„Fizikai szintű” kommunikáció Bitfolyamok továbbítása hírközlő csatornákon 3. rész: Gyakorlati kérdések
1
Hírközlő csatornák a gyakorlatban (Réz)vezetékes csatornák Fényvezetős (üvegszálas) csatornák Vezetéknélküli csatornák szabadtéri fényátvitel infravörös átvitel rádiós átvitel földfelszíni műholdas ezen belül mobil
2
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
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
Sodrott érpáras kábelek Jelölések: S – shielded (fémhálóval) F – foiled (árnyékolás fémlemezzel)
Cat6, Cat7: újabb, még nagyobb sávsz.-t biztosító kábelek, nem terjedtek el 5
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
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
Illusztráció: Strukturált kábelezés többszintű épületben
8
Illusztráció: a strukturált kábelezési rendszer elemei
9
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
Példa vezetékes hálózatra: adatátvitel az analóg nyilvános kapcsolt távbeszélő hálózaton
11
A PSTN (public switched telephone network) fő elemei
12
Kábeltévé-hálózat Tipikusan 500...5000 lakás
fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve)
lakás
13
Kábeltévé-hálózat szerverek
fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve)
lakás 14
Kábeltévé-hálózat
fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve)
lakás 15
Kábeltévé-hálózat FDM: V I D E O 1
V I D E O 2
V I D E O 3
V I D E O 4
V I D E O 5
V I D E O 6
D A T A 7
D A T A 8
C O N T R O L 9
Csatornák
fejállomás (headend) szétosztó hálózat (leegyszerűsítve)
lakás 16
Átvitel a látható fény tartományában: optikai „ablakok”
17
Terjedés üvegszálban β1
Üveg
α1
Levegő
β2
α2
β2
Levegő/üveg határ
α3 Teljes belső visszaverődés
Fényforrás 18
Optikai szál Cladding Core Cladding
Core and cladding
Cladding
Cladding
Core
n1
n2
Radial distance
a) Step-index fiber
Refractive index
Refractive index
Core
n1
n2
Radial distance
b) graded-index fiber 19
A fénysugár betáplálása a szálba
Cladding Cladding Core
θl
θι
Core
θr
Cladding Cladding
Cladding Optical transmitter
Core Cladding
20
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
A módusok kialakulása
Cladding
Cladding
a) step-index fiber Cladding
Cladding
b) Graded-index fiber 22
Monomódusú szál
Cladding
Cladding
23
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
Üvegszálas kábelek konstrukciója
25
Optikai hálózati elemek Adók LED lézer
Vevők fotodióda
Erősítő Szűrő Szétosztó-összegző
26
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
Optikai hálózatok: optikai gyűrű Számítógép
Számítógép felé/felől Rézvezeték terf Az in
szlete é r z és
i
A fény terjedési iránya
Üvegszál Fényvezető kábel
Interfész
Optikai vevő
Jelgenerátor
Optikai adó
(fotodióda)
(elektromos)
(LED)
28
Példa üvegkábeles hálózatra: HFC
29
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
Szabadtéri optikai összeköttetés kültéri egysége
31
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
Az elektromágneses hullámtartomány f(Hz) 100
102
104
106
108
Rádióhullámok
1010
Mikrohullámok
1012
1014
1016
Infravörös
105
106
107
108
1024
Kozmikus sugarak
1010
Ultraibolya sugarak 1011
1012
Műholdas adás
1013
1014
1015
1016
Fényvezető szál
Koaxiális kábel Földi mikrohullámú adás
AM Hajózás
1022
sugarak
109
Sodrott érpár
1020
Röntgensugarak
Látható fény f(Hz) 104
1018
FM rádió
rádió TV
Sáv
LF
MF
HF
VHF
UHF
SHF
EHF
THF 33
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
Fő hullámterjedési módok
35
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
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
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
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
Közvetlen rálátásos és rálátás nélküli összeköttetések Nagyvárosi környezet: visszaverődések az épületekről, az épületek árnyékoló hatása
Rurális környezet: csillapítás a növényzet miatt
40
A közvetlen rálátás definíciója a Fresnelzónák alapján
41
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
Példa: műholdas terminálhálózat, „hub” alkalmazásával
43
Példa: földfelszíni pont-pont mikrohullámú összeköttetés Kültéri egység
Beltéri egység 44
Példa: földfelszíni pont-pont mikrohullámú összeköttetés
Kültéri egység
Beltéri egység
45
Példa: cellás mobil rádióhálózat
46
Példa: cellás mobil rádióhálózat MSC/VLR IWF
MS BSC
BTS
EIR
AuC HLR
MS
PSTN
BSC
BTS
MSC/VLR IWF
MS BTS BSC
47
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
FDM, TDM – több jelforrás egyetlen csatornán való átvitelének módszerei
Többcsatornás átvitel multiplexeléssel 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
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
