Curs 5 Cap 3. Nivelul fizic 3.2. Medii de transimisie 3.2.1. Tipuri de medii de transmisie Scopul nivelului fizic: transportul datelor de la o maşină la alta Medii directive (Guided - wire) Medii nedirective (Unguided - wireless) Caracteristicile şi calitatea sunt determinate de mediul şi semnalele transmise Corneliu Zaharia 2 Corneliu Zaharia Alegerea mediilor de transmisie Spectrul electromagnetic Lăţimea de bandă Imperfecţiuni ale transmisiei Interferenţe Numărul de receptoare Costuri Întârzieri Uşurinţă de instalare şi utilizare Distanţa de transmisie 3 Corneliu Zaharia 4 Corneliu Zaharia 1
Medii directive Medii magnetice Perechi torsadate (Twisted Pair) Cablu coaxial Fibră optică Medii magnetice Foarte folosite Nesofisticată Eficient din punct de vedere al costurilor Exemplu Ultrium tape 200GB/400USD 400Gbps 1GB/3 cenţi 5 Corneliu Zaharia 6 Corneliu Zaharia Caracteristici ale mediilor directive A. Perechi torsadate Perechi torsadate Perechi torsadate Domeniul de frecvenţe Atenuare tipică 0 to 3.5 khz 0.2 db/km @ 1 khz 0 to 1 MHz 0.7 db/km @ 1 khz Întârziere tipică 50 µs/km 2 km 5 µs/km 2 km Distanţa între repetoare Cablu coaxial 0 to 500 MHz 7 db/km @ 10 MHz Fibră optică 186 to 370 THz 0.2 to 0.5 db/km 4 µs/km 1 to 9 km 5 µs/km 40 km (a) Cat 3 UTP. (b) Cat 5 UTP. 7 Corneliu Zaharia 8 Corneliu Zaharia 2
Perechi torsadate - caracteristici Izolate separat De obicei grupate în cabluri Preinstalate în clădiri la construcţie Suportă până la 10Mbps la 100m Diafonia prin cuplj capacitiv - mică Perechi torsadate - aplicaţii Cel mai folosit mediu Reţele telefonice Între abonat şi oficiu În interiorul clădirilor Reţele private Local area networks (LAN) 10Mbps or 100Mbps 9 Corneliu Zaharia 10 Corneliu Zaharia Perechi torsadate pro şi contra Ieftin Uşor de folosit Rata de transfer mică Distanţă mică de interconectare Caracteristicile transmisiei Analog Amplificatoare la 5km - 6km Digital Folosind semnale digitale sau analogice Repetoare la 2km - 3km Limitat în distanţă Limitat în bandă de trecere (10MHz) Limitat în rata de transfer (100MHz) Afectată de zgomot şi interferenţe 11 Corneliu Zaharia 12 Corneliu Zaharia 3
Diafonia Cuplaj între 2 perechi Ex.: semnalul de transmis e lângă semnalul recepţionat Perechi torsadate ecranate/neecranate Neecranate - Unshielded Twisted Pair (UTP) Linia telefonică Cea mai iefnină Uşor de instalat Influenţată de interferenţe electromagnetice Ecranate - Shielded Twisted Pair (STP) Înveliş metalic pentru reducerea interferenţelor Mai scumpă Mai greu de folosit (grea, groasă) 13 Corneliu Zaharia 14 Corneliu Zaharia Categorii UTP Cat 3 Până la 16MHz Folosit pentru voce în mojoritatea clădirilor Lungimea de torsadare: 7.5 cm la 10 cm Cat 4 Până la 20 MHz Cat 5 Până la 100MHz Folosită în clădirile noi Lungimea de torsadare: 0.6 cm la 0.85 cm Cat 5E (Enhanced) Cat 6 Cat 7 Categorii UTP Category 3 Class C Category 5 Class D Category 5E Category 6 Class E Category 7 Class F Bandwidth 16 MHz 100 MHz 100 MHz 200 MHz 600 MHz Cable Type UTP UTP/FTP UTP/FTP UTP/FTP SSTP Link Cost (Cat 5 =1) 0.7 1 1.2 1.5 2.2 15 Corneliu Zaharia 16 Corneliu Zaharia 4
Comparaţie UTP-STP Atenuare (db per 100 m) Diafonie (db) B. Cablul coaxial Frecvenţă (MHz) Category 3 UTP Category 5 UTP 150-ohm STP Category 3 UTP Category 5 UTP 150-ohm STP 1 2.6 2.0 1.1 41 62 58 4 5.6 4.1 2.2 32 53 58 16 13.1 8.2 4.4 23 44 50.4 25 10.4 6.2 41 47.5 100 22.0 12.3 32 38.5 300 21.4 31.3 17 Corneliu Zaharia 18 Corneliu Zaharia Cablul coaxial - aplicaţii Cel mai versatil mediu Distribuţie TV Antenă la TV Cablu TV Transmisie telefonică la distanţă Poate transporta până la 10.000 convorbiri telefonice simultan Înlocuit de fibră optică Legătură între calculatoare la distanţă mică LAN Caracteristicile transmisiei Analog Amplificatoare la fiecare câţiva kilometri Mai aproape la frecvenţe mai mari Până la 500 MHz Digital Repetoare la fiecare 1km Mai aproape la rate de transfer mai mari 19 Corneliu Zaharia 20 Corneliu Zaharia 5
C. Fibra optică Fibra optică (a)3 exemple de reflexie. (b) Fascicol cu reflexie totală. 21 Corneliu Zaharia 22 Corneliu Zaharia Fibra optică avantaje Capacitate mare Rate de transmisie de sute de Gbps Dimensiuni şi greutate scăzute Atenuare mică Izolată electromagnetic Repetoare mai rare Fibra optică aplicaţii Transmisie pe distanţe lungi MAN LAN Legături rurale 23 Corneliu Zaharia 24 Corneliu Zaharia 6
Caracteristici ale transmisiei Funcţionează ca ghid de undă pentru 10 14 la 10 15 Hz Tipuri de transmiţător Light Emitting Diode (LED) Injection Laser Diode (ILD) Wavelength Division Multiplexing Tipuri de emiţător 25 Corneliu Zaharia 26 Corneliu Zaharia Moduri de transfer Atenuarea funcţie de frecvenţă 27 Corneliu Zaharia 28 Corneliu Zaharia 7
Frecvenţe utilizate Wavelength (in vacuum) range (nm) Frequency range (THz) Band label Fiber type Application 820 to 900 366 to 333 Multimode LAN 1280 to 1350 234 to 222 S Single mode Various Tipuri de conectare Conectori 10-20% pierderi Lipire mecanică 10% pierderi Muncitor calificat Topire 1528 to 1561 196 to 192 C Single mode WDM 1561 to 1620 185 to 192 L Single mode WDM 29 Corneliu Zaharia 30 Corneliu Zaharia Exemplu de reţea cu FO Repetoare active 31 Corneliu Zaharia 32 Corneliu Zaharia 8
Transmisii wireless spectrul Frecvenţe utilizate 2GHz - 40GHz Microunde Foarte directive Punct la punct sateliţi 30MHz - 1GHz Omnidirecţional Radio 3 x 10 11-2 x 10 14 Infraroşu Local 33 Corneliu Zaharia 34 Corneliu Zaharia Antene Conductori electrici care radiază/colectează radiaţia electromagnetică La transmisie Energia primită de la transmiţător Convertită în energie electromagnetică Radiată în mediu La recepţie Energia electromagnetică captată de antenă Convertită în energie electrică Transmisă la receptor De obicei aceeaşi antenă pentru ambele direcţii Caracteristica de directivitate Puterea radiată în toate direcţiile Nu cu aceleaşi performanţe în toate direcţiile Antena isotropică Radiază în toate direcţiile la fel Caracteristica de directivitate sferică 35 Corneliu Zaharia 36 Corneliu Zaharia 9
Antene parabolice Pentru microunde terestre şi sateliţi Parabola locul geometric al punctelor egal depărtate de o linie şi un punct Punctul este focar Sursele palsate în focar produc fascicule reflectate paralel La recepţie, semnalul se concentrează în focar Antene parabolice 37 Corneliu Zaharia 38 Corneliu Zaharia Câştigul antenei Măsoară directivitatea antenei Puterea pe o direcţie comparată cu cea a unei antene isotropice Măsurată în decibeli (db) Rezultă în pierderi de putere în alte direcţii Microunde terestre Antene parabolice Vedere directă Comunicaţii la mare distanţă de mare capacitate Frecvenţe mai mari rate de transfer mai mari 39 Corneliu Zaharia 40 Corneliu Zaharia 10
Sateliţi Satelitul funcţionează ca releu Recepţioneză pe o frecvenţă, amplifică/repetă semnalul şi transmite pe altă frecvenţă Necesită orbită geostaţionară Înălţime de 35.784km TV Telefonie la distanţă Reţele private Comunicaţii punct la punct 41 Corneliu Zaharia 42 Corneliu Zaharia Comunicaţii multipunct VSAT Very Small Aperture Terminals 43 Corneliu Zaharia 44 Corneliu Zaharia 11
Benzi de frecvenţă folosite Broadcast radio Omnidirecţional Radio FM Televiziune UHF şi VHF Vedere directă Suferă datorită reflexii 45 Corneliu Zaharia 46 Corneliu Zaharia Infraroşu Modulaţie a luminii infraroşii necoerente Vedere directă (sau reflexie) Blocat de ziduri Ex.: telecomanda TV, port IRD Propagarea wireless 3 tipuri de rute Ground wave Urmăresc conturul pământului Până la2mhz Radio AM Sky wave Radio-amatori, BBC, Vocea Americii Semnal reflectat de ionosferă (de fapt refractată) Vedere directă Peste 30Mhz Poate fi mai mult decât vederea directă optică 47 Corneliu Zaharia 48 Corneliu Zaharia 12
Ground Wave Propagation Sky Wave Propagation 49 Corneliu Zaharia 50 Corneliu Zaharia Line of Sight Propagation Refracţia Viteza de transmisie se modifică cu densitatea mediului Indexul de refracţie relativ se modifică cu lungimea de undă Se poate modifica direcţia de transmisie gradual 51 Corneliu Zaharia 52 Corneliu Zaharia 13
Orizontul radio şi optic Vederea directă Dispersie cu distanţa Mai mult la frecvenţe mai joase Absorbţie atmosferică apa mai mult peste 22GHz, mai puţin sub 15GHz oxigenul mai mult peste 60GHz, mai puţin sub 30GHz Ploaia şi ceaţa afectează transmisiile radio Căi multiple Mai bine vederea directă Pot fi mai multe copii recepţionate Refracţia Poate duce la pierderi parţiale sau totale a semnalului recepţionat 53 Corneliu Zaharia 54 Corneliu Zaharia Interferenţa datorită căilor multiple 3.2.2. Caracteristici ale mediilor de transmisie A. Atenuarea Dependentă de mediu Dependentă de distanţă Creşte cu frecvenţa 55 Corneliu Zaharia 56 Corneliu Zaharia 14
Caracteristica de transfer a mediului de transmisie Sisteme trece jos Sisteme trece bandă a a Caracteristica tip cosinus ridicat Aproximează caracteristica ideală T,0 ω ωn (1 α) X ( ω ) = T T, ωn (1 α) < ω ωn (1 + α) 1 sin ( ω ω ) 2 N 2α 0 f 0 Fo f sin x( t) = πt / T ( πt / T ) cos( απt / T ) 1 4α t 2 2 / T 2 Compensarea atenuării repetoare sau amplificatoare 57 Corneliu Zaharia 58 Corneliu Zaharia Caracteristica tip cosinus ridicat Interferenţa simbolurilor alăturate este nulă B.Distorsiunea de întârziere de grup dφ( ω) tg = dω tg tg 0 f 0 B f B Ideal Real 59 Corneliu Zaharia 60 Corneliu Zaharia 15
C. Teorema Nzquist Limitarea benzii, debit binar maxim (capacitatea canalului Pentru un canal de transmisie de bandă B, frecvenţa de referinţă a impulsurilor este 2B Pentru un canal de transmisie de bandă B Hz, se pot transmite maxim 2B bps. Teorema Nyquist Dacă semnalele au M nivele diferite: C=2Blog 2 M Ex: Modem cu 8 faze M = 8 B = 300Hz 3,4kHz C = 18,6 kbps 61 Corneliu Zaharia 62 Corneliu Zaharia Formula Shanon Dacă apare zgomot, capacitatea canalului se reduce Expresia Shanon-Hartley C=B log 2 (1+SNR) Ex: Linie telefonică normală SNR = 20dB B = 300Hz 3,4kHz C = 19,9 kbps Diafonia Perturbarea reciprocă a unor canale adiacente Compensator adaptiv pentru diafonia de capăt apropiat 63 Corneliu Zaharia 64 Corneliu Zaharia 16
Problema ecoului Sistem diferenţial Ideal atenuare transversală infinită Real, atenuare finită Apare la canale de transmisie foarte lungi La transmisii de date Modem cu compensatori de ecou 65 Corneliu Zaharia Sfârşit curs 5 Am discutat Medii de transmisie Directive Magnetice, Perechi torsadate, cablu coaxial, fibra optica Nedirective Frecvenţe, antene, microunde terestre, sateliţi, radio, infraroşu Caracteristici ale mediilor de transmisie Atenuarea Distorsiunea de grup Teorema Nyquist Formula Shanon Diafonia Ecoul Cursul 6: Moduri de transmisie a semnalelor 66 Corneliu Zaharia 17