شبكه هاي كامپيوتري ١ مرور كلي ارائه دهنده دكتر سيد امين حسيني فاكتورهاي طراحي. Electromagnetic Spectrum انواع رسانه انتقال: انواع رسانه انتقال

Transcript

1 مرور كلي Guided medium- wire Unguided medium- - wireless Characteristics and quality determined by medium and signal For guided, the medium is more important For unguided, the bandwidth produced by the antenna is more important Key concerns are data rate and distance شبكه هاي كامپيوتري ١ ارائه دهنده دكتر سيد امين حسيني E.mail: hosseini@um.ac.ir Home page: Electromagnetic Spectrum فاكتورهاي طراحي Bandwidth Higher bandwidth gives higher data rate Transmission impairments Attenuation Interference Number of receivers In guided media More receivers (multi-point) introduce more attenuation انواع رسانه انتقال هدايت گر (سيم) غير هدايت گر (بي سيم) غير هدايت گر: اطلاعات را از طريق امواج الكترومغناطيس درون فضا ارسال مي كنند ماهواره ها مايكروويو زميني راديو ها انواع رسانه انتقال انواع رسانه انتقال: هدايت گر: از يك خط فيزيكي براي ارسال اطلاعات استفاده مي كنند. زوج سيم ها زوح سيم باز زوح سيم بهم تابيده كابل كواكسيال فيبر نوري ١

2 خطوط زوج سيم باز خطوط زوج بهم تابيده Separatly insulated Twisted together Often bundled into cables During construction ساده ترين و اولين رسانه انتقال(ارزان راحتي استفاده مقاومت كم در مقابل جريان) كابل Flat (هر سيم از ديگري جدا است) سيم ها كه بصورت موازي كنار هم قرار مي گيرند لذا حساس به كوپل خازني كه باعث همشنوايي مي شود و اغتشاشات محيطي ) امواج الكترومغناطيسي ( است. نرخ انتقال خيلي كم (چند ده (kbps و فواصل كمتر از 50m براي كم كردن همشنوايي و اثر اغتشاشات محيطي از كابل زوج بهم تابيده استفاده مس شود. Cheap Easy to work with Low data rate Short range كاربرد هاي TP (Twisted Pair Applications) كاربرد هاي TP (Twisted Pair Applications) Most common medium Telephone network Between house and local exchange (subscriber loop) Within buildings To private branch exchange (PBX) For local area networks (LAN) 10Mbps or 100Mbps Limited distance Twisted Pair - Transmission Characteristics Limited bandwidth (1MHz) Limited data rate (100MHz) Susceptible to interference and noise Twisted Pair - Transmission Characteristics Analog Amplifiers every 5km to 6km Digital Use either analog or digital signals repeater every km or 3km ٢

3 Unshielded and Shielded TP Shielded Twisted Pair (STP) Metal braid or sheathing that reduces interference More expensive Harder to handle (thick, heavy) Unshielded and Shielded TP Unshielded Twisted Pair (UTP) Ordinary telephone wire Cheapest Easiest to install Suffers from external electromagnetic interference UTP Categories Cat 5 up to 100MHz Commonly pre-installed in new office buildings Twist length 0.6 cm to 0.85 cm UTP Categories Cat 3 up to 16MHz Voice grade found in most offices Twist length of 7.5 cm to 10 cm Cat 4 up to 0 MHz Category3 Class C UTP Categories Category5 Class D Category5E Category6 Cla s E Category7 Class F Bandwidth 16MHz 100MHz 100MHz 00MHz 600MHz Cable Type UTP UTP/FTP UTP/FTP UTP/FTP SSTP LinkCost (Cat5 =1) Near End Crosstalk Coupling of signal from one pair to another Coupling takes place when transmit signal entering the link couples back to receiving pair i.e. near transmitted signal is picked up by near receiving pair ٣

4 Coaxial Cable Comparison of Shielded and Unshielded Twisted Pair Frequency (MHz) Category3 UTP Attenuation (db per 100 m) Category5 UTP 150-ohm STP Category3 UTP Near-endCrostalk (db) Category5 UTP 150-ohm STP Coaxial Cable Applications Long distance telephone transmission Can carry 10,000 voice calls simultaneously Being replaced by fiber optic Short distance computer systems links Coaxial Cable Applications Most versatile medium Television distribution Ariel to TV Cable TV Local area networks Analog Coaxial Cable - Transmission Characteristics Amplifiers every few km Closer if higher frequency Up to 500MHz Digital Repeater every 1km Closer for higher data rates Copper Wires Coaxial cable(coax) Single wire surrounded by a heavier metal shield Provides barrier to electromagnetic radiation More protection than twisted pair Shielded twisted pair A pair of wires surrounded by a metal shield ۴

5 Glass Fibers Disadvantages Installation requires special equipment Difficult to locate a break in fiber Difficult to repair a broken fiber Glass Fibers Optical fibers uses light to transport data Advantages Use of light eliminates interference Carries of pulse of light much farther Carries more information than wires Requires only a single fiber Optical Fiber - Benefits Optical Fiber Greater capacity Data rates of hundreds of Gbps Smaller size & weight Lower attenuation Electromagnetic isolation Greater repeater spacing 10s of km at least Optical Fiber - Transmission Characteristics Act as wave guide for to Hz Portions of infrared and visible spectrum Light emitting diode (LED) Cheaper Wider operating temp range Optical Fiber - Applications Long-haul trunks Metropolitan trunks Rural exchange trunks Subscriber loops LANs Last longer ۵

6 Optical Fiber Transmission Modes Optical Fiber - Transmission Characteristics Injection laser diode (ILD) More efficient Greater data rate Wavelength division multiplexing Attenuation in Guided Media Wavelength (in vacuum) range (nm) Frequency Utilization for Fiber Applications Frequency Range (THz) Band Label Fiber Type Application 80 to to 333 Multimode LAN 180 to to S Single mode Various 158 to to 19 C Single mode WDM 1561 to to 185 L Single mode WDM The functionality of Fiber is calculated based on wavelength instead frequency If wavelength = 1550nm in vacuum, the frequency is: 8 9 f = c = (3 * ) /(1550 * ) λ f = * 10 = 193.4THz Comparison of Cable Media Transmission Characteristics of Guided Media Cable type Cost Installation Capacity Range EMI Coaxial <STP Inexpensive/ 10 Mbps 185 m <sensitive Thinnet easy typical than UTP Coaxial Thicknet Shielded Twisted-Pair Unshielded Twisted-Pair >STP <fiber >UTP <Thicknet Lowest Easy Fairly easy Inexpensive/ /easy 10 Mbps typical 16 Mbps typical, up to 500 Mbps 10 Mbps typical, up to 100 Mbps 500 m <sensitive than UTP 100 m typical 100 m typical <sensitive than UTP Most sensitive Twisted pair (with loading) Twisted pairs (multi-pair cables) Frequency Range Coaxial cable 0 to 500 MHz Optical fiber 186 to 370 THz Typical Attenuatio n 0 to 3.5 khz 0. 1 khz 0 to 1 MHz khz 7 10 MHz 0. to 0.5 db/km Typical Delay 50 µs/km km 5 µs/km km Repeater Spacing 4 µs/km 1 to 9 km 5 µs/km 40 km Fiber optic Highest Expensive/ difficult 100 Mbps typical 10s of kilometer insensitive ۶

7 Wireless Transmission Wireless Transmission فركانس هاي راديويي 1GHz to ٣٠MHz براي كاربرد هاي يك جهته. فركانس هاي مادون قرمز 14^10* 11^10*3 to براي كاربرد هاي محلي. براي انتقال نقطه به نقطه ملي و چند نقطه اي. سه محدوده فركانسي براي انتقال بي سيم مورد توجه هست. فركانس هاي ماكروويو 1GHz to 40GHz تشعشعات جهت دار امكان پذير هست. براي انتقال نقطه به نقطه بسيار مناسب هست. كاربرد در ارتباطات ماهواره اي آنتن بهره آنتن معياري از جهتي بودن آنتن هست كه به صورت توان خروجي در جهتي خاص در آنتن يك هادي الكتريكي كه براي تشعشع انرژي الكترو مغناطيسي يا براي جمع آوري آن بكار مي رود. آنتن سهموي يا پارابوليك انعكاسي در ماكروويو زميني و كاربردهاي ماهواره استفاده مي شود. اگر منبع انرژي الكترو مغناطيسي در مركز پارابولوئيد قرار گيرد و سطح انعكاسي داشته باشد امواج ماكروويو به موازات محور آن منعكس مي شوند. شكل ص ١٢٦ اضافه كردد. مقايسه با توان توليدي در هر جهت توسط آنتن چند جهته (ايزوتروپيك)تعريف مي 4πAe G = شود. 4π f Ae λ G = 1 v c λ = VT = V = G :بهره آنتن f f C=v : سرعت نور Ae :سطح موثر λ :طول موج F :فركانس حامل سطح موثر يك آنتن ايزوتروپيك ايده آل با بهره توان ١ λ است. 4 π 7A سطح موثر بك آنتن پارابوليك به سطح مقطع A برابر 0.56A و بهره توان است. λ مثال بهره آنتن ماكروويو زميني براي آنتن انعكاسي پارابوليك به قطر m كه در فركانس 1GHz كار مي كند سطح موثر و بهره آنتن را محاسبه كنيد. رايج ترين نوع آنتن نوع پارابوليك است معمولا قطر آن 3m است كه در محلي با ارتفاع بالا ثابت مي شود تا ارسال ديد مستقيم را براي آنتن فراهم سازد. براي انتقال به دور دست يك سري برجهاي تكرار كننده ماكروويو بكار مي رود. ارتباطات نقطه به نقطه به هم وصل مي شوند. سطح : π A = πr^ = سطح موثر: Ae = 0.56A = 0.56 π طول موج: λ=c/f = (3*10^8)/(1*10^9) = 0.05m بهره : = (7π)/(0.05)^ G = 7A/ λ^ = GdB = 10log 3517 = 45.46dB ٧

8 ماكروويو زميني ماكروويو زميني خصوصيات انتقال كاربردها جايگزيني براي كابل كواكسيال تعداد كمتري تكرار كننده در همان مسافت. بطور متداول براي راديو و تلويزيون استفاده مي شود. ارتباط نقطه به نقطه بين ساختمانهاي نزديك براي تلويزيون مدار بسته ارتباط بين شبكه هاي محلي انتقال ماكروويو طيف بزرگي از طيف الكترو مغناطيس را شامل مي شود. رايج ترين باند ارتباطات راه دور باندهاي ٤-٦ گيگا هرتز بعد آن باند ١١ گيگا باند ١٢ گيگا براي تلويزيون كابلي L = 10 log (4πd/λ)^ اتلاف: D فاصله و λ طول موج است. ماكروويو زميني پهناي باند - سرعت تضعيف مسافت ريزش باران بخصوص در فركانسهاي بالاي ١٠ گيگا هرتز تداخل امواج ) بايستي يافته باشد). اختصاص باند فركانسي سازمان عملكرد نوعي ماكروويوي ديجيتال سرعت انتقال( Mbps ( پهناي باند (مگا هرتز ( باند (گيگا هرتز) ١٢ ٧ ٢ ٩٠ ٣٠ ٦ ١٣٥ ٤٠ ١١ ٢٧٤ ٢٢٠ ١٨ ماهواره ها داده هاي مدوله شده از طريق امواج مايكروو از زمين به سمت ماهواره فرستاده مي شوند. اين امواج دريافت و از طريق مدارات خاصي بنام ترانسپوندر به يكسري مقصد هاي مشخص مجدد ارسال مي شود. يك ماهواره ترانسپوندرهاي زيادي دارد كه هر كدام باند فركانسي خاصي را پوشش مي دهند. براي نمونه يك كانال ماهواره داراي پهناي باند زيادي بوده ) حدود ٥٠٠ مگاهرتز )بوده و صدها خط ارتباطي با نرخ داده بالا را به روش تسهيم سازي فراهم مي كند. ماهواره ها در اين حالت ظرفيت قابل دسترس كانال به زير كانالهايي تقسيم مي شود كه هر يك مي تواند خط داده جداگانه اي باشد. براي نمونه يك كانال ماهواره داراي پهناي باند زيادي بوده ) حدود ٥٠٠ مگاهرتز )بوده و صدها خط ارتباطي با نرخ داده بالا را به روش تسهيم سازي فراهم مي كند. در اين حالت ظرفيت قابل دسترس كانال به زير كانالهايي تقسيم مي شود كه هر يك مي تواند خط داده جداگانه اي باشد. ٨

9 ماهواره هاي مخابراتي ثابت ماهواره هاي مخابراتي معمولا ثابت ناميده مي شوند يعني ماهواره همزمان با زمين در هر ٢٤ ساعت يكبار دور زمين گردش مي كند و از اينرو نسبت به زمين ثابت مي باشد. چرخش ماهواره طوري است كه يك مسير ارتباطي مستقيم نسبت به ايستگاه فرستنده و ايستگاهها گيرنده داشته باشد. كاربرد ماهواره ها ماهواره ها بطور گسترده اي در كاربردهاي انتقال داده بكار مي روند: اتصال شبكه هاي كامپيوتري در سطح جهاني با سرعت بالا اتصال شبكه هاي مخابراتي در نقاط مختلف يك كشور زاويه پخش امواج مايكروويو ارسالي از ماهواره مي تواند بزرگ (براي پوشش جغرافيايي بيشتر ( و يا كوچك (براي ناحيه خاص) باشد در حالت دوم توان سيگنال بالا بوده و مي توان از آنتن ها يا ديشهاي با قطر كمتر ) معروف بهVSAT ( نيز استفاده نمود. سيستم ماهواره اي نقطه به نقطه در اين شكل يك مسيرانتقال يك طرفه نشان داده شده اما در بيشتر كاربردهاي پايين بالاو كانالهاي عملي مربوط به هر ايستگاه زميني فركانسهاي متفاوتي دارند. سيستم ماهواره اي نقطه به چند نقطه نوع ديگري از پيكربندي شامل يك ايستگاه هاب زميني است كه با ديگر ايستگاههاي زميني پراكنده در يك كشور ارتباط دارند. معمولا به هر VSAT يك كامپيوتر وصل شده و مي تواند با يك كامپيوتر مركزي متصل به هاب ارتباط داشته باشد. معمولا سايت مركزي روي يك فركانس داده هاي خود را براي همه VSAT ها پخش مي كند در حاليكه در مسير برگشت هر VSAT روي فراكانس جداگانه اي ارسال مي كند. سيستم ماهواره اي نقطه به چند نقطه سيستم ماهواره اي نقطه به چند نقطه براي ارتباط به يك VSAT خاص سايت مركزي پيامي را با قرار دادن مشخصه VSAT مورد نظر در سرآيند پيام پخش مي كند. در كاربردهاي VSAT به VSAT ابتدا همه پيامها از طريق ماهواره به سايت مركزي ارسال شده و سپس از آنجا براي گيرنده هاي مورد نظر پخش مي شود. با نسل جديد ماهواره هاي توان بالا مي توان مسير يابي را بطور مستقيم و بدون انتقال از سايت مركزي ارسال نمود. ارسال VSAT به VSAT امكان پذير است. ٩

10 ماكروويو ماهواره اي ماكروويو ماهواره اي توصيف يك ماهواره مخابراتي يك رله ماكروويو است كه جهت ارتباط دو يا چند فرستنده گيرنده زميني مورد استفاده قرار مي گيرد. ماهواره سيگنالي را در يك باند فركانسي دريافت و تقويت كرده و با فركانس ديگري ارسال مي كند. ماكروويو طيف بزرگي از طيف الكترو مغناطيس را شامل مي شود. توصيف پخش تلويزيون ارتباط تلفني راه دور شبكه هاي تجاري خصوصي استقرار سرتاسري GPS ماكروويو ماهواره اي ماكروويو ماهواره اي خصوصيات انتقال بهترين محدوده فركانسي براي انتقال ماهوارهاي در محدوده ١ تا ١٠ گيگا هرتز است. در كمتر از ١ گيگا هرتز پارازيت هاي زيادي مثل كهكشان ها خورشيد پارازيت هاي جو و غيره وجود دارد. ماهواره ها از باند فركانسي حدود ٥.٩٢٥ تا ٦.٤٢٥ براي ارسال از زمين و از باند ٣.٧ تا ٤.٢ گيگا هرتز براي ارسال از ماهواره به زمين استفاده مي شود. به دليل مسافت زياد از يك فرستنده تا گيرنده يك چهارم ثانيه تاخير داريم. مايكروويو ماهواره اي ذاتا امكان پخش است. در بالاي ١٠ گيگا هرتز سيگنال به شدت جذب جوي و باران تضعيف مي شود. راديو ماكروويو در جهت معيني استفاده ولي راديو در تمام جهات. از فركانس هاي ٣ كيلو تا ٣٠٠ مگا استفاده مي كند. راديو غالبا براي ايجاد ارتباط بي سيم بين كامپيوترهاي توزيع شده بكار مي رود. براي امواج راديويي بالاتر از ٣٠ مگا هرتز يونيسفر شفاف است و از آن عبور مي كند لذا تداخلي از جانب برگشت امواج نداريم. راديو امواج راديويي به دليل طول موج بزرگتر كمتر تضعيف مي شوند زيرا تضعيف از رابطه زير بدست مي آيد. 10log(4Md/λ)dB منبع اصلي تداخل راديويي تداخل چند مسيري است.انعكاس زمين آب يا اشيا بين آنتن ها مسير هاي چندگانه ايجاد مي كند. ١٠

11 راديو در فواصل متوسط بجاي سيم هاي ثابت مي توان از امواج راديوي با فركانس كم و فرستنده هاو گيرنده هاي زميني استفاده نمود. اتصال تعداد زيادي از كامپيوترهاي جمع آوري كننده داده كه در يك محيط روستايي پراكنده هستند و داده هاي خود را به يك ايستگاه ناظر دور ارسال مي كنند اتصال كامپيوترها (يا پايانه ها) داخل شهر كه بخواهند به يك كامپيوتر محلي يا دور متصل شوند. مادون قرمز فرستنده و گيرنده بايد در خط ديد يكديگر باشند و از طريق مستقيم و يا انعكاس سطح نور رنگي مانند سقف اطاق ارسال صورت مي گيرد. تفاوت آن با مايكروويو اين است كه مادون قرمز از ديوار عبور نمي كند نياز به مجوز نيست. راديو غالبا براي ايجاد ارتباط بي سيم بين كامپيوترهاي توزيع شده بكار مي رود. Wireless Propagation Ground Wave انتشار بي سيم امواجي كه از آنتن پخش مي شوند از يكي از سه مسير انتقال زير منتقل مي شوند. موج زميني موج هوايي ديد مستقيم (LOS) Wireless Propagation Line of Sight Wireless Propagation Sky Wave ١١

12 انكسار فيزيك نور سرعت موج الكترو مغناطيس تابعي از چگالي محيطي مي باشد كه نور از آن عبور مي كند. در هوا خلاء شيشه و ديگر محيطهاي شفاف و نيمه شفاف امواج الكترو مغناطيس با سرعت كمتر از 8^10*3=c انتشار مي يابد. وقتي نور از يك محيط با چگالي خا به محيط ديگر با چگالي خاص ديگري وارد مي شود ضمن تغيير سرعتمسير آن ممكن است عوض شود. شكست نور يك پديده اپتيكي است كه در آن نور رسيده از يك منبع نوراني به خاطر تغيير سرعتي كه براي آن در دو محيط با ضريب شكست متفاوت رخ ميدهد دچار تغيير مسير مي شود \ ديد مستقيم نوري و راديويي اگر موانعي وجود نداشته باشد ديد مستقيم نوري به صورت زير است. d = h :d مسافت بين يك آنتن و افق برحسب كيلومتر و h ارتفاع آنتن به متر است. ديد مستقيم و موثر از رابطه زير بدست مي آيد. d = kh K ضريب تنظيم براي احتساب شكست است و برابر 4/3=k است. فاصله دو آنتن براي انتشار مستقيم,h1 h ارتفاع آنتن ها مي باشد. مثال: حداكثر فاصله دو آنتن براي انتقال مستقيم اگر اولي در ارتفاع ١٠٠ متر و دومي روي زمين باشد را بدست آوريد. مثال: آنتن گيرنده ارتفاع ١٠ متر باشد براي رسيدن به همان فاصله ارتفع فرستنده چقدر بايد باشد d = 3.57 kh 1 + kh d = 3.57 kh1 + kh = / 3*100 = 41km 41= 3.57( kh ) 41 kh1 = 13.3 = h1 = 7.84^ /1.33 = 46.m اتلاف فضاي آزاد اتلاف فضاي آزاد: آنتن گيرنده هرچه از فرستنده دورتر باشد توان سيگنال كمتري دريافت مي كند(سيگنال انتقال يافته با فاصله تضعيف مي شود) زيرا سيگنال در سطح وسيع تر و وسيع تري پخش مي شود. اتلاف فضاي آزاد = نسبت توان منتشر شده به توان دريافتي (Pt/Pr) 10log(Pt/Pr) db براي آنتن ايزوتروپيك: براي آنتن ايزوتروپيك: اتلاف فضاي آزاد Pt = Pr (4πd ) λ = (4πfd) c Pt 4πd LdB = 10log( ) = 0log Pr λ = 0log( λ) + 0log( d) dB 4πfd = 0log = 0log( f ) + 0log( d) dB c بهره آنتن و سطح موثر LdB= 0log( λ) + 0log( d) 10log( At* Ar) LdB= 0log( f ) + 0log( d) 10log( At* Ar) dB Pt = Pr (4πd ) λ = (4πfd) c ١٢

13 مثال: اتلاف اتلاف فضاي آزاد اتلاف فضاي آزاد ايزوتروپيك را در 4GHzبراي كوتاه ترين مسير با ماهواره همگام با زمين( ٣٥٨٦٣ كيلومتر ( بدست مي آوريم. در 4GHz طول موج برابر است با: λ = vt = v / f = c / f = (3* 8 10 ) /(4* 9 10 ) = 0.075m LdB= 0log( λ) + 0log( d) LdB= 0log( 0.075) + 0log( *10^6) dB= db بهره انتن و ماهواره 44dbاست, 48db اتلاف فصاي آزادچيست مثال: اتلاف فضاي آزاد توان فرستنده در ايستگاه زمين 50w است توان دريافتي در آنتن ماهواره چيست توان 50 w برابر هست با 4dbw بنابراين توان در گيرنده توان برابر هست =-76.6dBW LdB = = dB جذب اتمسفر Free Space Loss اتلاف ديگري بين آنتن هاي فرستنده و گيرنده جذب جوي است.بخار آب و اكسيژن بيشترين نقش در جذب دارند. باران و مه باعث پخش و پراكندهگي امواج مي شوند. چند مسيري به دليل موانعي احتمالي كه سر راه مبدا و مقصد هستند ممكن است.سيگنال توسط موانع منعكس مي شوند و ممكن است چند سيكنال با تاخير به گيرنده برسد. انكسار از موارد تضعيف مي باشد. ١٣