Физический уровень Часть 2

Теоретические основы передачи данных Анализ Фурье Сигналы с ограниченным спектром Пропускная способность канала

Основы передачи данных a)Все виды информации могут быть представлены в виде электромагнитных сигналов (ЭМС) аналоговых или цифровых b)Любой ЭМС имеет спектр (ширина, частотный диапазон, форма спектра) c)Основная проблема - ухудшение сигнала при передаче (потеря энергии, искажение формы, шумы) d)Основные характериситкт СПД - полоса пропускания, скорость передачи для цифровых данных, уровень шума, уровень ошибок при передаче

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 4 Сигнал как функция времени - непрерывные vs дискретные Непрерывны й Дискретный Непрерывный Дискретный

Анализ Фурье g(t)= ½ c + a n Sin(2 nft) + b n Cos(2 nft) a n = 2/T g(t) Sin(2 nft)dt b n = 2/T g(t)Sin(2 nft)dt c= 2/T g(t)dt Сигнал с периодом Т в виде ряда Фурье

Анализ Фурье (2) a) g(t) = F g ( )= g(t)exp (-j t)dt, =2 b) -1 F g ( ) = g(t)=1/2 F g ( )exp(j t)d Преобразование Фурье: a) прямое (спектральная функция) b) обратное

Сигнал как функция частоты Двоичный сигнал и его среднеквадратический амплитудный спектр (b) – (c) Аппроксимация исходного сигнала Номер гармоники Время

Сигнал как функция частоты (2) (d) – (e) Аппроксимация исходного сигнала

Сигнал как функция частоты (3) Скорость передачи в коде ASCII и гармоники Ско- рость, бит/c Длительность 8-битного сигнала, мс Первая гармоника ряда Фурье, Гц Число гармоник, проходящих через канал Т0 шириной 3100 Гц

Сигнал с ограниченным спектром (4) Скорость передачи непрерывного потока данных двоичных символов: a)Сигналs b)Спектр сигнала c)Полоса пропускания линии связи t u t u f f 1 u Сигналы Спектры сигналов Частотная характеристика канала А А S f Fc

Сигналы, данные, передача a)Данные – описание фактов, явлений b)Сигналы - представление данных при передаче c)Передача - процесс взаимодействия передатчика и приемника

Данные a)Данные по происхождению могут иметь разную форму - аналоговые vs цифровые b)Данные аналоговые –голос, видео c)Данные дискретные (цифровые) –текст: буква, символ

Сигналы a)Сигналы - аналоговые vs цифровые –аналог.данные - аналог.сигнал (соответствие спектров частот) –цифр.данные - аналог.сигнал (модем) –аналог.данные - цифр.сигнал (оцифровка) –цифр.данные - цифр.сигнал (количество уровней сигнала)

Схемы аналоговой и цифровой передачи g(t ) m(t ) x(t ) s(t ) m(t ) g(t ) Цифровой Аналоговый Аналоговые либо цифровые Аналоговые либо цифровые x(t ) f(t ) ДекодировщикКодировщик s(t ) f(t ) ДемодуляторМодулятор

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 15

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 16

a)Разные среды искажают форму сигнала и уменьшают его энергию в зависимости от частоты сигнала по-разному. b)Характеристику канала, определяющую спектр частот, которые канал пропускает без существенного понижения мощности сигнала, называют шириной полосы пропускания c)Скорость передачи зависит от способа кодирования данных на физическом уровне и сигнальной скорости - скорости изменения значения сигнала. Эта скорость изменений сигнала в секунду измеряется в бодах. Взаимосвязь пропускной способности канала и его полосы пропускания

Пропускная способность канала Предел Найквиста: C= 2 log 2 V бит/c Предел Шеннона: C= 2 log 2 (1+P c /p ш ) - полоса пропускания канала V- число различимых уровней Р с - мощность сигнала Р ш - мощность шума

Физическая среда передачи Магнитные носители Витая пара (Twisted Pair) Коаксиальный кабель (Coaxial Cable) Оптическое волокно (Fiber Optics)

Физическая среда передачи a)характеристики физической среды: полоса пропускания пропускная способность задержка затухание помехоустойчивость достоверность передачи стоимость простота прокладки сложность в обслуживании.

Витая пара (a) Категория 3 UTP (b) Категория 5 UTP

Коаксиальный кабель Медный сердечник Изолятор Оплетка Оболочка

Оптическое волокно (a)Три примера преломления света, падающего под разными углами (b) Луч света при полном внутреннем отражении Граница раздела сред Энергия сигнала практически не теряется

Ослабление света при прохождении через стекло Окна прозрачности стекла Длина волны, мкм Осла- бление, дБ/км

Оптические кабели (a) Одиночное волокно (b) Трехжильный кабель Оболочка (стекло) Сердечник (стекло) Кожух (пластик) Сердечник Оболочка Кожух Футляр

Оптические кабели (2) Сравнение характеристик источников света (светодиод и полупроводниковый лазер) ХарактеристикаСветодиод (LED)Полупроводниковый лазер (Semiconductor laser) Скорость передачи данныхНизкаяВысокая Тип волокнаМногомодовоеМногомодовое или одномодовое РасстояниеНебольшоеЗначительное Срок службыДлительныйКороткий Чувствительность к температуре НизкаяЗначительная ЦенаНизкаяВысокая

Оптические сети Оптоволоконное кольцо с активными повторителями Интерфейс Оптическое волокно Компьютер Интерфейс подробно К/От компьютера Медный провод Оптический приемник (фотодиод) Регенератор сигнала (электрический) Оптический передатчик (светодиод) Распространение света Волокно

Оптические сети (2) Пассивная звезда в оптической сети Приемник Оптический интерфейс Каждое выходящее волокно видит свет всех входящих волокон Каждое входящее волокно освещает всю звезду Передатчик

Сравнение медного кабеля и оптоволокна оптоволокно позволяет передавать сигнал на большее расстояние без промежуточного усиления (от 30 км и более для оптоволокна и 5 км для меди) оптоволокно тоньше. оптоволокно легче: 1 км 1000 парника весит 8 000кг оптоволоконная пара аналогичной пропускной способности и длины кг. оптоволокно трудно обнаружить, оно не излучает, а следовательно найти и повредить.

Сравнение медного кабеля и оптоволокна оптоволокно инертно к электромагнитным воздействиям, радиации; ему не страшны нарушения питания, агрессивная химическая среда. оптоволокно сложнее монтировать работа с ним требует специальной подготовки инженеров, которая пока не столь распространена. подключение к оптоволокну дороже пока, чем подключение к витой паре.

Беспроводная (Wireless) передача Спектр электромагнитных волн Радиопередача Микроволновая (Microwave) передача Инфракрасные (Infrared) и миллиметровые волны Связь в видимом диапазоне

Электромагнитный спектр Электромагнитный спектр и его применение Видимый свет

Радиосвязь a)Сверхдлинные, длинные и короткие волны огибают земную поверхность b)Короткие волны отражаются от ионосферы (пространственная волна) c)Ультракороткие волны и выше распространяются прямолинейно Поверхностная волна Ионосфера Земная поверхность

Политика использования электромагнитного спектра Диапазоны, не требующие лицензирования в США

Беспроводная связь a)Электромагнитный спектр f = С; Если взять =1.3х10 -6 и =0.17х10 -6, то f будет около 30 ТГц.

Связь в видимом диапазоне волн Конвекционные потоки мешают работать лазерной системе Лазер Горячий воздух над крышей здания Фотодетектор Область турбулентности Луч лазера промахивается мимо детектора

Спутники связи Геостационарные спутники Средневысотные спутники Низкоорбитальные спутники Спутники или оптика

Спутники связи Спутники связи и их характеристики Требуемое количество Задержка распространения, мс ТипВысота

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 39

Спутники связи (2) Диапазоны частот спутников связи Диапа- зон Band Нисходящие частоты Downlink Восходящие частоты Uplink Ширина полосы пропускания Bandwidth Проблемы L1.5 GHz1.6 MHz15 MHzУзкая полоса S1.9 GHz2.2 MHz70 MHzУзкая полоса C4.0 GHz6.0 MHz500 MHzМноголучевость Ku11 GHz14 MHz500 MHzДождь Ka20 GHz30 MHz3500 MHzДождь, стоимость оборудования

Спутники связи (3) Наземные станции VSAT (с малой апертурой), использующие ретранслятор (hub) Спутник связи Ретранслятор

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 42 :услуги

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 43 Персональная спутниковая связь

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 44 Характеристики спутниковых ретрансляторов, применимых для сетей VSAT на территорию РФ Название КАЧисло стволовПолоса частот, МГцСроки развертывания, годы Владелец спутникового ресурса СКu «Горизонт»616х ГПКС «Поток» НПАО «Элас» «Экспресс»12214х361995ГПКС «Экспресс-А»12517х362000ГПКС «Экспресс-АЯ»125(10)17(22)х ГПКС «Экспресс-К1»251237х362001ГПКС «Экспресс-К2/К3» х ГПКС «Ямал-100»10-10х362000АО «Газком» «Ямал-2002»311647х362002АО «Газком» «Ямал-300»312051х362003АО «Газком» LMI х361999Intersputnik Eutelsat-2F4-169х36+7х721992Eutelsat Intelsat х36+4х72+2х Intelsat Intelsat (14) 10х36+22х72+8х Intelsat Intelsat и 72 (С) 72 и 112 (Ku) 1997Intelsat

Низкоорбитальные спутники Cистема Iridum (a) Система Iridium из 6 спутниковых ожерелий (b) 1628 перемещающихся ячеек на земной поверхности

Система Globalstar (a) Коммутация в космосе (b) Коммутация на Земле Коммутация на Земле Спутник связи Коммутация между спутниками в космосе

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 47 Структура сети Ямал

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 49

Спутниковые системы связи a)Большая задержка при передаче мсек, против 3-5мксек/км на коаксиале, оптоволокне и т.д. a)Спутниковые системы принципиально вещательного типа. Для некоторых приложений это очень важно. Стоимость передачи не зависит скольким получателям сообщение предназначено. Однако, проблема безопасности передаваемой информации здесь требует особого внимания - все слышат все, что передается. Решение этой проблемы - только шифрование. a)Стоимость передачи не зависит от расстояния. a)Этот способ передачи имеет очень низкий коэффициент ошибок при передаче.

Спутники или оптоволокно? Достаточно установить антенну на крыше, и вам доступна вся пропускная способность спутника. Спутник доступен практически всегда. Мобильность. Сейчас люди хотят иметь связь всегда: на прогулке, путешествуя. Сочетание сотовой связи и оптоволокна не всегда решает эту проблему: как быть на корабле или самолете? Там где вещание принципиально необходимо - спутник не заменим. Спутник не заменим там, где географические условия не позволяют создать развитую кабельную систему. Спутник хорош везде где надо быстро развернуть систему передачи данных. Где нет времени или средств создавать кабельную инфраструктуру.

Телефонная система Структура телефонной сети Политика телефонии Местное подключение: модемы, xDSL и беспроводное Магистрали и мультиплексирование Коммутация

Структура телефонной сети (a) Полносвязанная сеть (b) С центральным коммутатором (c) С двухуровневой иерархией

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 54 Местна я ТС Районная/горо дская ТС Региональна я/междугоро дняя ТС Районная/горо дская ТС Местная ТС Структура телефонной сети (2) Типичный канал телефонной связи

Основные компоненты телефонной системы Абонентское окончание Аналоговая витая пара до дома или офиса Магистрали Цифровые оптические линии между коммутаторами Магистральные коммутаторы Вызовы переключаются с магистрали на магистраль

Организация телефонии Локальная область доступа для транспортировки Локальные области (LATA), местные телекоммуникационные компании (LEC) и операторы дальних линий связи (IXC) Оконечная станция Транзитная станция Международный коммутатор Международный коммутатор

Абонентское окончание : модем, ADSL и беспроводные Использование аналоговых и цифровых линий для связи компьютеров Преобразование осуществляется модемами и кодеками Высокоскоростная линия Местная АТС Среднескоростная линия Модемный пул

Телефонные сети Преимущества цифрового сигнала перед аналоговым затухание и нарушение формы в цифровом случае не столь сильно как в аналоговом. при ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, чем в случае аналогового сигнала. При ретрансляции аналогового сигнала ошибка накапливается.

Телефонные сети цифровая передача более надежна в силу выше сказанного. по цифровой сети можно передавать и данные и голос и музыку одновременно и с большей скоростью. цифровая передача дешевле, так как не надо тратить большие усилия на восстановление формы сигнала. цифровую сеть проще эксплуатировать.

Модемы (a) Двоичный сигнал (b) Амплитудная модуляция (c) Частотная модуляция (d) Фазовая модуляция

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 61

Модемы (2) Виды модуляции: a)QPSK-четырехфазная модуляция (2 бит/1бод) b)QAM-16-квадратурная амплитудно-фазовая 16 (4 бит/бод) c)QAM-64- квадратурная амплитудно-фазовая 64 (6 бит/бод)

Модемы (3) (a) Стандарт V.32 для скорости 9600 бит/с (b) Стандарт V32bis для скорости 14,400 бит/с (a) (b)

Цифровые выделенные линии Полоса в обмен на расстояние по кабелю Cat.3 UTP – для DSL

Цифровые выделенные линии (2) ADSL с использованием дискретной многочастотной модуляции 256 каналов с полосой 4 кГц Мощность Голос Восходящий поток Нисходящий поток Частота, кГц

Цифровые выделенные линии (3) Типичная конфигурация оборудования ADSL АТС Пользователь Коммутатор голосовой связи Частотный разделитель

Сети ЭВМ проф. Смелянский Р.Л. 67 Эволюция проводных технологий абонентского доступа

Технологии xDSL DSL км, жила 0,5 мм Кбит/сек IDSL - DSL с интерфейсом ISDN HDSL Кбит/сек по одной паре, скорость растет пропорционально числу пар SDSL Кбит/сек по одной паре, дуплекс VDSL - это будущее Мбит/сек ADSL - асимметричный DSL 8Мбит/640Кбит –RADSL (Rate-adaptiv DSL) адаптируется к параметрам линии, может работат как ADSL и как HDSL –UADSL - упрощенный ADSL, ориентированный на квартиру 1.5Мбит/384Кбит

Беспроводное подключение Архитектура системы LMDS Телефонная сеть Провайдер Интернет

Мультиплексирование с разделением по частоте - FDM (Frequency Division Multiplexing) (a) Исходный спектр (b) Перенос спектра в область верхних частот (b) Мультиплексирование каналов Каналы Степень ослабления

Мультиплексирование с разделением по длине волны - WDM (Wavelength Division Multiplexing) Спектр в оптических волокнах Волокно с групповым сигналом Комбайнер Сплиттер Фильтр

Мультиплексирование с разделением по времени- TDM (Time Division Multiplexing) Обойма 193 бит (125 мс) Бит кадра (обоймы) 7 бит в канале на отсчет Канал Т1 (1.544 Мбит/с) Бит 8 для сигнализации

Мультиплексирование с разделением по времени-TDM (2) Дельта-модуляция Интервал дискретизации Поток битов Сигнал изменяется слишком быстро, кодер не успевает за ним Последовательные отсчеты всегда отличаются на Уровни кванто- вания

Мультиплексирование с разделением по времени-TDM (3) Мультиплексирование потоков Т1 в системе SONET На входе 4 потока Т1 На входе 1 поток Т2

Мультиплексирование с разделением по времени-TDM (4) Кадры SONET Заголовок Колонки Заголовок секции Заголовок линии Заголовок тракта Данные Ряды Кадр SONET

Мультиплексирование с разделением по времени-TDM (5) Иерархия скоростей SONET и SDH

Коммутация каналов (a) Коммутация каналов (b) Коммутация пакетов Очередь пакетов Коммутатор При прохождении вызова образуется составной физический канал

Виды коммутации (a) Коммутация каналов (b) Коммутация сообщений (c) Коммутация пакетов Вызов Ожидание в очереди Прием вызова Задержка распространения Задержка поиска выходной линии

Виды коммутации Сравнительные характеристики сетей с коммутацией каналов и коммутацией пакетов ТемаКоммутация каналовКоммутация пакетов Сигнал вызоваПередаетсяНе требуется Выделенная физическая линияДаНет Все данные перемещаются по одному маршруту ДаНе обязательно по одному Данные приходят в порядке отправления ДаНет Влияние обрыва линииСвязь прекращаетсяСвязь не прекращается Выделяемая полоса пропускания ФиксированнаяПеременная Когда анализируется наличие перегрузки При установлении соединенияДля каждого пакета Резервирование пропускной способности ДаНет Передача с записью в буферНетДа ОплатаПовременнаяЗа пакет

Мобильные телефонные системы Первое поколение: Аналоговая мобильная телефонная связь Второе поколение: Цифровая мобильная телефонная связь Третье поколение: Цифровая передача голоса и данных

Организация мобильной телефонной системы - AMPS (Advanced Mobile Phone System) (a) В соседних сотах используются разные частоты (b) Чтобы увеличить число пользователей можно уменьшить размер соты

Развитая мобильная телефонная система - AMPS a) В 1982 году компания Bell Labs предложила систему AMPS (Advanced Mobil Telephone System) b)Принципы организации сотовой связи –Базы (BS) –Центры мобильной коммутации (MSC) –Перемещение между сотами –Распределение каналов в сотах В системе AMPS используется метод FDMA – разделения частот. Весь диапазон частот МГц разделены на 832 дуплексных канала: MГц для передачи и 869 – 894 МГц - для приема. Каждый канал шириной в 30 КГц. Все каналы делятся на четыре категории: Управляющие, Для сообщений, Установки доступа и распределения каналов, Данные - голос, данные или факс. c)Управление вызовом d)Основной недостаток – незащищенность от подслушивания

Каналы (система AMPS) 832 канала делятся на четыре категории: Управляющие каналы (от базы к мобильному телефону) для управления системой Пейджинговые каналы (от базы к мобильному телефону) для подачи сигнала вызова Каналы доступа (двунаправленные) для установления соединения и назначения каналов Каналы данных (двунаправленные) для передачи голоса, данных, факсов

D-AMPS Цифровые сотовые сети (a) Канал D-AMPS при трех пользователях (b) Канал D-AMPS при шести пользователях - управление - исправление ошибок - голос Восходящие Нисходящие От телефона к базе От базы к телефону

Система GSM Global System for Mobile Communications GSM использует 124 частотных канала, в каждом из которых применяется TDM с 8 тайм-слотами Каналы Частота От базы к телефону От телефона к базе

GSM (2) Структура кадра GSM Голос/данные Мультикадр каждые 120 мс Защитный интервал Кадр каждые мс Кадр каждые 547 мс

GPRS служба GPRS (General Packet Radio Service) - служба пакетной передачи данных по радиоканалу. повышения скорости (максимум составляет кбит/с), при использовании GPRS службы расчеты производятся пропорционально объему переданной информации, а не времени использования канала. "пакеты" данных передают одновременно по многим каналам только в паузах - голосовой трафик имеет безусловный приоритет перед данными.

Доступ с кодовым разделением - CDMA (Code Division Multiple Access) (a) Двоичные сигналы в четырех каналах (b) Биполярные последовательности (c) Шесть вариантов формирования передаваемого сигнала (d) Восстановление сигнала станции C

Мобильные сети третьего поколения Цифровой голос и данные Основные сервисы сети IMT-2000 должны обеспечивать: Высококачественную передачу голоса Передачу сообщений ( , fax, SMS, chat и т.д.) Мультимедиа (музыка, видео, фильмы, TV и т.д.) Доступ в Интернет (web-навигация, w/мультимедиа)

Новые стандарты для 3G сетей От GSM к UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) –EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) - повышенная скорость передачи данных для глобальной эволюции (до 384 кбит/с 8 по 48). –CDMA - IS 95 –WCDMA (Широкополосный Многостанционный Доступ с Кодовым Разделением 2Мб/сек на частоте 2ГГц).