Εισαγωγή Στις Τηλεπικοινωνίες. Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεματικής Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών. Διδάσκων: Θωμάς Καμαλάκης

Transcript

1 Εισαγωγή Στις Τηλεπικοινωνίες Τμήμα Πληροφορικής και Τηλεματικής Χαροκόπειο Πανεπιστήμιο Αθηνών Διδάσκων: Θωμάς Καμαλάκης

2 Σκοπός του Μαθήματος Εξοικείωση με βασικές έννοιες των τηλεπικοινωνιών: δίκτυα, διαμόρφωση, μετάδοση, λήψη, κανάλι, ενσύρματη και ασύρματη μετάδοση, τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, πρωτόκολλα, οπτικές ίνες, UTP, δορυφορικά συστήματα, ασύρματα δίκτυα, TCP/IP, routers, switches, hubs, WiFi, WiMax, Ethernet, θόρυβος, σήμα, φάσμα, εύρος ζώνης ηλεκτρομαγνητικά κύματα, θεωρία πληροφορίας, κωδικοποίηση, ασφάλεια, ADSL, FTTH, OFDM,PAM, OOK, WDM, PCM, κωδικοποίηση, κτλ

3 Ενότητα 1 η Εισαγωγικές Έννοιες και Ιστορία των Τηλεπικοινωνιών

4 Βασικοί Ορισμοί Επικοινωνία: η μετάδοση πληροφορίας από μία πηγή πληροφορίας σε μία άλλη. Ο παραπάνω ορισμός είναι αρκετά ευρύς και περιλαμβάνει την ανταλλαγή σκέψεων, ιδεών, συναισθημάτων και πληροφοριών. Με τον όροτηλεπικοινωνίες εννοούμε την υποβοηθούμενη με τεχνικά μέσα μετάδοση σημάτων σε κάποια απόσταση (από το αρχαίο ελληνικό τηλε).

5 Ιστορική Εξέλιξη Σήματακαπνού: Χρησιμοποιούνταν από τους Κινέζους στρατιώτες στο Σινικό Τείχος για προειδοποίηση για επικείμενη επίθεση. Τα νέα μεταδίδονταν σε μία απόσταση 480Km σε μερικές ώρες. Ο Πολύβιος (Έλληνας αρχαίος ιστορικός) το 150 π.χ. επινόησε ένα είδος αλφάβητου για την μεταφορά σημάτων χρησιμοποιώντας ζευγάρι από πυρσούς. Ορισμένες φυλές ιθαγενών στην Αφρική και την Αμερική, χρησιμοποιούσαν τον ήχο τωντυμπάνων για να μεταφέρουν πληροφορία. Οι αρχαίοι Έλληνες και οι Ρωμαίοι χρησιμοποιούσαν ταχυδρομικά περιστέρια για να μεταφέρουν πληροφορίες σε μεγάλες αποστάσεις.

6 Ο πρώτος τηλέγραφος Το 1792 ο γάλλος εφευρέτης Claude Chappe παρέδωσε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα το οποίο βασιζότανε σε πύργους με κινητά μέρη στην κορυφή τους. Ο Chappe κατάφερε να καλύψει ολόκληρη την Γαλλία και να μεταφέρει μηνύματα με ένα αλφάβητο 32 και πλέον συμβόλων.

7 Ο πρώτος ηλεκτρικός τηλέγραφος Charles Wheatstone William Fothergill Cooke Samuel Morse To 1837 οι Wheatstone και Cooke στην Αγγλία και ο Morse στις Η.Π.Α. επινόησαν τον πρώτο ηλεκτρικό τηλέγραφο. Το 1866 πραγματοποιήθηκε η πρώτη διατλαντική ζεύξη

8 Το πρώτο τηλέφωνο Alexander Bell Elisha Grey To 1876 οι Bell και Grey ανακάλυψαν το τηλέφωνο. Το 1878 και το 1879 άρχισαν να εγκαθίστανται οι πρώτες τηλεφωνικές συσκευές στο Λονδίνο και το New Haven

9 Τρίοδος Λυχνία H εφεύρεση της τριόδου ενισχύτριας λυχνίας κενού το 1906 κατέστησε δυνατή την υλοποίηση ενισχυτών σήματος και την μετάδοση του τηλεφωνικών σημάτων σε μεγάλες αποστάσεις. Lee De Forest Μικρές τάσεις μεταξύ πλέγματος (grid) / καθόδουv g αντιστοιχούν σε μεγάλες τάσεις ανόδου / καθόδουv a Το 1915 άρχισαν να λειτουργούν οι πρώτες διηπειρωτικές τηλεφωνικές συνδέσεις

10 Ο πρώτος αυτόματος μεταγωγέας Το 1897, ο Almond Strowger ανακάλυψε έναν τρόπο να διευκολύνει την ζωή των τηλεφωνητών που εξυπηρετούσαν τα τηλεφωνικά κέντρα της εποχής. Πρόκειται για τον πρώτο αυτόματο μεταγωγέα

11 Ραδιοφωνία Διαμόρφωσης Πλάτους AM Η ραδιοφωνία AM εγκαινιάστηκε το 1920 στις Η.Π.Α. στο Pittsburg από τον ραδιοφωνικό σταθμό KDKA To 1918 o Εdwin Armstrong ανακάλυψε τον πρώτο υπερετερώδυνο δέκτη ΑΜ που έδωσε σημαντική ώθηση στην ραδιοφωνία. Ο ίδιος κατασκεύασε πρώτος ένα σύστημα επικοινωνίας FM το Edwin Armstong

12 To πρώτο σύστημα τηλεόρασης V.K. Zworykin ΒΒC broadcasting house Τo 1929 o V.K. Zworykin κατασκεύασε το πρώτο σύστημα τηλεόρασης στις Η.Π.Α. Οι πρώτες τηλεοπτικές εκπομπές ξεκίνησαν το 1936 από τον σταθμό BBC στην Αγγλία. Ακολούθησε η Αμερική πέντε χρόνια αργότερα.

13 To ημιαγωγικό τρανζίστορ Το 1947 οι Brattain, Bardeen και Shockley εφεύραν το ημιαγωγικό τρανζίστορ Με την ανακάλυψη αυτή άνοιξε ο δρόμος για τα ολοκληρωμένα κυκλωμάτα.

14 Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Το 1958 οι Jack Kilby και Robert Noyce έφτιαξαν το πρώτο ολοκληρωμένο κύκλωμα ανοίγοντας το δρόμο για μικρότερες και φθηνότερες τηλεπικοινωνιακές συσκευές.

15 Πηγή ημιαγωγικού LASER Το 1962 ο Robert Hall παρουσίασε την πρώτη ημιαγωγική δίοδο LASER. Οι δίοδοι LASER και οι οπτικές ίνες αύξησαν της ταχύτητες των σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων

16 Ο πρώτος τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος Telstar I Early Bird To 1962 τέθηκε σε τροχιά ο δορυφόρος Telstar I που χρησιμοποιήθηκε για την αναμετάδοση σήματος TV μεταξύ ΗΠΑ και Ευρώπης. Το 1965 εκτοξεύθηκε ο Early Bird, ο πρώτος εμπορικός τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος.

17 Internet Το Internet Protocol (IP) προέκυψε από χρηματοδότηση της DARPA τη δεκαετία του 70. Το 1969 υλοποιήθηκε το ARPANET το πρώτο δίκτυο μεταγωγής πακέτων Το 1975, υλοποιήθηκε η πρώτη δοκιμή επικοινωνίας μεταξύ δικτύων με TCP/IP μεταξύ του Stanford και του University College London (UCL).

18 DSL To ΑDSL αναπτύχθηκε από την Bellcore (γνωστή τώρα ως Telecordia Technologies) το 1988 Χρησιμοποιεί τα ήδη υπάρχοντα καλώδια του τηλεφώνου για να μεταδώσει δεδομένα με ταχύτητες μέχρι και 24Mb/s.

19 WiFi O προκάτοχος του WiFi, το WaveLan εφευρέθηκε το 1991 από την ΑΤ&Τ. Η πατέντα για το WiFi (ή αλλιώς ) υποβλήθηκε το Προσφέρει ρυθμούς της τάξης των 54Mb/s.

20 Μερικές Σημαντικές Ημερομηνίες 1809 Πειραματική επίδειξη ηλεκτροχημικού τηλέγραφου VanSoemmerring 1820 Δημιουργία μαγνητικού πεδίου από ηλεκτρ. ρεύμα Oersted 1831 Ανακάλυψη ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής Faraday 1837 Τελειοποίηση τηλέγραφου Morse 1876 Εφεύρεση τηλεφώνου Bell 1897 Αυτόματο τηλεφωνικό κέντρο Strowger 1901 Ασύρματος τηλέγραφος Marconi 1905 Ασύρματη μετάδοση φωνής Fessenden 1907 Πρώτη ραδιοφωνική μετάδοση 1921 Κινητόςασύρματος 1928 Ηλεκτρονική τηλεόραση Farnsworth 1931 Το πρώτο τηλέτυπο 1933 Διαμόρφωση FM Armstrong 1934 Επίδειξη RADAR 1937 Παλμοκωδική διαμόρφωση PCM Reeves 1937 Η πρώτη μηχανή γενικών υπολογισμών 1939 Η πρώτη τηλεοπτική μετάδοση 1945 Η ιδέα του Γεωστατικού δορυφόρου Clarke 1948 Μαθηματικό μοντέλο πληροφοριών Shannon 1962 Δορυφορικές επικοινωνίες 1970 Δίκτυα δεδομένων πακέτων 1971 ISDN 1973 Τοπικό δίκτυο Ethernet 1974 Η ιδέα του Ιντερνετ 1978 Κυψελοειδής ασύρματη τηλεφωνία 1978 Global Positioning System (GPS) 1986 SONET I SDH Σύγχρονη ψηφιακή ιεραρχία 1991 GSM Κινητή τηλεφωνία 1996 DSL ψηφιακή μετάδοση στον τοπικό βρόχο 1998 Δορυφορικά δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 1999 LMDS ασυρματικό δίκτυο πρόσβασης 2000 GPRS κινητό διαδίκτυο 2001 UMTS εξελιγμένη ασύρματη μετάδοση φωνής-data

21 Εξέλιξη των Τηλεπικοινωνιών

22 Ενότητα 2 η Σήματα και Συστήματα

23 Σήματα Γενικά η πληροφορία αποτυπώνεται και μεταφέρεται με την βοήθεια των σημάτων. Ως σήμα ορίζουμε την οποιαδήποτε χρονική συνάρτηση ενός φυσικού μέγεθους. Έτσι μπορεί να έχουμε σήματα τάσης, V=V(t), σήματα ρεύματοςi=i(t) και σήματα ισχύοςp=p(t) Ένααναλογικόσήμαx(t) είναι ένασυνεχές σήμα το οποίο μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή μέσα σε ένα πεδίο τιμών [x min,x max ]. Έναψηφιακόσήμαy(t) είναι ένα σήμα το οποίο επιτρέπεται να πάρει μονάχα συγκεκριμένες τιμέςx i μέσα σε ένα πεδίο τιμών [x min,x max ]. 1.5 Analog Signal 1.5 Digital Signal V ( t) 0 V ( t) t (msec) t (msec)

24 Ισχύς και Ενέργεια Σημάτων Στιγμιαία ισχύς ενός σήματοςx(t) P t x t 2 ( ) = ( ) Μέση ισχύς ενός σήματος x(t) T / lim ( ) T T T / 2 Pav = x t dt Ενέργεια του σήματοςx(t) + = E x 2 ( t) dt

25 Ρυθμός Μετάδοσης x Τα ψηφιακά σήματα είναι συνήθως διακριτού χρόνου: Δηλαδή αλλάζουνε τιμές σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμέςt i που συνήθως απέχουν κατά Δt. Οι τιμέςx(t i ) καθορίζονται από μία σειρά συμβόλων. Η παρακάτω αντιπροσωπεύει ένα τυχαίο σήμα που παράγεται από 20 διαφορετικά σύμβολα (από το 0 ως το 19). Η διάρκεια T καθορίζει και την ταχύτητα που αποτυπώνονται τα σύμβολα στο σήμα. Ο ρυθμός σηματοδοσίαςr s καθορίζεται από το αντίστροφο τουτ, δηλαδήr s =1/T και μετριέται σε symbols/s Τ Στην πιο απλή περίπτωση έχουμε δύο σύμβολα 0 και 1 που ονομάζονται bits Ο ρυθμός μετάδοσης R s τότε μετριέται σε bit/s Στα συστήματα επικοινωνίας μας ενδιαφέρει κυρίως με πόσο μεγάλο ρυθμό σηματοδοσίας μπορούμε να μεταδώσουμε τα σύμβολα μας και σε ποια απόσταση t (msec)

26 Ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα Ο μετατροπέας εισόδου μετατρέπει την πληροφορία της πηγής σε ηλεκτρικό σήμα Ο πομπός μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε κατάλληλη μορφή για να μεταδοθεί μέσα στο κανάλι. Το σήμα διαδίδεται στο κανάλι και τελικά καταλήγει στο δέκτη Ο δέκτης μετατρέπει το σήμα σε ηλεκτρικό σήμα Ο μετατροπέας εξόδου μετατρέπει το ηλεκτρικό σήμα σε μία μορφή κατάλληλη για επεξεργασία.

27 Ένα ψηφιακό τηλεπικοινωνιακό σύστημα Πηγή Πληροφορίας και Μετροπέας Εισόδου Kωδικοποιητής Πηγής Kωδικοποιητής Καναλιού Ψηφιακός ιαµορφωτής Κανάλι Μετατροπέας Εξόδου Αποκωδικοποιητής Πηγής Αποκωδικοποιητής Καναλιού Ψηφιακός αποδιαµορφωτής

28 Τα επιμέρους Η έξοδος της πηγής πληροφορίας μπορεί να είναι ένα αναλογικό σήμα (π.χ. φωνή ή video) ή ένα ψηφιακό (π.χ. η έξοδος από ένα PC). Τα μηνύματα που παράγονται από την πηγή μετατρέπονται συνήθως σε ακολουθίες από δυαδικά ψηφία (0 και 1). Οκωδικοποιητήςπηγής αναλαμβάνει να μετατρέψει τα δυαδικά ψηφία αυτά σε άλλες ακολουθίες ψηφίων που είναι πιο κατάλληλες για την μετάδοση (π.χ. κάνει κάποιο είδος συμπίεσης). Οκωδικοποιητήςκαναλιού αναλαμβάνει να αυξήσει την αξιοπιστία των δεδομένων με την χρήση πλεονασμού: Π.χ. θα μπορούσε να επαναλαμβάνει δύο φορές κάθε σύμβολο που έρχεται από τον κωδικοποιητή πηγής ώστε να μπορούμε να ανιχνεύουμε τα σφάλματα κατά την μετάδοση. Οψηφιακόςδιαμορφωτής αντιστοιχεί μία ακολουθία από δυαδικά ψηφία σε μία κυματομορφή. Στον δέκτη υπάρχουνε τα αντίστροφα επιμέρους στοιχεία.

29 Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Πως όμως μεταφέρουμε τα αναλογικά δεδομένα (π.χ. φωνή) πάνω από ένα ψηφιακό σύστημα (π.χ. ASK)? Υπάρχουνε μία σειρά από τρόπους μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Στα ψηφιακά τηλέφωνα (π.χ. κινητά) χρησιμοποιείται συχνά το PCM (Pulse Code Modulation). Έχουμε: x 15 m 14 x 14 Α) Δειγματοληψία Β) Κβάντιση ΓιαkT t (k+1)t θα έχουμε z(t)=m i ανx i x(kt) x i+1 όπου m i =(x i +x i+1 )/2

30 Θεώρημα της Δειγματοληψίας Αν κάνουμε σωστά την δειγματοληψία τότε δεν χάνουμε κάτι από την αρχική πληροφορία του σήματος(!) Αυτό μας το διασφαλίζει το θεώρημα δειγματοληψίας των Shannon/Νyquist: Μία συνάρτησηx(t) που δεν περιέχει συχνότητες μεγαλύτερες της B μπορεί να αναπαρασταθεί πλήρως από τα δείγματα τηςx(kt) αρκεί ο ρυθμός δειγματοληψίαςf s =1/T να είναι μεγαλύτερος από 2Β Ωστόσο η κβάντιση εισάγει κάποιο θόρυβο αφού χάνουμε κάποια πληροφορία για το αρχικό σήμα Ωστόσο με αρκετές στάθμες η απώλεια αυτή ελαχιστοποιείται. Harry Nyquist Claude Shannon

31 Ενότητα 3 η Το Πεδίο των Συχνοτήτων και η έννοια του Φάσματος

32 Ανάλυση στο Πεδίο των Συχνοτήτων: Η σειρά Fourier Ένα σήμαx(t) ονομάζεταιπεριοδικό, όταν υπάρχει ένατ>0 τέτοιο ώστεx(t+t)=x(t) Κάθε περιοδικό σήμα μπορεί να γραφτεί ως μία σειρά + j2 fmt ( ) = X me π m= x t Όπουf m =m/t, j=(-1) 1/2 και οι συντελεστέςχ m δίδονται από την εξίσωση: X m T / 2 = 1 T T / 2 x t j2π fmt ( )e Η παραπάνω σειρά ονομάζεται σειρά Fourier και παρέχει έναν τρόπο να γράφουμε ένα (σχεδόν οποιοδήποτε) σήμα ως άθροισμα των μιγαδικών σημάτων exp(j2πf m t) τα οποία ονομάζονται αρμονικά σήματα Η σειρά Fourier αποτελεί το κλειδί για να κατανοήσουμε την συμπεριφορά των σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων. Στην ουσία μας μεταφέρει από το πεδίο του χρόνουtστο πεδίο των συχνοτήτωνf m.

33 Παράδειγμα: Τετραγωνικό περιοδικό σήμα 1.5 x ( t) Τ 1 To αντίστροφο του 1/Τ είναι ο ρυθμός σηματοδοσίαςr s Τ t (msec) T / π m π m π m π m ( π f T) T / 2 j f t j f t j f T j f T T / 2 T / 2 1 ( f T) ( ) X m = x( t)e dt= e dt = e e T T j2π f T T sin 1 m 1 T1 = = sinc T π f T T m m m Όπου η συνάρτηση sinc(x) ισούται με 1 γιαx=0 και με sin(πx)/(πx) γιαx 0

34 H συνάρτηση sinc 1 Sinc Function sinc( x) x Τα μηδενικά της συνάρτησης sinc(x)=sin(πx)/(πx) βρίσκονται στοx=m όπουm 0 Ότανx ±, τότε η συνάρτηση sinc(x) τείνει στο μηδέν Την συνάρτηση sinc θα την συναντήσουμε πολύ συχνά στις τηλεπικοινωνίες!

35 Παράδειγμα: Τετραγωνικό περιοδικό σήμα Ας παραστήσουμε γραφικά τους συντελεστές Fourier στις αντίστοιχες συχνότητες τουςf m X m R s =10 3 Hz Τ 1 /Τ=½ f x 10 4 m (Hz) f x 10 5 m (Hz) X m R s =10 4 Hz Τ 1 /Τ=½ Οι συχνότητεςf m στις οποίες οι συντελεστέςx m έχουν σημαντική τιμή αποτελούν το φάσμα του σήματος. Σε ένα συμμετρικό φάσμα, τo εύρος ζώνηςwορίζεται ωςw=2f k όπουf k η συχνότητα στην οποία X k 2 /max m { X m 2 }=L όπου τοl<1 καθορίζεται από την εφαρμογή. AνL=1/2 τότεw 0.64/T 1. To σχήμα δείχνει πως όσο μεγαλύτερο τοr s τόσο πιο απλωμένο είναι το φάσμα στις μεγαλύτερες συχνότητες

36 Μετασχηματισμός Fourier Τι γίνεται για μη περιοδικά σήματα; Ένα οποιοδήποτε σήμαx(t) μπορεί να θεωρηθεί περιοδικό ανt=+. Τότε ορίζουμε τον μετασχηματισμό Fourier X(f) ως εξής: + j2π ft X ( f ) x( t) e dt + 2 x( t) X ( f ) e j π ft df = = Και τον αντίστροφο μετασχηματισμό Fourier X(f) ως εξής: Ο μετασχηματισμός Fourier επιτρέπει την περιγραφή των μη περιοδικών σημάτων στο πεδίο των συχνοτήτων.

37 Παράδειγμα: Τετραγωνικό περιοδικό σήμα x x ( t) 1 Τ 1 X ( f) t (msec) f (Hz) x T1 / 2 j 2π ft j 2π ft 1 X ( f ) = x( t) e dt = e dt= e e = T sinc ft j2π f T / 2 1 jπ ft1 jπ ft1 { } 1 ( π 1) Η διάρκεια του παλμού καθορίζει πόσο «απλωμένο» είναι το φάσμα του σήματος X(f). Oι πρώτοι μηδενισμοί του φάσματος συμβαίνουν στοf=±1/t 1. Ένας τρόπος να ορίσουμε το φάσμα είναι η απόσταση μεταξύ των δύο μηδενισμών, W=2/T 1

38 Σήματα με μιγαδικά φάσματα Στη φύση όλα τα σήματαx(t) είναι πραγματικά To φάσμαχ(f) ωστόσο τουx(t) μπορεί να είναι μιγαδικός αριθμός x ( t) T t 1 t t (msec) T j2π f t1+ 2 t2 j 2π ft j 2π ft X ( f ) = x( t) e dt= e dt= 1 jπ ft2 jπ ft1 = { e e } = j2π f = Te + sinc ( ft) t 1 Ενώ λοιπόν τοx(t) είναι πραγματικό, τοx(f) είναι μιγαδικό! Το φάσμα ενός πραγματικού σήματος είναι συμμετρικό, + + * + j 2π ft j2 π ft * ( ) ( ) ( ) ( ) X f = x t e dt = x t e dt = X f

39 Φίλτρα Ένα φίλτρο είναι ένα σύστημα το οποίο επηρεάζει το φάσμα ενός σήματος πολλαπλασιάζοντας κάθε συνιστώσαx(f) του φάσματος με ένα συντελεστήh(f) Η συνάρτησηh(f) ονομάζεται συνάρτηση μεταφοράς του φίλτρου Παράδειγμα φίλτρου είναι ένα κύκλωμα πυκνωτή αντίστασης σε σειρά V ( f ) = H ( f ) V ( f ) V ( f ) = H ( f ) V ( f ) R R in H H C R ( j πcf) 1 ( 2π ) 1 C C in 2 1 ( f ) = = j Cf + R j2π frc+ 1 R j π frc ( f ) = = 2π frc+ 1 2 ( j2π Cf) 1 + R j H R ( f) f (KHz) H C ( f) f (KHz) Ο πυκνωτής μαζεύει τις χαμηλές συχνότητες, η αντίσταση της υψηλές!

40 Ηλεκτρομαγνητικά Κύματα Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, η διάδοση των σημάτων μέσα στο κανάλι υποστηρίζεται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι ένα πεδίο που περιέχει τόσο το ηλεκτρικόεόσο και το μαγνητικό πεδίοη. Οι νόμοι του Maxwell μας επιτρέπουν να συσχετίσουμε τις μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίουε(t) με τις μεταβολές του μαγνητικού πεδίουη(t) Το σήμα που εκπέμπει μία κεραία είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα που διαδίδεται στο καλώδιο του τηλεφώνου είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα που λαμβάνουμε από το δορυφόρο είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα που μεταφέρει τα δεδομένα ενός ασύρματου δικτύου είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα του DSL είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα του κινητού είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το σήμα μέσα σε μια οπτική ίνα είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Οι ακτίνες Γ είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα! Τα μικροκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα!

41 Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Όπως είδαμε στην προηγούμενη Ενότητα, το ηλεκτρομαγνητικό κύμα μεταφέρει τα σήματα που θέλουμε να μεταδώσουμε Επομένως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι και αυτό ένα σήμα και η περιοχή συχνοτήτων που βρίσκεται το φάσμα του έχει πολύ μεγάλη σημασία Στον ελεύθερο χώρο και υπό ιδανικές συνθήκες τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται με ταχύτηταc= m/sec. Για κάθε συχνότηταf, oρίζουμε το μήκος κύματοςλ=c/f. Για ένα ηλεκτρομαγνητικό σήμα της μορφής cos(2πft) το μήκος κύματος είναι η απόσταση που καλύπτει το αντίστοιχο κύμα σε μία περίοδο του σήματοςt=1/f. Το μήκος κύματος έχει ιδιαίτερη σημασία για τον καθορισμό των ιδιοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Για παράδειγμα καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο το κύμα αντιλαμβάνεται διάφορα εμπόδια, τις ιδιότητες ανάκλασης από την ιονόσφαιρα, κτλ.

42 Το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα

43 Ορατό Φάσμα Οι ανθρώπινοι οφθαλμοί αντιλαμβάνονται το ορατό φάσμα τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Κάθε συχνότητα εντός του ορατού φάσματος αντιστοιχεί σε μία απόχρωση του μπλέ, πράσινου και κόκκινου ενώ κάθε άλλο χρώμα είναι συνδυασμός των τριών βασικών χρωμάτων. Το ανθρώπινο μάτι διαθέτει τριών ειδών κύτταρα-δέκτες που το κάθε ένα αντιλαμβάνεται ένα από τα τρία χρώματα. Τα άλλα χρώματα (π.χ. κίτρινο) περιέχουνε παραπάνω από μία συχνότητες οι οποίες διεγείρουν παραπάνω από ένα είδος κυττάρων. Στις τηλεπικοινωνίες, το ορατό φάσμα χρησιμοποιείται στις οπτικές επικοινωνίες σε ένα ειδικό είδος οπτικής ίνας, την πλαστική ίνα.

44 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα για ασύρματες επικοινωνίες Προάκης 1.4

45 Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα για ενσύρματες επικοινωνίες Προάκης 1.3

46 Ραδιοσυχνότητες (RF) Extremely Low Frequency (ELF): Χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν για επικοινωνίες με υποβρύχια (3Hz 30Hz) Super Low Frequency (SLF): Μεταφορά του ηλεκτρικού ρεύματος (30-300Hz). Ultra Low Frequency (ULF): Στρατιωτικές εφαρμογές ( Hz) Very Low Frequency (VLF): Πλοήγηση (3KHz-30KHz). Low Frequency (LF): Ραδιοφωνία ΑΜ, φάροι πλοήγησης, ερασιτεχνικό ραδιόφωνο (30ΚHz 300KHz). Medium Frequency(MF): Ναυτικές και αεροπορικές επικοινωνίες, ραδιοφωνία ΑΜ ( KHz) High Frequency (HF): Ερασιτεχνικό ραδιόφωνο, επικοινωνίες ιονόσφαιρας (3-30MHz). Very High Frequency (VHF): Ραδιοφωνία FM, τηλεόραση (30MHz 300MHz). Ultra High Frequency (UHF): Κινητά τηλέφωνα, ασύρματα τηλέφωνα, ασύρματα δίκτυα, φούρνοι μικροκυμάτων (300MHz-3000MHz) Super High Frequency (SHF): Ασύρματα δίκτυα, δορυφορικές επικοινωνίες, δορυφορική τηλεόραση (3GHz-30GHz). Extremely High Frequency (ELF): Μικροκυματικές ζεύξεις.

47 Μικροκύματα (0.3GHz-300GHz) Το μικροκυματικό φάσμα είναι μέρος του RF φάσματος Τα ασύρματα συστήματα WiFi (802.11) και Bluetooth λειτουργούν συνήθως γύρω στα 2.4GHz. Χρησιμοποιούνται για την παροχή ασύρματου internet εντός μίας οικίας ή ενός γραφείου. Το WiMAX (802.16) χρησιμοποιεί τις συχνότητες 2.3GHz, 2.5GHz, 3.5GHz και 5.8GHz. Αποτελεί ασύρματη εναλλακτική στο DSL. Cable TV και πρόσβαση στο internet μέσω ομοαξονικού καλωδίου. Δορυφορικές επικοινωνίες.

48 Μέσα Μετάδοσης Τα τηλεπικοινωνιακά κανάλια χαρακτηρίζονται και αυτά από μία φασματική απόκρισηh(f) η οποία αποτελεί σημαντικό παράγοντα για τις επιδόσεις του τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Στην έξοδο του καναλιού το φάσμα του σήματος είναιy(f)=x(f)h(f) όπου Χ(f) το φάσμα στην είσοδο του καναλιού. Είδαμε πως όσο αυξάνει ο ρυθμός σηματοδοσίας, αυξάνει και το εύρος ζώνης του σήματος. Ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι με στενόh(f) δεν μπορεί να υποστηρίξει υψηλούς ρυθμούς σηματοδοσίας. x(t) x(t) X(f) H(f) Y(f)=H(f)X(f) y(t) t (msec) X(f) x f (KHz) H(f) H(f) f (KHz) f (KHz) Y(f) x Y(f) f (KHz) x f (KHz) y(t) y(t) t (msec) t (msec) Ένα κανάλι με στενό εύρος ζώνης δεν μπορεί να παρακολουθήσει τις γρήγορες μεταβολές του σήματος

49 Μέσα Μετάδοσης Τα τηλεπικοινωνιακά κανάλια επίσης χαρακτηρίζονται από τις απώλειες που εισάγουν στις συχνότητες που χρησιμοποιούμε. Σε κάθε συχνότηταfοι απώλειες προκύπτουν από την τιμή τουh(f). Οι απώλειες του καναλιού ορίζονται συνήθως από τοl=max{h(f)} στη φασματική περιοχή που μας ενδιαφέρει. Αν αγνοήσουμε την παραμόρφωση από την εξάρτηση τουh(f) από τοf, τότε Y(f)=X(f)H(f)=LX(f) επομένως καιy(t)=lx(t) ήl=y(t)/x(t) ΤοLείναι καθαρός αριθμός και μικρότερος της μονάδας. Συνήθως μετριέται σε λογαριθμική κλίμακα (db). Ένα άλλο σημαντικό στοιχείο των καναλιών είναι πως εισάγουνε θόρυβο στο σύστημα αλλά περισσότερα για αυτό στην επόμενη Ενότητα!

50 Συχνά οι απώλειες ισχύος ορίζονται ως μετριέται σε db Λογαριθμική Κλίμακα ( ) = 10log10 L db 2 Pout y t 2 Pin x t L= = Η ισχύς επίσης μπορεί να εκφραστεί σε dbm ( ) 10log10 P dbm = ( ) ( ) L P(mW) 1mW 0dB 1 3dB 2 10dB 10 20dB dB dBm 1mW 10dBm 10mW 20dBm 100mW. P out P = L L L L in P (dbm) = P (dbm) + L (db) + L (db) + L (db) + L (db) out in Στη λογαριθμική κλίμακα αντί να πολλαπλασιάζουμε τις απώλειες, τις προσθέτουμε

51 Ενότητα 4 η O Θόρυβος στα Συστήματα Τηλεπικοινωνιών

52 Η φύση του θορύβου Κάθε ηλεκτρονικό σύστημα έχει την ιδιότητα να προσθέτειθόρυβο στα τηλεπικοινωνιακά μας σήματα Ο θόρυβοςn(t) είναι ένατυχαίοσήμα. Δεν μπορούμε να προβλέψουμε την τιμή που θα έχει κάθε χρονική στιγμή σε αντίθεση με τα σήματα που χρησιμοποιούμε για να μεταδώσουμε πληροφορία. Οθόρυβοςβολής προέρχεται από το γεγονός ότι τα σήματα μεταφέρονται από διακριτές μονάδες (π.χ. ηλεκτρόνια ή φωτόνια). Αν η ισχύς του σήματος είναι μικρή, το σήμα στον δέκτη θα υπόκειται τυχαίες μεταβολές ανάλογα με τον αριθμό των μονάδων που θα λαμβάνονται. Οθερμικόςθόρυβος προέρχεται από την θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό, ανεξάρτητα από το αν εφαρμόζεται ή όχι τάση. Οροζ(!) θόρυβος γεννιέται μέσα στα τρανζίστορ εξαιτίας διαφόρων αιτιών. Είναι ισχυρός ιδιαίτερα στις χαμηλές συχνότητες. Στους ημιαγωγούς υπάρχει και ο θόρυβοςpopcorn (!) ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα την απότομη μετάβαση από ένα επίπεδο τάση σε ένα άλλο.

53 Παράδειγμα Ενθόρυβου Σήματος x(t) t (msec) x(t) n(t) y(t)=x(t)+n(t) n(t) t (msec) y(t) t (msec) Αθόρυβο Σήμα Θόρυβος Ενθόρυβο Σήμα n(t) t (msec) y(t) t (msec)

54 Πως χαρακτηρίζουμε τον θόρυβο; Όπως είπαμε και πριν ο θόρυβοςn(t) είναι ένα τυχαίο σήμα και για να τον χαρακτηρίσουμε χρησιμοποιούμε τις πιθανότητες. Θυμηθείτε το ζάρι: αν ρίξουμε ένα ζάρι, δεν γνωρίζουμε τι θα φέρουμε. Ωστόσο ανν={1,2,3,4,5,6} είναι το αποτέλεσμα του ζαριού τότε γνωρίζουμε ότι ηp{n=1} πιθανότητα τοννα είναι ίσο με 1, είναι ίση με P{N=1}=1/6. Ομοίως P{N=2}=1/6 και ούτω καθεξής. ΤοΝστην περίπτωση αυτή χαρακτηρίζεται ωςδιακριτήτυχαία μεταβλητή Ο θόρυβος είναι ένα είδος ζαριού αλλά δεν παίρνει διακριτές τιμές όπως το ζάρι, αλλά μπορεί να πάρει τιμές από ένα συνεχές διάστημα. Π.χ. την χρονική στιγμή t=t 0 η τιμή του θορύβουn=n(t 0 ) μπορεί να είναι οποιαδήποτε τιμή από το - ως το + αλλά μερικές τιμές είναι πιο πιθανές από τις άλλες. Επομένως δεν έχει νόημα να υπολογίσουμε την πιθανότητα το Ν να πάρει μία τιμή Α, P{N=A}, αλλά την πιθανότητα P{a N b} να πάρει μια τιμή μέσα σε ένα διάστημα [a,b]. ΤοΝστην περίπτωση αυτή χαρακτηρίζεται ωςσυνεχήςτυχαίαμεταβλητή

55 Πυκνότητα Πιθανότητας Έχει ενδιαφέρον να ορίσουμε την πυκνότητα πιθανότητας μιας τυχαίας μεταβλητήςf N (x) 1 f ( ) lim N x = P x N x+ 0 { } H πυκνότητα πιθανότηταςf N (x) τουνστο σημείο σημείοxείναι η πιθανότητα να πάρει τονμία τιμή σε ένα πολύ μικρό διάστημα γύρω από τοxδια το μήκος του διαστήματος. Αν έχουμε τοf N (x) τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την πιθανότητα τοννα πάρει τιμή μέσα στο [a,b]. { } i= 1 i= 1 { + ( 1) + } K K P a i N a i P( a N b) = P a+ ( i 1) N a+ i = Αν πάρουμε ένα πολύ μικρό Δ, τότε το άθροισμα γίνεται ολοκλήρωμα, b P( a N b) = fn ( x) dx a

56 Παράδειγμα 1 ο ΑνΦείναι μία τυχαία γωνία μεf Φ (x)=1/(2π) για x [0,2π] καιf Φ (x)=0 για x [0,2π] τότε η πιθανότητα να πάρει μία τιμή στο [0,π/2] είναι: π / 2 π / P(0 Φ π / 2) = f ( x) dx= dx= 2π 4 N 0 0 H πιθανότητα να πάρει μία τιμή στο [0,2π] είναι 2π 2π 1 P(0 Φ 2 π ) = f ( x) dx= dx= 1 2π N 0 0 Δηλαδή είναι βέβαιο πως η γωνία Φ θα βρίσκεταιπάντα στο [0,2π]. H πιθανότητα να πάρει μία τιμή στο [4π,6π] είναι 6π P(2π Φ 4 π ) = f ( x) dx= 0 Δηλαδή η γωνία Φ δεν μπορεί να πάρει τιμές [4π,6π]. 4π N

57 Παράδειγμα 2 ο Έστω f N (x)=(1/τ)exp(-x/τ) γιαx 0 καιf N (x)=0 γιαx<0. Τότε η πιθανότητα να πάρει το σήμα μια τιμή από το 0 ως τοx 0 είναι: x0 x0 1 x / τ (0 0) N ( ) 1 τ 0 0 P N x = f x dx= e dx= e x 0 Η πιθανότητα τοννα είναι θετικό είναι: + P( N 0) = P(0 N + ) = f ( x) dx= 1 e = 1 0 N Η πιθανότητα τοννα είναι αρνητικό είναι: P( N < 0) = P( < N < 0) = f ( x) dx = 0 Επομένως είναι βέβαιο πως το Ν θα είναι θετικό και αδύνατο να είναι αρνητικό! 0 N

58 Χαρακτηριστικά της πυκνότητας πιθανότητας Η πυκνότητα πιθανότηταςf N (x) μίας τυχαίας μεταβλητήςνείναι πάντα θετική, δηλαδήf N (x) 0. Το ολοκλήρωμα τηςf N (x) από το - στο + είναι ίσο με την μονάδα. Αυτό αντικατοπτρίζει το γεγονός ότι ηνσίγουρα παίρνει την τιμή της από το διάστημα (-,+ ) f Φ (x) /2/π f N (x) x x 2π

59 Μέση τιμή Η μέση τιμή τουν=n(t 0 ) έχει μεγάλη σημασία στις τηλεπικοινωνίες. Ας φανταστούμε πως ρίχνουμε ένα ζάρι πολλές φορές και παρατηρούμε το αποτέλεσμαν. Μετά απόμρίψεις (όπου τομείναι μεγάλος αριθμός), το ζάρι θα έχει έρθειμ/6 φορές 1, Μ/6 φορές 2, κτλ. Μπορούμε να σχηματίσουμε το μέσο όρο του αποτελέσματος, ο οποίος θα είναι 1/Μ (Μ/6 1+Μ/6 2+ +Μ/6 6)=3.5. Το 3.5 είναι η μέση τιμή τουν Στην περίπτωση του θορύβου, ας φανταστούμε πως ανάβουμε το σύστημα μας και μετράμε το πλάτος του θορύβουν i =n(t 0 ) μετά από χρόνοt 0. Στη συνέχεια σβήνουμε το σύστημα μας και επαναλαμβάνουμε τις μετρήσεις πολλές φορές. n(t) t 0 t 0 n(t) n(t) t t (msec) t (msec) t (msec) O μέσος όρος τωνn i μετά από πολλές επαναλήψεις είναι η μέση τιμή τουν

60 Μέση τιμή και πυκνότητα πιθανότητας Αν ξέρουμε την πυκνότητα πιθανότητας τουνμπορούμε να υπολογίσουμε την μέση τιμήν mean ως εξής: + Nmean xf N ( x) dx = Γενικά ορίζουμε την αναμενόμενη τιμήe{g(n)} ως εξής: Οπότε: { } + = E g( N) g( x) f ( x) dx + N E N xf x dx mean N { } ( ) = = N

61 Παραδείγματα ΑνΦείναι μία τυχαία γωνία μεf Φ (x)=1/(2π) για x [0,2π] καιf Φ (x)=0 για x [0,2π], τότε η μέση τιμήε{φ} τηςφείναι + 2π (2 π ) E{ Φ } = xfφ ( x) dx= xdx π 2π = = 2π 2 0 Έστωf N (x)=(1/τ)exp(-x/τ) γιαx 0 καιf N (x)=0 γιαx<0, τότε η μέση τιμήε{ν} τηςν είναι x / τ x / τ + x / τ 1 E{ N} = xf N ( x) dx= xe = xe e = τ τ 0 0 0

62 Ισχύς θορύβου Πως χαρακτηρίζουμε την ένταση του θορύβου? n(t) 0 n(t) t (msec) t (msec) Η μέση τιμή δεν είναι καλή ιδέα. Ένας ισχυρός θόρυβος μπορεί να έχει μέση τιμή μηδέν. Μια άλλη λύση είναι να θεωρήσουμε την μέση τετραγωνική απόκλιση από την μέση τιμή 2 σ {( { }) } { } ( ) = E N E N = x E N f ( ) N x dx Το μέγεθος αυτό ονομάζεται διακύμανση του Ν και στην περίπτωση όπου το Ν είναι ένα δείγμα του θορύβου αντιπροσωπεύει την ισχύ του θορύβου.

63 Παραδείγματα ΑνΦείναι μία τυχαία γωνία μεf Φ (x)=1/(2π) για x [0,2π] καιf Φ (x)=0 για x [0,2π], τότε η διακύμανση τηςφείναι + 2 π (2 π ) 4π σ = E Φ E Φ = x π f x dx= x π dx= = {( { }) } ( ) Φ ( ) ( ) 2π 2π Έστωf N (x)=(1/τ)exp(-x/τ) γιαx 0 καιf N (x)=0 γιαx<0, τότε η διακύμανση τηςν είναι σ { 2 ( { }) } 2 x / τ E N E N x fn ( x) dx x e = = = = 2 τ τ τ τ

64 Συνδυασμένη Πυκνότητα Πιθανότητας Μέχρι τώρα ασχοληθήκαμε με μία χρονική στιγμήt=t 0. Αν θεωρήσουμε δύο χρονικές στιγμέςt=t 1 καιt=t 2 και τα δείγματαν 1 =n(t 1 ) και Ν 1 =n(t 2 ) αντίστοιχα τότε για να περιγράψουμε την στατιστική των δύο αυτών δειγμάτων θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τις πιθανότητες { +, + } P x N x y N y που αντιπροσωπεύει την πιθανότητα τοn 1 να είναι ανάμεσα στοxκαι στοx+δ 1 ΚΑΙ τοn 2 να είναι ανάμεσα στοyκαι στοy+δ 2. H συνδυασμένη πυκνότητα πιθανότητας ορίζεται ως: 1 f ( x, y) = lim P x N x+, y N y+ 2 { } N1, N

65 Ανεξαρτησία Δύο δείγματαν 1 καιν 2 θα είναι ανεξάρτητα όταν η συνδυασμένη πυκνότητα πιθανότητα τους ισούται με το γινόμενο των πυκνοτήτων πιθανοτήτων τωνν 1 καιn 2 f N, N ( x, y) = f N ( x) fn ( y) f N ( x) = lim P x N 1 1 x+ 0 { } 1 f N ( y) = lim P y N 2 2 y+ 0 { } Στην περίπτωση αυτή, η μέση τιμή του γινομένου ισούται με το γινόμενο των μέσων τιμών, δηλαδή { } = ( ) (, ) = ( ) ( ) = { } { } E N N dx dy xy f x y dxxf x dyyf y E N E N 1 2 N1, N2 N1 N2 1 2

66 Συνάρτηση Αυτοσυσχέτισης Ανn(t) είναι τα δείγματα ενός θορύβου τότε μπορούμε να ορίσουμε την συνάρτηση αυτοσυσχέτισης nn { } (, ) = ( ) ( ) R t t E n t n t Συνήθως η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης εξαρτάται από την διαφορά των t 1 και t 2 δηλαδή αντ=t 2 -t 1 μπορύμε να γράψουμε πως nn { } (, ) = ( τ ) = ( + τ) ( ) R t t R E n t n t 1 2 nn 1 1 Η φασματική πυκνότητα ισχύος του θορύβου είναι ο μετασχηματισμός Fourier τουr nn (τ)

67 Gaussian Κατανομή Στις τηλεπικοινωνίες συχνά ο θόρυβος ακολουθεί Gaussian στατιστική, δηλαδή η πυκνότητα πιθανότητας τουνείναι: f N 2 1 ( x m) ( x) = exp 2 σ 2π 2σ Η παράμετροςmείναι η μέση τιμή τουν, δηλαδή E{ N} = m Επίσης τοσ 2 είναι η διακύμανση τουνστην περίπτωση αυτή, δηλαδή f N (x) {( ) } 2 2 E N m = σ Gaussian PDF m=5 σ= x

68 Ιδιότητες της Gaussian κατανομής Το θεώρημα του κεντρικού ορίου. ΈστωΝ 1,,Ν Κ ανεξάρτητες μεταξύ τους τυχαίες μεταβλητές, τότε αν σχηματίσουμε το μέσο όρο τουςs=1/k (N 1 + +N K ), τότε τοsστην οριακή περίπτωση όπουκ θα ακολουθεί Gaussian τυχαία κατανομή! Επίσης δύο Gaussian τυχαίες μεταβλητέςn 1 καιn 2 είναι ανεξάρτητες αν και μόνο εάν E{Ν 1 Ν 2 }=Ε{Ν 1 }Ε{Ν 2 }. Το άθροισμα δύο Gaussian μεταβλητών είναι πάλι Gaussian.

69 Ενότητα 5 η Αναλογική και Ψηφιακή Διαμόρφωση

70 Αναλογική Διαμόρφωση Με τον όροδιαμόρφωση εννοούμε την αποτύπωση ενός σήματοςm(t) σε ένα άλλο σήμαu(t) Υπάρχουνε τρία βασικά είδη διαμόρφωσης: Διαμόρφωση πλάτους, διαμόρφωση συχνότητας και διαμόρφωση φάσης ( π φ ) u( t) = m( t)cos 2 fct+ c ( π c p ) u( t) = cos 2 f t+ k m( t) t u( t) = cos 2π fct+ 2π k f m( τ) dτ Διαμόρφωση Πλάτους Διαμόρφωση Φάσης Διαμόρφωση Συχνότητας Παρατηρείστε πως στην τελευταία κυματομορφή, η στιγμιαία συχνότηταf i (t) ακολουθεί το σήμαm(t) αφού αν ( ) θ ( t) = 2π fct+ 2π k f m τ dτ t f ( t) = f + k m( t) i c f

71 Διαμόρφωση Πλάτους - AM ( π φ ) u( t) = m( t)cos 2 fct+ c Η συχνότηταf c ονομάζεταισυχνότητατουφέροντος. Το φέρον είναι το σήμα που παράγεται ότανm(t)=σταθ για κάθεt. Συνήθως το εύρος ζώνης τουm(t) είναι πολύ μικρότερο τηςf c To φάσμα του διαμορφωμένου σήματος καθορίζεται από τον μετασχηματισμό FourierU(f) τουu(t), + + j2π ft j 2π ft ( π c ) U ( f ) = u( t) e dt= m( t)cos 2 f t e dt= + + j2π fct 2 2 c 2 ( ) j π ft j π f t m t e e dt m( t) e e j π ft dt M ( f fc ) M ( f fc) = + = ΌπουM(f) είναι το φάσμα τουm(t) + j2π ft M f m t e dt = ( ) ( )

72 Εναλλακτική έκφραση για το ΑΜ σήμα { } ( π ) u( t) = A+ m( t) cos 2 fct Συνήθως στα κυκλώματα που παράγεται το ΑΜ η κυματομορφή του σήματος έχει την παραπάνω μορφή. Ορίζουμε τον δείκτη διαμόρφωσηςh=max{ m(t) } / A

73 Ραδιοφωνία ΑΜ Το ΑΜ χρησιμοποιήθηκε στη ραδιοφωνία ήδη από το Τα πλεονεκτήματα του AM είναι τα απλούστερα κυκλώματα διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης. Τα σήματα ΑΜ υπόκεινται αλλοιώσεις εξαιτίας της ατμόσφαιρας και για το λόγο αυτό στην σύγχρονη εποχή, για την μετάδοση μουσικής προτιμάται η FM ραδιοφωνία. Επίσης τα σήματα ΑΜ μπορούν να αλλοιωθούν από ογκώδεις μεταλλικές επιφάνειες, υψηλά κτίρια και άλλες πηγές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπως ηλεκτρικά μοτέρ, λάμπες και συστήματα φωτισμού. Το φάσμα 100 khz 519 khz αντιστοιχεί στα Long Wave Το φάσμα 520 khz 1610 khz αντιστοιχεί στα Medium Wave και χρησιμοποιείται κυρίως για ραδιοφωνία. Το φάσμα 1711 khz 30ΜHz αντιστοιχεί στα Short Wave

74 Φάσμα του ΑΜ σήματος Από τα προηγούμενα συνάγουμε πως το φάσμα του διαμορφωμένου σήματοςu(f) αποτελείται από το φάσμα του αρχικού σήματοςμ(f) μετατοπισμένο γύρω από τις συχνότητες ±f c

75 Είδη ΑΜ διαμόρφωσης Η κλασική διαμόρφωση πλάτους ονομάζεται Double Side Band (DSB) που στα ελληνικά μεταφράζεται σε Διπλής Πλευρικής Μπάντας. Το φάσμα της περιέχει και το φέρον το οποίο αντιστοιχεί στη συχνότηταf c To φάσμα των συχνοτήτων πάνω από τη συχνότητα του φέροντος ονομάζεται Upper Side Band (USB) ενώ κάτω από την συχνότητα του φέροντος έχουμε το Lower Side Band (LSB). Αυτές οι δύο σχετίζονται!

76 Σχέση μεταξύ USB και LSB { } ( π ) u( t) = A+ m( t) cos 2 fct A A 1 1 U ( f ) = δ ( f fc) + δ ( f + fc ) + M ( f fc ) + M ( f + fc ) j2π ft M ( f ) m( t) e dt = [ ] * * j 2 ( ) = ( ) + π ft M f m t e dt Επομένως αν το σήμα τουm(t) είναι πραγματικό θα έχουμεm * (t)=m(t) και Μ(f)=M * (-f) M(f) M(-f)=M * (f) M(f) f=0 f f=0 f

77 Διαμόρφωση SSB Εφόσον οι δύο μπάντες του σήματος σχετίζονται μπορούμε να εκπέμψουμε μόνο την μία και να εξοικονομήσουμε φάσμα και ισχύ εκπομπής Στην περίπτωση αυτή έχουμε την single side band διαμόρφωση ή SSB. Συχνά αποκαλείται και vestigial sideband διαμόρφωση. M(f) M(-f)=M * (f) M(f) f=0 f f=0 f

78 Διαμόρφωση FM t u( t) = cos 2π fct+ 2π k f m( τ) dτ Στην διαμόρφωση FM η πληροφορία αποτυπώνεται στησυχνότητα του κύματος και όχι στο πλάτος του. Τα φασματικά χαρακτηριστικά του σήματος είναι δύσκολο να αναλυθούν στην γενική περίπτωση.

79 Διαμόρφωση FM (και PM) ( π c p ) u( t) = cos 2 f t+ k m( t) t u( t) = cos 2π fct+ 2π k f m( τ) dτ Διαμόρφωση Φάσης Διαμόρφωση Συχνότητας Αν υποθέσουμε επομένως πως το σήμαm(t) είναιm(t)=acos(2πft) ( π c p π ) u( t) = cos 2 f t+ k Acos 2 Ft Διαμόρφωση Φάσης k p A u( t) = cos 2π fct+ sin 2π Ft 2π F Διαμόρφωση Συχνότητας Για να βρούμε το φάσμα των σημάτων αυτών χρησιμοποιούμε το γεγονός ότι: = + exp jβ sin 2π Ft J β e π j2 ( ( )) n( ) n= Η συνάρτηση J n (β) είναι η συνάρτηση Bessel. nft

80 Συναρτήσεις Bessel

81 Διαμόρφωση Συχνότητας (FM) k p A k j 2 fct sin 2 Ft p A π + π 2π F u( t) = cos 2π fct+ sin 2π Ft = Re e 2π F + k p A + k j 2 nft j2 fct p A π + π = Re Jn e = J n cos 2 nft+ 2 fct n= 2π F n= 2π F ( π π ) Το φάσμα του σήματος FM περιέχει τις συχνότητεςfc±nf Οι φασματικές συνιστώσες καθορίζονται από τις συναρτήσεις Bessel. Μπορούμε να δείξουμε ότι γιαn>kpa/(2πf)+1, το φάσμα του σήματος είναι πολύ εξασθενημένο Επομένως πρακτικά το εύρος ζώνης του FM σήματος είναιb=2(kpa/(2πf)+1)

82 Διαμορφωτές FM Στον άμεσο τρόπο διαμόρφωσης χρησιμοποιούνται ειδικές διατάξεις που ονομάζονται ταλαντωτές ελεγχόμενοι από τάση (Voltage Control Oscillators - VCO). Ένα τέτοιο κύκλωμα μεταβάλλει την συχνότητα συντονισμού του όταν μεταβάλλουμε την τάση ελέγχου. Στην ουσία μεταβάλλεται η χωρητικότητα ενός κυκλώματος LC συντονισμού. Οι δέκτες FM είναι πιο πολύπλοκοι.

83 Διαμόρφωση QAM H διαμόρφωση QAM (Quadrature Amplitude Modulation) είναι παρόμοια με την κλασική AM. u( t) = I ( t) cos(2 π f t) + Q( t)sin(2 π f t) 0 0 Χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση QAM μπορούμε να μεταδώσουμε δύο σήματα στην ίδια συχνότητα με διαφορά φάσης π. Το αναλογικό QAM χρησιμοποιείται στην αναλογική τηλεόραση (NTSC και PAL) για την αποτύπωση πληροφορίας σχετικά με το χρώμα. Επίσης χρησιμοποιείται και στην ραδιοφωνία ΑΜ για την μετάδοση στέρεο ήχου.

84 Ψηφιακή Διαμόρφωση ΟΟΚ Στις ψηφιακές διαμορφώσεις αντί να έχουμε ένα αναλογικό σήμαm(t) το οποίο μπορεί να παίρνει οποιαδήποτε τιμή μέσα σε ένα διάστημα [α,β] έχουμε ένα ψηφιακό σήμα που μπορεί να παίρνει διακριτές τιμές, στην απλούστερη περίπτωση 0 και 1 Στην περίπτωση αυτή μπορούμε να αποτυπώσουμε την ψηφιακή πληροφορία με την εξής αντιστοίχηση: Στην περίπτωση που έχουμε να μεταδώσουμε 1 μεταδίδουμε έναν παλμό, ενώ όταν έχουμε να μεταδώσουμε 0 δεν μεταδίδουμε τίποτα. Η παραπάνω τεχνική ονομάζεται on/off keying (OOK).

85 Υπολογισμός της Πιθανότητας Σφάλματος στο ΟΟΚ Μπορούμε να υπολογίσουμε την πιθανότητα σφάλματος ενός πολύ απλού ΟΟΚ συστήματος παρουσία θορύβου. Ο πομπός εκπέμπει μία ιδανική ΟΟΚ κυματομορφήx(t) στην οποία προστίθεται θόρυβοςn(t). Ο δέκτης λαμβάνει το τελικό σήμαy(t) και πρέπει να αποφασίσει αν αντιστοιχεί σε 0 ή 1. Για να το κάνει αυτό ο δέκτης ολοκληρώνει το σήμαy(t) στο χρονικό διάστημα σε κάθε bit. Αν θεωρήσουμε πως ενδιαφερόμαστε για το bit που αρχίζει να λαμβάνεται την χρονική στιγμή t=0, τότε ο δέκτης υπολογίζει το: Y t 1 = T 0 y( t) dt Στη συνέχεια συγκρίνουμε τουμε μία προεπιλεγμένη στάθμηακαι εάνυ>α τότε θεωρούμε ότι λάβαμε 1 ενώ ανυ α τότε θεωρούμε πως λάβαμε 0.

86 Υπολογισμός της Πιθανότητας Σφάλματος στο ΟΟΚ x( t) = b p( t kt ) k k A 0 t T p( t) = 0 αλλιώς 1 T T 0 Y = y( t) dt= + N 0 T 1 N = n( t) dt T 0 Ab T Απουσία του θορύβου (Ν=0), απλά πρέπει να θέσουμε την τιμή της στάθμηςa(που την ονομάζουμε κατώφλι) 0<a<A/T Στην περίπτωση που έχουμε θόρυβο, τα σφάλματα καθορίζονται από τις στατιστικές ιδιότητες τουνοι οποίες καθορίζονται από τοn(t). Θεωρούμε πως τα δείγματα τουn(t) είναι συσχετισμένα μεταξύ τους, δηλαδή <n(t 1 )n(t 2 )>=R nn (t 1 -t 2 ) Επίσης θεωρούμε πως ταn(t) είναι Gaussian με μέση τιμή ( ) ( ) ( ) T T T T σ 2 = 2 N = dt 2 1 dt2n t1 n t2 dt 2 1 dt2rnn t1 t2 T = T Επομένως τονείναι Gaussian με μέση τιμή 0 και διακύμανση ίση μεσ 2

87 Υπολογισμός της Πιθανότητας Σφάλματος στο ΟΟΚ Σφάλμα συμβαίνει όταν πρέπει να αποκωδικοποιήσουμε 1 και αποκωδικοποιούμε 0 ή το ανάποδο. Επομένως: 1 1 Pe = P Y > a b = + P Y a b = 2 2 ( 0 0) ( 0 1) x / 2σ P( Y > a b0 = 0 ) = fn ( x) dx= e dx a σ 2π a A a A/ T a A/ T 2 2 x / 2σ P( Y a b0 = 1 ) = P N a = f N ( x) dx e dx T = σ 2π 1 1

88 Η συνάρτησηerfc(x) Τα ολοκληρώματα αυτά δεν υπολογίζονται σε κλειστή μορφή. Ωστόσο ορίζουμε την συνάρτηση erfc(x) t erfc( x) = e dt π x y a P( Y > a b0 = 0) = e dy= erfc π 2σ a / 2σ erfc(x) A A/ T a P( Y a b0 = 1) = P N a = erfc T 2σ x H συνάρτηση erfc υπολογίζεται αριθμητικά (π.χ. με την χρήση του MATLAB) P e 1 A/ T a 1 a = erfc erfc 2 + 2σ 2 2σ

89 Το βέλτιστο κατώφλι dp e da 1 { ( ) e / 2 / 2 2 e 2 / 2 2 } A T a σ a σ = = 0 2 2σ a opt A = 2T A γ Pe,min = erfc = erfc 2Tσ 2 2 erfc(x) x Επομένως το βέλτιστο κατώφλι είναι το ήμισυ της μέσης τιμής πλάτους του παλμού που χρησιμοποιούμε για να κωδικοποιήσουμε το 1. Το πηλίκοα/(2τσ) καθορίζει τη βέλτιστη πιθανότητα σφάλματος. Επειδή τοσ 2 T 2 καθορίζεται από το ολοκλήρωμα τουn(t) (γιατί;) ενώ τοα 2 /2 είναι η μέση ισχύς του σήματος (γιατί;), το πηλίκο αυτό αντιπροσωπεύει ένα είδος ρίζας πηλίκου σήματος προς θόρυβο. Όσο μεγαλύτερη η ισχύς του σήματος Α 2 /2 τόσο μικρότερη η πιθανότητα σφάλματος!

90 Διαμόρφωση OOK Η διαμόρφωση Οn/Off χρησιμοποιείται για την μετάδοση σημάτων βασισμένων στον κώδικα Morse, σε ραδιοσυχνότητες. Επίσης χρησιμοποιείται στις συχνότητες ISM (industrial, scientific and medical radio bands) για μεταφορά δεδομένων. Χρησιμοποιείται επίσης πολύ συχνά στις οπτικές επικοινωνίες (μεταφορά δεδομένων με οπτικές ίνες). Χρησιμοποιείται και σε ασύρματα οπτικά δίκτυα όπως το IrDA.

91 Διαμόρφωση ASK Η διαμόρφωση ASK είναι μία γενίκευση της OOK καθώς χρησιμοποιούνται περισσότερες των δύο σταθμών για να κωδικοποιηθεί η πληροφορία που θέλουμε να μεταδώσουμε. z(t) t Τα σήματα ASK (και ΟΟΚ) υπόκεινται σε αλληλοπαρεμβολή συμβόλων

92 Αλληλοπαρεμβολή Συμβόλων Η αλληλοπαρεμβολή συμβόλων οφείλεται στο γεγονός ότι τα μέσα μετάδοσης παρουσιάζουνε μία συχνοτική απόκριση. Επομένως ένας τετραγωνικός παλμός αλλοιώνεται και διευρύνεται με αποτέλεσμα μέρος της ενέργειας του να εισέρχεται σε γειτονικά bit T=1μs x 10-6 F 3dB =2MHz x 10-6 F 3dB =1MHz Επομένως πέραν του Gaussian θορύβου, έχουμε και φαινόμενα αλληλοπαρεμβολής που είναι επίσης ένα είδος θορύβου.

93 Διαμόρφωση FSK Η διαμόρφωση FSK είναι το ψηφιακό ανάλογο του FM. Στην ουσία τα σύμβολα αποτυπώνονται στις μεταβολές της φάσης και όχι του πλάτους. Τα πρώτα modem χρησιμοποιούσανε FSK για να μεταδίδουνε δεδομένα με ρυθμούς 300bit/s. Επίσης η διαμόρφωση FSK χρησιμοποιήθηκε για την αποθήκευση δεδομένων σε αναλογικές κασέτες Στις ΗΠΑ το FSK χρησιμοποιείται σε συστήματα προειδοποίησης και στον Καναδά για την μετάδοση πληροφορίας σχετική με τον καιρό. Επίσης χρησιμοποιείται σε εφαρμογές remote sensing αλλά και σε συσκευές GSM.

94 Διαμόρφωση PSK Στην διαμόρφωση PSK η πληροφορία αποτυπώνεται στη φάση του σήματος y( t) = sin( ω t+ p( t)) Όπου στην ουσία η κυματομορφήp(t) είναι μία ASK κυματομορφή p(t)/2/π t(s)

95 Διαμόρφωση PSK Γενικά η υλοποίηση του PSK είναι σχετικά απλή οπότε χρησιμοποιείται σε αρκετές υπάρχουσες τεχνολογίες Για παράδειγμα τα ασύρματα δίκτυα WiFi (802.11b) χρησιμοποιούν παραλλαγές της PSK για ρυθμούς μετάδοσης 2Μb/s Επίσης χρησιμοποιείται σε πολλά standards RFID (Radio-frequency identification). Για παράδειγμα στο ISO/IEC που χρησιμοποιείται σε βιομετρικά διαβατήρια Το σύστημα Bluetooth 2 επίσης χρησιμοποιεί μία παραλλαγή του PSK για μεταφορά δεδομένων

96 Ενότητα 6 η Το Φυσικό Επίπεδο (PHY)

97 Τηλεπικοινωνιακά Κανάλια Ωςτηλεπικοινωνιακόκανάλι ορίζουμε ένα μέσο που χρησιμοποιείται για να μεταφέρει πληροφορία από έναν αποστολέα σε ένα παραλήπτη. Ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι μπορεί να είναιενσύρματο ήασύρματο. Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες η μετάδοση λαμβάνει χώρα συνήθως με την βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Κάθε κανάλι επιδρά στο σήμα με τρεις τρόπους: α) προσθέτει θόρυβο (π.χ. Gaussian), β) αλλοιώνει γραμμικά τα φασματικά χαρακτηριστικά του σήματος, γ) παραμορφώνει το σήμα με μη γραμμικό τρόπο. Παραδείγματα τηλεπικοινωνιακών καναλιών είναι η οπτική ίνα, ο ελεύθερος χώρος («αέρας») και τα χάλκινα καλώδια του τηλεφώνου.

98 Ομοαξονικό Καλώδιο Το ομοαξονικό καλώδιο σχηματίζεται από ένα εσωτερικό μεταλλικό πυρήνα που περιβάλλεται από ένα στρώμα διηλεκτρικού. Ένα επιπλέον στρώμα μετάλλου καλύπτει το διηλεκτρικό. Χρησιμοποιείται για την μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών σημάτων στο μικροκυματικό φάσμα. Ομοαξονικά καλώδια χρησιμοποιούνται στη σύνδεση πομπών με κεραίες, δικτύων υπολογιστών και μεταφορά σημάτων τηλεόρασης. Ένα πλεονέκτημα του καλωδίου αυτού είναι πως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο περιορίζεται μόνο στο διηλεκτρικό υλικό και επομένως δεν αλληλεπιδρά ισχυρά με άλλες ηλεκτρομαγνητικές πηγές. Το εύρος ζώνης μίας ομοαξονικής γραμμής είναι μερικά GHz.

99 Καλώδιο Twisted Pair (TP) Το καλώδιο twisted pair είναι μία μορφή καλωδίωσης στην οποία δύο αγωγοί κάμπτονται ο ένας γύρω από τον άλλο με σκοπό να εξαλείψουν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση από άλλες ηλεκτρομαγνητικές πηγές (π.χ. γειτονικά καλώδια). Το ζεύγος των καλωδίων μπορεί να είναι προστατευμένο (shielded) με μεταλλική επιφάνεια. Καλώδιο UTP (Unshielded TP) Καλώδιο STP (Shielded TP)

100 Καλώδιο Unshielded Twisted Pair (UTP) Τα καλώδια UTP είναι ιδιαίτερα δημοφιλή στις μέρες μας και πλέον έχουνε προτυποιηθεί διάφορες κατηγορίες. Η κατηγορία 5 για παράδειγμα χρησιμοποιείται για μετάδοση δεδομένων μέχρι 100MHz. Η κατηγορία 5e είναι μία αναβαθμισμένη έκδοση της κατηγορίας 5 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές gigabit. Συνήθως η απόσταση που μπορούν να καλύψουν τα καλώδια αυτά είναι της τάξης των 100m. Οι κατηγορίες 6 και 7 θέτουν ακόμα ισχυρότερους περιορισμούς στο θόρυβο και την διαφωνία που μπορεί να έχει το καλώδιο. Η απόσταση που καλύπτουν ωστόσο παραμένει η ίδια.

101 Οπτικές Ίνες Οι οπτικές ίνες κατασκευάζονται από γυαλί ή πλαστικό υλικό Υπάρχουνε μονότροπες ίνες (όπου ο πυρήνας έχει μικρή διάμετρο) και πολύτροπες ίνες (όπου ο πυρήνας έχει μεγαλύτερες διαστάσεις). Οι πολύτροπες χρησιμοποιούνται σε μικρότερες αποστάσεις και για μικρότερους ρυθμούς σηματοδοσίας. Οι μονότροπες χρησιμοποιούνται σε επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων με μεγαλύτερους ρυθμούς (της τάξης του terabit/s) αλλά είναι πιο δύσκολο να εγκατασταθούν και να συγκοληθούν.

102 Οπτικές Ίνες Γενικά χρησιμοποιούνται τρία μήκη κύματος στις οπτικές ίνες: Κοντά στα 800nm οι ίνες έχουν μεν υψηλές απώλειες αλλά είναι εύκολο να κατασκευάσουμε πομπούς και δέκτες. Στα 1300nm οι ίνες παρουσιάζουν «καλή συμπεριφορά» με την έννοια ότι δεν παραμορφώνουνε πολύ το σήμα (παράθυρο μηδενικής διασποράς). Κοντά στα 1550nm οι ίνες έχουν πολύ μικρές απώλειες.

103 Προσοχή στις συγκολλήσεις το φως είναι άτακτο

104 Συνδέσεις με ίνες Υπάρχουνε διάφορου τύπου connectors για οπτικές ίνες

105 Προσοχή στις ίνες σας! Δεν πρέπει να τις διπλώνεται! Οι κάμψεις δημιουργούνε απώλειες! Δεν πρέπει να κοιτάτε την άκρη της! Αν στην ίνα διαδίδεται ένα σήμα τότε μπορεί να βλάψει τα μάτια σας ακόμα και αν πρόκειται για ύπερυθρη ακτινοβολία που δεν την βλέπετε! Αποφύγετε να ακουμπάτε την ίνα με το δάκτυλο σας στην άκρη της. Μπορεί να σας κόψει! Τα άκρα της ίνας πρέπει να είναι καθαρά! Αλλιώς θα έχετε απώλειες. Όταν δεν την χρησιμοποιείτε μην την αφήνετε εκθετιμένη σε σκόνη Μην αφήνετε τα άκρα της ακάλυπτα. Μαζεύουν σκόνη.

106 Διασπορά Φανταστείτε μία παρέλαση στην οποία οι παρελαύνοντες δεν κινούνται όλοι με την ίδια ταχύτητα. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα δεν θα πρόκειται για παρέλαση αλλά για διαδήλωση Με τον ίδιο τρόπο αν σε ένα σήμα οι διάφορες συνιστώσες του ταξιδεύουν με διαφορετική ταχύτητα, στο δέκτη οι παλμοί θα λαμβάνονται διευρυμένοι με αποτέλεσμα να έχουμε ISI όπως είδαμε και σε προηγούμενες διαλέξεις. Στις οπτικές ίνες η διασπορά μπορεί να οφείλεται σε διάφορους λόγους. Οι πολύτροπες ίνες για παράδειγμα το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο επιτρέπεται να σχηματίσει διάφορους τρόπους διάδοσης κάθε ένας με την δική του διαφορετική ταχύτητα. Οι μονότροπες ίνες δεν έχουνε πολλούς τρόπους διάδοσης αλλά ωστόσο εμφανίζουνε διασπορά, αν και μικρότερη από τις πολύτροπες.

107 Ασύρματη Διάδοση Η διάδοση ραδιοσυχνοτήτων στην ατμόσφαιρα είναι ένα αρκετά πολύπλοκο ζήτημα: τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ανακλώνται, διαθλώνται, περιθλώνται, απορροφώνται και σκεδάζονται. Με τον όροανάκλαση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα προσπίπτει σε μία επιφάνεια που διαχωρίζει δύο μέσα (υλικά) και η ισχύς του (ή έστω μέρος αυτής) επιστρέφει στο μέσο από το οποίο προήρθε. Με τον όροδιάθλαση εννοούμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα προσπίπτει σε μία επιφάνεια που διαχωρίζει δύο μέσα (υλικά) και η ισχύς του (ή έστω μέρος αυτής) περνάει στο νέο μέσο. Με τον όροπερίθλαση εννοούμε τα φαινόμενα που λαμβάνουνε χώρα όταν το κύμα συναντά κάποιο εμπόδιο. Επειδή κάθε σημείο πάνω στο μέτωπο του κύματος λειτουργεί ως δευτερεύουσα πηγή, τα εμπόδια μπορεί να δημιουργήσουνε φαινόμενα συμβολής που αλλάζουν την συμπεριφορά του κύματος. Με τον όροαπορρόφηση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα προσπίπτει σε κάποιο υλικό και μέρος της ισχύος του απορροφάται από τα μόρια του υλικού. Με τον όροσκέδαση εννοούμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα αλλάζει πορεία εξαιτίας των ανομοιογενειών τις οποίες συναντά στο μέσο διάδοσης. Η διάκριση μεταξύ των φαινομένων αυτή δεν είναι πάντα πλήρης

108 Ανάκλαση

109 Διάθλαση

110 Περίθλαση

111 Είδη Ασύρματης Διάδοσης Απευθείας Κύμα: το κύμα που ταξιδεύει κατευθείαν από τον πομπό στο δέκτη όταν υπάρχει οπτική επαφή. Χρησιμοποιείται για τα μέσα ΑΜ κύματα, στη ραδιοφωνία FM, στην μετάδοση τηλεόρασης μεγάλων αποστάσεων και στις δορυφορικές επικοινωνίες. Μέρος του κύματος που διαδίδεται ανακλάται από την επιφάνεια της γης και μπορεί να καταλήξει στο δέκτη με διαφορετική φάση από το απευθείας κύμα. Αυτό προκαλεί συμβολή των κυμάτων και δρα ως θόρυβος. Σε ύψη περίπου 10Km από την επιφάνεια της Γης υπάρχει μία απότομη μεταβολή των χαρακτηριστικών του μέσου διάδοσης που βλέπουν τα Η/Μ κύματα εξαιτίας της τροπόσφαιρας. Σε συχνότητες κοντά στα 1, 2 και 5GHz η τροπόσφαιρα ανακλά το Η/Μ κύμα, κάτι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επικοινωνίες σε περίπτωση που δεν υπάρχει οπτική επαφή. Χρησιμοποιείται κυρίως για στρατιωτικούς σκοπούς. Σε ύψη 70 με 400Κm υπάρχει η ιονόσφαιρα η οποία είναι ένα στρώμα ατμόσφαιρας που «βομβαρδίζεται» από υπεριώδη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ήλιο αλλά και από κοσμικές ακτίνες. Όταν ένα κύμα διαδίδεται στην ιονόσφαιρα μπορεί να υποστεί ανάκλαση, π.χ. όταν βρίσκεται στην περιοχή συχνοτήτων 3 με 30MHz. Το σήμα μπορεί να υποστεί διαδοχικές ανακλάσεις μεταξύ της επιφάνειας της γης και της ιονόσφαιρας και να φτάσει σε απομακρυσμένους δέκτες. Σε πολύ χαμηλές συχνότητες μάλιστα (3 30 khz) η ιονόσφαιρα και το έδαφος της γης μπορούν να δράσουν σαν «κυματοδηγοί» όπως η οπτική ίνα και για το λόγο αυτό η μπάντα αυτή χρησιμοποιείται στην ναυσιπλοΐα.

112 Ασύρματη Διάδοση Στον ελεύθερο χώρο η ισχύς των ηλεκτρομαγνητικών σημάτων μειώνεται ως 1/r 2 όπουrείναι η απόσταση από τον πομπό.

113 Πομποί Οι πομποί είναι καθετί που στέλνει πληροφορία σε έναν παρατηρητή (δέκτης) Ο πομπός αποτελείται από ένα σύστημα ηλεκτρικής τροφοδοσίας, έναν ταλαντωτή, έναν διαμορφωτή και ενισχυτές. Ο διαμορφωτής αποτυπώνει την πληροφορία προς μετάδοση σε ένα «μονοχρωματικό» φέρον cos(2πf 0 t) το οποίο παράγεται από τον ταλαντωτή. Συχνά, όπως π.χ. στα κινητά τηλέφωνα, οι πομποί συνδυάζονται με τα αντίστοιχα κυκλώματα δεκτών. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται πομποδέκτες. Οι πομποί συνδέονται με κεραίες οι οποίες μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα το οποίο διαδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας. Ταλαντωτής (Colpitts)

114 Παραδείγματα Πομπών Μαγνετρον

115 Πομπός AM

116 Κεραίες Η κεραία αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι των ασύρματων πομπών και των δεκτών. Στην ουσία μετατρέπει το ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο ακτινοβολείται στο χώρο. Η κεραία χαρακτηρίζεται από το διάγραμμα ακτινοβολίας, που μας δείχνει την ισχύ που ακτινοβολείται σε κάθε διεύθυνση. Ισοτροπικό διάγραμμα Κατευθυντικό διάγραμμα

117 Δέκτες

118 Ετερώδυνος Δέκτης

119 Φυσικό Επίπεδο (ή αλλιώς PHY) Το φυσικό επίπεδο είναι το χαμηλότερο επίπεδο στην απεικόνιση του OSI. Περιλαμβάνει το απαραίτητο hardware για την μετάδοση της πληροφορίας μέσω των μέσων μετάδοσης (ίνα, ομοαξονικό καλώδιο, κτλ). Εξαιτίας των πολλών διαφορετικών μέσων μετάδοσης είναι συνήθως το πιο πολύπλοκο επίπεδο. Άλλωστε ΌΤΙ ΕΧΟΥΜΕ ΠΕΙ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ ΑΦΟΡΑ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ και υπάρχουνε και άλλα! Συχνά αποκαλείται PHY. Στην ουσία το φυσικό επίπεδο προσφέρει την δυνατότητα μετάδοσης μίας σειράς από bit σε ένα φυσικό μέσο μετάδοσης που συνδέει δύο κόμβους τους δικτύου. Ενδεχομένως τα bits να χωρίζονται σε μονάδες και κάθε ομάδα να αντιπροσωπεύεται από ένα σύμβολο (π.χ. M-αδικό ASK). Το φυσικό επίπεδο αναλαμβάνει να διαχειριστεί όλες τις παραξενιές του μέσου μετάδοσης: σε ποιες συχνότητες θα πρέπει να εκπέμψει το σήμα, τι σχήμα διαμόρφωσης θα χρησιμοποιηθεί, ποιος θα είναι ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης ακόμα και τις συνδέσεις του κόμβου με το φυσικό μέσο (connectors).

120 Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Kωδικοποίηση Γραμμής Στον δέκτη θα πρέπει με κάποιον τρόπο να ανακτήσουμε μία πληροφορία για το ρολόι που έχουμε χρησιμοποιήσει για να παράγουμε τις κυματομορφές μας, αλλιώς δεν θα μπορέσουμε να κάνουμε σωστή αποκωδικοποίηση. Όταν έχουμε μεγάλες συνεχόμενες σειρές από το ίδιο σύμβολο, τότε η ανάκτηση του ρολογιού καθίσταται πολύ δύσκολη. Η κωδικοποίηση γραμμής μας δίνει έναν τρόπο για να εξασφαλίζουμε πως δεν θα συμβαίνει αυτό. Κωδικοποίηση Manchester

121 Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Kωδικοποίηση Γραμμής Στον δέκτη θα πρέπει με κάποιον τρόπο να ανακτήσουμε μία πληροφορία για το ρολόι που έχουμε χρησιμοποιήσει για να παράγουμε τις κυματομορφές μας, αλλιώς δεν θα μπορέσουμε να κάνουμε σωστή αποκωδικοποίηση. Όταν έχουμε μεγάλες συνεχόμενες σειρές από το ίδιο σύμβολο, τότε η ανάκτηση του ρολογιού καθίσταται πολύ δύσκολη. Η κωδικοποίηση γραμμής μας δίνει έναν τρόπο για να εξασφαλίζουμε πως δεν θα συμβαίνει αυτό. Διπολική Κωδικοποίηση

122 Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Ανάκτηση Ρολογιού Πως όμως γίνεται η ανάκτηση του ρολογιού? Συχνά χρησιμοποιείται ένας βρόγχος κλειδωμένης φάσης (phased locked loop PLL). Στην ουσία το PLL συγκρίνει τις μεταβάσεις του λαμβανόμενου σήματος με τις μεταβάσεις ενός σήματος ρολογιού που γεννάται στο δέκτη. Αν οι μεταβάσεις είναι διαφορετικές τότε το ρολόι αναφοράς ρυθμίζεται σταδιακά ώστε να ταιριάζει τις μεταβάσεις του λαμβανόμενου σήματος Βέβαια θα πρέπει να συμβαίνουν μεταβάσεις και αυτό αναλαμβάνει η κωδικοποίηση γραμμής

123 Σειριακή και Παράλληλη Μετάδοση Το φυσικό επίπεδο μπορεί να στέλνει πληροφορία σειριακά ή παράλληλα. Στην παράλληλη επικοινωνία, χρησιμοποιούνται περισσότερα από ένα κανάλια ενώ στην σειριακή χρησιμοποιείται ένα κανάλι (δίαυλος) Η σειριακή μετάδοση έχει πλέον αρχίσει να εκτοπίζει την παράλληλη μετάδοση εξαιτίας της απλούστερης υλοποίησης της. Αυτό συμβαίνει τόσο στις ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων αλλά και στις επικοινωνίες μικρών αποστάσεων. ATA (parallel) RS232 (σειριακό) Ethernet Παράλληλη Μετάδοση Σειριακή Μετάδοση PCI (το «παλιό» όχι το Express!) USB

124 Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Πολυπλεξία Το φυσικό επίπεδο μπορεί να αναλάβει (α) και την πολυπλεξία περισσότερων από μίας ροών bit σε μία ροή. Με τον τρόπο αυτό τα δεδομένα μπορούν να περάσουν από το ίδιο μέσο (π.χ. καλώδιο) R (bit/s) NR (bit/s) λ 1 λ 2 λ 3 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 λ 4 Πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου Time Division Multiplexing (TDM) Χρησιμοποιείται στα τηλεφωνικά δίκτυα (SONET/SDH/PDH) και στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας GSM Πολυπλεξία στο πεδίο των συχνοτήτων Frequency Division Multiplexing (FDM) Wavelength Division Multiplexing (WDM) Χρησιμοποιείται στις ζεύξεις με οπτικές ίνες, στη ραδιοφωνία, στο DSL, κτλ

125 Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Εξίσωση x(t) y(t) x(t) X(f) H(f) Y(f)=H(f)X(f) t (msec) y(t) t (msec) X(f) Y(f) x f (KHz) x Y(f) f (KHz) H(f) X(f) f (KHz) Ζ(f)=X(f)/H(f) x f (KHz) Y(f) x(t) x f (KHz) z(t) t (msec) H εξίσωση του καναλιού έχει ως στόχο την αναίρεση της επίδρασης της συνάρτησης μεταφοράς του καναλιού. Βέβαια ο θόρυβος περιπλέκει την κατάσταση

126 Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Διόρθωση Σφαλμάτων Το φυσικό επίπεδο μπορεί να προχωρήσει στην διόρθωση των εσφαλμένων bit ή συμβόλων. Αυτό γίνεται με την χρήση κωδίκων διόρθωσης σφάλματος που επιτρέπει στο δέκτη α) να αντιλαμβάνεται πότε έχει συμβεί σφάλμα και β) να διορθώνει τα σφάλματα αυτά. Ο κώδικας διόρθωσης σφάλματος χρησιμοποιεί πλεονασμό. Ένας απλός τέτοιος κώδικας είναι να επαναλαμβάνουμε τα bit του μηνύματος άλλες δύο φορές. Στο δέκτη επεξεργαζόμαστε τα εισερχόμενα bit σε μπλοκ των 3. Αποκωδικοποιούμε το bit μηνύματος ως «1» αν ο αριθμός των «1» είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των «0» και το ανάποδο. Η πιθανότητα να έχουμε λάθος αποκωδικοποίηση είναι να γίνουν δύο ή παραπάνω σφάλματα. Αν P e είναι η πιθανότητα να γίνει σφάλμα σε ένα bit τότε η πιθανότητα να αποκωδικοποίησουμε λάθος ένα bit είναι P error =P e 2 (1-P e )+P e 3 που είναι πολύ μικρότερη από την P e για μικρές τιμές τουp e. Ωστόσο τριπλασιάζουμε το ρυθμό μετάδοσης! Υπάρχουνε πιο εξελιγμένοι κώδικες που δεν οδηγούν σε τόσο μεγάλη αύξηση του ρυθμού μετάδοσης.

127 Τοπολογία Φυσικού Επιπέδου Μέχρι τώρα θεωρήσαμε πως το τηλεπικοινωνιακά μας συστήματα αποτελούνται από έναν πομπό και έναν δέκτη στην άλλη πλευρά. Ωστόσο στην πράξη αυτό είναι πολύ σπάνιο Συχνά θέλουμε να διασυνδέσουμε περισσότερους από δύο συσκευές σε έναδίκτυο Είναι προφανές πως για να συνδέσουμε διάφορες συσκευές μεταξύ τους υπάρχουνε διάφοροι τρόποι ανάλογα με το πόσα για παράδειγμα καλώδια θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε. Mesh Αστέρας Δακτύλιος Αρτηρία Τις παραπάνω αρχιτεκτονικές τις ονομάζουμετοπολογίεςφυσικούεπιπέδου επειδή απεικονίζουν το πώς είναι συνδεδεμένοι οι κόμβοι του δικτύου φυσικά! Οι μαύρες γραμμές στην ουσία ανταποκρίνονται σε συνδέσεις φυσικού επιπέδου (π.χ. καλώδια UTP, κτλ, κτλ).

128 Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας Δίκτυο Αρτηρίας: Έχει αρχίσει να εγκαταλείπεται σταδιακά

129 Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας Δίκτυο Δακτυλίου: Χρησιμοποιείται αρκετά σπάνια στις μέρες μας

130 Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας Χρησιμοποιείται αρκετά συχνά σε τοπικά δίκτυα

131 Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας Χρησιμοποιείται ΠΟΛΥ συχνά σε τοπικά δίκτυα

132 Ethernet Στις μέρες μας το Ethernet στις διάφορες μορφές του έχει κυριαρχήσει στις επικοινωνίες των υπολογιστών. Στην ουσία πρόκειται για ένα πρωτόκολλο επίπεδο ζεύξης. Το Ethernet αναπτύχθηκε από την εταιρία Xerox PARC (Palo Alto Research Center) το Το 1975 οι Robert Metcalfe, David Boggs, Chuck Thacker και Butler Lampson υπέβαλαν την πατέντα που οδήγησε στο Ethernet. Το 1976 ο Metcalfe και ο Boggs δημοσιεύσανε μία δημοσίευση που περιέγραφε ένα δοκιμαστικό σύστημα με ρυθμό 3Mb/s. Το 1979, ο Metcalfe έφυγε από τη Xerox και ίδρυσε την 3Com, πείθοντας τις εταιρίες DEC, Intel και Xerox να συνεργαστούν για να προωθήσουν το Ethernet ως πρότυπο (standard). Το πρότυπο αυτό, γνωστό και ως "DIX" (Digital/Intel/Xerox) έθεσε τις προδιαγραφές για ρυθμό 10Mb/s με διευθύνσεις MAC 48bit. To 1980 η ΙΕΕΕ εξέδωσε την πρώτη έκδοση του Ethernet standard και το 1983, η 3COM παρουσίασε την πρώτη κάρτα Ethernet. Από τα μέσα της δεκαετίας του 80, άρχισαν να αναπτύσσονται τα πρώτα καλώδια twisted pair. Το καλώδιο UTP άρχισε να αντικαθιστά το ομοαξονικό καλώδιο και περάσαμε σε υλοποιήσεις του Ethernet με μεταγωγείς (switches) που δεν χρειάζονται CSMA/CD τεχνικές.

133 Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (10Mb/s)

134 Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (100Mb/s)

135 Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (1Gb/s)

136 Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (10Gb/s)

137 Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (40 και 100Gb/s!!!!!)

138 Καλώδια και Gigabit Ethernet

139 Ethernet και οπτικές ίνες

140 SONET/SDH To SONET (Synchronous optical networking) και το SDH (Synchronous Digital Hierarchy) είναι πρωτόκολλα πολυπλεξίας που επιτρέπουν την μετάδοση πολυπλεγμένων (multiplexed) ψηφιακών δεδομένων μέσω οπτικών ινών. Το SONET/SDH στην ουσία αντικατέστησε την Πλαισιόχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία (Plesiochronous Digital Hierarchy PDH) που χρησιμοποιούταν για την μετάδοση τηλεφωνικών σημάτων και δεδομένων. Η βασική διαφορά είναι πως το SONET/SDH επιβάλει συγχρονισμό των ρυθμών μετάδοσης βάση ειδικών ρολογιών. Επομένως όλα τα δίκτυα της χώρας λειτουργούν βάση του συγχρονισμού αυτού και μειώνεται σημαντικά το ποσοστό αποθήκευσης που πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Το SDH χρησιμοποιείται στην Ευρώπη ενώ το SONET στις ΗΠΑ και τον Καναδά. Ένας πολυπλέκτης SDH

141 Περί ιεραρχίας Στο SDH, η βασική μονάδα μετάδοση είναι το πλαίσιο STM-1 (Synchronous Transport Module level - 1) που μεταδίδεται με ρυθμό Mbit/s. Το πλαίσιο διαρκεί ακριβώς 125μs και περιέχει πληροφορία που αφορούν τα δεδομένα αλλά και ένα τμήμα που αφορά τις πληροφορίες που χρειάζονται για την σωστή μετάδοση και λήψη του.

142 Modem Με τον όρο modem εννοούμε κάθε συσκευή που παράγει ένα αναλογικό σήμα το οποίο μεταφέρει ψηφιακή πληροφορία. Το πιο οικείο (τουλάχιστον στους παλαιότερους) είναι το modem που χρησιμοποιείται για την ψηφιακή μετάδοση δεδομένων πάνω από το τηλεφωνικό δίκτυο. Πρόκειται για τις συνδέσεις dial up. Οι επιδόσεις των modem καθορίζονται από τον αριθμό bit που μπορούν να μεταδώσουν στην άλλη πλευρά ανά s, που στην ουσία πρόκειται για τον ρυθμό μετάδοσης (bit/s). Το ADSL έχει και αυτό ένα modem για να μεταφέρει τα δεδομένα μέσω του τηλεφωνικού δικτύου. Απλά το modem είναι πιο εξελιγμένο όπως θα δούμε παρακάτω

143 DSL To DSL (Digital Subscriber Line) είναι μία τεχνολογία που επιτρέπει την μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων πάνω από τα χάλκινα καλώδια που χρησιμοποιούμε για το τηλεφωνικό δίκτυο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα με το τηλέφωνο επειδή χρησιμοποιεί διαφορετικές συχνότητες από την τηλεφωνική συσκευή. Υπάρχουνε δύο ταχύτητες μετάδοσης που χαρακτηρίζουν το DSL: α) Η ταχύτητα με την οποία ο χρήστης λαμβάνει τα δεδομένα (down speed) και η ταχύτητα με την οποία στέλνει δεδομένα (up speed). Αν οι δύο ταχύτητες είναι ίσες (κάτι που δεν συμβαίνει συχνά) τότε μιλάμε για συμμετρικό DSL Αν είναι διαφορετικές τότε έχουμε μη συμμετρικό DSL το γνωστό σε όλους μας ADSL.

144 To φάσμα του ΑDSL To ΑDSL μεταδίδει τα ψηφιακά του δεδομένα σε συχνότητες διαφορετικές από αυτές του κανονικού τηλεφώνικού δίκτυου (Plain old Telephone Network PSTN) Συγκεκριμένα στέλνει δεδομένα στις συχνότητες μεταξύ 25kHz και 138kΗz και μεταδίδει στις συχνότητες μεταξύ 138kHz και 1104kHz. Με τον τρόπο αυτό υποστηρίζονται παράλληλα και οι δύο υπηρεσίες! Ωστόσο σε κάθε τηλεφωνική συσκευή πρέπει να τοποθετήσουμε ένα φίλτρο ώστε να μην λαμβάνει τα σήματα πάνω από 25kHz. Διαφορετικά το τηλέφωνο μπορεί να δεχτεί και να προκαλέσει παρεμβολές!

145 Διαμόρφωση του ADSL To ADSL χρησιμοποιεί ένα είδος παράλληλης μετάδοσης που θυμίζει την πολυπλεξία συχνοτήτων Στην ουσία το φάσμα μετάδοσης και λήψης χωρίζεται σε έναν αριθμό από μικρότερα κανάλια (υποφέρουσες subcarriers ) Κάθε bit προς μετάδοση μεταδίδεται σε μία από τις υποφέρουσες ενώ τα γειτονικά bit μεταδίδονται από άλλες υποφέρουσες. Κάθε υποφέρουσα επομένως έχει χαμηλότερο ρυθμό από την ροη των bit που φτάνει για μετάδοση. Η εξίσωση είναι πολύ πιο εύκολη διαδικασία για το σύστημα αυτό το οποίο ονομάζεται OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) περισσότερες λεπτομέρειες για το σύστημα αυτό τα επόμενα χρόνια της φοιτητικής σας ζωής!

146 Τύποι ADSL

147 H οπτική ίνα μέχρι που? (Fiber-to-the-X) Το ADSL είναι χρυσό και άγιο αλλά δυστυχώς η απόσταση που μπορεί να διανύσει είναι πολύ μικρή. Σε υψηλούς ρυθμούς (>10Μb/s) η απόσταση δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 300m και επομένως τίθεται ένα σαφές όριο στην αρχιτεκτονική του τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Σταδιακά, σε διάφορες χώρες εγκαθίστανται οπτικές ίνες με σκοπό να αντικατασταθούν σταδιακά τα χάλκινα καλώδια που χρησιμοποιεί το τηλεφωνικό δίκτυο (και το DSL). H εγκατάσταση της οπτικής ίνας είναι σχετικά ακριβή /Km, εξαιτίας των έργων που πρέπει να γίνουν (σκάψιμο δρόμων, κτλ). Ο στόχος είναι στο μέλλον η οπτική ίνα να φτάσει στο σπίτι του συνδρομητή (μέσα στο διαμέρισμα, όχι απλά στο κτίριο). Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για Fiber-to-the-Home (FTTH οπτική ίνα στο σπίτι).

148 H οπτική ίνα μέχρι που? (Fiber-to-the-X) Yπάρχουν διάφορες παραλλαγές του FTTH που είναι οικονομικότερες επειδή η οπτική ίνα δεν καταπληγεί μέχρι το διαμέρισμα του χρήστη. FTTN (Fiber-to-the-Neighborhood οπτική ίνα μέχρι την γειτονιά). H οπτική ίνα φτάνει σε ένα κεντρικό σημείο στην γειτονιά και από εκεί και πέρα οι χρήστες συνδέονται με χάλκινα καλώδια. FFTC (Fiber-to-the-Curb). Πρόκειται για μία παραλλαγή του FFTN όπου η οπτική ίνα φτάνει σε ένα κοντυνότερο σημείο αλλά ο χρήστης πρέπει να χρησιμοποιήσει χάλκινα καλώδια για να συνδεθεί στο σημείο εκείνο. FFTB (Fiber-to-the-Building). Η οπτική ίνα φτάνει μέχρι την πολυκατοικία αλλά για την διασύνδεση των χρηστών χρησιμοποιούνται χάλκινα καλώδια.

149 Πόση ίνα χρειάζεται? Πως θα είναι η αρχιτεκτονική του δικτύου FTTH? H φυσική τοπολογία έχει μεγάλο αντίκτυπο στο πόση ίνα θα πρέπει να εγκατασταθεί Ο πιο απλός τρόπος είναι να χρησιμοποιήσουμε μία οπτική ίνα για κάθε χρήστη. Εναλλακτικά οι χρήστες μπορούν να μοιράζονται την οπτική ίνα για τις συνδέσεις τους τουλάχιστον ως ένα σημείο. Υπάρχουν δύο αρχιτεκτονικές: Στην πρώτη για μια ομάδα χρηστών φτάνουν σε έναν κεντρικό κόμβο ο οποίος αναλαμβάνει να δρομολογήσει τα σήματα σε κάθε χρήστη (Active Optical Network). Στην δεύτερη, ο κεντρικός κόμβος απλά στέλνει τα σήματα σε όλους του χρήστες οι οποίοι ξεχωρίζουν μόνοι τους αυτά που τους αφορούν (Passive Optical Network). H δεύτερη λύση είναι πολύ πιο απλή στην υλοποίηση τεχνικά δεν χρειάζεται ούτε καν ηλεκτρική τροφοδοσία ο κεντρικός κόμβος!!!

150 Ιαπωνία: Η πρωτοπόρος στο FTTH H Ιαπωνία έχει πάνω από συνδρομητές FTTH, με μέσο ρυθμό περίπου 74Mbps στο Τόκυο. Ο αριθμός χρηστών DSL είναι πλέον μικρότερος από αυτόν των χρηστών ADSL. Χρησιμοποιείται η αρχιτεκτονική του Passive Optical Network (PON).

151 Τηλεπικοινωνιακοί Δορυφόροι Πρόκειται για τεχνικούς δορυφόρους που έχουν σκοπό την αποκατάσταση τηλεπικοινωνιακών ζεύξεων. Οι ζεύξεις αυτές μπορεί για παράδειγμα να συνδέουν δύο σταθερά σημεία (π.χ. σε διαφορετική ήπειρο όπως για παράδειγμα και τα υποβρύχια καλώδια). Επίσης χρησιμοποιούνται για την μετάδοση TV, ραδιοφώνου και για επικοινωνίες μεταξύ πλοίων, οχημάτων αλλά και τηλεφώνων. Γενικά αντικαθιστούν το καλώδιο όπου αυτό για κάποιο λόγο οικονομικό ή τεχνικό δεν μπορεί να εγκατασταθεί.

152 Γεωστατικοί Δορυφόροι Υπο ορισμένες συνθήκες, η τροχιά των δορυφόρων μπορεί να είναι τέτοια ώστε η «σκιά τους» να είναι σταθερή πάνω στη γη. Ως αποτέλεσμα μία κεραία που στοχεύει τον δορυφόρο μπορεί να έχει σταθερό προσανατολισμό. Οι γεωστατικοί δορυφόροι πρέπει να βρίσκονται σε ένα ύψος 35,786Km πάνω από το έδαφος. Ωστόσο οι δορυφόροι αυτοί βρίσκονται αρκετά μακριά και εισάγουν αρκετή καθυστέρηση στην διάδοση των σημάτων Επίσης χρειάζεται αρκετή ισχύ στις κεραίες για να επικοινωνήσουν με το δορυφόρο.

153 Δορυφόροι Χαμηλής Τροχιάς Ένας δορυφόρος χαμηλής τροχιά (Low Earth Orbit -LEO) έχει συνήθως μία κυκλική τροχιά σε ένα ύψος 400Km από την επιφάνεια της γης και πραγματοποιεί μία πλήρη τροχιά κάθε περίπου 90min. Eξαιτίας του χαμηλού ύψους οι επικοινωνίες είναι ιδιαίτερα εύκολες αλλά χρειάζονται αρκετά μεγάλος αριθμός δορυφόρων ώστε να μην προκαλείται απώλεια σύνδεσης Ωστόσο οι κεραίες δεν χρειάζονται υψηλή ισχύ και η καθυστέρηση διάδοσης είναι πολύ μικρή. Το κόστος εκτόξευσης σε χαμηλότερα ύψη είναι πολύ μικρότερο. Παραδείγματα δορυφόρων χαμηλής τροχιάς είναι τα συστήματα Iridium και Globalstar που έχουνε κύριο σκοπό την δορυφορική τηλεφωνία.

154 Δίκτυα VSAT Τα VSAT (Very Small Aperture Terminal) είναι δορυφορικοί σταθμοί εδάφους με μικρές διαστάσεις κεραιών (από 75cm μέχρι 3m) που μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα από και προς τον δορυφόρο με ταχύτητα από 56Κb/s μέχρι και 4Mbit/s. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παροχή πρόσβασης στο internet σε απομακρυσμένες περιοχές (π.χ. αναπτυσσόμενες χώρες) συμπεριλαμβάνοντας video και τηλεφωνία. Χρησιμοποιούνται γεωστατικοί δορυφόροι με αποτέλεσμα την αυξημένη καθυστέρηση.

155 Το Σύστημα GPS To σύστημα Παγκόσμιου Εντοπισμού (Global Positioning System -GPS) είναι ένα δορυφορικό σύστημα που χρηματοδοτήθηκε από το Αμερικανικό Πεντάγωνο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί δωρεάν από τον οποιοδήποτε, οπουδήποτε αρκεί να μην βρίσκεστε σε περιοχές που το Πεντάγωνο θεωρεί σημαντικές Τα τερματικά του GPS πρέπει να έχουνε οπτική επαφή με τους δορυφόρους του GPS αλλιώς το σήμα είναι χαμηλής ποιότητας. Η ακρίβεια του συστήματος είναι περίπου 15μ και χρησιμοποιούνται περίπου 24 δορυφόροι Οι δορυφόροι βρίσκονται σε μέσου ύψους τροχιά και μεταδίδουν σήματα που χρησιμοποιούνται στον εντοπισμό του τερματικού. Το σύστημα GPS έχει βρει πολλές εφαρμογές από την στιγμή που λειτούργησε πλήρως το 1995 (χαρτογράφηση, τηλεπισκόπηση, ναυσιπλοΐα, παρακολούθηση(!), κτλ).

156 Ενότητα 6 η Επικοινωνίες Υπολογιστών

157 Επικοινωνίες Υπολογιστών Στις επικοινωνίες υπολογιστών (π.χ. στο internet) χρησιμοποιείται συνήθως η σουίτα πρωτοκόλλων TCP/IP. Πολλές φορές αναφέρεται και ως σουίτα internet

158 Η έννοια του πρωτοκόλλου Στην επιστήμη των υπολογιστών, το πρωτόκολλο είναι ένα σύνολο κανόνων που χρησιμοποιούνται από δύο ή περισσότερους υπολογιστές για να επικοινωνήσουνε μεταξύ τους. Στην ουσία ένα πρωτόκολλο είναι μία σύμβαση που επιτρέπει την επικοινωνία και την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ δύο σημείων. Τα πρωτόκολλα μπορεί να υλοποιούνται τόσο σε επίπεδο hardware όσο και σε επίπεδο software. Συνήθως συμβαίνουν και τα δύο. Τυπικές Λειτουργίες πρωτοκόλλων: Έλεγχος της ύπαρξης του φυσικού μέσου μετάδοσης(ενσύρματο ή ασύρματο) και του κόμβου(υπολογιστή) προορισμού των δεδομένων. Ρύθμιση των διάφορων παραμέτρων μετάδοσης(ταχύτητα μετάδοσης, κτλ). Διαχείριση μηνυμάτων: Πως πρέπει να αρχίζει και να τελειώνει ένα μήνυμα καθώς και κανόνες σύνταξης του μηνύματος. Τι συμβαίνει όταν έχουμε σφάλματα στην μετάδοση. Πως αρχίζει και πως τελειώνει μία σύνδεση.

159 Ποιος καθορίζει πως θα είναι τα πρωτόκολλα? Σύμφωνα με το μοντέλο του OSI (Open System Interconnection), σε κάθε δίκτυο υπάρχουν 7 στρώματα ή αλλιώς επίπεδα: Τοφυσικόεπίπεδο ορίζει τις ηλεκτρικές και τις φυσικές προδιαγραφές για τις συσκευές που χρησιμοποιούνται για την μετάδοση του σήματος. Επίσης ορίζει τον τρόπο με τον οποίο το φυσικό μέσο (π.χ. ίνα) συνδέεται με την συσκευή (περιλαμβάνει ορισμό τάσεων, ακροδεκτών, κτλ κτλ). Τοεπίπεδοζεύξης ορίζει τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για να μεταφερθούν δεδομένα μεταξύ των διαφόρων δικτυακών κόμβων. Επίσης προσπαθεί να διορθώσει σφάλματα που συμβαίνουν στο φυσικό επίπεδο (π.χ. λόγω θορύβου). Τοεπίπεδοδικτύου ορίζει τους τρόπους μεταφοράς δεδομένων μεταβλητού μεγέθους από έναν κόμβο του δικτύου στον άλλο. Επίσης αναλαμβάνει την δρομολόγηση των δεδομένων μέσω των ενδιάμεσων κόμβων του δικτύου. Τοεπίπεδομεταφοράς προσφέρει τους τρόπους μεταφοράς δεδομένων από τον ένα χρήστη σε έναν άλλο χρήστη Τοεπίπεδοσυνόδου είναι υπεύθυνο για την έναρξη και τον τερματισμό μίας συνόδου, δηλαδή μίας συνομιλίας μεταξύ δύο χρηστών. Τοεπίπεδοπαρουσίασης ορίζει τον τρόπο με τον οποίο αναπαρίστανται τα δεδομένα πριν αυτά μεταδοθούν. Τοεπίπεδοεφαρμογής περιέχει όλες τις εφαρμογές (προγράμματα) τα οποία χρησιμοποιούν το δίκτυο για να προσφέρουν κάποια υπηρεσία στους χρήστες

160 Ποιος καθορίζει πως θα είναι τα πρωτόκολλα? Το OSI είναι κάπως απαρχαιομένο αλλά μην το πείτε σε κανέναν Στοίβα IP Στοίβα OSI

161 Η στοίβα του Internet Protocol (TCP/IP): Eπίπεδο Ζεύξης Το επίπεδο ζεύξης περιέχει τα πρωτόκολλα που αφορούν μία ζεύξη, δηλαδή το hardware και το software που χρειάζεται για να διασυνδεθούν δύο κόμβοι του δικτύου. Υπάρχει ένα πρωτόκολλο ζεύξης για κάθε ζεύξη που υπάρχει στο δίκτυο!

162 Η στοίβα του Internet Protocol (TCP/IP): Eπίπεδο Ζεύξης Υπάρχουν μία σειρά από λειτουργίες που πραγματοποιεί το επίπεδο ζεύξης: Καταρχήν αναλαμβάνει να περιβάλλει τα πακέτα που προέρχονται από το επίπεδο IP σε πλαίσια. Το πλαίσιο είναι στην ουσία μία σειρά από bit (0 και 1) τα οποία περιγράφουν την προς την μετάδοση πληροφορία και παρέχουν μία σειρά από bit που χρησιμοποιούνται για τις λειτουργίες του ίδιο του πρωτοκόλλου (κεφαλίδα πλαισίου). Το επίπεδο ζεύξης αναλαμβάνει το συγχρονισμό των πλαισίων: Δηλαδή ο δέκτης καταλαβαίνει ποια bit αντιστοιχούν σε πληροφορία και ποια όχι. Ανίχνευση σφαλμάτων μετάδοσης και αίτηση αναμετάδοσης στην περίπτωση λήψης πλαισίου με σφάλματα. Ρύθμιση Ροής, δηλαδή την δυνατότητα μείωσης του ρυθμού μετάδοσης των πλαισίων σε περίπτωση όπου ο δέκτης για κάποιο λόγο δεν μπορεί να λάβει τα πλαίσια με την επιθυμητή ταχύτητα.

163 Η στοίβα του Internet Protocol (TCP/IP): MAC Το επίπεδο ζεύξης προσφέρει και λειτουργίες Ελέγχου Μέσου Πρόσβασης (Medium Access Control ΜΑC) Τα πρωτόκολλα MAC είναι πολύ σημαντικά επειδή επιτρέπουν την επικοινωνία πάνω από ένα φυσικό μέσο (π.χ. καλώδιο, ελεύθερος χώρος) που χρησιμοποιείται για να υλοποιήσει πολλαπλές ζεύξεις. Κάθε συσκευή, συνδέεται στο δίκτυο μέσω μίας κάρτας (adaptor) που υλοποιεί τα πρωτόκολλα του επιπέδου ζεύξης. Κάθε τέτοια κάρτα έχει μία δική της, μοναδική διεύθυνση MAC που χρησιμοποιείται για την αποστολή και λήψη των πλαισίων προς και από την κάρτα. Η ΜAC διεύθυνση συνήθως αποτελείται από 48 bits.

164 Πολλαπλή Πρόσβαση Δίκτυο Αρτηρίας: Έχει αρχίσει να εγκαταλείπεται σταδιακά

165 Πολλαπλή Πρόσβαση Δίκτυο Δακτυλίου: Χρησιμοποιείται αρκετά σπάνια στις μέρες μας

166 Πολλαπλή Πρόσβαση: Δίκτυα με Hub Χρησιμοποιείται αρκετά συχνά σε τοπικά δίκτυα

167 Πολλαπλή Πρόσβαση: Ασύρματη Πρόσβαση Χρησιμοποιείται ΠΟΛΥ συχνά σε τοπικά δίκτυα

168 Αποφεύγοντας τις συγκρούσεις Είναι φανερό πως δύο πομποί (π.χ. κάρτες δικτύου) δεν μπορούν να μεταδώσουν ταυτόχρονα πάνω στο ίδιο φυσικό μέσο (π.χ. καλώδιο) αν δεν ληφθούν κάποιες προφυλάξεις. Στην αντίθετη περίπτωση ο δέκτης δεν θα είναι σε θέση να διαχωρίσει το μήνυμα από κάθε πομπό αφού π.χ. στην περίπτωση του ασύρματου καναλιού θα λαμβάνει το άθροισμα των σημάτων που μεταδόθηκαν και όχι κάθε ξεχωριστά. Για να αποφεύγονται οι παραπάνωσυγκρούσεις (collisions) το MAC επίπεδο μπορεί να εφαρμόσει διάφορες τεχνικές. Η πιο δημοφιλής είναι η τεχνική Carrier Sensing Multiple Access (CSMA). Πρόκειται για ένα πρωτόκολλο κατά το οποίο o δέκτης κάθε κάρτας προσπαθεί να διαπιστώσει αν υπάρχει φέρον (carrier) στο διαμοιραζόμενο μέσο (π.χ. καλώδιο). Αν υπάρχει, τότε αυτό σημαίνει ότι κάποιος άλλος μεταδίδει. Ανάλογα με την παραλλαγή του CSMA ο δέκτης δοκιμάζει μετά από κάποιο τυχαίο χρονικό διάστημα. Σε ορισμένες παραλλαγές του CSMA ο πομπός μεταδίδει το σήμα του ούτως ή άλλως και «ακούει» το κανάλι για να δει αν κάποιος άλλος μεταδίδει ταυτόχρονα. Αν αυτό συμβαίνει τότε όλοι οι πομποί καταλαβαίνουν πως πρόκειται για σύγκρουση και παύουν να μεταδίδουν για ένα τυχαίο χρονικό διάστημα. Η παραλλαγή αυτή ονομάζεται CSMA/CD CSMA με αναγνώριση της σύγκρουσης (collision detection).

169 Τα πλαίσια του Ethernet Οι διευθύνσεις αποτελούνται από 6 Bytes (δηλαδή 6 8 = 48bits). Πρόκειται για MAC διευθύνσεις που σκοπό έχουνε να καθορίσουνε ποιος είναι ο αποστολέας και σε ποιόν απευθύνεται το πακέτο. Το Preamble είναι 7 Bytes που ενδεχομένως να χρειάζονται στο συγχρονισμό. Το Type/Length χρησιμοποιείται για να υποδηλώσει τον μέγεθος των δεδομένων σε bytes ή το είδος των δεδομένων (ανάλογα με το πρότυπο του Ethernet που ακολουθείται). Τα δεδομένα είναι το κομμάτι Data Το pad χρησιμοποιείται αν για κάποιο λόγο πρέπει να αυξήσουμε το μέγεθος του πλαισίου σε 64bytes Το checksum χρησιμοποιείται για την ανίχνευση λαθών.

170 Εthernet MAC Στο Ethernet το υπό-επίπεδο MAC είναι υπεύθυνο για την λήψη και την μετάδοση των πλαισίων. Ανάλογα με το φυσικό μέσο μετάδοσης μπορεί να είναι half duplex και full duplex. Half duplex σημαίνει πως όλοι μόνο μία κάρτα μπορεί να μεταδώσει κάθε στιγμή. Full Duplex σημαίνει πως οι κάρτες μπορούν να μεταδώσουν και να λάβουν πλαίσια ταυτόχρονα. Οι παλαιότερες υλοποιήσεις του Ethernet (10BASE-T) ήτανε half duplex και χρησιμοποιούσαν το CSMA/CD.

171 Ethernet Επαναλήπτες O επαναλήπτης (repeater) του Ethernet λειτουργεί στο φυσικό επίπεδο, δηλαδή δεν καταλαβαίνει πλαίσια αλλά bits. Ωστόσο αναγεννούσε το σήμα (δηλαδή βελτίωνε τις κυματομορφές των παλμών) βελτιώνοντας την ποιότητα του (θυμάστε την αλληλοπαρεμβολή συμβόλων?) Επίσης οι επαναλήπτες ήτανε κατασκευασμένοι ώστε να εισάγουν πολύ μικρή καθυστέρηση Αφού ο επαναλήπτης αγνοεί την ύπαρξη των frames και απλά αναγεννά τα bits το ενδεχόμενο της σύγκρουσης παραμένει: πρόκειται για half duplex υλοποίηση!

172 Εthernet Μεταγωγείς (Switches) Ένας μεταγωγέας που λειτουργεί στο επίπεδο MAC μπορεί να διασυνδέσει έναν αριθμό από τερματικά και συσκευές σε ένα οικιακό περιβάλλον ή σε ένα γραφείο. Ο μεταγωγέας μαθαίνει την MAC διεύθυνση κάθε συσκευής που έχει συνδεθεί στις θύρες του. Αυτό γίνεται από τα πλαίσια που καταλήγουν στις θύρες του. Έτσι αν στην θύραi φτάσει ένα πλαίσιο με MAC source address τηνm 1 το switch θα μάθει ότι όλα τα πλαίσια που έχουνε MAC destination address τηνm 1 θα καταλήξουνε στην θύραiκαι μόνο σε αυτή! Σε περίπτωση που φτάσει ένα πλαίσιο με destination address που δεν την έχει μάθει το switch τότε στέλνει το πλαίσιο σε κάθε άλλη θύρα του! Με τον τρόπο αυτό ο μεταγωγέας αναλαμβάνει να προωθήσει τα πλαίσια στον κατάλληλο προορισμό χωρίς να συμβαίνουν συγκρούσεις. Επομένως δεν έχουμε half duplex αλλά full duplex υλοποίηση: Δεν υπάρχουνε συγκρούσεις και επομένως δεν χρειαζόμαστε CSMA/CD.

173 Κυνηγώντας την ουρά μας Θέλει βέβαια και λίγη προσοχή Για φανταστείτε τι θα γινότανε αν ένα PC ήθελε να μεταδώσει ένα πλαίσιο σε όλα τα PC που βρίσκονται στο δίκτυο Τότε το πλαίσιο θα φτάσει στο switch Α το οποίο θα το στείλει στο switch Β. To switch Β θα καταλάβει πως πρέπει να το στείλει και στο switch Α και ούτω καθεξής επομένως θα έχουμε πλαίσια που τριγυρίζουν χωρίς κανένα λόγο στο δίκτυο μας. Ευτυχως το ethernet έχει έναν τρόπο να προστατεύει το δίκτυο μας από τέτοιες περιττές μετακινήσεις Πρόκειται για τον αλγόριθμο spanning tree τον οποίο όμως θα μάθετε στα επόμενα έτη (θυμηθείτε πρόκειται για εισαγωγικό μάθημα )

174 Τα υπέρ και τα κατά μίας full duplex υλοποίησης: + Υπέρ Δεν έχουμε συγκρούσεις και επομένως καθυστερήσεις στην μετάδοση πλαισίων. Η απόσταση που μπορεί να καλυφθεί από το ethernet εξαρτάται καθαρά και μόνο από το μέσο διάδοσης (π.χ. UTP καλώδιο ή οπτική ίνα). Αφού κάθε σύνδεση είναι ανεξάρτητη από τις άλλες, θεωρητικά κάθε κόμβος μπορεί να μεταδίδει και να λαμβάνει με τον μέγιστο ρυθμό (π.χ. 100Mb/s για το 100BASE-T). -Κατά: Όλες οι συνδέσεις είναι από σημείο-σε-σημείο. Δεν υπάρχουνε κοινά καλώδια και επομένως κάθε συσκευή συνδέεται με το switch βάση ενός ξεχωριστού καλωδίου Τα switch θα πρέπει να είναι σε θέση να χειρίζονται πολύ υψηλούς ρυθμούς που εξαρτάται από τον αριθμό των θυρών που έχουνε διαθέσιμες Οι μεγάλοι ρυθμοί αυξάνουνε το κόστος.

175 Power over Ethernet Δεν είναι ακριβώς τηλεπικοινωνιακή υπηρεσία αλλά σας επιτρέπει πέρα από τα δεδομένα, να μεταφέρεται και το ηλεκτρικό σήμα που θα τροφοδοτήσει τις συσκευές σας! Μπορείτε να τροφοδοτείται με ρεύμα μικροσυσκευές όπως κάμερες, τηλέφωνα IP, ασύρματα σημεία πρόσβασης, μικρά switch ethernet και LCDs! Είναι και πιο φθηνό και πιο γρήγορο από το USB2.0!

176 Η στοίβα του Internet Protocol (TCP/IP): Επίπεδο IP Το Internet Protocol (IP) είναι ένα πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται για την μετάδοση δεδομένων σε μορφή πακέτων (δηλαδή ομάδων από bytes που δρομολογούνται μέσα στο δίκτυο όλα μαζί) Έχει σκοπό την παράδοση των πακέτων από τον πομπό στο δέκτη βασιζόμενο μονάχα στις διευθύνσεις των αντίστοιχων κόμβων.

177 Η στοίβα του Internet Protocol (TCP/IP): Επίπεδο IP Τα δεδομένα από το υψηλότερο επίπεδο (δηλαδή το TCP που θα δούμε στη συνέχεια) εσωκλείονται σε πακέτα του IP τα οποία είναι και γνωστά ως datagrams. Ο κόμβος αποστολής και λήψης δεν χρειάζεται να προχωρήσουν σε κανενός είδους συνεννόηση πριν ο κόμβος αποστολής αρχίσει να μεταδίδει το πακέτο. Πρόκειται δηλαδή για ένα πρωτόκολλο connection-less (σε αντίθεση με το τηλεφωνικό δίκτυο για παράδειγμα όπου δεν σηκώνεται το τηλέφωνο και μιλάτε κατευθείαν αλλά πρέπει πρώτα να καλέσετε το άλλο τηλέφωνο connection oriented). To ΙP μπορεί να χρησιμοποιηθεί πάνω από διάφορα πρωτόκολλα ζεύξης (Ethernet, WiFi, κτλ). To δίκτυο μπορεί μάλιστα να είναι ετερογενές: Ένα τμήμα του να χρησιμοποιεί Ethernet το άλλο WiFi κτλ κτλ. Το μόνο που χρειάζεται είναι να υπάρχει ένας τρόπος να μεταφράζονται οι διευθύνσεις του IP σε διευθύνσεις του επιπέδου ζεύξης (δηλαδή MAC διευθύνσεις). Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο ARP Address Resolution Protocol.

178 Αξιοπιστία του πρωτοκόλλου IP Το πρωτόκολλο IP έχει σχεδιαστεί με την υπόθεση πως το δίκτυο είναι από την φύση του αναξιόπιστο. Δεν υπάρχει κάποιος κεντρικός έλεγχος των επιδόσεων του δικτύου. Οι κόμβοι αποστολής και λήψης απλά πρέπει να ζήσουνε με αυτό το γεγονός και να λάβουνε τα μέτρα τους. Επομένως το IP κάνει ότι καλύτερο μπορεί αλλά δεν εγγυάται τίποτα. Η υπηρεσία του είναι αναξιόπιστη. Μία σειρά από πράγματα μπορούν να συμβούν στα πακέτα του: Αλλοίωση της πληροφορίας που μεταφέρεται στα πακέτα του εξαιτίας για παράδειγμα του θορύβου που υπάρχει στα μέσα μετάδοσης του δικτύου. Απώλεια πακέτων στους ενδιάμεσους κόμβους με αποτέλεσμα ένα τμήμα της πληροφορίας να μην φτάνει στον κόμβο λήψης Λήψη στο δέκτη πολλαπλών αντίγραφων του ίδιου πακέτου. Λήψη στο δέκτη των πακέτων με διαφορετική σειρά από αυτήν που έχουν εκπεμφθεί επειδή για παράδειγμα τα πακέτα μπορεί να ακολουθούν διαφορετική διαδρομή μέσα στο δίκτυο. Κάθε πακέτο του IP δρομολογείται ξεχωριστά από τα άλλα. Τo IP το μόνο που κάνει είναι να φροντίζει οι κεφαλίδες των πακέτων που περιέχουν τις πληροφορίες που χρειάζεται για να κάνει την δρομολόγηση να είναι σωστές. Σε αντίθετη περίπτωση το πακέτο αυτομάτως πηγαίνει στον κάλαθο των αχρήστων, δηλαδή αποσύρεται από το δίκτυο στον κόμβο που διαπιστώθηκε η εσφαλμένη κεφαλίδα. Ακόμα και σε αυτή την περίπτωση το IP δεν είναι αναγκασμένο να δώσει καμία αναφορά στον κόμβο εκπομπής (αν και μπορεί να το κάνει μέσω του Internet Control Message Protocol (ICMP) ). Στις δε καινούργιες εκδόσεις του IP (ΙPv6) το IP δεν κάνει ούτε αυτό τον έλεγχο με σκοπό την γρήγορη δρομολόγηση των πακέτων του στους ενδιάμεσους κόμβους. Η διόρθωση των σφαλμάτων αυτών θεωρείται πως είναι ευθύνη των ανώτερων επιπέδων του δικτύου (π.χ. του TCP). Ωστόσο αν το IP αποφασίσει πως σε μία ζεύξη πρέπει να μεταδίδονται πακέτα μικρότερα από αυτά που του στέλνει το ανώτερο στρώμα, τότε θα πρέπει να εγγυηθεί πως η σειρά των υπό-πακέτων είναι σωστή.

179 Διευθυνσιοδότηση στο IP (ΙP addressing) Η διεύθυνση του IP είναι ένας αριθμός που ανατίθεται στις συσκευές που συμμετέχουν σε ένα δίκτυο που χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο IP. Στην τρέχουσα έκδοση του IP (ΙPv4) οι αριθμοί αυτοί είναι της μορφής ΧΧΧ.ΥΥΥ.ΖΖΖ.ΩΩΩ (π.χ ) κάθε αριθμός μπορεί να είναι από 0 μέχρι 255. Με τον τρόπο αυτό έχουμε πιθανές διευθύνσεις (μείον μερικές που χρησιμοποιούνται για ειδικούς σκοπούς) για όλους τους υπολογιστές του κόσμου! Δυστυχώς δεν είναι αρκετοί! Ευτυχώς υπάρχουνε μερικά παυσίπονα. Η διαδικασία Network address translation (ΝΑΤ) είναι μία τέτοια διαδικασία αλλά περισσότερα για αυτά τα θέματα τα επόμενα χρόνια της φοιτητικής σας ζωής! Επίσης το θέμα είναι πως θα γνωρίζουμε ποια διεύθυνση αντιστοιχεί στον κόμβο που θέλουμε. Για παράδειγμα ποιο είναι η IP διεύθυνση του Ευτυχώς υπάρχει μία υπηρεσία η οποία ονομάζεται DNS (Domain Name System) η οποία μεταφράζει την σε διεύθυνση IP και δεν χρειάζεται να θυμάστε απέξω 4 νούμερα! Προσοχή όμως το DNS δεν είναι κομμάτι του IP! To IP δεν ενδιαφέρεται για το αν εσείς δεν μπορείτε να θυμάστε τα νούμερα απέξω και κατά την προσφιλή του τακτική υποστηρίζει «ας το φροντίσει κάποιος άλλος»

180 Δρομολογητές (Routers) Όπως στο επίπεδο ζεύξης είχαμε τους μεταγωγείς (switches) στο IP επίπεδο έχουμε τους δρομολογητές (routers) Πρόκειται για στοιχεία του δικτύου (μπορεί να είναι συνδυασμός από software και hardware) που αναλαμβάνει την δρομολόγηση των πακέτων του IP μέσα στο δίκτυο. Τα πακέτα IP που στέλνουμε γνωρίζουνε μόνο την διεύθυνση του αποστολέα και του παραλήπτη. Η λειτουργία του router είναι να καθορίζει τον επόμενο κόμβο που πρέπει να σταλεί το πακέτο βάση της διεύθυνσης του παραλήπτη. Ενδεχομένως το πακέτο να περάσει από πολλούς δρομολογητές πριν φτάσει στον τελικό προορισμό. Οι δρομολογητές διατηρούνε πίνακες που τους επιτρέπουν να δρομολογήσουνε σωστά τα πακέτα στο επόμενο κόμβο.

181 Διευθυνσιοδότηση στο IP: Υποδίκτυα Το IP δεν δρομολογεί πακέτα μόνο μεταξύ κόμβων αλλά και μεταξύ δικτύων από κόμβους. Οι διευθύνσεις IP μπορούν να προδιαγράφουν τις τοποθεσίες των κόμβων μέσα στα δίκτυα αυτά που ονομάζονται υπόδικτυα (subnetworks). Έτσι οι διευθύνσεις του IP μπορεί να καθορίζουν το υποδίκτυο και για το σκοπό αυτό πρέπει να καθορίζουμε πιο κομμάτι της διεύθυνσης αφορά το υποδίκτυο. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούμε το subnet mask που είναι ένας αριθμός ο οποίος καθορίζει πιο μέρος της διεύθυνσης αφορά το υποδίκτυο. Όλοι οι κόμβοι σε ένα υποδίκτυο θα πρέπει να είναι προσβάσιμοι απευθείας, δηλαδή όλοι οι κόμβοι είναι συνδεδεμένοι στο ίδιο switch ή καλώδιο.

182 Η στοίβα του Internet Protocol (IP): Επίπεδο Ελέγχου Μεταφοράς (TCP) Ενώ τα χαμηλότερα στρώματα αναλαμβάνουν την μετάδοση και δρομολόγηση των μηνυμάτων μεταξύ των διαφόρων υπολογιστών του δικτύου, το TCP ασχολείται μονάχα με την από άκρο σε άκρο επικοινωνία (για παράδειγμα την επικοινωνία μεταξύ ενός web server και ενός web client). Το TCP διασφαλίζει την σωστή και με σειρά μετάδοση πληροφοριών μεταξύ δύο διεργασιών (προγραμμάτων) που εκτελούνται σε δύο υπολογιστές του δικτύου.

183 Λειτουργίες του TCP Το TCP είναι ο ενδιάμεσος κρίκος μεταξύ μιας εφαρμογής και του επιπέδου IP που θα δούμε στη συνέχεια. To ΙP ανταλλάσει πληροφορία σε μορφή πακέτων (δηλαδή ομάδων από bits). Έτσι όταν μια εφαρμογή θέλει να μεταδώσει μεγάλη ποσότητα δεδομένων, δεν απευθύνεται στο IP αλλά στο TCP το οποίο αναλαμβάνει τον τεμαχισμό της πληροφορίας σε πακέτα. Επίσης το TCP είναι υπεύθυνο για την σωστή μετάδοση των πακέτων τα οποία μπορεί να χαθούν ή να μην μεταδοθούν σωστά από την αφετηρία στο προορισμό τους. Στην περίπτωση αυτή το TCP μπορεί να ανιχνεύσει τα σφάλματα και να ζητήσει επαναμετάδοση των πακέτων αυτών και να τα τοποθετήσει στην σωστή τους σειρά. Με τον τρόπο αυτό η εφαρμογή (πρόγραμμα) δεν χρειάζεται να ασχολείται με τις λεπτομέρειες του επιπέδου IP. Σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου (streaming video, voice over IP, κτλ) χρησιμοποιείται εναλλακτικά το UDP.

184 Η στοίβα του Internet Protocol (IP): Επίπεδο Εφαρμογής Επίπεδο Εφαρμογής (Application): Το επίπεδο αυτό περιέχει όλα τα πρωτόκολλα που διέπουν την επικοινωνία μεταξύ διάφορων διεργασιών (processes δηλαδή προγραμμάτων που τρέχουν στους διάφορους υπολογιστές του δικτύου). Παραδείγματα: BitTorrent(!), edonkey(!), File Transfer Protocol (FTP), Domain Name System (Service) Protocol (DNS), Remote Desktop Protocol (RDP), Post Office Protocol (POP για λήψη s), Hypertext Transfer Protocol (ΗΤΤP).

185 Τοπικά Δίκτυα Ένα τοπικό δίκτυο είναι ένα δίκτυο υπολογιστών που συνδέει υπολογιστές οι οποίοι βρίσκονται κατανεμημένοι σε μία μικρή γεωγραφικά περιοχή (π.χ. μία οικία, ένα κτίριο γραφείων, κτλ). Συνήθως τα τοπικά δίκτυα χαρακτηρίζονται από υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων μεταξύ των υπολογιστών. Το Ethernet πάνω από καλώδια UTP (unshielded twister pair) είναι μία τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως στα τοπικά δίκτυα (π.χ. στο Χαροκόπειο). Τα περισσότερα δίκτυα βασίζονται στο switched Ethernet ενώ στα παραπάνω επίπεδα χρησιμοποιείται το TCP/IP.

186 Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα: WiFi To Wi-Fi είναι ένα σήμα κατατεθέν για προϊόντα που έχουνε πιστοποιηθεί σύμφωνα με το πρότυπο IEEE Συνήθως χρησιμοποιείται σαν συνώνυμο των ασύρματων προϊόντων που βασίζονται στο IEEE ωστόσο η πιστοποίηση κοστίζει και κάθε προιόν IEEE μπορεί να μην είναι πιστοποιημένο με το Wi-Fi. Προκύπτει από τις αγγλικές λέξεις Wireless Fidelity (Ασύρματη Αξιοπιστία) περίπου όπως και το Hi-Fi (High Fidelity) για τα συστήματα ήχου. Το μεγάλο πλεονέκτημα των Wi-Fi δικτύων (και εν γένει των ασύρματων τοπικών δικτύων) είναι η έλλειψη καλωδίων. Τα μοντέρνα laptop έχουνε Wi-Fi κάρτες ενσωματωμένες στο εσωτερικό τους. Υπολογίζεται πως περίπου πάνω από σπίτια και επιχειρήσεις ανά τον κόσμο χρησιμοποιούν τεχνολογία Wi-Fi. Πολλοί πάροχοι DSL προσφέρουν ένα ασύρματο router που είναι παράλληλα και DSL modem και προσφέρει ασύρματη σύνδεση στο σπίτι.

187 Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα: WiFi To Wi-Fi είναι ένα σήμα κατατεθέν για προϊόντα που έχουνε πιστοποιηθεί σύμφωνα με το πρότυπο IEEE Συνήθως χρησιμοποιείται σαν συνώνυμο των ασύρματων προϊόντων που βασίζονται στο IEEE ωστόσο η πιστοποίηση κοστίζει και κάθε προιόν IEEE μπορεί να μην είναι πιστοποιημένο με το Wi-Fi. Προκύπτει από τις αγγλικές λέξεις Wireless Fidelity (Ασύρματη Αξιοπιστία) περίπου όπως και το Hi-Fi (High Fidelity) για τα συστήματα ήχου. Το μεγάλο πλεονέκτημα των Wi-Fi δικτύων (και εν γένει των ασύρματων τοπικών δικτύων) είναι η έλλειψη καλωδίων. Τα μοντέρνα laptop έχουνε Wi-Fi κάρτες ενσωματωμένες στο εσωτερικό τους. Υπολογίζεται πως περίπου πάνω από σπίτια και επιχειρήσεις ανά τον κόσμο χρησιμοποιούν τεχνολογία Wi-Fi. Πολλοί πάροχοι DSL προσφέρουν ένα ασύρματο router που είναι παράλληλα και DSL modem και προσφέρει ασύρματη σύνδεση στο σπίτι.

188 Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα: Η οικογένεια προτύπων είναι ένα σύνολο προδιαγραφών για την ασύρματη πρόσβαση. Πιο συχνά χρησιμοποιούνται το b και το g που αποτελούν προσθήκες στο αρχικό πρότυπο. Τα b και g χρησιμοποιούν την μπάντα 2.4 GHz και επομένως πρέπει να αντιμετωπίσουνε παρεμβολές από διάφορες συσκευές όπως ο φούρνος μικροκυμάτων και οι συσκευές Bluetooth. To διαιρεί το φάσμα που του διατίθεται σε κανάλια. Για παράδειγμα το φάσμα στα 2.4GHz ( GHz) χωρίζεται σε 13 κανάλια με εύρος 22ΜΗz τα οποία απέχουν μόνο 5MHz (πρόκειται δηλαδή για κανάλια που δεν είναι ξεχωριστά το ένα από το άλλο!). Καθορίζεται επίσης και μία επιτρεπόμενη εξάρτηση της ισχύος εκπομπής με την συχνότητα του κάθε καναλιού που επιβάλλει την εξασθένηση κατά 30dB (103) ±11ΜΗz μακριά από την κεντρική συχνότητα) Το ορίζει τα δικά του πλαίσια για την μεταφορά των δεδομένων όπως και το Ethernet. Φυσικά έχει και το δικό του MAC (παραλλαγή του CSMA)

189 Σύγκριση των διαφόρων ασύρματων τεχνολογιών για LAN

190 Μητροπολιτικά Δίκτυα Τα μητροπολιτικά δίκτυα (Metropolitan Area Network MAN) είναι μεγάλα δίκτυα τα οποία διασυνδέουν τοπικά δίκτυα. Συνήθως έχουν τη γεωγραφική έκταση μίας πόλης. Μπορούν να χρησιμοποιούν είτε ασύρματες τεχνολογίες διασύνδεσης είτε οπτικές ίνες για την σύνδεση των κόμβων τους.

191 Τηλεπικοινωνιακά Δίκτυα και Αποστάσεις Με τον όρο Wide Area Network (WAN) εννοούμε ένα δίκτυο που καλύπτει μεγάλες αποστάσεις (μπορεί να εκτείνεται και εκτός μίας χώρας!) Συνδέει τα τοπικά και τα μητροπολιτικά δίκτυα. Το μεγαλύτερο και ίσως το πιο γνωστό δίκτυο WAN είναι το internet Συνήθως τα WAN φτιάχνονται με μισθωμένες γραμμές (leased lines). Στα άκρα των γραμμών αυτών υπάρχουν δρομολογητές οι οποίοι συνδέουν ένα τοπικό δίκτυο με έναν κόμβο του δικτύου WAN. Πολλοί πάροχοι τηλεπικοινωνιών έχουν το δικό τους WAN.

192 Παράδειγμα: ΕΔΕΤ2 αποτελεί οπτικό δίκτυο νέας γενιάς τεχνολογίας WDM υψηλών ταχυτήτων (1-2,5 Gbps). Όλοι οι κόμβοι βασίζονται σε δρομολογητές ταχυτήτων Gigabit και διασυνδέονται μεταξύ τους με ένα δίκτυο ταχυτήτων 2.5 Gbps πάνω από τεχνολογία DWDM με μισθωμένα μήκη κύματος ( λάμδα) από τον ΟΤΕ. Στη περιοχή της Κρήτης, οι δύο επιπλέον κόμβοι βασίζονται σε τεχνολογίες μεταγωγής (switching), ορίζοντας με αυτόν τον τρόπο το δίκτυο ευρείας περιοχής (ΜΑΝ) της Κρήτης παρέχει υπηρεσίες εθνικής και διεθνούς διασύνδεσης υψηλής ποιότητας και χωρητικότητας στην Ελληνική ερευνητική, ακαδημαϊκή και εκπαιδευτική κοινότητα

193 Δίκτυα GSM To GSM (Global System for Mobile communication είναι το πιο διαδεδομένο πρότυπο για το δίκτυο κινητών τηλεφώνων. Εκτιμάται πως περίπου το 80% των κινητών συσκευών παγκοσμίως χρησιμοποιεί το πρότυπο αυτό και πως υπάρχουν πάνω από χρήστες. Επειδή το GSM υποστηρίζεται σε πολλές χώρες, είναι δυνατή ηπεριαγωγή: Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το κινητό σας στην Ελλάδα, στην Αγγλία και σε πολλές άλλες χώρες. Στο GSM η εικόνα μεταδίδεται ψηφιακά και για τον λόγο αυτό θεωρείται δίκτυο κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς. Εξαιτίας της ψηφιακής φύσης του δικτύου η μεταφορά δεδομένων είναι εύκολο να υποστηριχθεί από το σύστημα Χρησιμοποιούνται συχνότητες γύρω από τα 850ΜΗz (GSM-850), 900MHz (GSM- 900), 1800ΜΗz (GSM-1800) και 1900MHz (GSM-1900 κυρίως στις ΗΠΑ και Καναδά).

194 Δίκτυα GSM ανά τον κόσμο

195 Τα διάφορα G 1G δίκτυα: Στα δίκτυα αυτά η μετάδοση της πληροφορίας (π.χ. φωνή) γινότανε αναλογικά. 2G δίκτυα: Οι συνομιλίες λαμβάνουνε χώρα μέσω ψηφιακής τεχνολογίας. Οδήγησαν σε πιο αποτελεσματική χρήση του φάσματος και επέγραψαν επιπλέον υπηρεσίες (π.χ. το πασίγνωστο SMS!). 2.5G δίκτυα: Υποστηρίζεται η μετάδοση πακέτων (π.χ. General Packet Radio Service GPRS). 3G δίκτυα: Συμπεριλαμβάνει τηλεφωνία, video κλήσεις και μετάδοση δεδομένων ενώ παράλληλα υποστηρίζει υψηλότερους ρυθμούς πρόσβασης της τάξης των μερικών Mb/s. 4G δίκτυα: Ακόμα καλύτερη πρόσβαση βάση του IP και άλλα πολλά!

196 Κυψελωτά Δίκτυα Ένα δικτυωτό δίκτυο είναι ένα ασύρματο δίκτυο το οποίο απαρτίζεται από έναν αριθμό κυψελών. Ως κυψέλη εννοούμε μία περιοχή στην οποία όλα τα τερματικά (δηλαδή τα κινητά στην περίπτωση του GSM) εξυπηρετούνται από μία κεραία (σταθμός βάσης). Συνδυάζοντας τις διαφορετικές κυψέλες, επιτυγχάνουμε μεγαλύτερη κάλυψη σε μία ευρύτερη γεωγραφική περιοχή. Ωστόσο πρέπει να εξασφαλίζουμε πως όταν το τερματικό μετακινείται από κυψέλη σε κυψέλη, δεν συμβαίνει διακοπή της σύνδεσης. Με τον τρόπο αυτό τα τερματικά και οι σταθμοί βάσης δεν χρειάζονται να έχουνε υψηλή ισχύ εκπομπής και παράλληλα μπορούμε να επιτύχουμε καλύτερους ρυθμούς πρόσβασης. Στα κυψελωτά συστήματα μπορούμε να έχουμε επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων σε μη γειτονικές κεραίες. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται ο συνολικός ρυθμός μετάδοσης αφού τερματικά σε διαφορετικές κυψέλες μπορούν να μεταδίδουν και να λαμβάνουν σήματα στην ίδια συχνότητα Ίδιες Συχνότητες!

197 AUC=Authentication Center Δομή ενός δικτύου GSM EIR = Equipment Identity Register BTS = Base Transceiver Station BSC = Base Station Controller MSC = Mobile Switching Center VLR= Visitor Location Register HLR = Home Location Register

198 Τηλεπικοινωνιακές Υπηρεσίες Τα τελευταία χρόνια έχουμε γίνει μάρτυρες της ραγδαίας διείσδυσης των τηλεπικοινωνιών στην καθημερινή μας ζωή. Το internet μεγαλώνει με ραγδαίους ρυθμούς και ήδη ο αριθμός των χρηστών έχει ξεπεράσει τους 1,500,000,000 (!) Όσο οι υποδομές βελτιώνονται, νέες υπηρεσίες θα εμφανίζονται οι οποίες θα προσελκύουν ολοένα και περισσότερους χρήστες.

199 WWW O παγκόσμιος ιστός (world wide web WWW) είναι ένα σύστημα από κείμενα hypertext τα οποία είναι προσβάσιμα μέσω του internet και διασυνδέονται μεταξύ τους με δεσμούς (links). Μία σελίδα του www μπορεί να περιέχει και πολυμεσικό υλικό: video, εικόνα, ήχο. To WWW εφευρέθηκε από του Tim Berners-Lee και Robert Cailliau ενώ εργαζόντουσαν στο ινστιτούτο CERN το Για να δείτε τις σελίδες του web χρειάζεστε έναν πλοηγό (browser), π.χ. Internet Explorer, Mozilla, κτλ. Το υλικό των σελίδων μπορεί να είναι στατικό ή δυναμικό (δηλαδή να ανταποκρίνεται στις ερωτήσεις του χρήστη).

200 Τηλεόραση από το Internet Η τηλεόραση από το internet (γνωστή και ως IP-TV) είναι μία υπηρεσία παροχής ψηφιακής τηλεόρασης μέσω των υποδομών του internet. Στην ουσία, χρησιμοποιείται το IP πρωτόκολλο για να διαμοιραστεί το τηλεοπτικό σήμα στους χρήστες σε αντίθεση με τις παλιότερες μεθόδους που βασιζόντουσαν στην ασύρματη μετάδοση ή σε ενσύρματη μετάδοση μέσω αποκλειστικού δικτύου (cable television, ειδικά στην Αμερική). Τα πλεονεκτήματα μίας IPTV πλατφόρμας είναι πως μπορεί να συνδυάζει και άλλες υπηρεσίες όπως γρήγορο web-browsing. Παράλληλα έχει την δυνατότητα να προσφέρει πολύ πιο εξελιγμένο περιεχόμενο αλλά και λειτουργικότητες. Στο παραδοσιακό τηλεοπτικό δίκτυο, όλο το περιεχόμενο μεταδιδόταν προς τον χρήστη ο οποίος επέλεγε το κανάλι που θα ήθελε να δει κάθε χρονική στιγμή. Γιατί όμως να μεταδίδουμε κανάλια που αυτός δεν βλέπει; Η υπηρεσία IP μεταδίδει μόνο το κανάλι που θέλει να δει ο χρήστης και επομένως γλιτώνουμε εύρος ζώνης (τουλάχιστον θεωρητικά!) Επίσης υποστηρίζεται και το video-on-demand όπου ο χρήστης έχει πρόσβαση όχι απλά σε κανάλια συνεχούς ροής αλλά σε έναν κατάλογο από προγράμματα και φιλμ τα οποία είναι προσβάσιμα όταν αυτός το θελήσει.

201 Τηλεόραση από το Internet και στην Ελλάδα!

202 Φωνή πάνω από τo IP Αφού το IP μπορεί να μεταφέρει οτιδήποτε, γιατί να μην μεταφέρει φωνή; Το Voice-over-IP (VoIP-φωνή πάνω από το IP) είναι τεχνικές μετάδοσης της φωνής πάνω από δίκτυα που χρησιμοποιούν το πρωτόκολλο IP. Αναφέρεται επίσης και ως IP telephony, Internet telephony, voice over broadband (VoBB), broadband telephony. Γιατί πλέον να πληρώνουμε υπεραστικά; Συνδεθείτε με το skype και μιλήστε με το φίλο σας στην Αμερική δωρεάν! Αρκεί μία σύνδεση internet και ένα PC!

203 Ηλεκτρονικό Εμπόριο (e-commerce) To ηλεκτρονικό εμπόριο (γνωστό και ως e-commerce) συνίσταται στην αγορά και πώληση προϊόντων ή υπηρεσιών πάνω χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά συστήματα. Συνήθως χρησιμοποιείται το WWW αλλά μπορεί να συμπεριλαμβάνει και άλλα είδη υπηρεσιών όπως το . Στις μέρες μας, ο αριθμός των προϊόντων που αλλάζουν χέρια μέσω διαδικτύου είναι τεράστιος. Συνήθως είναι πιο φθηνό να αγοράσετε κάτι ηλεκτρονικά, παρά να πάτε σε ένα μαγαζί (πιστέψτε με ισχύει!) Θα αγοράζατε ένα άρωμα μέσω internet? Λογικά όχι γιατί θα θέλατε πρώτα να το μυρίσετε κάτι που δεν μπορεί να γίνει διαδικτυακά. Ή μήπως μπορεί? Επίσης πόσο ασφαλής αισθάνεστε όταν στέλνεται πληροφορίες στο internet σχετικά με την πιστωτική σας κάρτα?

204 Ηλεκτρονικό επιχειρείν Το ηλεκτρονικό επιχειρείν συνίσταται στη χρήση τεχνολογιών της πληροφορικής και των τηλεπικοινωνιών στην διαχείριση και την υποστήριξη των δραστηριοτήτων μίας επιχείρησης. Το ηλεκτρονικό επιχειρείν μπορεί να περιλαμβάνει: Επικοινωνία των διαφόρων κλάδων μίας επιχείρησης που βρίσκονται σε διαφορετικές πόλεις με τεχνολογίες video conferencing και VoIP. Ανταλλαγή και voice Διαχείριση εγγράφων μέσω κεντρικών συστημάτων. Ηλεκτρονικές αγορές.

205 Ηλεκτρονική Διακυβέρνηση (e-government) Link διανοµής Νησίδα 1 Νησίδα 2 Νησίδα 3 Νησίδα 4 Νησίδα 5 Νησίδα 6 Κοµβικό Σηµείο (δίκτυο κορµού) Το δίκτυο «ΣΥΖΕΥΞΙΣ» είναι ένα δίκτυο WAN το οποίο έχει ως στόχο να διασυνδέσει έναν μεγάλο αριθμό από φορείς της δημόσιας διοίκησης (3000 φορείς) προσφέροντας διάφορες τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες (VoIP, τηλεσυνδιάσκεψη, κτλ). Στις 5/3/2008, Έλληνες μάρτυρες εξετάστηκαν μέσω τηλεσυνδιάσκεψης από ένα δικαστήριο της Φιλανδίας χωρίς να χρειαστεί να μεταβούν εκεί!

206 Web 2.0 To web 2.0 αναφέρεται στην δεύτερη γενιά σχεδιασμού των διαδικτυακών τόπων που υποστηρίζει τον διαμοιρασμό πληροφορίας και της συνεργασίας μέσω του WWW. Για παράδειγμα αναφέρουμε τα κοινωνικά sites (facebook.com, κτλ), τα blogs, τα wikis και τα site διαμοιρασμού video (youtube.com)

207 Και βέβαια online gaming!

208 Επικοινωνίες δεν χρειάζεστε μόνο εσείς αλλά και ο υπολογιστής σας! Στην αρχιτεκτονική των υπολογιστών χρησιμοποιούμε τις αρτηρίες (buses) για την επικοινωνία των διαφόρων τμημάτων του υπολογιστή (π.χ. μνήμη, CPU, περιφερειακές συσκευές).

209 Παράλληλοι Υπολογιστές ΙΒΜ Roadrunner ο πιο γρήγορος υπολογιστής στον κόσμο! Οι παράλληλοι υπολογιστές αποτελούνται από πολλές CPU οι οποίες όμως πρέπει να είναι διασυνδεδεμένες. Ο IBM roadrunner χρησιμοποιεί το φοβερό και τρομερό Voltaire InfiniBand Grid Director το οποίο μπορεί να διασυνδέει 288 πόρτες με 20Gb/s και συνολική ταχύτητα επεξεργασίας τα 11Tb/s!!!

210 Συστάδες - Clusters Οι συστάδες (clusters) είναι συστήματα τα οποία διασυνδέονται με γρήγορα τοπικά δίκτυα (π.χ. Ethernet). Μπορούν να προσφέρουν υψηλή υπολογιστική ισχύ με σχετικά μικρό κόστος Τα Beowulf cluster φτιάχνονται από υπολογιστές σαν τους δικούς σας!