IN Fysieke laag

Transcriptie

1 IN Fysieke laag De fysieke laag Fourier-analyse () Elk (redelijk net) periodiek signaal g(t) kan beschreven worden als de so van een aantal sinus- en cosinus-funkties: c g( t) = + an sin( πnft) + bn cos( πnft) n= n= Waarin: f = / de periode van het signaal [s] de grondfrequentie (-e haronische) [Hz] a en b de aplitudes van sin- en cos-coponent n n IN Coputernetwerken IN Coputernetwerken Fourier-analyse () a = g( t)sin( πnft) dt n b = g( t)cos( πnft) dt n c = g( t) dt Fourier-analyse van bitsignaal () g(t) sin( t) + sin( π a n t n Bitsignaal afwisselend en, een periode is een - cobinatie Afgezien van de gelijkspanningscoponent,5 (c = ) is g( t) = a sin(πft) + a sin (πft) + a sin 5(πft) + = = π π π π t) + 5 5π sin(5 π t) + IN Coputernetwerken IN Coputernetwerken 4 Fourier-analyse van bitsignaal () bitsignaal e-har e-har 5e-har so+,5 Hoek e-har in graden (gelijkspanningscoponent is hier,5 (c =)) IN Coputernetwerken 5 Grondfrequentie of frequentie van -e haronische,,,8,6,4,, -, bitsignaal e-har De frequentie van de eerste haronische wordt vaak grondfrequentie genoed Hoek e-har in graden IN Coputernetwerken 6 f = -e haronische + konstante ter

2 IN Fysieke laag Bandbreedte Vervoring door beperkte bandbreedte kantelfrequenties Overdracht (log) Bandbreedte H db Apl t in uit f f frequentie [Hz] (log) Bandbreedte = het verschil tussen de hoogste en de laagste frequentie die nagenoeg onverzwakt worden overgedragen IN Coputernetwerken 7 Overdracht et beperkte bandbreedte IN Coputernetwerken 8 Binair oversturen van byte (8 bits) b = f = = b 8 Bij een bandbreedte van Hz is het aantal haronische dat overgezonden kan worden: f f f 4f Hz b is bitsnelheid [bit/s] ( eerste haronische = grondfrequentie ) 4 = = f b/ 8 b Bij b = 96 bit/s, is er ruite voor 4/96 = haronischen IN Coputernetwerken 9 Seinsnelheid in baud - De snelheid waaree gegevens overgezonden kunnen worden (de bitsnelheid of transissiesnelheid) hangt af van de snelheid waaree het signaal kan veranderen (de signaalsnelheid) - Het aantal signaalwisselingen per seconde wordt uitgedrukt in baud - Het verband tussen bandbreedte H [Hz] en axiu seinsnelheid M ax [baud] is (ongeacht de codering) M ax = H IN Coputernetwerken Seinnelheid <=> transissiesnelheid C = M logv - C transissiesnelheid [bit/s] (ook bitsnelheid genoed) - M seinsnelheid [baud] (ook baudsnelheid of signalling rate genoed) - V aantal ogelijke signaaltoestanden IN Coputernetwerken Seinsnelheid - transissiesnelheid () a Binair: V = b Kwartair: V = 4 Seinsnelheid [baud] gelijk, transissiesnelheid [bit/s] bij b twee aal zo hoog als bij a IN Coputernetwerken

3 IN Fysieke laag a b Seinsnelheid - transissiesnelheid () Binair: V= Kwartair: V = 4 Seinsnelheid [baud] van binair signaal bij a twee aal zo hoog als bij b, transissiesnelheid [bit/s] gelijk IN Coputernetwerken Stelling van Nyquist (94) - ransissiecapaciteit (axiu transissie-snelheid) is afhankelijk van de bandbreedte en het aantal ogelijke signaaltoestanden: C N ransissiecapaciteit volgen Nyquist [bit/s]; - H Bandbreedte [Hz]; C = N H logv - V Aantal signaaltoestanden V wordt beperkt door: - Vervoring (relatie et het verzonden signaal) - Storing ( geen relatie et het verzonden signaal, bestaat bijv uit ruis, schakelipulsen, overspraak) IN Coputernetwerken 4 Stelling van Shannon (948) - ransissiecapaciteit (axiu transissie-snelheid) van een kanaal et ruis is - C SH ransissiecapaciteit volgens Shannon [bit/s]; - H Bandbreedte [Hz]; - S Signaalverogen [W]; - N Ruisverogen [W] C = S SH H + log N Signaal-ruisverhouding S N verogen van gewenste signaal s = verogen van de ruis n Deze verhouding wordt eestal uitgedrukt in decibels [db] ( decibel = / bel) ( S/ N) = S db log N IN Coputernetwerken 5 IN Coputernetwerken 6 Verhouding signaalverogens in db P /P db = log P P IN Coputernetwerken 7 Verband tussen Nyquist & Shannon - Nyquist: - Shannon: CN = H logv S CSH = H log + N C < C N SH Het aantal signaaltoestanden V wordt beperkt door Shannon: S V < + N IN Coputernetwerken 8

4 IN Fysieke laag ransissieiddelen F = F C Zender l Ontv F l = l v F = berichtlengte [bits] C = transissiesnelheid [bits/s] F = transissietijd [s] l = looptijd [s] l = afstand v = snelheid IN Coputernetwerken 9 Geleidende edia - Magnetsiche inforatiedragers - Getwijnd draadpaar (engels: twisted pair) - coaxiaal kabel - Glasvezel IN Coputernetwerken Voortplantingssnelheid Begin telegrafie Snelheid van elektroagnetische golven en dus ook van licht: in het luchtledige en (lucht ongeveer) k/s Handig in gebruik vaak de looptijd ~ µs/k) + stroo Aarde In een geleider ongeveer k/s (looptijd ~ 5 µs/k) Veel storing onder andere van energievoorziening IN Coputernetwerken IN Coputernetwerken Verschillende edia Aderpaar Gevlochten etaalantel Metaaldraad Glasvezelkern Optische bekleding (Cladding) Unshielded wisted Pair (UP) Shielded wisted Pair Coaxiaalkabel } Glasvezel Beide eestal van kunststof IN Coputernetwerken Verbinding et coaxkabel (5 Oh) Punt-punt-verbinding Wordt eestal getekend als: R t Basisbandbus Wordt eestal getekend als: Afsluitweerstand IN Coputernetwerken 4 R t

5 IN Fysieke laag 4 Verbinding et glasvezel Zender Glasvezel Light Eitting Diode (LED) Fotodiode - Snelheid van LED en fotodiode in de praktijk de beperkende factor voor de bitsnelheid - Voordeel ten opzichte van coax-kabel vooral de langere afstanden die overbrugd kunnen worden zonder versterking Ontv IN Coputernetwerken 5 Capaciteit van enige transissieedia Soort bitsnelheid bij lengte Draadpaar kbit/s Getwijnd draadpaar (UP) tot Mbit/s (er zijn verschillende kwaliteiten, klassen ) Shielded twisted pair 55 Mbit/s Coaxiale kabel (basisband) Mbit/s k Coaxiale kabel (breedband) Mbit/s k Glasvezel 5 Gbit/s <k Glasvezel-record (996) rui bit/s 5k Satelliet/radio 6 Mbit/s (k =, M = 6, G = 9, = ) IN Coputernetwerken 6 Draadloze transissie Het electroagnetisch spectru Draadloze transissie () - relatie golflengte en frequentie: = v / f hierbij: - is de golflengte - c is de lichtsnelheid ( 8 /s) - f is de frequentie Bij f = Mhz hoort =, etc IN Coputernetwerken 7 IN Coputernetwerken 8 Draadloze transissie () Radio - VLF, LF, MF - volgen aardoppervlak - lage bandbreedte - gaan geakkelijk door gebouwen en uren - HF, VHF - worden weerkaatst door ionosfeer - lange afstand - gaan akkelijk door gebouwen en uren Draadloze transissie (4) icrogolven: - > MHz (< ) - uitzenden in salle bundel - veel gebruikt bij lange afstand telefoonverkeer - gaat niet goed door uren - bij f > 4GHz, absorptie door water (regen, ist) infrarood - bv voor afstandsbediening V - gaat niet door uren - oeilijker af te luisteren IN Coputernetwerken 9 IN Coputernetwerken

6 IN Fysieke laag Draadloze transissie (5) 4 Zichtbaar licht - gebruikt salle laser-bundel - hoge bandbreedte - lage kosten - niet bestand tegen regen en ist Counicatie Satellieten () Geostationnaire satellieten (GEO) - staan stil tov aardoppervlak - afstand 58 k van aarde - bevat transponders, die signaal ontvangen en weer uitzenden - zenden naar satelliet via uplink - ontvangen van satelliet via downlink - end-to-end delay pl s IN Coputernetwerken IN Coputernetwerken Counicatie Satellieten () Mediu Earth Orbit (MEO) satellieten - 5 tot k boven aardoppervlak - in pl 6 uur rond aarde - worden gebruikt voor Global Positioning Syste (GPS) Counicatie Satellieten () Low-Earth Orbit (LEO) satellieten - draaien snel rond - groot aantal satelieten in lage baan - overdekken aardoppervlak bv 66 (bij Iridiu) of 48 (bij Globalstar) - stations worden doorgegeven (handoff) - datoverdracht - van satelliet naar satelliet (Iridiu), of - via tussenliggende grondstations - weinig verogen nodig voor telefoons IN Coputernetwerken IN Coputernetwerken 4 Low-Earth Orbit Satellites: Iridiu 5 Het openbare telefoonnetwerk elefoonnetwerk (a) (b) (a) he Iridiu satellites fro six necklaces around the earth (b) 68 oving cells cover the earth IN Coputernetwerken 5 IN Coputernetwerken 6

7 IN Fysieke laag 5a Modulatie 8 o fasedraaiing binair aplitude A odulatie frequentieodulatie f faseodulatie ϕ g( t) = Asin(π ft + ϕ) IN Coputernetwerken 7 Eenvoudig bit/s full-duplex-ode Overdracht (log) Bandbreedte Hz 4 frequentie [Hz] (log) FrequentieModulatie (EIA Bell ode IN Coputernetwerken 8 Aplitude-fasediagraen 6-QAM 45 o Aplitude-odulatie (AM) ( toestanden) Fase-odulatie ( toestanden) 8,4 o 6,6 o AM+faseodulatie (8 toestanden) AM+faseodulatie (6 toestanden) IN Coputernetwerken 9 IN Coputernetwerken 4 5b ADSL - bandbreedte van de local loop is standaard Hz - laag gehouden dv filter - zou op korte afstand van centrale veel hoger kunnen bv Mb/s over k, of Mb/s over 4 a 5 k - voor ADSL filter verwijderd - ADSL (Asyetric Digital Subscriber Line) - verschil tussen upstrea en downstrea ( asyetric ) bv 56 kb/s upstrea en Mb/s downstrea 54 Multiplexing Verscheidene kanalen saenvoegen tot één (hoofd)-kanaal s s s s n ultiplexer deultiplexer s s s s n IN Coputernetwerken 4 IN Coputernetwerken 4

8 IN Fysieke laag Frequentie-ultiplexen ijdultiplexen a b freq freq a b freq freq kanaal a kanaal b kanaal c t t t t t t 4 t t t c freq c freq + Uitgang ultiplexer a b c a b c a b c + a b c freq IN Coputernetwerken 4 frae Bitsnelheid ultiplexer is hier aal die van de ingangen IN Coputernetwerken 44 Voorbeeld tijd-ultiplexen per bit 55 Circuitschakelen - virtuele circuits kanaal kanaal kanaal kanaal 4 Uitgang ultiplexer frae tijdsleuf (tie slot ) (hier bit groot) IN Coputernetwerken 45 Data Let op IN Coputernetwerken 46 6 Cellulaire radio - Een gebied is verdeeld in verzorgingsgebieden, cellen - Draaggolffrequenties worden na een bepaalde afstand hergebruikt - Soige systeen: Een obiel station kan tijdens bewegen van cel naar cel zonder dat de verbinding verbroken wordt (handover) obiel station cel IN Coputernetwerken 47 Cellulaire radio - Oppiepsystee (paging syste) pieper, buzzer, (A beeper) - Draadloze telefoons (cordless t) - analoog - digitaal C- (bv Greenpoints van P) C- (Dig Enhanced Cordless eleco,dec) - Analoge cellulaire telefoon Een kanaal is een bepaalde frequentie (FDM) - Digitale cellulaire telefoons (bv GSM, DCS 8) Een kanaal is een kobinatie van FDM en DM IN Coputernetwerken 48

9 IN Fysieke laag Structuur van een cellulair netwerk C = Mobile Switching Centre BSC = Base Station Controller BS = Basisstation = Mobiel Station BS C Vast netwerk BS BS BS BS BS BS BSC BSC IN Coputernetwerken 49 Vb: GSM gebruikt FDM+DM - Een kanaal bestaat uit twee frequentie-tijdsleuf-cobinaties (één van BS => en één van =>BS) - GSM heeft per frequentiepaar 8 DM-kanalen - Elk basistation heeft een aantal frequentieparen van het totaal Freq A, opwaarts Freq B, neerwaarts tijdsleuf (tie slot) frae kanaal in gebruik voor frequentiepaar AB frae ijdsleuven behorende bij één kanaal IN Coputernetwerken 5 Vb: DEC gebruikt FDM+DM DEC gebruikt in totaal frequenties en heeft * kanalen per frequentie, totaal 4 kanalen Alle basisstations beschikken over alle frequenties frae (DM) -> BS BS -> frequenties (FDM) Code Division Multiple Access (CDMA) chip chip sequence spreidingscode datasignaal spreidingscode gespreid signaal tijdsleuf (tie slot) kanaal in gebruik IN Coputernetwerken 5 Frequentiespectru van het datasignaal en van het uitgezonden gespreide signaal IN Coputernetwerken 5 CDMA () ander station signaal A spreidingscode a ander station spreidingscode a signaal A So van alle verzonden gecodeerde signalen Aan de ontvangkant wordt het gewenste signaal uitgefilterd et behulp van dezelfde spreidingscode IN Coputernetwerken 5 CDMA () - Model et bipolaire notatie: Een binaire is gecodeerd als + Een binaire is gecodeerd als - - Spreidingscodes zijn paarsgewijs orthogonaal als hun inwendig product is - Vb twee ortogonale spreidingscodevectoren S en S = S, S, S, K S =,, ( ) ( ) S = ( S + S + S + + S ) = - de lengte van de spreidingscode is typisch 64 of 8 bits K IN Coputernetwerken 54 K

10 IN Fysieke laag CDMA(4) - Inwendig product van spreidingscode et zichzelf: S S = SS = = ( ± ) i i Si = i = i = i = S S = Voor een bit wordt uitgezonden Voor een bit wordt uitgezonden S S Vb: S = ( ) S = ( ) S S = IN Coputernetwerken 55 CDMA(5) Voorbeeld - A, B en C zijn de spreidingscodes van A, B en C - Stel we onvangen signaalvector S van een bit dat de so is van de bits verzonden door A, B en C S = A + B + C (bit van A is, van B is en van C is ) - We willen C eruit filteren: ( A + B + C) C = A C + B C + C C = C = S C = C bit IN Coputernetwerken 56 CDMA(6) Voorwaarden: - Synchronisatie op de gewenste zender - Het ontvangen verogen van alle stations oet hetzelfde zijn; de zender oet zijn zendverogen zodanig regelen, power control (oeilijk) 7 Counicatie via de kabel() - Kabelnet aangelegd voor V, later ook andere doelen - verschil et telefoonnet: - telefoonnet: iedere abonnee eigen local loop - kabel: kabel wordt gedeeld door vele huizen - Stations oeten weten wie ze een bericht zendt, (oeten spreidingscode weten waaree ze oeten filteren) of oeten alle berichten decoderen (veel werk) tel centrale head end IN Coputernetwerken 57 IN Coputernetwerken 58 Counicatie via de kabel() verdeling van de frequenties op de kabel: In Europa: - voor de V kanalen: 65 tot 55 MHz, 6 MHz kanalen - Internet upstrea: 5-4 MHz - Internet downstrea: MHz, - Voor internet odulatie nodig (kabel odes) - upstrea bits / baud - downstrea 6 bits / baud IN Coputernetwerken 59 Counicatie via de kabel() Vergelijking ADSL en kabel: - capaciteit: - kabel gebruikt coax, capaciteit groot, aar beperkt door geeenschappelijk gebruik - ADSL gebruikt UP, axiale capaciteit inder, aar wel - gegarandeerd - beschikbaarheid - niet overal kabel - wel overal telefoon, aar afhankelijk van afstand centrale - veiligheid - ADSL veiliger vanwege eigen local loop IN Coputernetwerken 6

11 IN Fysieke laag Counicatie via de kabel(4) vergelijking ADSL en kabel (vervolg) - betrouwbaarheid - kabel kwetsbaarder (stroostoringen) - keuze ISP (Internet Service Provider) - ADSL: vaak keuze uit verschillende ISP s - kabel: vaak één provider IN Coputernetwerken 6