WARSTWA FIZYCZNA

WARSTWA FIZYCZNA

Warstwa fizyczna

• Warstwa fizyczna opisuje interfejsy elektryczne i wymagania czasowe dla nośników transmisji, czyli dla kanałów przesyłu danych bitowych w postaci sygnałów analogowych.

• Warstwa fizyczna to fundament całej sieci komputerowej.

• Właściwości poszczególnych rodzajów nośników transmisji determinują wydajność sieci (jej przepływność, opóźnienia pakietów i stopień transmisji zniekształcanych).

TEORETYCZNE PODSTAWY

TRANSMISJI DANYCH

Analiza Fouriera

• Każdą w miarę okresową funkcję g(t) o okresie T można zbudować z sumy pewnej (być może nieskończonej) liczby funkcji sinus i cosinus:

gdzie f = 1/T jest podstawową częstotliwością, a_n i b_n amplitudami sinusoidy i cosinusoidy n-tej harmonicznej, a c jest stałą.

• Taki rozkład nosi nazwę szeregu Fouriera.

• Amplitudy a_n i b_n oraz stalą c możemy wyliczyć z każdej danej funkcji g(t):

Sygnały z ograniczonym pasmem

Szerokość pasma

• Żaden nośnik transmisji nie może przesyłać sygnałów bez utraty po drodze części mocy.

• Gdyby wszystkie składowe harmoniczne były tłumione jednakowo, wynikowy sygnał miałby mniejszą amplitudę, lecz pozostałby bez zniekształceń.

Niestety, każdy mechanizm transmisji różnie pomniejsza różne składowe harmoniczne, wprowadzając przez to zniekształcenia.

• Zwykle w nośnikach przewodowych sygnały są przenoszone zasadniczo bez tłumienia w zakresie częstotliwości od 0 do pewnej częstotliwości f_c, a

częstotliwości powyżej tej częstotliwości granicznej są tłumione.

• Zakres częstotliwości przenoszonych bez silnego tłumienia nosi nazwę szerokości pasma.

• W praktyce częstotliwość odcięcia nie jest ostro zaznaczona, więc często podawana jest szerokość pasma od 0 do częstotliwości, przy której

przenoszona jest połowa mocy.

Szerokość pasma

• Przy danej szybkości transmisji bitów równej b bitów na sekundę czas niezbędny, aby przesłać 8 bitów jeden po drugim, wynosi 8/b sekund, więc częstotliwość pierwszej harmonicznej takiego sygnału jest równa b/8 Hz.

• Ograniczenie szerokości pasma ogranicza szybkość transmisji nawet w idealnym kanale.

• Istnieją schematy kodowania stosujące kilka poziomów napięć i pozwalające osiągnąć większe szybkości transmisji.

Maksymalna przepływność kanału bezszumowego

• Równanie wyrażające maksymalną przepływność dla skończonego, bezszumowego kanału (Henry Nyquist, 1924):

Maksymalna przepływność = 2B log₂ V (b/s) B – szerokość pasma, V – liczba dyskretnych poziomów

• Na przykład bezszumowy kanał o szerokości 3 kHz nie może przesyłać sygnałów binarnych z szybkością przekraczającą 6000 b/s.

Maksymalna przepływność kanału zaszumionego

• Ilość szumu termicznego jest mierzona w postaci stosunku mocy sygnału do mocy szumu zwanej stosunkiem sygnał/szum (SNR).

• Stosunek S/N wyraża się zazwyczaj w skali logarytmicznej, jako 10 log₁₀(S/N).

Jednostkami takiej skali logarytmicznej są jednostki zwane decybelem (dB).

Stosunek sygnał/szum równy 10 to 10 dB, równy 100 to 20 dB, równy 1000 to 30 dB itd.

• Maksymalna przepływność (albo: pojemność) zaszumionego kanału o paśmie B Hz i stosunku sygnał/szum S/N (Claude Shannon, 1948):

Maksymalna liczba bitów/s = B log₂(1+S/N)

• Wyniki Shannona biorą się z argumentów teorii informacji i stosują do każdego kanału, w którym obecny jest szum termiczny.

• Na przykład w technologii ADSL stosuje się pasmo o szerokości mniej więcej 1 MHz. Stosunek S/N na poziomie 40 dB dla krótkich łączy (1 do 2 km) uznaje się za bardzo dobrą. Przy takich charakterystykach łącza wiadomo, że w kanale nie da się przesłać więcej niż 13 Mb/s, niezależnie od liczby użytych poziomów sygnału i częstotliwości próbkowania.

KIEROWANE NOŚNIKI TRANSMISJI

Nośniki fizyczne

• Zadaniem warstwy fizycznej jest przenoszenie bitów z jednego komputera do drugiego.

• Do samej transmisji mogą służyć różne nośniki fizyczne. Każdy z nich ma swoją niszę, jeśli chodzi o przepustowość, opóźnienia, koszt i łatwość instalacji oraz utrzymania.

• Nośniki możemy z grubsza podzielić na kierowane, na przykład kabel miedziany i światłowody, oraz niekierowane, jak na przykład

bezprzewodowe sieci naziemne, sieci satelitarne i lasery napowietrzne.

Skrętka

• Skrętka – rodzaj przewodu sygnałowego służącego do przesyłania informacji, który zbudowany jest z jednej lub więcej par kabli

skręconych ze sobą w celu eliminacji wpływu zakłóceń

elektromagnetycznych oraz zakłóceń wzajemnych, zwanych przesłuchami. Skręcenie żył powoduje równocześnie zawężenie pasma transmisyjnego.

Rodzaje skrętki

• Wyróżnia się skrętkę nieekranowaną (U/UTP), ekranowaną folią (posiadającą dodatkowe płaszcze z folii) (F/UTP i U/FTP) oraz metalowej siatki (SF/UTP, S/FTP i SF/FTP).

• Norma ISO/IEC 11801:2002 opisuje sposób oznaczania kabli. Norma mówi, że przewody powinny posiadać opis w składni xx/yyTP, gdzie oznaczenie xx odnosi się do całości przewodu, a yy opisuje

pojedynczą parę przewodów (np. UTP – para nieekranowana).

• Przyjmowane przez xx i yy oznaczenia to:

• U – nieekranowane (ang. unshielded)

• F – ekranowane folią (ang. foiled)

• S – ekranowane siatką (ang. shielded)

• SF – ekranowane folią i siatką

Konstrukcje kabli

• U/UTP (dawniej UTP) – skrętka nieekranowana.

• F/UTP (dawniej FTP) – skrętka foliowana.

• S/UTP – skrętka nieekranowana dodatkowo w ekranie z siatki.

• SF/UTP (dawniej STP) – skrętka ekranowana folią i siatką.

• U/FTP – skrętka z każdą parą w osobnym ekranie z folii.

• F/FTP – skrętka z każdą parą w osobnym ekranie z folii dodatkowo w ekranie z folii.

• S/FTP (dawniej SFTP) – skrętka z każdą parą foliowaną dodatkowo w ekranie z siatki.

• SF/FTP (dawniej S-STP) – skrętka z każdą parą foliowaną dodatkowo w ekranie z folii i siatki.

Klasy skrętki

Klasy skrętki według europejskiej normy EN 50173:

• klasa A (kat. 1) – realizacja usług telefonicznych z pasmem częstotliwości do 100 kHz

• klasa B (kat. 2) – okablowanie dla aplikacji głosowych i usług terminalowych z pasmem częstotliwości do 1 MHz

• klasa C (kat. 3) – używana najczęściej w sieciach telefonicznych, wykorzystuje pasmo częstotliwości do 16 MHz

• klasa D (kat. 5/5e) – najczęściej stosowana do budowy sieci lokalnych, obejmuje aplikacje wykorzystujące pasmo częstotliwości do 100 MHz

• klasa E (kat. 6) – rozszerzenie ISO/IEC 11801/TIA wprowadzone w 1999, obejmuje okablowanie, którego wymagania pasma są do częstotliwości 250 MHz (przepustowość rzędu 200 Mb/s). Przewiduje ono implementację Gigabit Ethernetu (4x 250 MHz = 1 GHz) i transmisji ATM 622 Mb/s

• klasa EA (kat. 6A) – wprowadzona wraz z klasą FA przez ISO/IEC 11801 2002:2 Poprawka 1. Obejmuje pasmo do częstotliwości 500 MHz

• klasa F (kat. 7) – opisana w ISO/IEC 11801 2002:2. Możliwa jest realizacja aplikacji wykorzystujących pasmo do 600 MHz. Różni się ona od poprzednich klas stosowaniem kabli typu S/FTP łączonych ekranowanymi złączami.

• klasa FA (kat. 7A) – wprowadzona przez ISO/IEC 11801 2002:2 Poprawka 1. Obejmuje pasmo do częstotliwości 1000 MHz; umożliwia uzyskanie prędkości do 100 Gbit/s do 15m i 40 Gbit/s do 100m

• klasa I (kat. 8.1) – w trakcie rozwoju (opisana w ANSI/TIA-568-C.2-1, ISO/IEC 11801 3rd Ed.), wykorzystująca pasmo częstotliwości 1600-2000 MHz; prędkość transmisji > 40 Gbit/s

• klasa II (kat. 8.2) – w sprzedaży (opisana w ISO/IEC 11801 3rd Ed.), wykorzystująca pasmo częstotliwości 1600- 2000 MHz

Norma TIA/EIA 568A definiuje dodatkowo:

• Kategoria 4 – dla szybkich sieci lokalnych, obejmuje aplikacje wykorzystujące pasmo częstotliwości do 20 MHz

8P8C

• 8P8C (ang. 8 Position 8 Contact; bardzo popularnie ale błędnie nazywane RJ-45) – rodzaj ośmiostykowego złącza (gniazdo i wtyk) używanego najczęściej do zakończenia przewodów elektrycznych.

Najbardziej rozpowszechnione jako podstawowe złącze do budowy przewodowych sieci komputerowych w standardzie Ethernet.

Gotowy przewód zakończony wtykiem Kolory pierwszych czterech par skrętki Zaciskarka do wtyków

TIA/EIA-568

• TIA/EIA-568-B – (TIA/EIA Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) – zestaw norm opisujący okablowanie

telekomunikacyjne budynków komercyjnych. Składa się z trzech podstawowych części TIA/EIA-568-B.1, -B.2 i -B.3, wydanych

pierwotnie w 2001 roku. Zastąpił on wcześniejszą normę TIA/EIA-568- A. Poszczególne części opisują:

• TIA/EIA-568-B.1 – wymagania ogólne oraz podstawowe informacje dotyczące projektowania okablowania, podsystemów wchodzących w skład,

dopuszczalnych odległości itp.

• TIA/EIA-568-B.2 – dokładną specyfikację parametrów transmisyjnych komponentów kategorii 5e tj. kabla, złączy itp.

• TIA/EIA-568-B.3 – informacje na temat komponentów światłowodowych.

• Opis złączy. Standard 568-B.1 definiuje między innymi dwa rodzaje zakończenia przewodów: T568A i T568B (nazywanych niepoprawnie TIA/EIA-568-A i TIA/EIA-568-B), różniące się podłączeniem 2 i 3 pary przewodów (pomarańczowa i zielona).

Kolejność przewodów w złączu 8P8C

T568A T568B

Pin Para Przewód Kolor Pin Para Przewód Kolor

1 3 1

biało-zielony 1 2 1

biało-pomarańczowy

2 3 2

zielony 2 2 2

pomarańczowy

3 2 1

biało-pomarańczowy 3 3 1

biało-zielony

4 1 2

niebieski 4 1 2

niebieski

5 1 1

biało-niebieski 5 1 1

biało-niebieski

6 2 2

pomarańczowy 6 3 2

zielony

7 4 1

biało-brązowy 7 4 1

biało-brązowy

8 4 2

brązowy 8 4 2

brązowy

Ułożenie pinów we wtyczce 8P8C

Wykorzystywanie przewodów skrętki

• W różnych standardach sieci LAN pary przewodów skrętki mogą być wykorzystywane inaczej. Na przykład w sieciach Ethernet o

przepustowości 100 Mb/s używa się dwóch (z czterech) par, po jednej w każdym kierunku. Dla osiągnięcia wyższych prędkości transmisji w sieciach Ethernet 1 Gb/s używa się wszystkich czterech par

równocześnie w obu kierunkach; wymaga to od odbiornika wyodrębniania sygnałów transmitowanych lokalnie.

• W użyciu jest pewne ogólne słownictwo odnoszące się do transmisji kierunkowych.

• Łącza, w których transmisja w obu kierunkach może odbywać się równocześnie, to tak zwane łącza z pełnym dupleksem (ang. full- duplex). Dla porównania łącza pozwalające na transmisję w obu

kierunkach, ale tylko w jednym kierunku w danym czasie, nazywamy łączami z półdupleksem (ang. half-duplex). Trzecia kategoria to łącza jednokierunkowe – simpleksowe.

Kabel koncentryczny

• lepiej ekranowany

• ma szersze pasmo niż nieekranowana skrętka

• pozwala na transmisję z większą szybkością na większe odległości Powszechnie stosowane są dwa typy kabla koncentrycznego:

• 50-omowy – transmisja cyfrowa

• 75-omowy – stosowany do transmisji analogowej i telewizji kablowej

Światłowody

• Łącza światłowodowe są wykorzystywane do długodystansowych transmisji w sieciach szkieletowych, w szybkich sieciach lokalnych i w szybkim dostępie do Internetu (jak w technologii FttH – z ang. Fiber to the Home).

• System transmisji optycznej ma trzy podstawowe składniki: źródło światła, medium transmisyjne i detektor.

• Nośnikiem transmisji jest ultracienkie włókno szklane.

• Detektor generuje impuls elektryczny, gdy pada na niego światło.

Światłowody

• Każdy promień padający na granicę ośrodków powyżej krytycznego kąta będzie wewnętrznie odbity, w światłowodzie będzie odbijać się wiele różnych promieni pod różnymi kątami. Mówimy, że każdy promień ma inny mod, więc światłowód o takiej właściwości nosi nazwę światłowodu wielomodowego.

• Jeśli jednak średnicę włókna zredukować do równej kilku długościom fali świetlnej, to

światłowód będzie zachowywał się jak falowód i światło będzie mogło rozprzestrzeniać się tylko w linii prostej bez odbić, dając w efekcie włókno jednomodowe. Dostępne obecnie włókna

jednomodowe mogą przesyłać dane z szybkością 100 Gb/s na odległość 100 km bez wzmacniania.

Światłowody

• Tłumienie światła w światłowodzie dla zakresu podczerwieni

Kable światłowodowe

• Kable światłowodowe przypominają koncentryk, z wyjątkiem oplotu.

W centrum znajduje się szklany rdzeń, w którym rozchodzi się

światło. W światłowodach wielomodowych rdzeń ma zwykle średnicę 50 mikronów. W światłowodach jednomodowych rdzeń ma od 8 do 10 mikronów.

• Rdzeń jest otoczony płaszczem ze szkła o niższym współczynniku

załamania światła niż w rdzeniu, przez co światło pozostaje w rdzeniu.

Następna jest cienka koszulka z tworzywa sztucznego chroniąca płaszcz. Włókna światłowodowe są zwykle łączone w wiązki i chronione otuliną zewnętrzną.

Kable światłowodowe

• Do nadawania używane są zwykle dwa typy źródeł światła: LED (diody świecące) i lasery półprzewodnikowe.

• Odbiornik na drugim końcu światłowodu zawiera fotodiodę, która generuje impuls elektryczny pod wpływem padającego światła. Czas odpowiedzi fotodiody zamieniającej sygnał optyczny na elektryczny ogranicza transfer danych do szybkości około 100 Gb/s.

Cecha LED Laser półprzewodnikowy

Szybkość transmisji danych Niska Wysoka

Typ światłowodu Wielomodowy Wielomodowy lub jednomodowy

Odległości Krótkie Długie

Czas życia Długi Krótki

Wrażliwość na temperaturę Niska Znacząca

Koszt Niski Wysoki

TRANSMISJA BEZPRZEWODOWA

Widmo elektromagnetyczne

Transmisja radiowa

• Fale radiowe są łatwe do wygenerowania, mogą mieć duży zasięg i z łatwością penetrować budynki, więc powszechnie używa się ich do komunikacji zarówno w pomieszczeniach, jak i w terenie. Fale

radiowe są też wszechkierunkowe, dzięki czemu nie trzeba dokładnie fizycznie ustawiać nadajnika i odbiornika.

• Właściwości fal radiowych są zależne od częstotliwości.

• Przy niskich częstotliwościach fale dobrze pokonują przeszkody, lecz moc szybko spada ze wzrostem odległości od źródła, z zależnością 1/r² w

powietrzu.

• Przy wysokich częstotliwościach fale radiowe rozchodzą się raczej w linii prostej i odbijają od przeszkód. Mamy więc do czynienia nie tylko ze

zwyczajną utratą mocy sygnału, ale także z interferencjami z odbić. Fale o wysokiej częstotliwości są również skutecznie tłumione w deszczu i w obecności innych przeszkód.

• Na wszystkich częstotliwościach fale radiowe są zakłócane przez silniki i inne urządzenia elektryczne.

Transmisja mikrofalowa

• Powyżej 100 MHz fale rozchodzą się niemal w linii prostej i dzięki temu mogą być dobrze ogniskowane.

• W przeciwieństwie do fal radiowych o niższych częstotliwościach mikrofale nie przenikają zbyt dobrze budynków.

• Zapotrzebowanie na coraz szersze pasma powoduje, że operatorzy zwracają się ku coraz wyższym częstotliwościom. Powszechnie

stosowane są już pasma aż do 10 GHz.

• Komunikacja mikrofalowa jest powszechnie używana w dalekosiężnej komunikacji telefonicznej, telefonii mobilnej, dystrybucji telewizji i innych zastosowaniach.

• Komunikacja mikrofalowa jest też stosunkowo tania.

Polityka widma elektromagnetycznego

• Pasmo 900 MHz było stosowane we wczesnych wersjach sieci bezprzewodowych 802.11, ale obecnie jest nazbyt zatłoczone.

• Pasmo 2,4 GHz – 802.11b/g i Bluetooth; podlega ono za to zakłóceniom ze strony kuchenek mikrofalowych i instalacji radarowych.

• Pasma 5 GHz są stosunkowo słabo zagospodarowane (siec 802.11a).

ISM (Industrial, Scientific, Medical – przemysłowe, naukowe, medyczne) U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure)

MODULACJA CYFROWA I

MULTIPLEKSACJA

Problem przesyłania informacji cyfrowej

• Kanały komunikacyjne, czy to radiowe, czy przewodowe, przenoszą sygnały analogowe. Proces konwersji bitów na reprezentujące je sygnały analogowe nazywamy modulacją cyfrową.

• Techniki prostej konwersji bitów na sygnały – transmisja w paśmie podstawowym (ang. baseband transmission), w której sygnał zajmuje częstotliwości od zera do maksymalnej częstotliwości kanału. To

sposób typowy dla kanałów przewodowych.

• Modulacja amplitudy, fazy i częstotliwości sygnału nośnego –

transmisja w paśmie przepustowym (ang. passband transmission), a sygnał zajmuje częstotliwości wokół częstotliwości sygnału nośnego.

To metoda typowa dla kanałów optycznych i bezprzewodowych.

• Kanały są często wykorzystywane do równoczesnego przenoszenia wielu sygnałów. Tego rodzaju współdzielenie kanału transmisyjnego nazywamy multipleksacją.

Transmisja w paśmie podstawowym

• NRZ (Non Return to Zero)

Efektywność wykorzystania pasma

• NRZ – dla przepustowości B bitów na sekundę potrzebujemy pasma o częstotliwości co najmniej B/2 Hz (równanie Nyquista).

• Aby efektywniej wykorzystać pasmo kanału transmisyjnego, zwykło się używać więcej niż dwóch poziomów sygnalizacji.

• Częstotliwość zmian sygnału możemy wtedy ogólnie nazwać prędkością przesyłu symboli, a nie prędkością przesyłu bitów.

Prędkość przesyłu bitów to prędkość przesyłu symboli pomnożona przez liczbę bitów kodowanych pojedynczym symbolem. Dawniej prędkość przesyłu symboli określało się terminem bod (ang. baud).

Efektywność wykorzystania pasma

• Jeśli w kodzie wyróżnimy cztery napięcia zamiast dwóch, możemy pojedynczym sygnałem kodować pary bitów — symboli

dwubitowych. Rozwiązanie to działa, pod warunkiem że sygnał po stronie odbiorczej jest wystarczająco silny, aby dało się w nim

wyróżnić cztery poziomy napięć.

• Na przykład: kod 2B1Q (2 Binary 1 Quaternary, PAM-5)

Odtwarzanie zegara taktującego

• Kod Manchester. Na początku sygnał przyjmuje stan odpowiadający jego wartości binarnej, w środku czasu transmisji bitu następuje zmiana sygnału na przeciwny; dla zera z niskiego na wysoki, dla jedynki – z wysokiego na niski. Modulacja po raz pierwszy została wprowadzona przez G. E. Thomasa w 1949 r. Jest możliwa również odwrotna konwencja, tzw. konwencja IEEE 802.3. Wadą jest zużywanie dwukrotnie szerszego pasma niż w przypadku NRZ.

Odtwarzanie zegara taktującego

• NRZI (Non Return to Zero Invertive)

• W dwupoziomowym sygnale NRZI przełączenie poziomu sygnału następuje synchroniczne zgodnie z sygnałem zegarowym, jeśli transmitowany bit ma wartość 1, natomiast, jeśli transmitowany bit ma wartość 0, to wartość sygnału fizycznego nie ulega zmianie.

• Kodowanie NRZI jest stosowane łącznie z innym kodowaniem, zapewniającym, że w strumieniu danych liczba kolejnych bitów

niezmieniająca stanu wyjścia nie przekracza pewnej wartości maksymalnej, np. RLL, 4B5B, 8B10B.

Odtwarzanie zegara taktującego

• 4B5B – system kodowania danych

cyfrowych. W 4B5B grupa czterech bitów jest zamieniana na 5 bitów tak, by w

wyjściowym ciągu 5 bitów bit o wartości 1 występował przynajmniej dwa razy.

• Kodowanie jest używane w systemach, w których bit o wartości 1 zmienia poziom sygnału w kanale (np NRZI), a zmiana sygnału jest znacznikiem czasu dla następnej zmiany.

• 4B5B został przyjęty w standardach:

• 100BASE-TX

• AES10-2003 MADI (Multichannel Digital Audio Interface).

Nazwa 4b 5b Wartość

Opis

0 0000 11110 0

1 0001 01001 1

2 0010 10100 2

3 0011 10101 3

4 0100 01010 4

5 0101 01011 5

6 0110 01110 6

7 0111 01111 7

8 1000 10010 8

9 1001 10011 9

A 1010 10110 A

B 1011 10111 B

C 1100 11010 C

D 1101 11011 D

E 1110 11100 E

F 1111 11101 F

Q -NONE- 00000 Quiet (signal lost) I -NONE- 11111 Idle

J -NONE- 11000 Start #1 K -NONE- 10001 Start #2

T -NONE- 01101 End

R -NONE- 00111 Reset

S -NONE- 11001 Set

H -NONE- 00100 Halt

Odtwarzanie zegara taktującego

• Alternatywne podejście polega na wprowadzeniu do sygnału cyfrowego czynnika pseudolosowego – jest to tzw. scrambling („zaszumianie”).

• Scrambler służy do randomizacji sekwencji bitowych. Dane

wejściowe poddawane są wymieszaniu z ciągiem pseudolosowym. Ta metoda znajduje zastosowanie w transmisji telewizyjnej oraz kodach takich jak NRZ, gdzie wadą jest brak przeźroczystości kodowej

wynikający z braku synchronizacji dla odbiornika w przypadku wystąpienia długiej sekwencji kolejnych elementów 0.

Odtwarzanie zegara taktującego

• Na przykład: scrambler , de-scrambler

• Sekwencja kolejnych bitów: 1110 0000 0001

Równoważenie sygnału

• Sygnały zrównoważone to takie, które nawet w krótkich okresach niosą tyle samo napięcia dodatniego co ujemnego. Średnia takiego sygnału wynosi zero, co oznacza, że sygnał nie posiada składowej stałej. Brak składowej stałej jest zaletą.

• Równoważenie sygnału jest też korzystne dla taktowania

próbkowania w odbiorniku, ponieważ dążenie do równoważenia liczby poziomów oznacza częste zmiany poziomów sygnału. Jest to również prosty sposób kalibrowania odbiorników.

Równoważenie sygnału

• Prostym sposobem skonstruowania kodu zrównoważonego jest użycie dwóch poziomów napięcia do reprezentowania logicznej jedynki (np. +1 V lub -1 V), przy założeniu, że zero jest

reprezentowane napięciem 0 V. Taki schemat kodowania nosi miano kodowania dwubiegunowego (ang. bipolar encoding). W sieciach telefonicznych określa się go jako kod AMI (Alternate Mark

Inversion).

Równoważenie sygnału

• Kodowanie dwubiegunowe wprowadza dodatkowy poziom napięcia dla zrównoważenia sygnału. Alternatywą jest użycie mapowania w rodzaju kodu 4B/5B. Przykładem zbalansowanego kodu

nadmiarowego jest kod liniowy 8B/10B.

• Odwzorowuje on oktety bitów na serie 10 bitów wyjściowych, wprowadza więc 25-procentowy narzut, dokładnie jak w kodzie liniowym 4B/5B.

• Kod 8B/10B wprowadza nieparzystość w liczbie najwyżej 2 bitów.

Nieparzystość to przypadek, kiedy łączna liczba jedynek i zer w

sygnale jest niezrównoważona. Sygnał nigdy nie będzie więc mocno niezrównoważony.

• Kod ten zapewnia też brak więcej niż pięciu zer czy jedynek w

sekwencji, co jest korzystne dla odtworzenia zegara taktującego po stronie odbiorczej.

Transmisja w paśmie przepustowym

• Modulacja cyfrowa w transmisji w paśmie

przepustowym odbywa się poprzez regulację

(modulowanie) sygnału

nośnego, znajdującego się w obrębie pasma.

• modulacja amplitudy – ASK (Amplitude Shift Keying)

• modulacja częstotliwości – FSK (Frequency Shift Keying)

• modulacja fazowa – PSK (Phase Shift Keying)

Diagram konstelacji

• Modulacje te można ze sobą łączyć, otrzymując zwielokrotnioną liczbę poziomów i większą liczbę bitów na symbol. W danym momencie można modulować albo fazę, albo częstotliwość, bo są to cechy zależne: częstotliwość to liczba zmian fazy w okresie. Za to amplituda i faza są zazwyczaj modulowane równocześnie.

• Faza danego punktu to kąt nachylenia odcinka poprowadzonego od środka układu współrzędnych przez punkt do dodatniej półosi x. Amplituda punktu to odległość od początku układu współrzędnych.

• Ilustracja (a) – QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, 2 bity informacji na symbol).

• QAM-16 – 16 kombinacji amplitud i faz (b), pozwala na przesyłanie 4 bitów na symbol.

• QAM-64 – 64 kombinacje fazy i amplitudy (c), co daje 6 bitów na pojedynczy symbol.

Multipleksacja z podziałem częstotliwości

• Multipleksacja z podziałem częstotliwości FDM (Frequency Division Multiplexing) zakłada współdzielenie kanału transmisyjnego na bazie wydzielenia odrębnych pasm przepustowych.

Multipleksacja z podziałem częstotliwości

• W metodzie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) przepustowość kanału jest dzielona na wiele małych podnośnych, które przesyłają dane niezależnie od siebie (np. z użyciem modulacji QAM).

• Multipleksację OFDM stosuje się w sieciach bezprzewodowych standardu 802.11, sieciach kablowych, sieciach na bazie linii zasilających, w telefonii komórkowej czwartej generacji (LTE).

Multipleksacja z podziałem czasu

• Alternatywą dla multipleksacji z podziałem częstotliwości jest multipleksacja z podziałem czasu — TDM (Time Division

Multiplexing). W tej metodzie użytkownicy kolejno otrzymują kanał na wyłączność, ale tylko na pewien (krótki) czas.

• Podział czasu stosuje się powszechnie w sieciach telefonicznych i komórkowych.

Multipleksacja na bazie sekwencji rozpraszających

• CDM (Code Division Multiplexing) – multipleksacja na bazie sekwencji rozpraszających. To odmiana techniki rozpraszania widma, w której sygnał wąskopasmowy jest rozpraszany w szerszym paśmie

częstotliwości. Może to zwiększać jego odporność na zakłócenia, a także pozwala na współdzielenie pasma częstotliwości przez wielu użytkowników.

• Ponieważ multipleksacja na bazie sekwencji rozpraszających jest wykorzystywana głównie w tym drugim celu, dla techniki tej ukuto nazwę bliższą znaczeniu metody: multipleksacja dostępu CDMA

(Code Division Multiple Access). CDMA pozwala każdemu nadajnikowi na transmitowanie w całym widmie częstotliwości przez cały czas

pracy. Poszczególne transmisje są w paśmie rozdzielane na bazie teorii kodowania.

Multipleksacja na bazie sekwencji rozpraszających

• (a) Sekwencje kodujące dla czterech nadajników,

• (b) Sygnały reprezentujące sekwencje,

• (c) Sześć przykładowych transmisji,

• (d) Odtwarzanie sygnału nadajnika C.

Komutacja

Komutacja

• Obecnie stosowane są dwie odmienne techniki komutacji

(przełączania) w sieciach komunikacyjnych: komutacja obwodów i komutacja pakietów.

Komutacja obwodów

• Ważną właściwością komutacji obwodów jest konieczność utworzenia ścieżki pomiędzy dwoma końcami połączenia, zanim będzie można wysyłać dane.

• W konsekwencji zarezerwowania ścieżki pomiędzy rozmówcami po ukończeniu konfiguracji jedynym opóźnieniem danych jest czas

propagacji sygnału elektromagnetycznego – około 5 ms na 1000 km.

Poza tym dzięki zarezerwowaniu ścieżki nie istnieje ryzyko zatoru.

• Wśród korzystnych właściwości komutacji obwodów można wymienić pełne uporządkowanie danych.

Komutacja pakietów

• Technologia ta zakłada przesyłanie pakietów, kiedy tylko są dostępne; nie ma potrzeby uprzedniego zestawiania dedykowanej ścieżki komunikacji.

• Za przyjmowanie, składowanie, a potem przekazywanie pakietów w odpowiednie miejsce odpowiadają tutaj routery, zarządzające każdym pakietem z osobna.

• Sieci z komutacją pakietów muszą ograniczać rozmiar przesyłanych pakietów.

• Opóźnienie kolejkowania pakietów i rozstrzyganie przeciążeń sieci.

• Nie istnieje ryzyko niedostępności sieci z powodu rezerwacji dla innych użytkowników.

• W sieciach z komutacją pakietów nie dochodzi do marnotrawienia przepustowości, więc systemowo są one efektywniejsze.

• Komutacja pakietów jest o wiele bardziej odporna na błędy niż komutacja obwodów.

Porównanie sieci z komutacją obwodów i z komutacją pakietów

• Zależności czasowe zdarzeń w (a) komutacji obwodów, (b) komutacji pakietów

Porównanie sieci z komutacją obwodów i z komutacją pakietów

Pozycja Z komutacją obwodów Z komutacją pakietów

Zestawianie połączenia. Wymagane Zbędne

Dedykowana ścieżka fizyczna. Tak Nie

Wszystkie pakiety wędrują tą samą trasą? Tak Nie Pakiety docierają we właściwej kolejności? Tak Nie

Awaria przełącznika fatalna w skutkach? Tak Nie

Dostępne pasmo. Stałe Dynamiczne

Moment możliwego powstania zatoru. Przy tworzeniu połączenia Przy każdym pakiecie

Możliwość marnowania pasma. Tak Nie

Transmisja z buforowaniem. Nie Tak

Opłaty. Za minutę Za pakiet