فصل سوم: لایه فیزیکی (Physical Layer) شبکه های کامپیوتری فصل سوم: لایه فیزیکی (Physical Layer) وحید حقیقت دوست دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شاهد

مبانی تئوری مخابرات داده آنالیز فوریه (Fourier Analysis) محدودیت پهنای باند سیگنالها (Bandwidth-Limited) حداکثر نرخ ارسال کانال (Maximum Data Rate of a Channel)

داده ها باید بصورت سیگنالهای الکتریکی انتقال یابند

تجزیه فوریه سیگنال یادآوری: هر سیگنال متناوب g(t) با دوره تناوب T را میتوان بصورت مجموعی از توابع سینوسی و کسینوسی نوشت که به آن سری فوریه میگویند: بطوری که f = 1/T را فرکانس پایه و an و bn را دامنه n امین هارمونی میگویند در خصوص سیگنالهای نامتناوب، آنها را بصورت مقطعی پردازش میکنند و یا از تبدیل فوریه استفاده میشود.

سیگنال باز سازی شده با استفاده از اولین ضریب سیگنال دیجیتالی اولیه 15 ضریب اول فوریه سیگنال باز سازی شده با استفاده از اولین ضریب سیگنال باز سازی شده با استفاده از دو ضریب اول

سیگنال باز سازی شده با استفاده از 4 ضریب اول فوریه سیگنال باز سازی شده با استفاده از 8 ضریب اول فوریه

محدودیت پهنای باند اگر نرخ انتقال بیت برابر b بیت بر ثانیه باشد، زمان لازم برای ارسال 8 بیت بطوری که در هر زمان یک بیت ارسال شود برابر 8/b ثانیه است. لذا فرکانس هارمونی اول برای ارسال یک بایت b/8 هرتز است. فرکانس قطع در خطوط تلفن 3000 هرتز است. بدین معنی است که شماره بزرگترین هارمونی که میتواند در خطوط تلفن ارسال شود برابر مقدار زیر است:

رابطه بین نرخ ارسال و تعداد هارمونی های قابل ارسال 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 ارسال 300 بیت در ثانیه را در نظر بگیرید نرخ ارسال= 300 b/s T= 8/300=0.02667 (sec) = 26.67 (msec) فرکانس اولین هارمونی= 300/8=37.5 Hz تعداد هارمونی های قابل ارسال= 3000/37.5=80 OK Not

کدینگ دیجیتال (a)Unipolar NRZ signaling. (b) Polar NRZ signaling. 0: ولتاژ صفر 1: ولتاژ مثبت (b) Polar NRZ signaling. 0: ولتاژ منفی (c) Unipolar RZ signaling. 1: نوسان به ولتاژ مثبت و بازگشت به صفر (d) Bipolar RZ signaling. 1: نوسان به ولتاژ مثبت یا منفی (متناوب) و بازگشت به صفر (e) Split-phase or Manchester code. 0: نوسان از سطح ولتاژ منفی به سطح ولتاژ مثبت 1: نوسان از سطح ولتاژ مثبت به سطح ولتاژ منفی

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

حداکثر نرخ ارسال کانال Max. data rate = (Noiseless Channel) Nyquist’s Theorem Max. data rate = (Noiseless Channel) where V represent No. of discrete level of signals. Shannon’s Theorem (Noisy Channel) where S/N represent signal-to-noise ratio.

Signal + noise Signal Noise High SNR t Low Average signal power SNR = Average noise power SNR (dB) = 10 log10 SNR Signal Noise Signal + noise High SNR t Low Figure 3.11

حداکثر نرخ ارسال در کانال بدون نویز

حداکثر نرخ ارسال در کانال نویزی

رسانه های ارتباطی زوج به هم تابیده (Twisted Pair) کابل هم محور (Coaxial Cable) فیبر نوری (Fiber Cables) وایرلس

زوج به هم تابیده (Twisted 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

Shielded Twisted Pair (STP) Physical Media Shielded Twisted Pair (STP)

Unshielded Twisted Pair (UTP)

Coaxial Cable

Coaxial Cable (2) better shielding longer distances at higher speeds 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

فیبر نوری هسته شیشه ای در بین دو قلاف قرار دارد. یکی از جنس شیشه و دیگری از جنس پلاستیک

فرکانس های کاری فیبر نوری

Ray description of different fibers

عملکرد مودم تبدیل سیگنال دیجیتال به سیگنال آنالوگ (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation

ترکیب تکنولوژی های AM و PM (a) QPSK. (b) QAM-16. (c) QAM-64.

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)

تسهیم سازی و دسترسی چندگانه از تسهیم سازی برای ترکیب خطوط با نرخ ارسال 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

تسهیم سازی فرکانس Frequency Division Multiplexing (FDM) (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (c) The multiplexed channel.

تسهیم سازی زمانی Time Division Multiplexing (TDM) 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 The T1 carrier (1.544 Mbps).

تسهیم سازی پهنای باند Wavelength Division Multiplexing (WDM)

سوئیچینگ مداری با استفاده از TDM و FDM 4 users Example: FDM frequency time TDM frequency time

Time Division Multiplexing

Synchronous Transfer Signals are bit-signals (OC are optical) SONET STS-1 frame 90 columns framing 9 rows Synchronous Transfer Signals are bit-signals (OC are optical) 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

SONET and SDH multiplex rates. SONET/SDH 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 SONET and SDH multiplex rates.

Network Connection Speeds Reference (link) Name Speed Analog POTS Modem 300 bps - 56.7 kbps ITU V.21 300 bps ITU V.22 1.2 kbps ITU V.22bis 2.4 kbps ITU V.29/V.32 9.6 kbps Facsimile (Fax) 9.6 - 14.4 kbps Cellular Digital Packet Data (CDPD) ITU V.32bis 14.4 kbps HSCSD 28.8 - 56.0 kbps ITU V.34 (V.fast) 33.6 kbps ITU V.90 56.0 kbps T-0/E-0/J-0/DS-0 (1 Voice Channel) 64 kbps N-ISDN (Narrowband) Fractional T-1 (64kbps Increments) 64.0 kbps - 1.544 Mbps GPRS 114 kbps ISDN BRI (Basic Rate 2B+D, B = 64 kbps, D = 16 kbps) 144 kbps EDGE 384 kbps Bluetooth 723 kbps

Network Connection Speeds Reference (link) Name Speed StarLAN 1 Mbps ISDN PRI (Primary Rate 23B+D, B = 64 kbps, D = 64kbps) 1.544 Mbps T-1/J-1 (24 Voice Channels) WCDMA/WTDMA 2 Mbps E-1 (30 Voice, 2 Control(64 kbps) Channels) 2.048 Mbps ARCnet 2.5 Mbps T-1C/J-1C (2 T-1/J-1) 3.152 Mbps UMTS 3.5 Mbps Token Ring 4 Mbps T-2/J-2 (4 T-1/J-1) 6.312/6.443 Mbps ** E-2 (4 E-1) 8.448 Mbps Ethernet 10Base-X 10 Mbps 802.11b (WiFi) 11 Mbps Fast Token Ring 16 Mbps J-3 (20 J-1) 32.064 Mbps E-3 (16 E-1) 34.368 Mbps T-3 (28 T-1) 44.736 Mbps OC-1/STS-1 51.84 Mbps

Network Connection Speeds Reference (link) Name Speed 802.11a/g 54 Mbps T-3C (56 T-1) 89.472 Mbps J-3C (60 J-1) 97.728 Mbps Fast Ethernet 100Base-X 100 Mbps 100VG Anylan High Speed Token Ring FDDI/CDDI TS-3D/DS-3D 135 Mbps E-4 (64 E-1) 139.264 Mbps ATM* 155.52 Mbps OC-3/STS-3/STM-1 T-4 (168 T-1) 274.176 Mbps J-4 (240 J-1) 397.200 Mbps OC-9/STS-9/STM-3 466.56 Mbps E-5 (256 E-1) 565.148 Mbps 622.08 Mbps OC-12/STS-12/STM-4 OC-18/STS-18/STM-6 933.12 Mbps Gigabit Ethernet 1000Base-X 1 Gbps

Network Connection Speeds Reference (link) Name Speed OC-24/STS-24/STM-8 1.24416 Gbps OC-36/STS-36/STM-12 1.86624 Gbps OC-48/STM-16 2.48832 Gbps OC-96/STS-96/STM-32 4.97664 Gbps OC-192/STS-192/STM-64 9.95328 Gbps 10 Gigabit Ethernet WAN 10 Gigabit Ethernet LAN 10 Gbps OC-256/STS-256 13.27104 Gbps OC-384/STS-384/STM-128 19.90656 Gbps OC-768/STS-768/STM-256 39.81312 Gbps OC-1536/STS-1536/STM-512 79.62624 Gbps OC-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)

پروتکل GSM Global System for Mobile Communications

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. از آنجا که کد اختصاص یافته به هر کاربر که اصطلاحاً دنباله کد (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 در این روش بجای ارسال صفر یا یک یک دنباله 64 تا 128 بیتی ارسال میشود. برای مثال یک دنباله 8 بیتی اختصاص یافته به ایستگاه A میتواند بصورت زیر باشد 00011011. برای ارسال بیت 1 همین کد یعنی، 00011011 ارسال و برای ارسال بیت 0 کد 11100100 ارسال میشود. cn ch2

مثال دسترسی چندگانه تقسیم کد چهار ایستگاه کاری قصد ارسال اطلاعات دارند. کد اختصاص یافته به هر ایستگاه نشان داده شده است. در گیرنده با داشتن کد ایستگاه میتوان از سیگنال مجموع دریافت شده، دنباله ارسالی را تشخیص داد.

فرایند کدینگ و دیکدینگ در CDMA slot 1 slot 0 d1 = -1 1 - Zi,m= di.cm d0 = 1 channel output channel output Zi,m فرستنده کد ایستگاه دنباله بیتی برای ارسال گیرنده ورودی دریافت شده Di = Σ Zi,m.cm m=1 M

بررسی فرایند ترکیب و تفکیک اطلاعات دو ایستگاه