Ευρυζωνικά δίκτυα (4) Αγγελική Αλεξίου

Transcript

1 Ευρυζωνικά δίκτυα (4) Αγγελική Αλεξίου 1

2 Αποτελεσματική χρήση του φάσματος Πολυπλεξία και Διασπορά Φάσματος 2

3 Αποτελεσματική χρήση του φάσματος Η αποτελεσματική χρήση του φάσματος έγκειται στη βελτιστοποίηση της επίδοσης (μεγιστοποίηση ρυθμού μετάδοσης, βελτιστοποίηση ποιότητας συνδέσμου κλπ) ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος για δεδομένο διαθέσιμο εύρος ζώνης. Για την αποτελεσματική χρήση του φάσματος χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων- πολυπλεξία Για την προστασία από παρεμβολές μπορεί να χρησιμοποιηθεί διασπορά φάσματος Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 3

4 Πολυπλεξία Όταν το εύρος ζώνης του μέσου που υλοποιεί μία σύνδεση είναι μεγαλύτερο από τις ανάγκες σε εύρος ζώνης των συσκευών που συνδέονται, τότε η σύνδεση μπορεί να μοιραστεί. Πολυπλεξία είναι ένα σύνολο τεχνικών που επιτρέπουν την ταυτόχρονη μετάδοση πολλαπλών σημάτων μέσα από την ίδια σύνδεση. Multiplexer (MUX) : many-to-one Demultiplexer (DEMUX) : one-to-many Link (σύνδεση): physical path Channel (κανάλι): χαρακτηρίζει τη μετάδοση μεταξύ πηγής και προορισμού Μία σύνδεση μπορεί να περιλαμβάνει πολλά κανάλια Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 4

5 Πολυπλεξία (2) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 5

6 Πολυπλεξία στη συχνότητα Frequency Division Multiplexing (FDM) Η πολυπλεξία στη συχνότητα συνδυάζει αναλογικά σήματα multiplexing demultiplexing Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 6

7 Frequency Division Multiplexing (2) frequency F 6 F 5 F 4 F 3 F 2 F 1 F 0 Frequency band Guard band Frequency band Guard band Frequency band Guard band Frequency band Τα κανάλια που πολυπλέκονται στη συχνότητα διαχωρίζονται μεταξύ τους με μικρές ζώνες αχρησιμοποίητων συχνοτήτων guard bands- για την αποφυγή επικάλυψης μεταξύ σημάτων διαφορετικών καναλιών. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 7

8 FDM παράδειγμα τηλεφωνικού δικτύου Το κανάλι φωνής καταλαμβάνει 4 khz. Τρία κανάλια φωνής συνδυάζονται σε μία σύνδεση με εύρος ζώνης 12 khz, από 20 στα 32 khz. Υποτίθεται ότι δεν υπάρχουν guard bands. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 8

9 Αναλογική ιεραρχία (Analog Hierarchy) Για να αυξήσουν την αποτελεσματικότητα των υποδομών τους, οι τηλεφωνικές εταιρίεςπολυπλέκουνγραμμέςμικρότερουεύρουςζώνηςσεάλλεςμε πολλαπλάσιο εύρος ζώνης. Στην Αναλογική Ιεραρχία ένα group υποστηρίζει 12 κανάλια φωνής και έχει εύρος 48 khz. Ένα supergroup υποστηρίζει μέχρι 60 κανάλια φωνής και έχει εύρος 240 khz. Ένα master group υποστηρίζει μέχρι 600 κανάλια φωνής και έχει εύρος 2.52 MHz (guard bands προστίθενται μεταξύ των supergroups). Ένα jumbo group αποτελείται από 6 master groups καιέχειεύρος MHz Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 9

10 Πολυπλεξία μήκους κύματος Wavelength Division Multiplexing (WDM) Η πολυπλεξία μήκους κύματος είναι ουσιαστικά ίδια με την FDM με τη διαφορά ότι συνδυάζει οπτικά σήματα που μεταδίδονται μέσα από οπτικές ίνες. Όμοια με την περίπτωση του FDM, συνδυάζονται σήματα διαφορετικών συχνοτήτων, που όμως στην περίπτωση αυτή είναι πολύ υψηλές. Στην πολυπλεξία μήκους κύματος στενές ζώνες φωτός πολυπλέκονται σε μία ευρύτερη ζώνη φωτός. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 10

11 Wavelength Division Multiplexing (2) Η πολυπλεξία μήκους κύματος στον πομπό και η αντίστροφη διαδικασία στο δέκτη μπορούν να υλοποιηθούν με χρήση ενός πρίσματος. Το πρίσμα στρέφει μία ακτίνα φωτός με τρόπο που εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης και τη συχνότητα. WDM χρησιμοποιείται στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα (SONET). Όταν χρησιμοποιείται Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) πολυπλέκονται μεγάλος αριθμός καναλιών πολύ στενού εύρους ζώνης. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 11

12 Wavelength Division Multiplexing (3) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 12

13 Πολυπλεξία στο χρόνο Time Division Multiplexing (TDM) Κατά την πολυπλεξία στο χρόνο τα σήματα (1, 2, 3, 4,..) καταλαμβάνουν τη σύνδεση διαδοχικά. Η διαφορά από τη μεταγωγή (switching) είναι ότι η πληροφορία από την πηγή κατευθύνεται σε ένα συγκεκριμένο και σταθερό προορισμό. Η πολυπλεξία στο χρόνο είναι ψηφιακή και συνδυάζει αριθμό καναλιών μικρότερου ρυθμού διάδοσης σε ένα κανάλι μεγαλύτερου (πολλαπλάσιου) ρυθμού διάδοσης. Ηπολυπλεξίαστοχρόνομπορείναείναισύγχρονη ή στατιστική. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 13

14 Σύγχρονη πολυπλεξία στο χρόνο Synchronous Time Division Multiplexing (TDM) Κατά τη σύγχρονη πολυπλεξία στο χρόνο, η πληροφορία στην είσοδο του MUX διαιρείται σε μονάδες, time slots, διάρκειας T. Στην έξοδο του MUX η πληροφορία διαιρείται σε μονάδες, time slots, διάρκειας T/n, όπου n ο αριθμόςτωνσημάτων. Έτσι μετά την πολυπλεξία η μονάδα, time slot, έχει μικρότερη διάρκεια και συνεπώς μεταδίδεται γρηγορότερα. Για να υπάρχει σταθερή ροή πληροφορίας θα πρέπει ο ρυθμός κάθε σήματος στην έξοδο του MUX να είναι n-φορές μεγαλύτερος από το ρυθμό κάθε σήματος στην είσοδο. Frame: αποτελείται από n time slots, καθεμία για ένα από τα σήματα. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 14

15 Synchronous TDM - παράδειγμα Time slot εισόδου T=1/1Mbps=1μs Time slot εξόδου = ¼ μs Ρυθμός εξόδου 4 Mbps Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 15

16 TDM vs FDM FDM TDM Πλεονεκτήματα Ευκολότερος συγχρονισμός, Φθηνότερο hardware Δεν χρειάζεται φίλτρα ακριβείας, Ψηφιακή διαδικασία Μειονεκτήματα Guard bands αύξηση bandwidth, RF filtering Bandpass φίλτρα, Αναλογική διαδικασία Network-wide συγχρονισμός, Επεξεργασία σήματος και προσαρμοσμένα φίλτρα Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 16

17 Ψηφιακή ιεραρχία (Digital Hierarchy) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 17

18 Ψηφιακή ιεραρχία (Digital Hierarchy) (2) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 18

19 Ψηφιακή ιεραρχία (Digital Hierarchy) (3) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 19

20 Ψηφιακή ιεραρχία (Digital Hierarchy) (4) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 20

21 Στατιστική Πολυπλεξία στο χρόνο Statistical Time Division Multiplexing Δυναμικός τρόπος ανάθεσης χρόνου (time slots) για βέλτιστη χρησιμοποίηση του εύρους ζώνης Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 21

22 Στατιστική Πολυπλεξία στο χρόνο (2) Στη στατιστική πολυπλεξία στο χρόνο, μόνο όταν το σήμα εισόδου διαθέτει πληροφορία ίση με ένα time slot του ανατίθεται time slot στην έξοδο του MUX. Οαριθμόςτωνtime slots σε κάθε frame είναι γενικά μικρότερος από τοναριθμότωνσημάτωνστηνείσοδο. Ο MUX ελέγχει την είσοδο κάθε σήματος με τρόπο round-robin και αναθέτει time slots αν υπάρχει πληροφορία, διαφορετικά προχωρά στο επόμενο σήμα. Δεν απαιτείται συγχρονισμός αλλά διευθυνσιοποίηση. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 22

23 Διασπορά Φάσματος Spread Spectrum Spread spectrum: Το εύρος ζώνης που ανατίθεται σε κάθε σταθμό πρέπει να είναι κατά πολύ μεγαλύτερο από αυτό που χρειάζεται (redundancy). Η διασπορά του φάσματος από το αρχικό του σήματος στο τελικό μετά τη διασπορά πρέπει να είναι μια διαδικασία ανεξάρτητη από το αρχικό σήμα. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 23

24 Διασπορά Φάσματος Spread Spectrum (2) Narrowband Interference Narrowband Filter Data Signal with Spreading ISI Other SS Users Original Data Signal Other SS Users ISI Modulated Data Receiver Input Demodulator Filtering FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) «άλματα» από συχνότητα σε συχνότητα με ψευδοτυχαίο τρόπο. Ο δέκτης ακολουθεί τα ίδια άλματα συγχρονισμένα και με τον ίδιο ψευδοτυχαίο τρόπο DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Πολλαπλασιασμός ψευδοτυχαίων bits ( chips ) με πληροφορία. Ο δέκτης πολλαπλασιάζει με την ίδια ακολουθία. Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 24

25 Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) Pseudorandom Noise (PN) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 25

26 FHSS cycles Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 26

27 FHSS bandwidth sharing Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 27

28 Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 28

29 Spreading Factor and Processing Gain Spreading Factor S = T T S C Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 29

30 Spreading Factor and Processing Gain (2) Coherent addition of SF chips per symbol with power C Random addition of SF chips per symbol with power I Signal to interference ratio after despreading Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 30

31 DS/CDMA - Πομποδέκτης Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 31

32 DS/CDMA Πολλαπλή πρόσβαση Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 32

33 DS/CDMA - Πολλαπλή πρόσβαση (2) Παρεμβολή Ιδιότητα κώδικα Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 33

34 DS/CDMA - Πολλαπλή πρόσβαση (3) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 34

35 DS/CDMA Near-far effect Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 35

36 DS/CDMA - Near-far effect (2) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 36

37 DS/CDMA - Διασκορπισμός Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 37

38 DS/CDMA Channelization Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 38

39 DS/CDMA - Channelization (2) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 39

40 DS/CDMA - Channelization (3) Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 40

41 DS/CDMA - Scrambling Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 41

42 DS/CDMA Ευρυζωνικά Δίκτυα Α. Αλεξίου 42