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

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

3. داده ها باید بصورت سیگنالهای الکتریکی انتقال یابند

4. 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.

5. 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

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

7. 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:

8. 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= (sec) = (msec)
فرکانس اولین هارمونی= 300/8=37.5 Hz
تعداد هارمونی های قابل ارسال= 3000/37.5=80 OK
Not

9. 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

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

11. 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.

12. 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

13. حداکثر نرخ ارسال در کانال بدون نویز

14. حداکثر نرخ ارسال در کانال نویزی

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

16. 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

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

18. Unshielded Twisted Pair (UTP)

19. Coaxial Cable

20. 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

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

22. فرکانس های کاری فیبر نوری

23. Ray description of different fibers

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

25. ترکیب تکنولوژی های AM و PM
(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 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

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

29. 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).

30. تسهیم سازی پهنای باند Wavelength Division Multiplexing (WDM)

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

32. Time Division Multiplexing

33. 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 Mbps

34. 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.

35. Network Connection Speeds Reference (link)
Name
Speed
Analog POTS Modem
300 bps 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)
kbps
Cellular Digital Packet Data (CDPD)
ITU V.32bis
14.4 kbps
HSCSD
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 Mbps
GPRS
114 kbps
ISDN BRI (Basic Rate 2B+D, B = 64 kbps, D = 16 kbps)
144 kbps
EDGE
384 kbps
Bluetooth
723 kbps

36. 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)
Mbps
E-3 (16 E-1)
Mbps
T-3 (28 T-1)
Mbps
OC-1/STS-1
51.84 Mbps

37. Network Connection Speeds Reference (link)
Name
Speed
802.11a/g
54 Mbps
T-3C (56 T-1)
Mbps
J-3C (60 J-1)
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)
Mbps
ATM*
Mbps
OC-3/STS-3/STM-1
T-4 (168 T-1)
Mbps
J-4 (240 J-1)
Mbps
OC-9/STS-9/STM-3
Mbps
E-5 (256 E-1)
Mbps
Mbps
OC-12/STS-12/STM-4
OC-18/STS-18/STM-6
Mbps
Gigabit Ethernet 1000Base-X
1 Gbps

38. Network Connection Speeds Reference (link)
Name
Speed
OC-24/STS-24/STM-8
Gbps
OC-36/STS-36/STM-12
Gbps
OC-48/STM-16
Gbps
OC-96/STS-96/STM-32
Gbps
OC-192/STS-192/STM-64
Gbps
10 Gigabit Ethernet WAN
10 Gigabit Ethernet LAN
10 Gbps
OC-256/STS-256
Gbps
OC-384/STS-384/STM-128
Gbps
OC-768/STS-768/STM-256
Gbps
OC-1536/STS-1536/STM-512
Gbps
OC-3072/STS-3072/STM-1024
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)

39. پروتکل GSM Global System for Mobile Communications

40. 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
برای ارسال بیت 1 همین کد یعنی، ارسال و برای ارسال بیت 0 کد ارسال میشود.
cn ch2

41. 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.

42. 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

43. بررسی فرایند ترکیب و تفکیک اطلاعات دو ایستگاه