AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ. Δίκτυα Υπολογιστών. Διάλεξη 2: Επίπεδο 1 «φυσικό στρώμα»

Transcript

1 AEI Πειραιά Τ.Τ. Τμ. Μηχ/κων Αυτοματισμού ΤΕ Δίκτυα Υπολογιστών Διάλεξη 2: Επίπεδο 1 «φυσικό στρώμα»

2 Φυσικό στρώμα: Προσδιορίζει τις φυσικές διεπαφές των συσκευών Μηχανικό Ηλεκτρικό Λειτουργικό Διαδικαστικό

3 Ορολογία (1) Πομπός -Transmitter Δέκτης- Receiver Μέσο- Medium Καθοδηγούμενα μέσα -Guided medium Π.χ. Συνεστραμένα ζεύξη, οπτική ίνα Μη καθοδηγούμενα μέσα - Unguided medium Π.χ. Αέρας, νερό, κενό

4 Ορολογία (2) Μονόδρομη Π.χ. Television Ημιαμφίδρομη Οποιαδήποτε κατεύθυνση, αλλά μόνο σε μια κατεύθυνση τη φορά Πλήρως αμφίδρομο Και στις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα

5 Καθοδηγούμενα μέσα (Ι) (a) Category 3 UTP (b) Category 5 UTP. Ομοαξονικό καλώδιο

6 Καθοδηγούμενα μέσα (ΙΙ)- οπτική ίνα (a) Side view of a single fiber. (b) End view of a sheath with three fibers.

7 Οι προδιαγραφές του Gigabit Ethernet Φυσικό στρώμα (log scale)

8 Μη καθοδηγούμενα μέσα (Ι)

9 Μη καθοδηγούμενα μέσα (ΙI)- το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα The electromagnetic spectrum and its uses for communication.

10 Μη καθοδηγούμενα μέσα (ΙΙ) (a) In the VLF, LF, and MF bands, radio waves follow the curvature of the earth. (b) In the HF band, they bounce off the ionosphere.

11 Μη καθοδηγούμενα μέσα (ΙΙΙ) Δορυφορικές επικοινωνίες

12 Communication Satellites Communication satellites and some of their properties, including altitude above the earth, round-trip delay time and number of satellites needed for global coverage.

13 Common Name HSPA+ LTE 3G Data Primary Use General 4G Radio Tech CDMA/FDD MIMO OFDMA/MIMO/SC- FDMA Downstream (Mbit/s) 100 Cat3 150 Cat4 300 Cat5 (in 20 MHz FDD) [1] Upstream (Mbit/s) 50 Cat3/4 75 Cat5 (in 20 MHz FDD) [1] Notes HSPA+ is widely deployed. Revision 11 is expected to have a throughput capacity of 672 Mbit/s. 1 Gbit/s fixed speeds and 100 Mb/s to mobile users. WiMax rel 1 WirelessMAN MIMO-SOFDMA 37 (10 MHz TDD) 17 (10 MHz TDD)With 2x2 MIMO. WiMAX rel 2 WirelessMAN MIMO-SOFDMA 2x2 MIMO 110 (20 MHz TDD) 183 (2x20 MHz FDD) 4x4 MIMO 219 (20 MHz TDD) 365 (2x20 MHz FDD) HIPERMAN Mobile Internet OFDM 56.9 Wi-Fi Mobile Internet OFDM/MIMO UMTS W-CDMA HSPA (HSDPA+HSUPA) General 3G CDMA/FDD CDMA/FDD/MIMO (using 4x4 configuration in 20 MHz bandwidth) or 600 (using 4x4 configuration in 40 MHz bandwidth) x2 MIMO 70 (20 MHz TDD) 188 (2x20 MHz Also, low mobility users FDD) can aggregate multiple 4x4 MIMO channels to get a 140 (20 MHz download throughput of TDD) up to 1 Gbit/s [2] 376 (2x20 MHz FDD) Antenna, RF front end enhancements and minor protocol timer tweaks have helped deploy long range P2P networks compromising on radial coverage, throughput and/or spectra efficiency (310 km & 382 km) Typical downlink rates today 2 Mbit/s, ~200 kbit/s uplink; HSPA+ downlink up to 56 Mbit/s.

14 Some of the wireless standards Allocated frequencies Standard Frequencies Spectrum Type UMTS FDD UMTS-TDD CDMA2000 (inc. EV-DO, 1xRTT) 850 MHz, 900 MHz, 2.0, 1.9/2.1, 2.1, and 1.7/2.1 GHz 450, 850 MHz, 1.9, 2, 2.5, and 3.5 GHz [4] 2 GHz 450, 850, 900 MHz 1.7, 1.8, 1.9, and 2.1 GHz Licensed Licensed (Cellular, 3G TDD, BRS/IMT-ext, FWA) Unlicensed (see note) Licensed (Cellular/PCS/3G/AWS) EDGE/GPRS 850 MHz, 900 MHz, 1.8 GHz, and 1.9 GHz Licensed (Cellular/PCS/PCN) iburst 1.8, 1.9, and 2.1 GHz Licensed Flash-OFDM 450 and 870 MHz Licensed Bluetooth/BLE 2.4 GHz Unlicensed ISM Low Rate WPAN ( ) 868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz Unlicensed ISM WiFi (802.11) 2.4, 3.6, 4.9, 5.0, 5.2, 5.6, 5.8, 5.9 and 60 GHz Unlicensed ISM WiMax (802.16e) 2.3, 2.5, 3.5, 3.7, and 5.8 GHz Licensed Data rates range from M to Gbps and Reach from to 150m Wireless USB, UWB 3.1 to 10.6 GHz Unlicensed Ultrawideband VEmesh* 868 MHz, 915 MHz, and 953 MHz Unlicensed ISM EnOcean* MHz Unlicensed ISM

15 Σήματα μετάδοσης Εννοιες του πεδίου του χρόνου Αναλογικό σήμα Συνεχές σήμα του οποίου η ένταση μεταβάλλεται ομαλά στο χρόνο Ψηφιακό σήμα Διατηρεί ένα σταθερό επίπεδο για ένα διάστημα και μετά μεταβαίνει σε ένα άλλο επίπεδο Περιοδικό σήμα Ένα μοτίβο (Pattern) επαναλαμβάνεται στο χρόνο Μη περιοδικό σήμα

16 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα

17 Αναλογικά και ψηφιακά σήματα Το μέσο που μεταφέρει διαδίδει δεδομένα Αναλογικά Συνεχώς μεταβαλλόμενα Ταξιδεύουν σε διάφορα μέσα όπως καλώδιο, οπτική ίνα, κενό Εύρος ζώνης φωνής 100Hz to 7kHz Εύρος ζώνης τηλεφώνου 300Hz to 3400Hz Εύρος ζώνης Video 4MHz Ψηφιακά Χρησιμοποιούν δύο συνεχείς (DC) συνιστώσες

18 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των ψηφιακών Φτηνότερα Λιγότερο ευάλωτα στο θόρυβο Μεγαλύτερη εξασθένιση Οι παλμοί στρογγυλοποιούνται και γίνονται μικρότεροι με αποτέλεσμα απώλεια πληροφορίας

19 Αναλογική μετάδοση Αναλογικά σήματα μπορούν να μεταδοθούν ανεξάρτητα από το αν τα δεδομένα είναι ψηφιακά ή αναλογικά Εξασθενούν με την απόσταση Χρησιμοποιούνται ενισχυτές για την «ενίσχυση» του σήματος Μόνο που οι ενισχυτές ενισχύουν και το θόρυβο

20 Ψηφιακή μετάδοση Χρησιμοποιούνται αναμεταδότες οι οποίοι Λαμβάνουν το σήμα Αναγνωρίζουν την αλληλουχία ψηφίων Αναμεταδίδουν Οπότε αντιμετωπίζεται η εξασθένιση (δεν ενισχύεται ο θόρυβος) και επιτυγχάνεται ακεραιότητα δεδομένων

21 Περιοδικά σήματα

22 Κυματομορφή ημιτόνου Μέγιστο πλάτος (A) volts Συχνότητα (f) Εκφράζεται σε Hertz (Hz) or cycles per second Περίοδος = χρόνος επανάληψης (T) T = 1/f Φάση ( ) Σχετική θέση στο χρόνο

23 Ημιτονικά κύματα s(t) = A sin(2 ft + )

24 Διαμόρφωση (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation

25 Έννοιες πεδίου συχνότητας Αποδεικνύεται με βάση την ανάλυση Fourier ότι: Κάθε σήμα μπορεί να εκφραστεί ως άθροισμα πολλών συνιστωσών Οι συνιστώσες είναι ημιτονικά σήματα => Οπότε μπορούν να παρασταθούν ως συναρτήσεις της συχνότητας

26 Πρόσθεση συνιστωσών συχνότητας (T=1/f)

27 Σήμα με συνεχή συνιστώσα

28 Frequency Division Multiplexing (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (b) The multiplexed channel.

29 Wavelength Division Multiplexing

30 Time Division Multiplexing

31 Time Division Multiplexing (2) Multiplexing T1 streams into higher carriers.

32 Time Division Multiplexing (3) SONET and SDH multiplex rates.

33 GSM Global System for Mobile Communications GSM uses 124 frequency channels, each of which uses an eight-slot TDM system

34 Advanced Mobile Phone System (a) Frequencies are not reused in adjacent cells. (b) To add more users, smaller cells can be used.

35 Βλάβες κατά τη μετάδοση Το σήμα που λαμβάνεται μπορεί να διαφέρει από αυτό που μεταδόθηκε (εστάλη) Στα αναλογικά => υποβάθμιση της ποιότητας του σήματος Στα ψηφιακά => λάθη σε bit Προκαλούνται από Εξασθένιση και παραμόρφωση εξασθένισης Παραμόρφωση καθυστέρησης Θορύβους

36 Τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής μετάδοσης Χαμηλό κόστος τεχνολογίας (LSI/VLSI) Ακεραιότητα δεδομένων(μεγαλύτερες αποστάσεις) Χρησιμοποίηση χωρητικότητας καναλιού Οικονομική χρήση των ζεύξεων λόγω δυνατότητας πολύπλεξης Ασφάλεια και ιδιωτικότητα (Privacy) με κρυπτογράφηση

37 Εξασθένιση Η ισχύς του σήματος μειώνεται με την αντίσταση ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο μέσο μετάδοσης Η λαμβανόμενη ισχύς πρέπει να είναι αρκετή για να ανιχνεύεται από τη συσκευή του δέκτη Αρκετά μεγαλύτερη από την ισχύ του θορύβου για να λαμβάνεται η πληροφορία χωρίς λάθη Η εξασθένιση αυξάνει με την συχνότητα

38 Θόρυβος (1) Σήματα που προστίθενται στο μεταδιδόμενο σήμα μεταξύ πομπού και δέκτη Πηγές θορύβου Θερμικός Λόγω θερμικής αναταραχής των ηλεκτρονίων Είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας Κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το φάσμα (λευκός θόρυβος) Θόρυβος ενδοδιαμόρφωσης Οφείλεται στη μετάδοση σημάτων διαφορετικής συχνότητας στο ίδιο μέσο

39 Θόρυβος (2) Συνακρόαση Το σήμα από μιά γραμμή λαμβάνεται και από άλλη Οφείλεται σε ηλεκτρική επαγωγή μεταξύ κοντινών συνεστραμμένων ζευγών Κρουστικός θόρυβος Είναι μη συνεχής, αποτελείται από ανώμαλους παλμούς Π.χ. Εξωτερική ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή Μικρής διάρκειας Μεγάλου πλάτους

40 Χωρητικότητα καναλιού Ρυθμός δεδομένων Εκφράζεται σε bits per second, bps Είναι η ταχύτητα επικοινωνίας δεδομένων Εύρος ζώνης Εκφράζεται σε κύκλους ανά second ή Hertz Περιορίζεται από τις συσκευές μετάδοσης και το μέσο διάδοσης

41 Θεώρημα Nyquist για το εύρος ζώνης σε κανάλι χωρίς θόρυβο Εάν ο ρυθμός μετάδοσης σήματος είναι 2B, τότε σήμα συχνότητας B είναι αρκετό για να μεταφέρει το σήμα πληροφορίας Αντίστροφα, με δεδομένο εύρος ζώνης B, η υψηλότερη ταχύτητα σήματος που επιτυγχάνεται είναι 2B Για ψηφιακό σήμα, ο ρυθμός δεδομένων που υποστηρίζεται από B Hz είναι 2B bps Μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας σήμα πολλαπλών επιπέδων, οπότε ο τύπος της χωρητικότητας γίνεται C= 2B log 2 M

42 Ο τύπος της χωρητικότητας του Shannon Θεωρούμε κανάλι με θόρυβο Υψηλότερη ταχύτητα δεδομένων συνεπάγεται στενότερο παλμό, οπότε μια έκρηξη θορύβου επηρρεάζει μεγαλύτερο αριθμό από bits => Για συγκεκριμένο επίπεδο θορύβου, υψηλότερη ταχύτητα δεδομένων συνεπάγεται μεγαλύτερο ρυθμό λαθών Θεώρημα: Για σηματοθορυβικό λόγο σε decibels SNR db= 10 log 10 (signal/noise), η χωρητικότητα του καναλιού απαλλαγμένη από λάθη είναι C=B log 2 (1+SNR)

43 Φάσμα και εύρος ζώνης Φάσμα Το Πεδίο των συχνοτήτων που περιέχει ένα σήμα Απόλυτο εύρος ζώνης Πλάτος του φάσματος Ενεργό εύρος ζώνης Συχνά αποκαλείται απλά εύρος ζώνης (bandwidth) Περιοχή συχνοτήτων που περιλαμβάνει τις συχνότητες που περικλείουν την περισσότερη ενέργεια Συνεχής συνιστώσα (DC Component) Συνιστώσα μηδενικής συχνότητας

44 Ρυθμός δεδομένων και εύρος ζώνης Οποιοδήποτε σύστημα μετάδοσης έχει μια περιορισμένη περιοχή συχνοτήτων => Αυτή περιορίζει το ρυθμό δεδομένων που μπορεί να υποστηριχθεί

45 Ασκήσεις Σε μία ζεύξη 10km ρυθμού 2Mbps στέλνονται πλαίσια των 1000bit 1. Όταν φεύγει το τελευταίο bit που έχει φτάσει το πρώτο; 2. Πόσα πλαίσια χωράνε στη ζεύξη μετ επιστροφής; 3. Εάν η ταχύτητα ανεβεί στα 2 Gbps, πώς αλλάζουν τα 1 και δύο ανωτέρω; Λύση To 1000o bit μεταδίδεται μετά από 1000b/2Mbps=0,5*10-3 s Tη στιγμή εκείνη, υποθέτοντας ότι διαδίδεται με 2*10 8 m/s, το πρώτο bit έχει διανύσει 2*10 8 m/s*0,5*10-3 s=10 5 m=100km δηλαδή έχει φτάσει στον δέκτη

46 Ασκήσεις Ένα σύστημα επικοινωνιών απαρτίζεται από τρεις ζεύξεις δύο ασύρματες στα άκρα και μία οπτική που τις διασυνδέει. Πόσος είναι ο χρόνος για να φθάσει ένα πλήρες πλαίσιο 1000 bit στον τελικό σταθμό εάν η μετάδοση δεν μπορεί να αρχίσει χωρίς να βρίσκεται όλο το πλαίσιο στον ταμιευτήρα; Εάν και η μεσαία ζεύξη γίνει 10 Kbps πόσος γίνεται ο ανωτέρω χρόνος;