Transcript دانلود - دانشگاه شاهد

‫شبکه های کامپیوتری‬
‫فصل سوم‪:‬‬
‫الیه فیزیکی (‪)Physical Layer‬‬
‫وحید حقیقت دوست‬
‫دانشکده فنی و مهندس ی دانشگاه شاهد‬
‫‪1‬‬
‫مبانی تئوری مخابرات داده‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪2‬‬
‫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
‫‪3‬‬
‫تجزیه فوریه سیگنال‬
‫‪‬‬
‫یادآوری‪:‬‬
‫‪‬‬
‫هر سیگنال متناوب )‪ g(t‬با دوره تناوب ‪ T‬را میتوان بصورت مجموعی از‬
‫توابع سینوس ی و کسینوس ی نوشت که به آن سری فوریه میگویند‪:‬‬
‫‪‬‬
‫) ‪a sin( 2  nft )   b cos( 2  nft‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫بطوری که ‪ f = 1/T‬را فرکانس پایه و ‪ an‬و ‪ bn‬را دامنه ‪ n‬امین هارمونی‬
‫میگویند‬
‫در خصوص سیگنالهای نامتناوب‪ ،‬آنها را بصورت مقطعی پردازش میکنند و یا‬
‫از تبدیل فوریه استفاده میشود‪.‬‬
‫‪n‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪4‬‬
‫‪‬‬
‫‪1‬‬
‫‪c‬‬
‫‪n‬‬
‫‪n 1‬‬
‫‪n 1‬‬
‫‪g (t ) ‬‬
‫‪ 15‬ضریب اول فوریه‬
‫سیگنال دیجیتالی اولیه‬
‫سیگنال باز سازی شده با استفاده از اولین ضریب‬
‫‪5‬‬
‫سیگنال باز سازی شده با استفاده از دو ضریب اول‬
‫سیگنال باز سازی شده با استفاده از ‪ 4‬ضریب اول فوریه‬
‫سیگنال باز سازی شده با استفاده از ‪ 8‬ضریب اول فوریه‬
‫‪6‬‬
‫محدودیت پهنای باند‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫اگر نرخ انتقال بیت برابر ‪ b‬بیت بر ثانیه باشد‪ ،‬زمان الزم برای ارسال ‪ 8‬بیت بطوری که در هر زمان یک بیت ارسال‬
‫شود برابر ‪ 8/b‬ثانیه است‪ .‬لذا فرکانس هارمونی اول برای ارسال یک بایت ‪ b/8‬هرتز است‪.‬‬
‫فرکانس قطع در خطوط تلفن ‪3000‬هرتز است‪.‬‬
‫بدین معنی است که شماره بزرگترین هارمونی که میتواند در خطوط تلفن ارسال شود برابر مقدار زیر است‪:‬‬
‫‪24000‬‬
‫‪b‬‬
‫‪7‬‬
‫‪‬‬
‫‪3000‬‬
‫‪b‬‬
‫‪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 ‪ 300‬بیت در ثانیه را در نظر بگیرید‬
‫)‪T= 8/300=0.02667 (sec) = 26.67 (msec‬‬
‫‪= 300 b/s‬نرخ ارسال‬
‫‪= 300/8=37.5 Hz‬فرکانس اولین هارمونی‬
‫‪= 3000/37.5=80‬تعداد هارمونی های قابل ارسال‬
‫‪OK‬‬
‫‪8‬‬
‫‪Not‬‬
‫‪OK‬‬
‫کدینگ دیجیتال‬
‫‪(a)Unipolar NRZ signaling.‬‬
‫‪(b) Polar NRZ signaling.‬‬
‫ولتاژ منفی ‪0:‬‬
‫ولتاژ مثبت ‪1:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪9‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪(e) Split-phase or Manchester code.‬‬
‫نوسان از سطح ولتاژ منفی به سطح ولتاژ مثبت ‪0:‬‬
‫نوسان از سطح ولتاژ مثبت به سطح ولتاژ منفی ‪1:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪(d) Bipolar RZ signaling.‬‬
‫ولتاژ صفر ‪0:‬‬
‫نوسان به ولتاژ مثبت یا منفی (متناوب) و بازگشت به صفر ‪1:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪(c) Unipolar RZ signaling.‬‬
‫ولتاژ صفر ‪0:‬‬
‫نوسان به ولتاژ مثبت و بازگشت به صفر ‪1:‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫کدینگ ‪ :‬نرخ ارسال سمبول و نرخ ارسال بیت (‬
‫‪)Bit Rate vs. Baud Rate‬‬
‫‪10‬‬
‫حداکثر نرخ ارسال کانال‬

Nyquist’s Theorem
Max. data rate = 2 H log 2 V bits/sec
(Noiseless Channel)

where V represent No. of discrete level of signals.
Shannon’s Theorem
Max. data rate = H log 2 (1  S ) bits/sec
N
(Noisy Channel)
where S/N represent signal-to-noise ratio.
11
Signal
Signal + noise
Noise
High
SNR
Noise
Signal
t
t
t
Signal + noise
Low
SNR
t
t
t
Average signal power
SNR =
Average noise power
SNR (dB) = 10 log10 SNR
Figure 3.11
12
‫حداکثر نرخ ارسال در کانال بدون نویز‬
‫‪13‬‬
‫حداکثر نرخ ارسال در کانال نویزی‬
‫‪14‬‬
‫رسانه های ارتباطی‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪15‬‬
‫زوج به هم تابیده (‪)Twisted Pair‬‬
‫کابل هم محور (‪)Coaxial Cable‬‬
‫فیبر نوری (‪)Fiber Cables‬‬
‫وایرلس‬
)Twisted Pair( ‫زوج به هم تابیده‬
(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
16
Physical Media
Shielded Twisted Pair (STP)
Unshielded Twisted Pair (UTP)
18
Coaxial Cable
19
Coaxial Cable (2)

Coaxial cable (coax)
–
–
–
better shielding
longer distances at higher speeds
two kinds
•
•

Bandwidth
–

50-ohm cable: digital transmission
75-ohm cable: analog transmission
1-km cable: 1-2 Gbps
Application
–
–
telephones system: coaxial cable are being replaced by fiber optics
widely used for cable TV
20
‫فیبر نوری‬
‫هسته شیشه ای در بین دو قالف قرار دارد‪.‬‬
‫یکی از جنس شیشه و دیگری از جنس پالستیک‬
‫‪21‬‬
‫فرکانس های کاری فیبر نوری‬
‫‪22‬‬
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
24
PM ‫ و‬AM ‫ترکیب تکنولوژی های‬
(a) QPSK.
(b) QAM-16.
(c) QAM-64.
‫انواع روشهای تسهیم سازی ( ‪)Multiplexing‬‬
‫اشتراک زمانی‬
‫سنکرون ( ‪TDM‬‬
‫و ‪)TDMA‬‬
‫اشتراک فرکانس ی‬
‫(‪ FDMA‬و‬
‫‪)FDM‬‬
‫‪26‬‬
‫مالتی پلکس‬
‫کردن آماری‬
‫(‪)SM‬‬
‫اشتراک کد‬
‫(‪)CDMA‬‬
‫پنج روش تسهیم‬
‫سازی و دسترس ی‬
‫مشترک به کانال‬
‫اشتراک طول‬
‫موج‬
‫( ‪)WDM‬‬
‫تسهیم سازی و دسترس ی چندگانه‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪27‬‬
‫از تسهیم سازی برای ترکیب خطوط با نرخ ارسال پایین تر در یک خط با‬
‫نرخ ارسال بیشتر استفاده میشود‬
‫در دسترس ی چندگانه‪ ،‬تمامی ایستگاه ها به رسانه مشترک دسترس ی 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.
28
‫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).
29
‫تسهیم سازی پهنای باند‬
Wavelength Division Multiplexing (WDM)
30
FDM ‫ و‬TDM ‫سوئیچینگ مداری با استفاده از‬
Example:
FDM
4 users
frequency
time
TDM
frequency
time
31
‫‪Time Division Multiplexing‬‬
‫تسهیم سازی خطوط ‪ T1‬درون خطوط با سرعت باالتر‬
‫‪32‬‬
SONET STS-1 frame
90 columns
9 rows
framing
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/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.
34
Network Connection Speeds Reference (link)
Name
Analog POTS Modem
ITU V.21
ITU V.22
ITU V.22bis
ITU V.29/V.32
Facsimile (Fax)
Cellular Digital Packet Data (CDPD)
ITU V.32bis
HSCSD
ITU V.34 (V.fast)
ITU V.90
T-0/E-0/J-0/DS-0 (1 Voice Channel)
N-ISDN (Narrowband)
Fractional T-1 (64kbps Increments)
GPRS
ISDN BRI (Basic Rate 2B+D, B = 64 kbps, D = 16 kbps)
EDGE
Bluetooth
Speed
300 bps - 56.7 kbps
300 bps
1.2 kbps
2.4 kbps
9.6 kbps
9.6 - 14.4 kbps
9.6 - 14.4 kbps
14.4 kbps
28.8 - 56.0 kbps
33.6 kbps
56.0 kbps
64 kbps
64 kbps
64.0 kbps - 1.544 Mbps
114 kbps
144 kbps
384 kbps
723 kbps
35
Network Connection Speeds Reference (link)
Name
StarLAN
ISDN PRI (Primary Rate 23B+D, B = 64 kbps, D = 64kbps)
T-1/J-1 (24 Voice Channels)
WCDMA/WTDMA
E-1 (30 Voice, 2 Control(64 kbps) Channels)
ARCnet
T-1C/J-1C (2 T-1/J-1)
UMTS
Token Ring
T-2/J-2 (4 T-1/J-1)
E-2 (4 E-1)
Ethernet 10Base-X
802.11b (WiFi)
Fast Token Ring
J-3 (20 J-1)
E-3 (16 E-1)
T-3 (28 T-1)
OC-1/STS-1
Speed
1 Mbps
1.544 Mbps
1.544 Mbps
2 Mbps
2.048 Mbps
2.5 Mbps
3.152 Mbps
3.5 Mbps
4 Mbps
6.312/6.443 Mbps **
8.448 Mbps
10 Mbps
11 Mbps
16 Mbps
32.064 Mbps
34.368 Mbps
44.736 Mbps
51.84 Mbps
36
Network Connection Speeds Reference (link)
Name
802.11a/g
T-3C (56 T-1)
J-3C (60 J-1)
Fast Ethernet 100Base-X
100VG Anylan
High Speed Token Ring
FDDI/CDDI
TS-3D/DS-3D
E-4 (64 E-1)
ATM*
OC-3/STS-3/STM-1
T-4 (168 T-1)
J-4 (240 J-1)
OC-9/STS-9/STM-3
E-5 (256 E-1)
ATM*
OC-12/STS-12/STM-4
OC-18/STS-18/STM-6
Gigabit Ethernet 1000Base-X
Speed
54 Mbps
89.472 Mbps
97.728 Mbps
100 Mbps
100 Mbps
100 Mbps
100 Mbps
135 Mbps
139.264 Mbps
155.52 Mbps
155.52 Mbps
274.176 Mbps
397.200 Mbps
466.56 Mbps
565.148 Mbps
622.08 Mbps
622.08 Mbps
933.12 Mbps
1 Gbps
37
Network Connection Speeds Reference (link)
Name
OC-24/STS-24/STM-8
OC-36/STS-36/STM-12
OC-48/STM-16
OC-96/STS-96/STM-32
OC-192/STS-192/STM-64
10 Gigabit Ethernet WAN
10 Gigabit Ethernet LAN
OC-256/STS-256
OC-384/STS-384/STM-128
OC-768/STS-768/STM-256
OC-1536/STS-1536/STM-512
OC-3072/STS-3072/STM-1024
Speed
1.24416 Gbps
1.86624 Gbps
2.48832 Gbps
4.97664 Gbps
9.95328 Gbps
9.95328 Gbps
10 Gbps
13.27104 Gbps
19.90656 Gbps
39.81312 Gbps
79.62624 Gbps
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)
38
‫پروتکل ‪GSM‬‬
‫‪Global System for Mobile Communications‬‬
‫‪ ،GSM‬پهنای باند را به ‪ 124‬کانال فرکانس ی تقسیم میکند‪ .‬در هر کانال ‪8‬‬
‫اسالت زمانی تعریف میشود و هر اسالت به یک کاربر اختصاص می یابد‬
‫دسترس ی چندگانه تقسیم کد‬
‫)‪(CDMA – Code Division Multiple Access‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪40‬‬
‫تمامی ایستگاه ها در تمامی زمانها به تمامی پهنای باند دسترس ی 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 اصطالحا دنباله کد (‪ )chip sequence‬بر 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 ‪ 64‬تا ‪ 128‬بیتی ارسال میشود‪.‬‬
‫برای مثال یک دنباله ‪ 8‬بیتی اختصاص یافته به ایستگاه ‪ A‬میتواند بصورت زیر باشد‬
‫‪00011011.‬‬
‫برای ارسال بیت ‪ 1‬همین کد یعنی‪ 00011011 ،‬ارسال و برای ارسال بیت ‪ 0‬کد ‪ 11100100‬ارسال‬
‫میشود‪.‬‬
‫‪cn ch2‬‬
‫مثال دسترس ی چندگانه تقسیم کد‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫چهار ایستگاه کاری قصد ارسال‬
‫اطالعات 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.‬‬
CDMA ‫فرایند کدینگ و دیکدینگ در‬
‫فرستنده‬
‫دنباله بیتی‬
‫برای ارسال‬
‫کد‬
‫ایستگاه‬
Zi,m= di.cm
d0 = 1
channel output Zi,m
-1 -1 -1
1 1 1
1
-1
1 1 1
-1 -1 -1
slot 1
-1
-1 -1 -1
slot 0
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
channel
output
slot 1
channel
output
1
-1
1 1 1 1 1 1
1
d1 = -1
M
Di = Σ Zi,m.cm
m=1
‫ورودی‬
‫دریافت شده‬
‫گیرنده‬
‫کد‬
‫ایستگاه‬
1 1 1 1 1 1
1
-1 -1 -1
-1
1 1 1
1
-1
1 1 1
slot 1
d0 = 1
-1 -1 -1
-1
-1 -1 -1
M
1
1
-1
-1 -1 -1
slot 0
d1 = -1
slot 1
channel
output
slot 0
channel
output
‫بررسی فرایند ترکیب و تفکیک اطالعات دو ایستگاه‬