Fizikai szintű kommunikáció. Bitfolyamok továbbítása hírközlő csatornákon 3. rész: Gyakorlati kérdések

Átírás

1 Fizikai szintű kommunikáció Bitfolyamok továbbítása hírközlő csatornákon 3. rész: Gyakorlati kérdések 1

2 Hírközlő csatornák a gyakorlatban (Réz)vezetékes csatornák Fényvezetős (üvegszálas) csatornák Vezetéknélküli csatornák szabadtéri fényátvitel infravörös átvitel rádiós átvitel földfelszíni műholdas ezen belül mobil 2

3 Jeltovábbítás fémvezetőkkel Két fémvezető és köztük dielektromos szigetelés (levegő is lehet) Szakszerű elnevezés: TEM-hullámvezető (transzverzális elektromos-mágneses) mivel a vezetők távolsága a jel hullámhosszához képest kicsi, csak TEM alapmódus terjed Fő típusai: Szimmetrikus érpár sodrott érpár Koaxiális kábel 3

4 Sodrott érpárak 3-as kategóriájú sodrott érpár, árnyékolatlan Cat3 UTP (unshielded twisted pair) kb. 16 MHz-ig 4 érpár egy kábelben 5-ös kategóriájú árnyékolatlan sodrott érpár - kb. 100 MHz-ig sűrűbb sodrás, jobb átv. jellemzők 4

5 Sodrott érpáras kábelek Jelölések: S shielded (fémhálóval) F foiled (árnyékolás fémlemezzel) Cat6, Cat7: újabb, még nagyobb sávsz.-t biztosító kábelek, nem terjedtek el 5

6 Strukturált kábelezés Döntően UTP-kábelezést használ Strukturált: központi elosztókból (ún. rendezőkből) minden végponthoz külön kábel megy, szemben pl. a végpontok felfűzésével egy kábelre Általános célú, telefon- és számítógéphálózat kialakítására egyaránt alkalmas A végpontról nem kell előre eldönteni, hogy mit fogunk arra csatlakoztatni Könnyű átkonfigurálhatóság 6

7 A strukturált kábelezés fő elemei Főrendező az épület központi rendezője, itt csatlakozik pl. a telefon-alközpont Gerinckábelezés (újabban gyakran fényvezetős) Alrendezők a szintenkénti kábelezés elosztói Vízszintes kábelezés többnyire sodrott érpáras, de helyettesíthető vezetéknélküli megoldással is, lásd később a vezetéknélküli lokális hálózati technikákat Csatlakozók 7

8 Illusztráció: Strukturált kábelezés többszintű épületben 8

9 Illusztráció: a strukturált kábelezési rendszer elemei 9

10 Koaxiális kábelek Két végén lezárás a hullámimpedanciával (50 Ohm) Jó zavarvédettség és nagy sávszélesség Számítógéphálózatokban ma már kevésbé használják (kábeltelevíziós rendszerekben, a távközlő hálózatok nagytávolságú átviteli rendszereiben fordul elő). Vagy az optikai (fényvezetős) átvitel szorítja ki, vagy kis távolságok esetén a sodrott érpár 10

11 Példa vezetékes hálózatra: adatátvitel az analóg nyilvános kapcsolt távbeszélő hálózaton 11

12 A PSTN (public switched telephone network) fő elemei 12

13 Kábeltévé-hálózat Tipikusan lakás fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve) lakás 13

14 Kábeltévé-hálózat szerverek fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve) lakás 14

15 Kábeltévé-hálózat fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve) lakás 15

16 16 Kábeltévé-hálózat lakás fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve) Csatornák V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L FDM:

17 Átvitel a látható fény tartományában: optikai ablakok 17

18 Terjedés üvegszálban β 1 Levegő β 2 β 2 Levegő/üveg határ Üveg α 1 α 2 α 3 Teljes belső visszaverődés Fényforrás 18

19 Optikai szál Cladding Core Cladding Core and cladding Cladding Core Cladding Core n 1 n 1 Refractive index Refractive index n 2 n 2 Radial distance Radial distance a) Step-index fiber b) graded-index fiber 19

20 A fénysugár betáplálása a szálba Cladding Cladding Core Core θl θ ι θ r Cladding Cladding Cladding Optical transmitter Core Cladding 20

21 Multimódusú és monomódusú szálak A core/cladding értékek a multimódusú szálban: 50/125 μm, 62.5/125 μm, 100/140 μm Monomódusú szál esetén: 9 vagy 10 / 125 μm 21

22 A módusok kialakulása Cladding Cladding a) step-index fiber Cladding Cladding b) Graded-index fiber 22

23 Monomódusú szál Cladding Cladding 23

24 Csillapítás és torzítások Az optikai szálon áthaladó fény különböző optikai hatásoknak van kitéve Ezek lehetnek: lineáris és nemlineáris hatások Lineáris: csillapítás: a teljesítmény csökkenése a távolság függvényében diszperzó: az optikai impulzus alakjának torzulása Nemlineáris: a törésmutató függése az elektromos tér intenzitásától 24

25 Üvegszálas kábelek konstrukciója 25

26 Optikai hálózati elemek Adók LED lézer Vevők fotodióda Erősítő Szűrő Szétosztó-összegző 26

27 Optikai hálózati elemek: passzív csillag Adó Vevő Számítógép interfészek Az összes bemenő fényvezető szál megvilágítja az egész passzív csillagot Minden kimenő fényvezető szálon megjelenik az összes bemenő fényvezető szál fénye 27

28 Optikai hálózatok: optikai gyűrű Számítógép Számítógép felé/felől Rézvezeték Az interfész részletei A fény terjedési iránya Fényvezető kábel Interfész Üvegszál Optikai vevő (fotodióda) Jelgenerátor (elektromos) Optikai adó (LED) 28

29 Példa üvegkábeles hálózatra: HFC 29

30 Optikai átvitel szabad térben Az összeköttetéshez közvetlen rálátásra van szükség A terjedést nagymértékben befolyásolják a légkör jellemzői: eső, pára, köd Legfeljebb pár km-es távolságokat lehet megbízhatóan áthidalni A nyomvonalat körültekintően kell megválasztani (vízfelületek, nagyméretű fémfelületek felett aggályos) Alkalmazási terület: kis távolságok áthidalása, ha vezetékkel, vagy rádión nehézkes, vagy drága forgalmas útvonal két oldalán lévő irodaház helyi hálózatainak összekapcsolása, ha nem lehet kábelt kihúzni és a kerülő útvonal túl drága, vagy nehéz frekvenciaengedélyt kapni mikrohullámú linkhez 30

31 Szabadtéri optikai összeköttetés kültéri egysége 31

32 Rádiócsatornák Az elektrománeses hullámtartománynak az ultrahang- és a látható fény tartományai között része Igen széles, és nem teljesen kihasznált sáv: ~10 khz-től ~1 THz-ig (terahertz: 10¹² Hz) Hullámterjedés a szabadban Az elektromos jel átalakítása elektromágneses hullámmá és viszont: antennák, adó- és vevőantennák A hatékony kisugárzáshoz és vételhez a hullámhossz nagyságrendjébe eső méretű antennák kellenek Az antennák fő jellemzője: antennanyereség definíciója: 32

33 Az elektromágneses hullámtartomány f(hz) Rádióhullámok Mikrohullámok Infravörös sugarak Röntgensugarak Kozmikus sugarak Látható fény Ultraibolya sugarak f(hz) Sodrott érpár Műholdas adás Fényvezető Hajózás Koaxiális kábel AM rádió FM rádió Földi mikrohullámú adás szál TV Sáv LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 33

34 A hullámterjedést befolyásoló jelenségek szabadtéri csillapítás a távolság négyzetével fordítottan arányos visszaverődés (reflexió) bármilyen közegről, amely az adott frekvenciasávban visszaverő felületként szerepel (pl. légköri réteg a dekaméteres tartományban, épület a cm-s tartományban) törés (refrakció) elhajlás (diffrakció) szóródás (scattering) az adott hullámhossznak megfelelő méretű részecskéket tartalmazó közegben, pl. troposzféra 34

35 Fő hullámterjedési módok 35

36 Frekvenciasávok és terjedési jellegzetességeik Érdekesség: a terjedési viszonyok nagyjából frekvencia-, ill. hullámhossz-dekádonként eltérőek Példák: igen hosszú hullámok (km): diffrakció következtében igen nagy távolságú terjedés rövidhullámok (10m): felszíni és visszavert hullám, visszaverődés az ionoszféráról, akár globális távolságokra mikrohullámok (cm): egyenesvonalú terjedés 36

37 Zajok és zavarok a rádiócsatornában A rádiócsatorna nyitottsága Zajok termikus zaj a vevő bemenetén atmoszférikus zajok kozmikus zaj, galaktikus zaj Zavarok ipari zajok, zavarok más rádiórendszerekből származó zavarok Sokszor ezek együttes hatásával kell számolni 37

38 Műholdas rádiócsatorna: csillapítás- és zajviszonyok A vett jel nagyságát alapvetően a szabadtéri csillapítás befolyásolja Az adó- és a vevőantennák nyereségével lehet javítani az antennák irányítottak antennanyereség: a fő sugárzási irányba eső telj. sűrűség per az izotróp sugárzó telj. sűrűsége A zaj döntően a vevőkészülék bemenetén jelentkező termikus zaj, kismértékben a vett jelhez a csatornában adódott zajok és zavarok (kozmikus zaj, ipari zajok és zavarok) A műkoldas csatorna jel-zaj-mérlege geostacionárius műhold esetén megj.: geostacionárius és alacsony röppályás (LOSlow orbit satellite) műholdak 38

39 Frekvenciagazdálkodás A rádiócsatorna nyitottsága miatt kritikus a frekvenciasávok felosztása a felhasználók között Engedélyköteles és engedélyhez nem kötött sávok Általában: engedély kell, kivétel: ISM-sáv (industrial, scientific, medical) ~2,4 GHz, ~5,6 GHz A szabályozás többszintű: globális, Nemzetközi Rádiószabályzat regionális, pl. EU irányelvek nemzeti, Mo-n az NHH (Nemzeti Hírközlési Hatóság) 39

40 Közvetlen rálátásos és rálátás nélküli összeköttetések Nagyvárosi környezet: visszaverődések az épületekről, az épületek árnyékoló hatása Rurális környezet: csillapítás a növényzet miatt 40

41 A közvetlen rálátás definíciója a Fresnelzónák alapján 41

42 A többutas terjedés és következményei A különböző utakon terjedő jelek időben eltolva érkeznek a vevőbe, gyengítik egymást a jelenség régi ismerős: fading (elhalkulás) a rövidhullámú rádiózásnál A többutas terjedés hatásának csökkentése: többszörös vétel diversity az eljárás neve több antenna és vevő egyidejűleg, és optimális kombinálás (tér-diversity) adás és vétel párhuzamosan több frekvencián (frekvencia-diversity) 42

43 Példa: műholdas terminálhálózat, hub alkalmazásával 43

44 Példa: földfelszíni pont-pont mikrohullámú összeköttetés Kültéri egység Beltéri egység 44

45 Példa: földfelszíni pont-pont mikrohullámú összeköttetés Kültéri egység Beltéri egység 45

46 Példa: cellás mobil rádióhálózat 46

47 Példa: cellás mobil rádióhálózat MS BTS BSC MSC/VLR IWF MS BTS BSC AuC HLR EIR PSTN MS MSC/VLR IWF BTS BSC 47

48 Összefoglalás: milyen fogalmakkal és tudnivalókkal ismerkedtünk meg? Bitfolyamok továbbítása hírközlő csatornákon Alapfogalmak bit/s, Baud, jelalakok tulajdonságai Átvitel sávhatárolt csatornán mekkora sávszélességre van szükség adott szimbólumsebességhez? Átvitel zajos csatornán hogyan kell jól dönteni, hogyan jelentkezik a zaj hatása (hibavalószínűség) Digitális modulációs eljárások ASK, FSK, PSK alapeljárások, többszintű moduláció Többcsatornás átvitel multiplexeléssel FDM, TDM több jelforrás egyetlen csatornán való átvitelének módszerei Hírközlő csatornák a gyakorlatban (Réz)vezetékes csatornák - felépítés, jellemzők Sodrott érpáras kábelek, strukturált kábelezés Koaxiális kábelek Fényvezetős (üvegszálas) csatornák Vezetéknélküli csatornák frekvenciatartomány, terjedés, földfelszíni és műholdas rádiócsatornák 48

49 Összefoglalás: hol használjuk fel ezeket az ismereteket? A tárgyban a későbbiekben megismerendő számítógép-hálózati technológiák mindegyike valamilyen fizikai közegen történő adatátvitelt használ Az adott technológia tárgyalásának ismertnek tételezzük fel az itt elmondottakat és hivatkozunk ezekre Ezen túlmenően több olyan alapfogalommal ismerkedtünk meg, amelyek későbbi tárgyakhoz, pl. a Távközlő hálózatok és szolgáltatások közös tárgyhoz és a szakirány-tárgyakhoz szükségesek 49