شبکه های کامپیوتری

1

شبکه های کامپیوتری

فصل سوم:(Physical Layerالیه فیزیکی )

وحید حقیقت دوستدانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شاهد

2

مبانی تئوری مخابرات داده

• )Fourier Analysis( آنالیز فوریه• -Bandwidth( محدودیت پهنای باند سیگنالها

Limited(• Maximum Data Rate of a( حداکثر نرخ ارسال کانال

Channel(

3

داده ها باید بصورت سیگنالهای الکتریکی انتقال یابند

4

تجزیه فوریه سیگنال

:یادآوری هر سیگنال متناوبg)t( با دوره تناوب T را میتوان

بصورت مجموعی از توابع سینوسی و کسینوسی نوشت که به آن سری فوریه میگویند:

بطوری کهf = 1/T را فرکانس پایه و an و bn را امین هارمونی میگویند nدامنه

در خصوص سیگنالهای نامتناوب، آنها را بصورتمقطعی پردازش میکنند و یا از تبدیل فوریه استفاده

میشود.

)2cos()2sin(2

1)(

11

nftbnftac tgn

nn

n

5

اولیهسیگنال دیجیتالی ضریب اول فوریه15

سیگنال باز سازی شده با استفاده از اولین ضریب

سیگنال باز سازی شده با استفاده از دو ضریب اول

6

ضریب اول فوریه4سیگنال باز سازی شده با استفاده از

ضریب اول فوریه8سیگنال باز سازی شده با استفاده از

7

محدودیت پهنای باند اگر نرخ انتقال بیت برابرb بیت 8 بیت بر ثانیه باشد، زمان الزم برای ارسال

ثانیه است. لذا فرکانس b/8بطوری که در هر زمان یک بیت ارسال شود برابر هرتز است.b/8هارمونی اول برای ارسال یک بایت

هرتز است. 3000فرکانس قطع در خطوط تلفن بدین معنی است که شماره بزرگترین هارمونی که میتواند در خطوط تلفن

ارسال شود برابر مقدار زیر است:

bb24000

8

3000

رابطه بین نرخ ارسال و تعداد هارمونی های قابل ارسال

8

OK

NotOK

خط انتقال تلفنی را درنظر بگیرید، باتوجه به شرایط پهنای باند خط باتوجه به نرخ ارسال درنظر گرفته شده میتوان تعداد هارمونی ها را محاسبه نمود. نرخ

بیت در ثانیه را در نظر بگیرید300ارسال 300= نرخ ارسال b/s T= 8/300=0.02667 )sec( = 26.67 )msec(

37.5=300/8= فرکانس اولین هارمونی Hz

80=3000/37.5= تعداد هارمونی های قابل ارسال

9

کدینگ دیجیتال (a)Unipolar NRZ signaling.

ولتاژ صفر :0 ولتاژ مثبت :1

(b) Polar NRZ signaling. ولتاژ منفی :0 ولتاژ مثبت :1

(c) Unipolar RZ signaling. ولتاژ صفر :0 نوسان به ولتاژ مثبت و بازگشت به صفر :1

(d) Bipolar RZ signaling. ولتاژ صفر :0 نوسان به ولتاژ مثبت یا منفی )متناوب( و :1

بازگشت به صفر (e) Split-phase or Manchester code.

نوسان از سطح ولتاژ منفی به سطح ولتاژ :0مثبت

نوسان از سطح ولتاژ مثبت به سطح ولتاژ :1منفی

10

کدینگ : نرخ ارسال سمبول و نرخ Baud Rate vs. Bitارسال بیت )

Rate)

11

حداکثر نرخ ارسال کانال

Nyquist’s Theorem

Max. data rate = )Noiseless Channel( where V represent No. of discrete level of signals. Shannon’s Theorem

Max. data rate =

)Noisy Channel(

where S/N represent signal-to-noise ratio.

bits/sec log2 2 VH

bits/sec )1(log2 N

SH

12Figure 3.11

SNR = Average signal power

Average noise power

SNR (dB) = 10 log10 SNR

Signal Noise Signal + noise

HighSNR

t t t

Signal Noise Signal + noise

LowSNR

t t t

حداکثر نرخ ارسال در کانال بدون نویز

13

14

حداکثر نرخ ارسال در کانال نویزی

15

رسانه های ارتباطی

( زوج به هم تابیدهTwisted Pair)( کابل هم محورCoaxial Cable)( فیبر نوریFiber Cables)وایرلس

16

Twistedزوج به هم تابیده )Pair)

)a( Category 3 Unshielded Twisted Pair )UTP(. BW.=16MHz)b( Category 5 Unshielded Twisted Pair )UTP(. BW.=100MHz)c( Cat. 6 BW.=250MHz, Cat.7 BW.= 600MHz

Physical Media

Shielded Twisted Pair )STP(

18

Unshielded Twisted Pair )UTP(

19

Coaxial Cable

20

Coaxial Cable (2) Coaxial cable (coax)

– better shielding– longer distances at higher speeds– two kinds

• 50-ohm cable: digital transmission• 75-ohm cable: analog transmission

Bandwidth– 1-km cable: 1-2 Gbps

Application– telephones system: coaxial cable are being replaced by fiber

optics– widely used for cable TV

21

فیبر نوری

.هسته شیشه ای در بین دو قالف قرار داردیکی از جنس شیشه و دیگری از جنس

پالستیک

22

فرکانس های کاری فیبر نوری

Ray description of different fibers

24

عملکرد مودمتبدیل سیگنال دیجیتال به

سیگنال آنالوگ)a( A binary signal)b( Amplitude modulation)c( Frequency modulation)d( Phase modulation

PM و AMترکیب تکنولوژی های

)a( QPSK.)b( QAM-16.)c( QAM-64.

26

انواع روشهای تسهیم سازی (Multiplexing)

پنج روش تسهیم سازی و دسترسی

مشترک به کانال

اشتراک زمانی سنکرون

)TDM و TDMA(

اشتراک فرکانسی

)FDMA و FDM(

مالتی پلکس کردن آماری

)SM(

اشتراک طول موج

)WDM(

اشتراک کد )CDMA(

27

تسهیم سازی و دسترسی چندگانه

از تسهیم سازی برای ترکیب خطوط با نرخارسال پایین تر در یک خط با نرخ ارسال بیشتر

استفاده میشود در دسترسی چندگانه، تمامی ایستگاه ها به رسانه

مشترک دسترسی دارند و طبق پروتکل توافقی هر کدام از بخش اختصاص یافته به خود استفاده

میکنند

28

تسهیم سازی فرکانسFrequency Division Multiplexing (FDM)

)a( The original bandwidths.)b( The bandwidths raised in frequency.)c( The multiplexed channel.

29

تسهیم سازی زمانیTime Division Multiplexing (TDM)

The T1 carrier )1.544 Mbps(.

Pulse Code Modulation (PCM) is the heart of the modern telephone system A analog signal is sampled, quantized and coded

Each channel has 8bits, 24 channels and one framing bit form a frame of 125 µsec

30

تسهیم سازی پهنای باندWavelength Division Multiplexing (WDM)

31

و TDMسوئیچینگ مداری با استفاده از FDM

FDM

frequency

time

TDM

frequency

time

4 users

Example:

32

Time Division Multiplexing

درون خطوط T1 تسهیم سازی خطوطبا سرعت باالتر

SONET STS-1 frame

Each STS-1 frame is 90 columns * 9 rows = 810 bytes There are 8000 STS-1 frames per second Thus the basic STS-1 rate is 51.840 Mbps

90 columns

9

row

s

framing

Synchronous Transfer Signals are bit-signals )OC are optical(

34

SONET/SDH rates

SONET and SDH multiplex rates.

The Synchronous Transport signal-1 (STS-1) is the basic SONET channel The Optical carrier (OC) corresponding to STS-n is called OC-n

35

Network Connection Speeds Reference( link)

Name SpeedAnalog POTS Modem 300 bps - 56.7 kbpsITU V.21 300 bpsITU V.22 1.2 kbpsITU V.22bis 2.4 kbpsITU V.29/V.32 9.6 kbpsFacsimile )Fax( 9.6 - 14.4 kbpsCellular Digital Packet Data )CDPD( 9.6 - 14.4 kbpsITU V.32bis 14.4 kbpsHSCSD 28.8 - 56.0 kbpsITU V.34 )V.fast( 33.6 kbpsITU V.90 56.0 kbpsT-0/E-0/J-0/DS-0 )1 Voice Channel( 64 kbpsN-ISDN )Narrowband( 64 kbpsFractional T-1 )64kbps Increments( 64.0 kbps - 1.544 MbpsGPRS 114 kbpsISDN BRI )Basic Rate 2B+D, B = 64 kbps, D = 16 kbps( 144 kbpsEDGE 384 kbpsBluetooth 723 kbps

http://www.ertyu.org/steven_nikkel/netspeeds.html

36


Name SpeedStarLAN 1 MbpsISDN PRI )Primary Rate 23B+D, B = 64 kbps, D = 64kbps(

1.544 Mbps

T-1/J-1 )24 Voice Channels( 1.544 MbpsWCDMA/WTDMA 2 MbpsE-1 )30 Voice, 2 Control)64 kbps( Channels( 2.048 MbpsARCnet 2.5 MbpsT-1C/J-1C )2 T-1/J-1( 3.152 MbpsUMTS 3.5 MbpsToken Ring 4 MbpsT-2/J-2 )4 T-1/J-1( 6.312/6.443 Mbps **E-2 )4 E-1( 8.448 MbpsEthernet 10Base-X 10 Mbps802.11b )WiFi( 11 MbpsFast Token Ring 16 MbpsJ-3 )20 J-1( 32.064 MbpsE-3 )16 E-1( 34.368 MbpsT-3 )28 T-1( 44.736 MbpsOC-1/STS-1 51.84 Mbps


37


Name Speed802.11a/g 54 MbpsT-3C )56 T-1( 89.472 MbpsJ-3C )60 J-1( 97.728 MbpsFast Ethernet 100Base-X 100 Mbps100VG Anylan 100 MbpsHigh Speed Token Ring 100 MbpsFDDI/CDDI 100 MbpsTS-3D/DS-3D 135 MbpsE-4 )64 E-1( 139.264 MbpsATM* 155.52 MbpsOC-3/STS-3/STM-1 155.52 MbpsT-4 )168 T-1( 274.176 MbpsJ-4 )240 J-1( 397.200 MbpsOC-9/STS-9/STM-3 466.56 MbpsE-5 )256 E-1( 565.148 MbpsATM* 622.08 MbpsOC-12/STS-12/STM-4 622.08 MbpsOC-18/STS-18/STM-6 933.12 MbpsGigabit Ethernet 1000Base-X 1 Gbps


38


Name SpeedOC-24/STS-24/STM-8 1.24416 GbpsOC-36/STS-36/STM-12 1.86624 GbpsOC-48/STM-16 2.48832 GbpsOC-96/STS-96/STM-32 4.97664 GbpsOC-192/STS-192/STM-64 9.95328 Gbps10 Gigabit Ethernet WAN 9.95328 Gbps10 Gigabit Ethernet LAN 10 GbpsOC-256/STS-256 13.27104 GbpsOC-384/STS-384/STM-128 19.90656 GbpsOC-768/STS-768/STM-256 39.81312 GbpsOC-1536/STS-1536/STM-512 79.62624 GbpsOC-3072/STS-3072/STM-1024 159.25248 Gbps

OC-X: X refers to the Optical Carrier Level, from North American SONET )ANSI(STS-X: X refers to the Electrical Carrier Level, from North American SONET )ANSI(STM-X: X refers to the International SDH )Synchronous Digital Hierachy( Level )ITU-T(


GSMپروتکل Global System for Mobile

Communications

GSM، کانال فرکانسی تقسیم 124پهنای باند را به اسالت زمانی تعریف میشود 8میکند. در هر کانال

و هر اسالت به یک کاربر اختصاص می یابد

40cn ch2

دسترسی چندگانه تقسیم کد(CDMA – Code Division Multiple

Access)

• .تمامی ایستگاه ها در تمامی زمانها به تمامی پهنای باند دسترسی دارند• .ارسالهای همزمان از طریق کد با هم متمایز میشوند• سیگنال نهایی از ترکیب سیگنال ارسال شده توسط همه کاربران تولید

.میشود• دنباله کداز آنجا که کد اختصاص یافته به هر کاربر که اصطالحا̈ )chip

sequence( بر دیگر کدها عمود است لذا در گیرنده میتوان سیگنال هر.کاربر را از سیگنال مجموع جدا نمود

• سیگنال دیگر ایستگاه ها نویز تلقی خواهد شد و از سیگنال اصلی جدا میشود• بیتی ارسال 128 تا 64در این روش بجای ارسال صفر یا یک یک دنباله

.میشود• میتواند بصورت زیر A بیتی اختصاص یافته به ایستگاه8برای مثال یک دنباله

باشد• 00011011. • ارسال و برای ارسال بیت 00011011 همین کد یعنی، 1برای ارسال بیت

. ارسال میشود11100100 کد 0

مثال دسترسی چندگانه تقسیم کد

چهار ایستگاه کاری قصدارسال اطالعات دارند.

کد اختصاص یافته به هرایستگاه نشان داده شده

است. در گیرنده با داشتن کد

ایستگاه میتوان از سیگنال مجموع دریافت شده، دنباله ارسالی را

تشخیص داد.

CDMAفرایند کدینگ و دیکدینگ در

slot 1 slot 0

d1 = -1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

Zi,m= di.cm

d0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutput

channel output Zi,m

فرستنده

کدایستگاه

دنباله بیتیبرای ارسال

slot 1 slot 0

d1 = -1

d0 = 1

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 1 1

1- 1- 1- 1-

1 1 11

1-1- 1- 1-

slot 0channeloutput

slot 1channeloutputگیرنده

کدایستگاه

ورودیدریافت شده

Di = Σ Zi,m.cm

m=1

M

M

بررسی فرایند ترکیب و تفکیک اطالعات دو ایستگاه

Documents

شبکه های کامپیوتری