντάνο Ρόκου Φράνκα 19