Sieci komputerowe (cz.3) Warstwa fizyczna Teoretyczne podstawy komunikacji cyfrowej kryterium Nyquista kryterium Shannona Typy kanałów komunikacyjnych

Teoretyczne podstawy komunikacji cyfrowej Analiza Fouriera Sygnały o ograniczonym paśmie Pojemność kanału (maksymalna szybkość transmisji danych w kanale)

Sygnały periodyczne składają się z harmonicznych – to jest istota rozkładu sygnału periodycznego w szereg Fouriera

Szereg Fouriera częstotliwość podstawowa

Sygnały o ograniczonym paśmie Sygnał binarny i amplitudy (pierwiastki z wartości średniokwadratowych) jego składowych harmonicznych w rozkładzie w szereg Fouriera (b) – (c) Kolejne aproksymacje sygnału oryginalnego

Sygnały o ograniczonym paśmie (cd.) (b) – (c) Dalsze aproksymacje sygnału oryginalnego

Sygnały o ograniczonym paśmie (cd.) Zależność między przepustowością kanału a harmonicznymi

Maksymalna szybkość transmisji danych – pojemność kanału komunikacyjnego Kryterium Nyquista (1924) (określa pojemność kanału, w którym nie występują szumy) pojemność kanału C = 2H log 2 V gdzie H = pasmo kanału, a V = liczba poziomów w sygnale dyskretnym np. V=2 (oznacza to, że w sygnale występują dwa poziomy dyskretne, 0 i 1)

Maksymalna szybkość transmisji danych – pojemność kanału komunikacyjnego (cd.) Kryterium Shannona (1948) (określa pojemność kanału, w którym występują szumy); podawana jest wtedy nierówność C < H log 2 [ 1 + S/N ] gdzie S/N = moc sygnału/moc szumu Interpretacja: jeżeli pojemność kanału spełnia powyższą nierówność, to ewentualne błędy (przekłamania) bitów dają się skorygować.

Media transmisyjne, które są ośrodkami fizycznymi, w których rozchodzi się sygnał (ang. guided media) media magnetyczne kabel telekomunikacyjny zwany skrętką (ang. twisted pair) kabel telekomunikacyjny współosiowy (ang. coaxial cable światłowody

Skrętka (a) skrętka kategorii 3 UTP (b) skrętka kategorii 5 UTP

Wzięto z:

Szczegółowe dane firmowe

Telekomunikacyjny kabel współosiowy Konstrukcja kabla współosiowego (ang. coaxial cable)

Światłowody (a) Przykłady przechodzenia lub odbicia światła wewnątrz światłowodu silikonowego, przez lub od granicy światłowód/powietrze. (b) Światło „zatrzymane” w światłowodzie w wyniku doprowadzenia do całkowitego jego odbijania się wewnątrz światłowodu.

Transmisja światła w światłowodzie „Okienka” w miarę stałego tłumienia światła, które są wykorzystywane w telekomunikacji

Przykład konstrukcji światłowodów (a) Kabel światłowodowy z jednym światłowodem (b) Kabel, w którym umieszczono trzy światłowody

Przykład konstrukcji sieci komputerowej z wykorzystaniem połączeń światłowodowych Pierścień optyczny z aktywnymi powielaczami sygnału

Transmisja bezprzewodowa Widmo fal elektromagnetycznych Transmisja w zakresie fal radiowych Transmisja w zakresie mikrofalowym Transmisja w podczerwieni i zakresie fal milimetrowych Transmisja światłowodowa (bez światłowodów)

Widmo fal elektromagnetycznych Zakresy widma fal elektromagnetycznych wykorzystywane w telekomunikacji

Transmisja radiowa ( a) Fale radiowe w zakresach VLF, LF i MF są wykorzystywane w telekomunikacji tak, jak się one rozchodzą przy powierzchni Ziemi (b) W zakresie HF wykorzystuje się zjawisko odbić od jonosfery

Polityka gospodarowania częstotliwościami fal elektromagnetycznych Pasma nielicencjonowane ISM (ang. Industrial, Scientific, Medical) udostępnione w USA (z części tych zakresów korzysta się w WiFi i Bluetooth)

Transmisja z użyciem światła, ale bez światłowodów Przykład komunikacji przy wykorzystaniu dwóch laserów

Komunikacja satelitarna – rodzaje satelitów Satelity poruszające się po orbitach stacjonarnych (ang. geostationary satellite orbit, GEO) Satelity poruszające się po tzw. orbitach średnich (ang. medium-earth orbit, MEO) Satelity poruszające się po tzw. orbitach niskich (ang. low-earth orbit, LEO)

Komunikacja satelitarna – rodzaje satelitów (cd.) Niektóre parametry dotyczące komunikacji satelitarnej: odległość satelity danego typu od Ziemi, czas opóźnienia (ang. round-trip delay time) oraz liczba satelitów koniecznych do umieszczenia w przestrzeni kosmicznej w celu objęcia nimi całej powierzchni Ziemi

Komunikacja satelitarna (cd.) Częstotliwości i pasma fal radiowych wykorzystywane w telekomunikacji satelitarnej

Komunikacja satelitarna – system VSAT do nawiązywania np. połączeń internetowych w trudno dostępnym terenie Terminale VSAT (ang. very small aperture terminal) wykorzystujące w połączeniu satelitę i naziemną jednostkę centralną (ang. hub)

System Iridium składający się z satelitów o niskich orbitach (a) Satelity systemu Iridium są umieszczone na sześciu orbitach południkowych (b) 1628 poruszających się komórek pokrywa obszar całej Ziemi

Przykład komunikacji z wykorzystaniem systemu Iridium Realizacja połączenia wychodzącego z telefonu komórkowego systemu Iridium do użytkownika telefonu komórkowego innego systemu np. GSM

System komunikacji satelitarnej Globalstar – konkurencja dla systemu Iridium (a) Wykorzystanie przełączania w przestrzeni kosmicznej (b) Przełączanie na Ziemi

Struktura sieci telefonicznej (ang. public switched telephone network, PSTN) Ogólna charakterystyka sieci telefonicznej Pętla abonencka(ang. local loop): modemy, ADSL i połączenia bezprzewodowe Linie trankingowe i multipleksowanie (ang. multiplexing) Komutacja (przełączanie) (ang. switching)

Ogólna charakterystyka sieci telefonicznej (a) Sieć w pełni ze sobą połączonych węzłów telekomunikacyjnych (żaden węzeł w tej sieci nie jest odizolowany od reszty) (b) W sieci występują centrale, w których dokonuje się przełączeń rozmów i danych (c) Struktura sieci jest hierarchiczna

Charakterystyka sieci telefonicznej (cd.) Typowe zestawienie połączenia dla realizacji rozmowy średniodystansowej

Główne składowe sieci telefonicznej Pętle abonenckie  Kable miedziane składające się z par drutów skręconych w odpowiedni sposób - w celu minimalizacji przesłuchów Linie trankingowe  Obecnie są to najczęściej światłowody łączące ze sobą centrale telefoniczne (w szczególności te duże, międzymiastowe) – tworzą (pod)sieć szkieletową Centrale telefoniczne  W nich dokonuje się przełączania rozmów z jednej linii trankingowej na drugą

Pętla abonencka(ang. local loop): modemy, ADSL i połączenia bezprzewodowe Sposób użycia analogowych i cyfrowych łączy dostępnych w sieci telefonicznej do realizacji komunikacji komputerowej. Konwersja sygnału analog/cyfra (lub odwrotnie) odbywa się w modemach lub tzw. kodekach. ISP na rysunku oznacza dostawcę internetu (ang. internet service provider, ISP)

Zasada działania modemu (a) Sygnał binarny (b) Modulacja amplitudy (c) Modulacja częstotliwości (d) Modulacja fazy

Zasada działania modemu – modulacje z większą liczbą poziomów Tzw. modulacje kwadraturowe: (a) QPSK, (b) QAM-16, (c) QAM-64

Przykładowe standardy dla modemów (a) Standard V.32 dla przepływności 9600 bps (b) Standard V32 bis dla przepływności 14,400 bps (a) (b)

Osiągana przepływność danych a długość pętli abonenckiej Przepływność jako funkcja długości pętli abonenckiej zrealizowanej na kablu kategorii 3 UTP (pętla cyfrowa)

Cyfrowa pętla abonencka Zasada działania asymetrycznej cyfrowej pętli abonenckiej (ang. asymmetric digital subscriber loop, ADSL)

Cyfrowa pętla abonencka (cd.) Typowa konfiguracja pętli ADSL

Bezprzewodowa pętla lokalna Typowa konfiguracja lokalnej pętli bezprzewodowej